一种变流器模块功能检测装置及方法与流程

本发明主要涉及变流器测试技术领域，特指一种变流器模块功能检测装置及方法。

背景技术：

轨道列车上的牵引变流器是一个将交流电整流成直流电再将直流电逆变成交流电，或直接将直流电逆变成交流电的电能转换部件，其输出的交流电送给列车上的牵引电机，为电机的运转提供能量来源，从而带动列车运行。

作为轨道列车动力系统中的核心部件。牵引变流器功能的好坏将直接影响列车的运行和安全。因此为了保障牵引变流器的功能正常和稳定,对变流器进行检测维护是一项必不可少的工作。

列车上的牵引变流器是由：变流器柜体、变流器模块、功率开关器件、电容、连接器、母线等器件组成，而变流器模块是变流器产品中的核心部件，通常对变流器产品进行检测试验的手段有高压试验，高压试验主要是模拟实际工况，按照实际功率的要求给被测变流器通高压电源，考核其高压状态下的各项电气性能，这通常是用于产品的出厂试验；由于牵引变流器是列车上的一个大功率部件，单个变流器的功率往往达到几十kva甚至上百kva，因此如果按照常规方法对其进行高压试验时，将会伴随一系列的问题：

1)变流器高压试验检测过程存在一定的安全隐患问题；

如果按照常规高压试验方法对变流器进行检测试验，一般其输入端的直流电压在几百伏(如dc750v)至几千伏(如dc4000v)a之间，这必然带来一定的安全隐患。

2)应用现场变流器检测过程中需要提供大功率测试设备(含场地和供电问题)；尤其是应用现场的检修维护，常规的高电压大功率检测方案，需要测试设备提供大功率的电源，负载及其它功率器件，不仅需要占用较大的场地空间，而且对试验场地的供电能力也有要求，耗费的资源大，造成检测试验成本高，并且也严重影响变流器的的检测效率。

3)变流器检测时需要进行拆卸；

由于常规检测方案中检测设备体积大、重量重、供电不方便(系统供电为ac380v,且功率大)等，致使检测设备本身不便于移动,故在需要对变流器进行检测时，就需要将变流器(或其内部核心模块)从列车上拆下来，运至试验设备所处的试验场地才能检测，检测结束后又将将变流器(或其核心模块)重新装回列车，这在一定程度上影响测试效率，也会带来一定的产品拆装风险。

4)变流器模块中续流二极管检测困难；

用于变流器模块电路中的续流二极管有正向功能(近似短路)和反向功能(近似断路)，如果按照常规的检测方法对变流器模块进行检测时，只能检测其反向功能(即近似开路)的好坏：因为当按照常规检测方案给变流器模块输入端正常输入电压，然后检测其输出信号，即使检测结果正常，也只能说明与开关元件并联的续流二极管不存在短路情况，如果续流二极管存在开路情况，则无法直接判断出来。而检测续流二极管正向功能是否正常，常规方法往往是依靠手动的方式用万用表的二极管检测功能来进行。这种检测方案不仅效率低下，而且不利于测试报告的自动生成，对检测结果的客观性存在一定的影响。

5)变流器模块故障不能准确定位；

常规的变流器检测方案只能笼统检测出变流器的功能好坏与否,不能对故障位置进行更准确的定位检测。变流器模块在正常工作时，模块本身通常能够对系统状态(一般是故障状态)进行检测并反馈给控制单元，但该信息往往比较粗糙，只能提示某相故障(如“a相故障”)，而无法进行更准确的故障定位，而实际的故障原因有可能是igbt器件、脉冲驱动单元、脉冲调理单元、甚至控制单元本身(高压环境的干扰有可能对控制单元检测结果的准确性带来一定的影响)。

除了上述高压试验方法外，也可以在变流器试验领域尝试采用低压方法进行试验，常规的试验方法是：给被测品通低压主电路电源，如dc24v，然后通过简单的手动操作开关信号，控制igbt的通断，观测信号灯判断被测品是否正常。由于手动操作开关信号是一种固定的高低电平信号，它无法检验igbt对频率开关信号的响应特性；而且上述低压试验方法只能检测续流二极管的反向特性(即是否存在短路)，而无法直接检测续流二极管的正向特性(即是否存在断路)，存在或多或少的问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、安全可靠、占用场地小、操作简便的变流器模块功能检测装置及方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种变流器模块功能检测装置，包括电源模块、信号切换单元和信号检测单元，所述电源模块的输出端经所述信号切换单元与待测变流器模块的输入端和输出端相连，用于对电源模块输出的电压进行路径切换以使电压能够加载在待测变流器的输入端或/和输出端；所述信号检测单元的输入端与待测变流器模块的输入端和输出端相连，用于检测待测变流器的输入信号和输出信号，并对各检测信号进行判断以确定变流器是否存在故障。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述电源模块的输出电压为dc12-48v。

所述电源模块为具有过流保护功能的电源，所述电源模块的输出端并联有指示灯。

所述信号切换单元包括开关kn1-kn7，所述电源模块的正极依次经kn4和kn1与待测变流器模块的输入p端相连，所述电源模块的负极经kn3与待测变流器模块的输入n端相连；kn2的一端与kn1和kn4之间的连接点相连，kn2的另一端与n端相连；kn2的一端分别经kn5、kn6和kn7与待测变流器模块的各相输出端相连。

本发明相应公开了一种基于如上所述的变流器模块功能检测装置的检测方法，包括待测变流器模块的输入输出功能检测方法，包括以下步骤：

1)电源模块通过信号切换单元向待测变流器模块的输入端输入正向电源；

2)向待测变流器模块中各个开关元件施加满足运行时序要求的控制信号；

3)信号检测单元检测待测变流器模块的各相输出信号，判断各相输出信号是否与控制信号一致，如果一致，则判断待测变流器模块正常；否则判断待测变流器模块故障，并依据各相输出信号的相位、幅值、频率和占空比，分析故障类型。

作为上述技术方案的进一步改进：

还包括待测变流器模块中续流二流管的检测方法，包括步骤：

a1、电源模块通过信号切换单元向待测变流器模块的输入端输入反向电源；

a2、检测待测变流器模块的各相输出端电压和输入端电压；

a3、比较各相输出端电压与输入端电压，根据比较值判断对应续流二极管是否存在故障。

所述信号切换单元包括开关kn1-kn7，所述电源模块的正极依次经kn4和kn1与待测变流器模块的输入p端相连，所述电源模块的负极经kn3与待测变流器模块的输入n端相连；kn2的一端与kn1和kn4之间的连接点相连，kn2的另一端与n端相连；kn2的一端分别经kn5、kn6和kn7与待测变流器模块的各相输出端相连；对应步骤a1-a3的详细步骤为：

a01、闭合kn2和kn4，其它开关断开，电源模块通过信号切换单元向待测变流器模块的输入端输入反向电源，待测变流器模块的n端接电源模块的正端，p端悬空；

a02、检测待测变流器模块的各相输出端电压和p端电压；

a03、比较各相输出端电压与输入端电压；当各相输出端电压不满足：p端电压<各相输出端电压<n端电压，则判断对应相的续流二极管存在开路故障。

还包括待测变流器模块中续流二极管的检测方法，包括步骤：

b1、电源模块通过信号切换单元向待测变流器模块的输出端输入电源；

b2、检测待测变流器模块的各相输出端电压和输入端电压；

b3、比较各相输出端电压与输入端电压，根据比较值判断对应续流二极管是否存在故障。

所述信号切换单元包括开关kn1-kn7，所述电源模块的正极依次经kn4和kn1与待测变流器模块的输入p端相连，所述电源模块的负极经kn3与待测变流器模块的输入n端相连；kn2的一端与kn1和kn4之间的连接点相连，kn2的另一端与n端相连；kn2的一端分别经kn5、kn6和kn7与待测变流器模块的各相输出端相连；对应步骤b1-b3的详细步骤为：

b01、闭合开关kn4和kn2，再依次闭合开关kn5、kn6和kn7，电源模块通过信号切换单元依次向待测变流器模块的各相输出端输入电源，待测变流器模块的n端接电源模块的正端，p端悬空；

b02、依次检测待测变流器模块的各相输出端电压和输入端电压；

b03、比较各相输出端电压与输入端电压：当各相输出端电压不满足：各相输出端电压-p点电压＝续流二极管正向压降，则判断对应续流二极管存在开路。

还包括控制电路的检测方法，包括：逐一将控制电路中的控制单元、脉冲调理单元和脉冲驱动单元进行替换，当替换后故障消除，则判断对应替换的单元故障。

所述步骤2)的控制信号为频率信号。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明的检测装置及方法，同时适用于变流器模块的出厂试验和现场检修维护，特别适合现场检修维护，可以一定程度上取代常规的高压试验方案，相对于高压试验方案，本发明的低压检测方式在成本、安全、供电要求、以及使用的便利性和检测效率等方面都存在绝对优势；在出厂试验过程中，可先采用本发明的检测装置及方法对变流器模块进行低压试验，在低压试验正常的情况下再进行高压试验，可以对被测品的功能状态进行提前预判，以免造成高压试验过程中出现不可预测的现象；在应用现场的变流器模块检修维护过程中，高压试验的必要性大大降低，便可直接采用检测装置及方法对变流器模块进行低压试验。

(2)本发明的检测装置及方法，由于电压低，功率小，故检测设备本身体积小，重量轻(属便携式设备)，即可将设备直接运至靠近被测变流器的位置，直接对变流器模块进行检测，这样不仅测试效率高，而且可大大降低变流器模块的拆装风险；而且低压检测装置的整体功率低，不需要准备大功率电源也不需要占用较大的场地空间，成本以及耗能均较低。

(3)本发明的检测装置及方法，采用频率信号取代常规低压试验方法中的开关电平信号，可以更加全面地检测igbt的开关频率响应性能，并能够通过试验波形对比进行试验结果(正常或故障)及具体故障现象(如卡分故障、开关抖动等)自动判定，有助于对igbt进行深入故障分析；

(4)本发明的检测装置及方法，能对续流二极管的功能进行全面自动检测，包括开路和短路，对比常规检测方案更加全面，自动化程度更高；

(5)本发明的检测装置及方法，能够对故障进行精准定位检测，降低了变流器模块检测的难度和变流器模块的日常维护成本。

附图说明

图1为本发明中待测变流模块的主电路拓扑图。

图2为本发明中控制电路的方框结构图之一。

图3为本发明中控制电路的方框结构图之二。

图4为本发明的检测装置应用时的具体实施例图。

图5为本发明的控制电路中脉冲调理单元的检测原理图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

本发明的变流器模块功能检测装置，适用于对已安装在轨道列车上的牵引变流器中的各变流器模块进行检测，同时也适用于对变流器模块出厂前的检测，特别适用于现场检修维护。现以三相变流器模块为例进行说明(检测装置及方法本身不受变流器模块的相数限制，同样适用于对单相变流器模块或者四相变流器模块等进行检测)：

如图1所示，三相变流器模块的主电路包括a、b、c三相，每相均由上下两个开关元件(如igbt元件)及其并联的续流二极管构成。其中p、n为直流电压输入端，l1、l2、l3为交流三相输出端。

如图2所示，三相变流器模块的控制电路如图2中的虚线框部分，前端的控制单元往往包含在变流器产品中，而不包含在变流器模块中：前端控制单元负责生成igbt原始控制脉冲，经过脉冲调理单元电路对该脉冲进行电平转换和保护功能设计等，然后再供给脉冲驱动单元进行信号驱动能力匹配变换，最后将控制信号送给igbt,从而控制igbt的开通与关断。

除了上述如图2所示结构外，也有如图3所示的控制电路，其不同点在于，图3中的控制单元包含了脉冲调理功能，即变流器模块控制电路中只有脉冲驱动功能，甚至也有将脉冲调理单元和脉冲驱动单元合二为一设计，一并放在模块控制电路中，本发明中的检测装置及检测方法能同时适用于上述多种模块控制电路设计原理。

如图4所示，本实施例的变流器模块功能检测装置，包括电源模块、信号切换单元和信号检测单元，电源模块的输出端经信号切换单元与待测变流器模块的输入端和输出端相连，用于对电源模块输出的电压进行路径切换以使电压能够任意加载在待测变流器的输入端或/和输出端；信号检测单元的输入端与待测变流器模块的输入端和输出端相连，用于检测待测变流器的输入信号和输出信号，并对各检测信号进行判断以确定变流器是否存在故障。

本实施例中，电源模块为具有过流保护功能的电源，电源模块的输出电压为dc12-48v，电源模块的输出端并联有指示灯led0。具体地，电源模块优选采用dc24v电源，作为上述检测装置的电源，本身具有过流保护的功能，led0用来指示dc24电源，在待测的变流器模块的某全桥臂，如a桥臂或b桥臂或c桥臂存在短路时，则led0会灭灯，否则led0保持常亮。当然，上述并不对电源模块的输出电压进行限定，可根据现场实际需求采用不同大小的输出电压。

如图4所示，本实施例中，信号切换单元包括开关kn1-kn7，电源模块的正极依次经kn4和kn1与待测变流器模块的输入p端相连，电源模块的负极经kn3与待测变流器模块的输入n端相连；kn2的一端与kn1和kn4之间的连接点相连，kn2的另一端与n端相连；kn2的一端分别经kn5、kn6和kn7与待测变流器模块的各相输出端相连，具体地，kn5与l1相连、kn6与l2相连、kn7与l3相连。上述信号切换单元结构简单、操作简便，能够使得电源任意加载至p端、n端、l1端、l2端或l3端，其中p端、n端、l1端、l2端或l3端不仅仅是信号施加点，同时也是信号检测点。

本发明相应公开了一种基于如上所述的变流器模块功能检测装置的检测方法，包括待测变流器模块的输入输出功能检测方法，包括以下步骤：

1)电源模块通过信号切换单元向待测变流器模块的输入端输入正向电源；

2)向待测变流器模块中各个开关元件施加满足运行时序要求的控制信号(频率信号)；

3)信号检测单元检测待测变流器模块的各相输出信号，判断各相输出信号是否与控制信号一致，如果一致，则判断待测变流器模块正常；否则判断待测变流器模块故障，并依据各相输出信号的相位、幅值、频率和占空比，分析故障类型。

具体地，变流器模块在实际正常工作时，其主电路输入电压为几百伏至几千伏，而上述检测装置为被测的三相变流器模块提供dc24v(或其它电压值)作为其主电路输入电压，若被测模块不存在某个桥臂短路时，led0保持常亮。在进行上述低压模式下的输入输出功能测试方法具体为(模块正常高压工作状态下的一些保护功能通过软硬件进行强制或屏蔽)：

依次闭合kn4、kn1、kn3，dc24v电源施加在变流器模块的主电路中；

然后为变流器模块的igbt施加满足三相运行时序要求的控制信号，使其在低压模式下(如dc24v)正常运行，然后在对变流器模块的输出信号l1、l2、l3进行检测并通过上位机pc应用软件进行波形显示；其中控制信号可按要求选择单一电平信号或者不同电压幅值或频率的脉冲信号，频率可以覆盖产品全量程(如0-2000hz)；

同时利用软件自动进行信号对比，判断输出信号相位、幅值、频率和占空比是否与控制信号一致，从而得出模块的igbt在进行开关动作时是否存在类似卡分、卡合、开关动作延迟、抖动、单管开路、单管短路等故障，并给出igbt的准确故障现象，当然通过观测波形图，也可直观地进行故障判断，最后可自动生成测试报告。

低压模式下的输入输出功能试验是变流器模块最重要的试验，若本试验功能项正常，则可判断出被测模块的控制单元、脉冲调理单元、脉冲驱动单元和igbt基本功能正常。

由于上述变流器模块的主电路输入电压为dc24v低电压，变流器模块的输出端为空载，故检测装置的总功率(包含控制电路功率)约几十瓦，所涉检测装置的体积小、重量轻、成本低且使用方便。当然，在其它实施例中，也可以根据实际需求增加合适的负载。

本实施例中，还包括待测变流器模块中续流二流管的检测方法，用于实现对续流二极管开路的检测，具体包括步骤：

a1、电源模块通过信号切换单元向待测变流器模块的输入端输入反向电源；

a2、检测待测变流器模块的各相输出端电压和输入端电压；

a3、比较各相输出端电压与输入端电压，根据比较值判断对应续流二极管是否存在故障。

具体地，结合如图4所示的信号切换单元，对应步骤a1-a3的详细步骤为：

a01、通过上位机pc应用软件闭合kn2和kn4，其它开关断开，电源模块通过信号切换单元向待测变流器模块的输入端输入反向电源，待测变流器模块的n端接电源模块的正端，p端悬空；

a02、检测待测变流器模块的各相输出端电压和p端电压；

a03、比较各相输出端电压与输入端电压；当各相输出端电压不满足：p端电压<各相输出端(l1、l2和l3)电压<n端电压，则判断对应相的续流二极管存在开路故障。

在另外一种实施例中，上述续流二极管开路检测方法也可以包括步骤：

b1、电源模块通过信号切换单元向待测变流器模块的输出端输入电源；

b2、检测待测变流器模块的各相输出端电压和输入端电压；

b3、比较各相输出端电压与输入端电压，根据比较值判断对应续流二极管是否存在故障。

具体地，结合如图4所示的信号切换单元，对应步骤b1-b3的详细步骤为：

b01、闭合开关kn4和kn2，再依次闭合开关kn5、kn6和kn7，电源模块通过信号切换单元依次向待测变流器模块的各相输出端输入电源，待测变流器模块的n端接电源模块的正端，p端悬空；

b02、依次检测待测变流器模块的各相输出端电压和输入端电压；

b03、比较各相输出端电压与输入端电压：当各相输出端电压不满足：(各相输出端电压-p点电压)＝续流二极管正向压降，则判断对应相上臂的续流二极管存在开路。

当然，上述各开关的切换以及检测均是通过pc软件自动执行，自动化程度高。

本实施例中，还包括控制电路的检测方法，用于对故障的精准定位，具体包括：逐一将控制电路中的控制单元、脉冲调理单元和脉冲驱动单元进行替换，当替换后故障消除，则判断对应替换的单元故障。

具体地，在利用上述方案对变流器模块进行检测时，如果检测结果为其中任一相发生故障，现需要对故障点进行进一步的定位检测，则其检测原理如下：

由于上述变流器模块包括主电路和控制电路，因此，在检测系统中配置有类似控制电路中各单元(脉冲调理单元、脉冲驱动单元等)的功能电路(如图5中的脉冲调理板)，如果需要检测故障原因是否在脉冲调理单元中，则只需要将脉冲调理单元用脉冲调理板进行代替，用脉冲调理板对后端的脉冲驱动单元发送控制信号，同时接收脉冲驱动单元的状态反馈信号。如果代替后，变流器模块的功能检测结果恢复正常，则说明故障原因就在脉冲调理单元中，否则故障原因在其它环节。采用上述方法对脉冲驱动单元进行同样的检测，则可进一步判定故障原因是否存在于脉冲驱动单元中，否则故障原因就在igbt器件中。

本发明的检测装置及方法，同时适用于变流器模块的出厂试验和现场检修维护，特别适合现场检修维护，可以一定程度上取代常规的高压试验方案，相对于高压试验方案，本发明的低压检测方式在成本、安全、供电要求、以及使用的便利性和检测效率等方面都存在绝对优势；在出厂试验过程中，可先采用本发明的检测装置及方法对变流器模块进行低压试验，在低压试验正常的情况下再进行高压试验，可以对被测品的功能状态进行提前预判，以免造成高压试验过程中出现不可预测的现象；在应用现场的变流器模块检修维护过程中，高压试验的必要性大大降低，便可直接采用检测装置及方法对变流器模块进行低压试验。

本发明的检测装置及方法，由于电压低，功率小，故检测设备本身体积小，重量轻(属便携式设备)，即可将设备直接运至靠近被测变流器的位置，直接对变流器模块进行检测，这样不仅测试效率高，而且可大大降低变流器模块的拆装风险；而且低压检测装置的整体功率低，不需要准备大功率电源也不需要占用较大的场地空间，成本以及耗能均较低。

本发明的检测装置及方法，采用频率信号取代常规低压试验方法中的开关电平信号，可以更加全面地检测igbt的开关频率响应性能，并能够通过试验波形对比进行试验结果(正常或故障)及具体故障现象(如卡分故障、开关抖动等)自动判定，有助于对igbt进行深入故障分析；

本发明的检测装置及方法，能对续流二极管的功能进行全面自动检测，包括开路和短路检测，对比常规检测方案更加全面，自动化程度更高；

本发明的检测装置及方法，能够对故障进行精准定位检测，降低了变流器模块检测的难度和变流器模块的日常维护成本。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。