动车组牵引系统维护与检修 课件 项目3 动车组主变流器维护与检修

项目三动车组主变流器维护与检修项目四动车组牵引变流器维护与检修教学目标【知识目标】：

1．掌握动车组牵引变流器的基本工作原理。

2．掌握动车组牵引变流器的结构及性能参数。

3．掌握动车组牵引变流器冷却系统的结构及基本工作原理。【技能目标】：

1．掌握动车组牵引变流装置的拆卸、移动及安装方法。

2．掌握动车组牵引变流装置常规维护及检修项目的处理方法。

3．掌握动车组牵引变流器应急故障处理方法。

项目三动车组主变流器维护与检修《电力电子技术》3/21任务一电力电子器件及变流器基础动车组牵引变流器电力电子器件

四大变换器

变换器控制技术

引出1.1什么是电力电子技术◆具体地说，电力电子技术就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。它包括电压、电流、频率和波形方面的变换，是电力、电子及控制三大电气工程技术领域之间的交叉学科。

☞电力电子器件是电力电子技术的基础。

☞变流技术则是电力电子技术的核心，电力电子器件的性能直接决定了牵引变流器的性能指标。

输入输出

交流（AC）

直流（DC）

直流（DC）整流

直流斩波

交流（AC）交流电力控制变频、变相逆变

4/21表2-1电力变换的种类一、电力电子技术概述1.2电力电子技术的应用■电力电子技术的应用范围

◆一般工业☞工业中大量应用各种交直流电动机，都是用电力电子装置进行调速的。一些对调速性能要求不高的大型鼓风机等近年来也采用了变频装置，以达到节能的目的。

☞电化学工业大量使用直流电源，电解铝、电解食盐水等都需要大容量整流电源。电镀装置也需要整流电源☞电力电子技术还大量用于冶金工业中的高频或中频感应加热电源淬火电源及直流电弧炉电源等场合。5/211.3电力电子技术的应用◆交通运输☞电气化铁道：电气机车中的直流机车中采用整流装置，交流机车采用变频装置。直流斩波器也广泛用于铁道车辆。在未来的磁悬浮列车中，电力电子技术更是一项关键技术。除牵引电机传动外，车辆中的各种辅助电源也都离不开电力电子技术。

☞电动汽车：电机依靠电力电子装置进行电力变换和驱动控制，其蓄电池的充电也离不开电力电子装置。一台高级汽车中需要许多控制电机，它们也要靠变频器和斩波器驱动并控制。

☞飞机、船舶和电梯都离不开电力电子技术。6/211.3电力电子技术的应用◆家用电器

☞电力电子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量能源，正在逐步取代传统的白炽灯和日光灯。

☞空调、电视机、音响设备、家用计算机，不少洗衣机、电冰箱、微波炉等电器也应用了电力电子技术。◆其它

☞航天飞行器中的各种电子仪器需要电源，载人航天器也离不开各种电源，这些都必需采用电力电子技术。☞抽水储能发电站的大型电动机需要用电力电子技术来起动和调速。超导储能是未来的一种储能方式，它需要强大的直流电源供电，这也离不开电力电子技术。7/211.3电力电子技术的应用总之，电力电子技术的应用越来越广，其地位也越来越重要。

8/21☞新能源、可再生能源发电需要用电力电子技术来缓冲能量和改善电能质量。当需要和电力系统联网时，更离不开电力电子技术。☞核聚变反应堆在产生强大磁场和注入能量时，需要大容量的脉冲电源，这种电源就是电力电子装置。科学实验或某些特殊场合，常需要一些特种电源。图1-7风场9/892.1电力电子器件的特征■电力电子器件的特征

◆处理电功率的大小（承受电压和电流的能力）一般都远大于处理信息的电子器件，是其最重要的参数；

◆为了减小本身的损耗，提高效率，一般都工作在开关状态。

◆由信息电子电路来控制

,而且需要驱动电路。

◆自身的功率损耗通常仍远大于信息电子器件，在其工作时一般都需要安装散热器。

二、电力电子器件基础10/89

2.2应用电力电子器件的系统组成

■电力电子器件实际应用：由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。（检测电路和保护电路为辅助）

电气隔离图2-1电力电子器件在实际应用中的系统组成11/892.3电力电子器件的分类■按照能够被控制电路信号所控制的程度

◆不可控器件

☞电力二极管（PowerDiode）☞不能用控制信号来控制其通断。◆半控型器件

☞器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定☞主要是指晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件。◆全控型器件☞通过控制信号既可以控制其导通、关断。☞目前最常用的是

IGBT和PowerMOSFET。

12/892.3.1不可控器件——电力二极管■电力二极管（PowerDiode）

☞自1950s初期就获得应用，其结构和原理简单，工作可靠，直到现在仍然大量应用于许多电气设备当中。☞在采用全控型器件的电路中电力二极管往往是不可缺少的，特别是开通和关断速度很快的快恢复二极管和肖特基二极管。

整流二极管及模块13/89AKAKa)IKAPNJb)c)AK结构和工作原理：■电力二极管是以半导体PN结为基础的,实际上是由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。从外形上看，可以有螺栓型、平板型等多种封装。图2-2电力二极管的外形、结构和电气图形符号

a)外形b)基本结构c)电气图形符号14/89■二极管的基本原理——PN结的单向导电性

◆正向导通：PN结外加正向电压（正向偏置）时，形成自P区流入从N区流出的电流，称为正向电流IF。

◆反向截止：当PN结外加反向电压时（反向偏置）时，PN结表现为高阻态，几乎没有电流流过。

◆反向击穿：PN结具有一定的反向耐压能力，但当施加的反向电压过大，反向电流将会急剧增大，破坏PN结反向偏置为截止的工作状态。

☞按照机理不同有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式。

☞反向击穿发生时，采取了措施将反向电流限制在一定范围内，PN结仍可恢复原来的状态。☞否则PN结因过热而烧毁，这就是热击穿。

15/892.3.2半控器件—晶闸管■晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR），以前被简称为可控硅。

■1956年美国贝尔实验室（BellLaboratories）发明了晶闸管，1957年美国通用电气公司（GeneralElectric）开发出了世界上第一只晶闸管产品，并于1958年使其商业化。■其承受的电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中最高，而且工作可靠，因此在大容量的应用场合仍然具有比较重要的地位。晶闸管及模块16/89结构与工作原理：■晶闸管的结构

◆从外形上来看，晶闸管也主要有螺栓型和平板型两种封装结构。

◆引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端。

◆内部是PNPN四层半导体结构。

图2-7晶闸管的外形、结构和电气图形符号

a)外形b)结构c)电气图形符号

17/89基本特性：■静态特性

◆正常工作时的特性

☞当晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。

☞当晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。

☞晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通。☞若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下（两种方法：加反压或加大电阻）。

18/892.3.3典型全控型器件■门极可关断晶闸管（与晶闸管结构和特性基本相同，可实现门级加反电流自关断）在晶闸管问世后不久出现。■20世纪80年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时代。■典型代表——门极可关断晶闸管GTO、电力晶体管GTR（大容量，开关慢）、电力场效应晶体管MOSFET（小容量，开关快）、绝缘栅双极晶体管IGBT（GTR和MOSFET的组合器件）。电力MOSFETIGBT单管及模块19/891、门极可关断晶闸管GTO（电流驱动型）20/892、电力晶体管GTR（电流驱动型）21/893、电力场效应晶体管MOSFET（电压驱动型）22/894、绝缘栅双极晶体管IGBT（电压驱动型）（由GTR和MOSFET串联组成，集成两者优点）23/89◆IGBT的特性和参数特点可以总结如下：

☞开关速度高，开关损耗小。

☞在相同电压和电流定额的情况下，IGBT的安全工作区比GTR大，而且具有耐脉冲电流冲击的能力。

☞通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域。

☞输入阻抗高，其输入特性与电力MOSFET类似。☞与电力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点。

25/89

智能功率模块IPM（更利于运用）◆IPM是以IGBT技术为基础的电力电子开关，，是在IGBT模块中集成了门极驱动电路和快速保护电路。与IGBT相比，IPM具有以下特点：①快速的过流保护；②过热保护；③桥臂对管互锁保护；④器件布局合理，五无驱动线，抗干扰能力强，工作可靠性高；⑤驱动电源欠压保护。

项目三动车组牵引变流器维护与检修3、1概述

半导体器件的冷却方式多种多样，应根据实际需要来选用。

1.风冷风冷散热方式结构简单，成本低，维护方便，主要用于电流额定值为50至500A的器件。

2.沸腾冷却电力半导体器件浸放在沸腾液（R113）中，冷却器中上半部为沸腾，在德国ICE高速动车上采用这一冷却方式。

2.4电力半导体器件的热损及冷却需要强调的是，电力半导体器件的开关过程都是在微秒级的时间内完成，电压和电流变化率很高（因此需要设计吸收电路），开关损耗大，因此，电力半导体器件的特性一般是由两个方面确定：一是电工性能，二是热工性能。

项目三动车组牵引变流器维护与检修3、1概述

3.油浸冷却方式半导体器件浸泡在冷却油中，冷却油循环，将热量带到油—空气热交换器中散掉，Adtranz公司的大多数干线机车、动车均采用这种冷却方式。

4.热管冷却热管冷却是一种高效冷却方式，尤其是采用水作为冷却介质的热管，又具有不污染环境的优点，日本新干线高速动车牵引变流器均采用热管冷却方式。

项目三动车组牵引变流器维护与检修3、1概述三、变流器概述变流器就是将一种直流或交流电变为另一种直流或交流电的供电设备。可以说变流器是各种变流装置的总称。是电力变换电路。

交流电力变换电路由电力电子器件组成，所以其是随着电力电子器件的发展而发展的，正像20世纪60年代出现了半控器件晶闸管，随之而来的是铁道牵引领域中的相控机车和动车。70年代末期到80年代初期，大功率自关断GTO的出现确立了电压源型变流器-交流异步电机传动系统的优势地位。

项目三动车组牵引变流器维护与检修3、1概述

对一个交-直-交电力传动系统，变流器将包括从整流器、中间直流环节、到逆变器及其控制系统。值得特别说明的是，在许多场合下，同一个电力变换电路既可以作整流电路，又能作逆变电路，所以我们也称这样的电力变换装置为变流器。换言之，整流和逆变，交流和直流在变流器中是互相联系的，并在一定条件下可互相转化。

因此，交流传动系统的变流装置是将交流电转变为调频调压的三相交流电，这种大功率的牵引变流器不同于应用在一般工业领域中的变流器，它的技术特点可以归纳为如下：

1．调速范围宽根据列车速度的要求，变流器调频范围从0.4Hz到200Hz以上，而且调频要连续平稳，无冲击。

项目三动车组牵引变流器维护与检修3、1概述

2．控制特性复杂一般高速列车的牵引性能由恒转矩区、恒功率区及自然特性区组成，并且要求启动转矩大，恒功区宽。

3．有良好的稳态控制特性和快速动态响应特性电力机车或者动车由弓网获得能量，通过轮轨传递牵引力。空转、打滑、跳弓离线及网压波动等均能引起功率的急剧变化，牵引变流器应该能够适应这种负载及外界环境的急剧变化。

项目三动车组牵引变流器维护与检修3、1概述4．输出电压波形质量好为了减少谐波分量对牵引电机谐波热损耗和转矩脉动影响，输出波形应尽量接近正弦波。由交流电网供电时，应使功率因数尽可能的接近1，电网电流波形接近正弦波，从而降低对供电系统的影响和对外界的干扰。

5．牵引与再生制动频繁，能量双向流动。

6．效率高，利用率高，可靠性高。

7．由于安装在车上，对重量、体积和耐振动性能要求严格。

8．有利于安装，调速及维修。

项目三动车组牵引变流器维护与检修3、3、1脉冲整流技术基础谢谢！33/131■整流电路（Rectifier）是电力电子电路中出现最早的一种，它的作用是将交流电能变为直流电能供给直流用电设备。

■整流电路的分类

◆按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种。

◆按电路结构可分为桥式电路和零式电路。

◆按交流输入相数分为单相电路和多相电路。

◆按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，分为单拍电路和双拍电路。三、整流电路基本原理

在动车组牵引系统中，脉冲整流器为牵引系统电源侧变流器。脉冲整流器在牵引状态时作为整流器，将单相交流电转变为直流电，运行于第一象限（u+,i+）；再生制动时作逆变器，将直流电转变为单相交流电，运行于第四象限（u+,i-）。因此亦可称为四象限脉冲整流器。接下来：本节课先以最简单的单相半波整流电路来先让同学们理解AC-DC整流过程。四象限脉冲整流器采用PWM调制方式和全控性器件（IGBT等）组成的整流电路。35/1313.1单相半波可控整流电路wwwwtTVTR0a)u1u2uVTudidwt1p2ptttu2uguduVTaq0b)c)d)e)00图3-1单相半波可控整流电路及波形■带电阻负载的工作情况

◆变压器T起变换电压和隔离的作用，其一次侧和二次侧电压瞬时值分别用u1和u2表示，有效值分别用U1和U2表示，其中U2的大小根据需要的直流输出电压ud的平均值Ud确定。

◆电阻负载的特点是电压与电流成正比，两者波形相同。

◆在分析整流电路工作时，认为晶闸管（开关器件）为理想器件，即晶闸管导通时其管压降等于零，晶闸管阻断时其漏电流等于零，除非特意研究晶闸管的开通、关断过程，一般认为晶闸管的开通与关断过程瞬时完成。

36/131◆改变触发时刻，ud和id波形随之改变，直流输出电压ud为极性不变但瞬时值变化的脉动直流，其波形只在u2正半周内出现，故称“半波”整流。加之电路中采用了可控器件晶闸管，且交流输入为单相，故该电路称为单相半波可控整流电路。整流电压ud波形在一个电源周期中只脉动1次，故该电路为单脉波整流电路。◆基本数量关系

☞

：从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度称为触发延迟角，也称触发角或控制角。☞

：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度称为导通角。

☞直流输出电压平均值

☞随着

增大，Ud减小，该电路中VT的

移相范围为180

。

◆通过控制触发脉冲的相位来控制直流输出电压大小的方式称为相位控制方式，简称相控方式。

3.1单相半波可控整流电路（3-1）37/131uwttwwtwtw20wt1p2ptug0ud0id0uVT0qab)c)d)e)f)++图3-2带阻感负载的单相半波可控整流电路及其波形■带阻感负载的工作情况

◆阻感负载的特点是电感对电流变化有抗拒作用，使得流过电感的电流不能发生突变。

◆电路分析☞晶闸管VT处于断态,id=0,ud=0,uVT=u2。

☞在

t1时刻，即触发角

处

√ud=u2。

√L的存在使id不能突变，id从0开始增加。☞u2由正变负的过零点处，id已经处于减小的过程中，但尚未降到零，因此VT仍处于通态。

☞

t2时刻，电感能量释放完毕，id降至零，VT关断并立即承受反压。

☞由于电感的存在延迟了VT的关断时刻，使ud波形出现负的部分，与带电阻负载时相比其平均值Ud下降。

38/131◆电力电子电路基本分析方法

☞把器件理想化，将电路简化为分段线性电路。

☞器件的每种状态组合对应一种线性电路拓扑，器件通断状态变化时，电路拓扑发生改变。☞以前述单相半波电路为例

当VT处于断态时，相当于电路在VT处断开，id=0。当VT处于通时，相当于VT短路。两种情况的等效电路如图3-3所示。

图3-3单相半波可控整流电路的分段线性等效电路

a)VT处于关断状态

b)VT处于导通状态

而列车牵引中，四象限脉冲整流器采用PWM调制方式和全控性器件（IGBT等）组成的整流电路。先利用PWM技术对原边交流电压进行调制，生成一系列脉宽去控制IGBT器件的开断，实现整流。

因此，上述单相半波可控整流电路即为由半控型器件晶闸管组成的相控整流电路。除此之外还有单相桥式全波可控整流电路、三相半波/全波整流电路等。相控整流电路与四象限脉冲整流电路相比：相同点：主电路结构基本相同，不同点：①器件不同；相控：晶闸管；脉冲整流器：IGBT②控制方法不同：相控整流只需控制导通相位即可，控制简单，但是变压器侧原边电流畸变严重；四象限脉冲整流可先利用PWM技术对原边交流电压进行调制，生成一系列脉宽去控制IGBT器件的开断，实现整流，其整流实现原边电压电流的双闭环控制，原边电流波形畸变较小。详细比较请参考拓展文档：《相控整流与四象限脉冲整流比较》。41/131四、牵引逆变器的基础■什么是逆变？为什么要逆变？

◆逆变（invertion）：把直流电转变成交流电的过程。

◆逆变电路：把直流电逆变成交流电的电路。

☞当交流侧和电网连结时，为有源逆变电路。☞变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到负载，即把直流电逆变为某一频率或可调频率的交流电供给负载，称为无源逆变。

◆对于可控整流电路，满足一定条件就可工作于有源逆变，其电路形式未变，只是电路工作条件转变。既工作在整流状态又工作在逆变状态，称为变流电路。42/114.2逆变电路的基本工作原理■基本的工作原理

◆S1~S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。

负载a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2◆当开关S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正；当开关S1、S4断开，S2、S3闭合时，uo为负，这样就把直流电变成了交流电。

◆改变两组开关的切换频率，即可改变输出交流电的频率。

◆电阻负载时，负载电流io和uo的波形相同，相位也相同。

◆阻感负载时，io相位滞后于uo，波形也不同。图4-1逆变电路及其波形举例

4.3三相逆变电路（动车用）两电平式逆变器主电路图两电平式逆变器主电路如图所示，每时刻都有3个开关管导通，

共有T1T2T3，T2T3T4，T3T4T5，T4T5T6，T5T6T1，T6T1T2，T1T3T5和T2T4T6导通8种工作状态，从而获得三相对称输出电压波形；牵引逆变器采用PWM控制方式。三电平式逆变器主电路原理图提高电压等级、保证中性点电位平衡3.3.2牵引逆变器技术基础4.4牵引逆变器技术基础

牵引逆变器可以分成电压源型和电流源型两种，为同步电机供电的大多采用电流源型逆变器，为异步电机供电的大多采用电压源型逆变器。我国高速列车全部采用电压源型逆变器。根据输出电平数的不同，电压源型牵引逆变器又可分为两电平和三电平两种。

项目三动车组主变流器维护与检修3.3.3中间直流环节五、中间直流环节工作原理及技术方案在交－直－交变流器中，中间直流回路属于储能环节，是入端脉冲整流器和负载端逆变器之间的联结纽带。在电压型脉冲整流器中，其组成部分包括：相应于2倍电网频率的串联谐振电路；支撑电容器和过压限制电路；1.二次RLC串联谐振电路（消除谐波）由于脉冲整流器输出的电流含有大量的高次谐波，其中二次谐波对系统的性能影响最大。二次串联谐振电路的作用就是消除二次谐波。

项目三动车组主变流器维护与检修3.3.3中间直流环节2.支撑电容器在电压源型变流器中，支撑电容器作为储能器可以支撑中间回路电压并使其保持稳定。支撑电容值的大小直接决定着中间直流环节的工作性质，因此合理选择的值十分重要。由于中间回路与两端变流器之间存在着复杂的能量交换过程，迄今还没有简单实用的方法来选择合适的支撑电容器的值。但可以通过系统仿真，并按照以下准则来判定经验取值的正确性。这些准则包括：

项目三动车组主变流器维护与检修3.3.3中间直流环节（1）中间回路直流电压保持稳定，峰-峰波动值不超过规定的允许值（2）中间回路直流电流是连续的，没有间断，其峰-峰波动值不超过规定的许可值。（3）中间回路的损耗应保持最小。（4）所选择的电容器的参数不会影响整个系统的稳定性。（5）应当成功地抑制逆变器和电机中发生的暂态过程，保持系统稳定。(6)防止高频电流可能引起对通信和信号系统的电磁干扰。

项目三动车组主变流器维护与检修3.3.3中间直流环节

项目三动车组主变流器维护与检修谢谢！

项目三动车组主变流器维护与检修3、4CRH2型动车组主变流器结构原理3.4CRH2动车组主变流器的工作原理、组成及结构

1．基本工作原理4M+4T

CRH2动车组采用CI11型牵引变流器，一个基本动力单元2个，全列4个，车下吊挂，液体沸腾冷却。主电路结构为三电平式，由脉冲整流器、中间直流电路及三相逆变器构成，不设网侧谐波滤波器和二次谐振滤波装置。控制采用PWM方式。随着牵引电机输出功率的变化，变流器的中间直流环节的电压在2600V到3000V变化，每一个牵引变流器采用矢量控制原理控制四台并联的牵引电机。功率元器件为3300/1200A等级的IGBT或者IPM，冷却介质为氟化碳，（FX3250）。CRH2型动车组主变流器结构原理

项目三动车组主变流器维护与检修3、4CRH2型动车组主变流器结构原理牵引变流器全列4台，在2，3,6,7车2．牵引变流器组成及结构牵引变流器的外形如图3-26所示。牵引变流器输入为1285KVA（AC1500V，857A，50HZ），中间直流电路为1296KW（DC3000V，432A），牵引变流器输出为1475KVA（3XAC2300V，424A，0～220HZ），外形尺寸L×W×H为3240×2400×650mm。图3-26主变流器外形3、4CRH2型动车组主变流器结构原理

项目三动车组主变流器维护与检修

牵引变流器装置中心脉冲整流器功率单元二台，逆变功率单元三台，使功率单元能够集中布置，图3-27是主变流器内部结构图。

(a)主变流器打开检查罩的状态3、4CRH2型动车组主变流器结构原理

项目三动车组主变流器维护与检修（b）主变流器外部接线图3-27为打开检查罩的状态3、4CRH2型动车组主变流器结构原理

项目三动车组主变流器维护与检修

在牵引变流器功率单元车辆侧配置有两排气口的两轴电动通风机，向功率单元冷凝器送风，图3-28是主变流器吸气侧外观，图3-29是主变流器拆下吸气过滤网的状态，图3-30是主变流器箱体外形。图3-28主变流器吸气侧外观3、4CRH2型动车组主变流器结构原理

项目三动车组主变流器维护与检修图3-30主变流器箱体外形

真空接触器和继电器单元、无触点控制装置等集中布置，便于检修。另外，检查面考虑其工作性和密封性，采用板簧式手动型夹紧装置。3、4CRH2型动车组主变流器结构原理

项目三动车组主变流器维护与检修

牵引变流器的零部件，考虑到其操作和维修的方便，采用模块化设计。例如，半导体冷却装置分成脉冲整流器两台，逆变器三台的单元，分别具有互换性，图3-31为牵引变流器箱外形尺寸及技术说明。

箱内接线规格为：①主电路接线：母线3.5～150ｍｍ２SQWL2电线；②控制电路接线：0.5～2.0mm2SQWVO电线或特氟隆电线；③接线布置时分离高低压接线。按类别分开不同信号线并分别构成不同的线束，以尽可能地避免在信号线之间产生相互干扰。3、4CRH2型动车组主变流器结构原理

项目三动车组主变流器维护与检修图3-31牵引变流器箱外形尺寸及技术说明3、4CRH2型动车组主变流器结构原理

项目三动车组主变流器维护与检修

主变换装置（即牵引变流器）分别在M1、M2车上各装载一台，其除了在加速时向牵引电机供电和实施制动时的电力再生控制外，还有保护功能。（记功能）图3-32是牵引变流器内部设备布置3、4CRH2型动车组主变流器结构原理

项目三动车组主变流器维护与检修总之，主变流器的设备清单如下表。表3-4主变换装置的构成设备序号名称数量/每组备注1箱形框架12整流器功率单元23逆变器功率单元34无触点控制装置13、4CRH2型动车组主变流器结构原理

项目三动车组主变流器维护与检修5主鼓风机（CIBM1）16辅助鼓风机（CIBM2、3）27热交换器28真空接触器（CHK）19电流检出器（ACCT）110电流检出器（CTU・CTV・CTW）33、4CRH2型动车组主变流器结构原理

项目三动车组主变流器维护与检修11耐压试验接插件112充电单元113接地电流检出（GCT）单元114抑制过电压晶闸管（OVTH）1包括DCPT单元15门用电源13、4CRH2型动车组主变流器结构原理

项目三动车组主变流器维护与检修16交流电压检出器（ACPT）117继电器单元118电阻器单元119空气过滤器1式20检查面盖板3种3、4CRH2型动车组主变流器结构原理

项目三动车组主变流器维护与检修

此外，将车辆信息控制装置的信息在换流器之间进行载波相位差运行，以减少接触网电流的高次谐波。车轴端装有速度传感器，用于主变换装置、制动控制装置的速度（旋转频率）的检出。

因此，主变换装置由三个部分组成：①从单向交流得到的直流功率的整流器；②从直流电流得到三相交流的逆变器；③吸收脉冲电压得到直流电压的直流平滑电路（滤波电容）。

具体如下图：3、4CRH2型动车组主变流器结构原理

项目三动车组主变流器维护与检修图3-33CRH2牵引变流器内部接线图3、4CRH2型动车组主变流器结构原理

项目三动车组主变流器维护与检修图3-36功率模块连接图3、4CRH2型动车组主变流器结构原理

项目三动车组主变流器维护与检修单纯的讲，上述五个功率模块的具体电路组成如下：

脉冲整流器功率模块外观参照图3-35所示，中央为框架，上部为冷却通风部，用于配置冷凝器。冷却器下面为高压绝缘的IPM元件、箝位二极管和缓冲二极管(8\9\10)等元件单体。冷却器的沸腾容器作为接地，表3-5是脉冲整流器功率模块主要构成设备。图3-35脉冲整流器外形结构图3、4CRH2型动车组主变流器结构原理

项目三动车组主变流器维护与检修（1）整流器部分支撑电容器冷却器IPM元件、箝位二极管和缓冲二极管平衡电阻器门级接口电路板缓冲器

利用PWM脉冲整流器可实现输入电压基波分量功率因数为1的运行状态，从而减小设备体积、降低电力消耗。此外，由于脉冲整流器、逆变器部采用三点式（三电平，提高电压等级、保证中性点电位平衡）电路结构实现电压控制，主电路半导体元件采用高速开关的IPM减小了交流电压波形失真，可有效降低牵引电机和牵引变压器的力矩波动、电磁噪音。主电路元件导通状态和输出电压的关系参照表3-6。功率模块部主电路连接参照图3-36所示。3、4CRH2型动车组主变流器结构原理

项目三动车组主变流器维护与检修表3-6主电路元件导通状态和输出相电压的关系3、4CRH2型动车组主变流器结构原理

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(2)逆变器

逆变器以滤波电容电压输入，通过无触点控制装置的IGBT点弧控制信号，输出电压频率可变的三相交流电压，控制4台并联的感应电动机的速度、转矩。再生制动时，功能的进行顺序变化，感应电动机输入发电的三相交流，向滤波电容输出直流电压。3、4CRH2型动车组主变流器结构原理

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减少接触网电流高次谐波，同一动车组内的M1车、M2车的2台换流器间其载波相位差-90°，每个动车组间相差-67.5°，按此来进行设定。动车组间的相位差依据并结状态也会变更。图3-37逆变部分的外形3、4CRH2型动车组主变流器结构原理

项目三动车组主变流器维护与检修逆变器功率模块外观参照图3-38所示（同整流器）。图3-38逆变器功率模块外形结构图3、4CRH2型动车组主变流器结构原理

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牵引变流器的零部件，考虑到其操作、维修方便，采用模块化设计。例如半导体冷却装置分成脉冲整流器用两台，逆变器用三台的单元，分别具有互换性。

控制装置分为无接点控制装置（控制逻辑部）、继电器单元、电源单元等。半导体冷却装置和电动通风机等大型装置采用下部拆装的结构。小型控制单元内的各零部件可以采用不同厂家的产品，维修和检查时需要更换的控制单元，其结构和功能必须具有互换性。3、4CRH2型动车组主变流器结构原理

项目三动车组主变流器维护与检修（3）直流平滑电路部分

中间电路主要由均压电阻、支撑电容器、预充电电路、直流环节过压保护和接地电流保护电路构成，目的是获得直流恒压。中间直流电路如图3-39所示，支撑电容器5组并联，分别组装于各个功率模块内，两台脉冲整流器模块各装1组，3台逆变器模块也各装1组，合计容量8000μF。图3-39中间直流电路3、4CRH2型动车组主变流器结构原理

项目三动车组主变流器维护与检修（含2组支撑电容器）（含3组支撑电容器）

滤波电容与备用充电源相连接，启动时经过内有电阻分量的充电变压器，由三次电路进行初次充电，防止因K线接通时的过大的冲击电流。如图3-40所示。3、4CRH2型动车组主变流器结构原理

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为防止牵引变流器1次侧电源投入用接触器(K)投入时的过大冲击电流,在K投入前对支撑电容器进行充电。开始充电的时机是从终端装置输入换向器(reverser)投入信号的时候。

以下表示从充电开始到K投入为止的流程：

①换向器(reverser)投入；驾驶台逆变器投入②输出充电用接触器(CHK)投入；

③支撑电容器充电；

④充电用接触器(CHK)断开；

⑤K投入。图3-40支撑电容器预备充电电路构成此外，在中间直流电路上设置由电阻和半导体开关构成的过电压保护电路，以及接地电流检测GCT等。因此，在中间直流电路上，有：（1）滤波电容器；(2)均压电阻（3）预充电电路；还有其他保护或检测装置，具体的：（4）GCT单元：检测牵引变压器2次侧接地电流（漏电流）并保护。（5）过电压抑制可控硅单元：牵引或电气制动运行，牵引变流器CI的中间直流环节电压过高时，通过过压抑制电路的半导体开关导通，接通放电电路，减小中间直流环节的电压。从而保证CI各部件不会由于电压过高而损坏。具体包①OVTh单元：直流电压放电②DCPT单元：直流电压检测。3、4CRH2型动车组主变流器结构原理

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(4)牵引变流器的冷却系统牵引变流器的冷却系统由通过外气进行冷却的主冷却部和不导入外气进行冷却的密封室冷却部组成。冷却流程如附图3-41所示，主冷却风的流程用粗黑箭头表示，密封室内的冷却风的流程如“白箭头所示”，图3-42是牵引变流器断面冷却风流向。3、4CRH2型动车组主变流器结构原理

项目三动车组主变流器维护与检修图3-41冷却结构的流程

项目三动车组主变流器维护与检修图3-42牵引变流器断面冷却风流向3、4CRH2型动车组主变流器结构原理

项目三动车组主变流器维护与检修主冷却风流向模型参照图3-43。冷却风（外气）经空气过滤器过滤后分为两部分:

一部分经过热交换器（散热部）后被主鼓风机（CIBM1）吸入.(散发密闭式的热量)

一部分直接被主鼓风机吸入。主鼓风机（CIBM1）送出的冷却风经过脉冲整流器功率模块冷却器、逆变器功率模块冷却器后，由排风管道排出。3、4CRH2型动车组主变流器结构原理

项目三动车组主变流器维护与检修①主冷却风流向（冷却功率模块IPM，带走热交换器热量）图3-43主冷却风流向3、4CRH2型动车组主变流器结构原理

项目三动车组主变流器维护与检修②密闭室内冷却风流向（冷却其他电气部件）图3-44密闭室内冷却风流向3、4CRH2型动车组主变流器结构原理

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密闭室内冷却风为内部循环风。密闭室内热量通过热交换器释放到大气。

两台辅助鼓风机（CIBM2、3）驱动冷却风循环。冷却风流向分为：①CIBM2→检查面侧设备室→热交换器（受热部）和②CIBM3→密闭室内冷却风用管道→热交换器（受热部）２种。最终，经由热交换器受热部吸收热量后的冷却风在对脉冲整流器功率模块和逆变器功率模块的电气部件（门驱动器·支撑电容器等）进行冷却后，又被辅助鼓风机（CIBM2、3）吸入，然后开始下一个循环。3、4CRH2型动车组主变流器结构原理

项目三动车组主变流器维护与检修思考：热交换器应该包括什么装置？？？？③沸腾冷却（功率模块冷却的具体方式）电力功率开关模块和二极管模块冷却装置采用高效的散热装置，此装置采用内存制冷容器外壁直接接触元件的强化散热方式，可以有效提高功率器件性能，增强装置冷却性能、减小体积、降低重量。图3-45冷却器工作原理图3、4CRH2型动车组主变流器结构原理

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A.冷却器工作原理参照图3-45所示，蒸发吸热：蒸发器外壁面直接接触元件，外壁面吸收的元件热量传递到内壁面后用于内部制冷剂沸腾，制冷剂沸腾的汽化潜热从内壁面吸收，上述过程能够达到良好的冷却效果。冷凝放热：制冷剂沸腾产生的蒸汽被直接导向冷凝器。冷凝器外部为数量众多的散热片，处于冷却风冷却状态。蒸汽接触到冷凝器内壁后放出汽化潜热并液化，在重力作用下流回蒸发器。冷却器通过上述循环具有较高的冷却能力。此外，通过采用蒸发器内存制冷剂的构造，可以实现较高的冷却性能，从而有效降低质量。3、4CRH2型动车组主变流器结构原理

项目三动车组主变流器维护与检修B.制冷剂冷却器利用制冷剂的沸腾（蒸发）和冷凝作用冷却半导体元件，制冷剂选用替代氟利昂（氟化碳），属于非氟利昂系列制冷剂。

C.冷却容器保护本冷却单元装有通过沸腾容器壁面监控液温的温度继电器，当温度超过规定值时自动断开主电路。表3-9保护装置动作设定值脉冲整流器逆变器温度继电器触点动作温度80℃84℃3、4CRH2型动车组主变流器结构原理

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制冷温度通过沸腾容器壁面传递到温度继电器。达到规定温度后，继电器内部保护动作，断开触点，如图3-46所示。3、4CRH2型动车组主变流器结构原理

项目三动车组主变流器维护与检修D.冷却器外观图3-47冷却器外观（脉冲整流器用，斜下方视角）④主鼓风机（属于辅助供电设备）

鼓风机（MH1132—FK205型电动送风机）用作C111系主变换器的主冷却，在主变换装置内有1台。电动机使用单相笼形两轴感应电动机。送风机是用多翼型两扇类，由主鼓风机吸入的冷却风（外界空气）从2个口排出送风，冷却整流器功率单元及逆变器功率单元的冷凝器，图3-48是主鼓风机的外形。

图3-48主鼓风机3、4CRH2型动车组主变流器结构原理

项目三动车组主变流器维护与检修送风机电动机电动机本电动机是作为主鼓风机的驱动机相配合的，是全封闭，附有外扇脚的横向两轴型电动机。它是水平横向安装。送风机的翼片直接安装在电动机两轴端，电动机的冷却是通过自己的外扇风来实现，电容器另外设置在机械室内（检查面侧）。送风机本送风机是使用多翼叶轮，安装在电动机的两侧，套管安装后，吸入口均使用铝材，以减轻重量。电动机和箱一起安装在安装台上。主鼓风机经8个防振橡胶安装在主变换装置上。3、4CRH2型动车组主变流器结构原理

项目三动车组主变流器维护与检修⑤辅助鼓风机（MH1130—201型号电动送风机，属于辅助供电设备）辅助鼓风机（MH1130—201型号电动送风机）用作C111型主变换装置的密封室的冷却，该装置用2台辅助鼓风机。图3-49是辅助电动鼓风机外形，电动机使用单相笼形感应电动机，送风机使用轴流型。由于辅助鼓风机是2台运转，使密封室内的空气循环通过热交换放热。

图3-49辅助电动鼓风3、4CRH2型动车组主变流器结构原理

项目三动车组主变流器维护与检修电动机本电动机的结构为全封闭型的，通常通过外扇冷却电机。本主变换装置为能够通过密封室内的循环达到冷却效果，去掉了外风扇，使之减轻重量，定子使用0.5mm厚的硅夕钢片，槽数为24个，线圈是使用脂亚氨基线，绝缘物使用诺曼克斯纸（聚酰胺绝缘材料商品名），是F类绝缘。转子是有高电阻的铝铸件，电容是另行设置在机械室内（检查面侧）。送风机本送风机是斜流型，由罩叶片导轨、叶轮组成，电动机与罩一起装在安装台上。辅助鼓风机是通过4块防振橡胶安装在主变换装置的密封室内。3、4CRH2型动车组主变流器结构原理

项目三动车组主变流器维护与检修⑥热交换器图3-50显示了热交换器的外形图。本热交换器用于藏有电子产品的密封室内的冷却，每个主变换装置有2台，冷却媒介不是氟的替代品，而是使用纯水，这是本热交换器的特征，在设计上充分考虑了环境因素。图3-51热交换器的外形图3、4CRH2型动车组主变流器结构原理

项目三动车组主变流器维护与检修动作原理本热交换器使用重力型加热管，在图3-52给出了热交换器的原理图。封入的液体（纯水）通过从管壁吸热蒸发，形成蒸气流向冷凝器，蒸气被冷却成为液体，同时通过冷凝热的释放进行热交换。图3-52热交换原理3、4CRH2型动车组主变流器结构原理

项目三动车组主变流器维护与检修散热部受热部隔热部结构加热管使用铜管（表面镀锡），散热扇片使用铝（0.5T），以提高热交换器的性能和减轻重量。安装框使用SUS304（1.2T）。表3-12热交换器基本规格放热侧（上部）吸热侧（下部）风量15m3/min20m3/min

压损100Pa以下50Pa以下热性能0.0133K/W以下（20K/1500W）冷却媒介纯水3、4CRH2型动车组主变流器结构原理

项目三动车组主变流器维护与检修3、5CRH2型动车组主变流器主要技术参数3．牵引变流器性能参数（总结的很好，要重点仔细地看）（1）形式：CI11（2）变频器：单相电压3电平PWM变频器（3）逆变器：3相电压3电平PWM逆变器（4）额定参数：①输入：1285KVA（单相交流1500V857A50Hz）；②中间直流电路：1296KW（直流3000V432A）；③输出：1475KVA（三相交流2300V424A0～220Hz）；④效率：96%以上（在额定载荷条件下，除辅助电路和控制电路外）；⑤功率因数：97%以上（在额定载荷条件下，除辅助电路和控制电路外）；

项目三动车组主变流器维护与检修3、5CRH2型动车组主变流器主要技术参数（5）开关频率：①整流器1250Hz②逆变器500～1000Hz（6）冷却方式：液体沸腾冷却机械通用方式（冷却液：氟化碳FX3250））（7）主要构件：①功率单元：主开关元件：IGBT或IPM滤波电容器：合计8000uF变频器功率单元：2125uF/台×2台=4250uF逆变器功率单元：1250uF/台×3台=3750uF②过压抑制可控硅单元：过压抑制可控硅栅级驱动电路、直流变压器（DCPT）③预充电单元：滤波电容备用充电用接触器、变压器及整流器

项目三动车组主变流器维护与检修3、5CRH2型动车组主变流器主要技术参数④真空交流接触器K⑤电阻器单元：过电压抑制电抗器、放电电阻器⑥交流变流器单元：ACCT⑦交流变压器单元：ACPT⑧控制电源单元⑨电动通风机：主电动通风机、辅助电动通风机

项目三动车组主变流器维护与检修3、5CRH2型动车组主变流器主要技术参数（8）无触点控制装置（如图3-59所示）无触点控制装置具有如下功能：①变频器控制功能②逆变器控制功能③程序控制功能④维修、检查功能

项目三动车组主变流器维护与检修3、4CRH2型动车组主变流器结构原理(a)无触点控制装置外形

项目三动车组主变流器维护与检修3、4CRH2型动车组主变流器结构原理(b)无触点控制装置安装位置图3-53无触点控制装置

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[故障现象]：CRH2-063C03号车，牵引过程中，MON报牵引变流器故障（005），2车VCB断开，MON牵引变流器（车）画面中03号车二次侧接地1变红；[故障分析]：03号车4轴牵引电机绝缘特性下降；[故障处理]：2008年6月29日，CRH2-063C编组在京津城际线运行时，牵引过程中，MON报03号车牵引变流器故障（代码005），02号车VCB断开，MON牵引变流器（车）画面中03车二次侧接地1变红。随车机械师联系司机进行复位操作，确认监视器故障报警消除后，重新闭合02号车VCB，再次牵引时故障重现，确认故障无法复位后，远程切除03号车牵引，动车组维持运行。

项目三动车组主变流器维护与检修3、4CRH2型动车组主变流器结构原理Thankyou!3、5动车组主变流器维护与检修

项目三动车组主变流器维护与检修（1）主变换装置的拆卸、安装要领－拆卸外部配线①从端子台拆卸主电路配线；②从端子台拆卸交流口的出线；③从外部接地座卸下接地线；④卸下控制电路仪表接插件；⑤从无接点控制装置卸下仪表光缆。

卸光缆时一定要注意对光缆的施力、扭曲。此外，为使光缆端部及无接点控制装置光接插件的防尘，使用专用盖加以保护。3.5CRH2动车组主变流器维护与检修

1．拆卸与安装3、5动车组主变流器维护与检修

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（2）主变流器装置的移动如图3-60所示那样，预先设定挡板，使负重得到均匀负担，卸下装置的螺栓，将负载移至升降机上来移动装置图3-60挡板的设定状态3、5动车组主变流器维护与检修

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采用吊车装置的场合，如图3-61所示那样，安装吊杆，用4支点的钢丝绳将装置吊起。

图3-61装置的吊起状态

（3）功率单元的拆卸

①首先在功率单元下面准备了升降机，支撑功率单元。其次，在升降机与功率单元间放入能沿枕木方向移动的活动台。

②M12螺栓：换流器部分16个×2单元=32个、逆变器部分12×3单元=36个，使用长度为500mm以上的套筒板手。

③升降机降下，从主体中取出功率单元。3、5动车组主变流器维护与检修

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（4）功率单元的搬运(如图3-62

所示)

使用吊车时，在法兰盘部的功率单元安装孔插入一个不会拔落的棒（长度为100mm左右的螺栓等），并在法兰盘上用布绳卷缠后吊起。

①在功率单元机架下面插入100mm左右的方木。在不会发生翻转的状态下，承放在平板架上，要在这种平稳的场所时行保管。此外，为防止污损用尼龙罩等进行保护。

②要避开光线直晒的场所；

③不要放置在有火、气或是易燃的附近；

④尽可能地避开气密室；3、5动车组主变流器维护与检修

项目三动车组主变流器维护与检修图3-62（a）吊起状态，（b）放置状态尼龙罩3、5动车组主变流器维护与检修

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（5）功率单元安装要领

①按上述所示拆卸要领的反向顺序进行操作。光缆的接插位置不要搞错。

②为了切实执行防水，在防水衬垫部涂刷密封剂。（6）鼓风机的拆卸、安装要点

①卸下空气清洁器的压板1（M8×20；两处）。

②将空气清洁器2的检查面侧拉出，卸下。

③从箱形框架中卸下过滤网安装框（M8×30；有26处）；

④从鼓风机端子箱4卸下配线（端子箱，端子台均用M5螺栓），从接地座卸下地线（使用M6螺栓）；3、5动车组主变流器维护与检修

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⑤用叉车或是转向架，使主鼓风机（包括安装框架，约重135kg）的安装框架5，在有支撑的状态下卸开安装螺栓（M12×30；共16处）；

⑥让叉车后退约20mm；

⑦叉车下降约200mm后，将主鼓风机搬出车外，其时要注意电线固定接头与主鼓风机的支撑配件不要相碰撞；

⑧从安装框架5取出主鼓风机（M10×22；8处）；

⑨安装顺序正好与拆卸顺序相反；3、5动车组主变流器维护与检修

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（7）辅助鼓风机（CIBM2、CIBM3）的拆卸、安装要领

①卸开底盖板（M8×20、CIBM2有14处，CIBM3有12处）。

②从端子盒2卸下配线（M4螺丝），从接地座取下电线（M6螺丝）。

③在叉车或转向架上设置辅助鼓风机3，使辅助鼓风机（包括安装框架，约重40kg）在支撑状态下取下安装螺栓（M12×25；4处）。

④使叉车下降约450mm后，将辅助鼓风机搬至叉车外。

⑤卸下辅助鼓风机（M12×5；4处）。

⑥安装顺序正好与卸下顺序相反。3、5动车组主变流器维护与检修

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（9）主鼓风机容性电容器（BMC1）的拆卸、安装要点

①由电容器端子台（M5）卸下配线（2处）；

②由电容器接地座（M5）卸下接地线（1处）；

③从安装接点3卸下电容器（M6×20；4处）；

④安装顺序与卸下顺序正好相反；（10）辅助鼓风机用的电容器（BMC2、3）的卸下

①从电容器的端子（M6）卸下配线（2处×2台）。

②从电容器的接地座（M5）卸下接地线（1处×2台）。

③取下安装螺栓（M6×16；4处×2台）。

④安装顺序正好与拆卸顺序相反3、5动车组主变流器维护与检修

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（11）开关门用的电源的拆卸与安装要点

①卸下控制接插件（有5处）。

②卸下前面和后面的螺丝（M8×16；4处），在安装

③卸下时利用支承台，则操作就方便多了。

④安装顺序与拆卸顺序正好相反。（12）交流电压检出器（ACPT）的拆卸、安装要点

①从端子2卸下配线（M4螺丝；有5处）。

②卸下安装螺丝（M6×30；有4处）。

③安装顺序与拆卸顺序正好相反。3、5动车组主变流器维护与检修

项目三动车组主变流器维护与检修（13）继电器单元的卸下与安装要点①取下控制接插件3。②卸下安装螺栓（M6×16；有4处）。③安装顺序与拆卸顺序正好相反。（14）无接点控制装置的拆卸、安装要点，如图3-63所示。①取下控制接插件1（有12处）。②取下光缆2及仪表用光缆3（有22+1处）。操作时要注意不要对光缆施力，不要使之扭曲。此外，为了防尘，故在光缆端部及无接点控制装置的光接插件部用专用盖子加以保护。③卸下光缆支撑件4（M6×25；有2处）。此外，安装是与无接点控制装置共同紧固的；④卸下剩余的螺丝（M6×25；有2处），拉出无接点控制装置；⑤安装顺序与拆卸顺序正好相反；3、5动车组主变流器维护与检修

项目三动车组主变流器维护与检修2．无接点控制装置进行维修及使用时的注意事项（１）在对本装置进行作业时，必须要在断电状态下进行。如果在电源接通状态下，一旦发生接插件等的脱落时，就会有冲击电压产生，可能会损坏半导体。（２）无特殊需要不要去接触印刷电路板。（３）即使是在无电源的场合，不要随意地将零件、端子、引线等短接。由于电容器中会有剩余能量，上述的短路现象可能会破坏电子零件。（４）进行配线导通试验时，必须使用高内阻仪表，严禁使用铃之类进行校核（配线等），因为铃产生的冲击电压，可能会损坏半导体器件。3、5动车组主变流器维护与检修

项目三动车组主变流器维护与检修（５）卸下机器零部件的场合，应在满足以下条件的场所进行保管。①灰尘少的地方；②太阳直晒不到的地方；③温度低的地方；④不会受到热影响的地方；⑤没有诸如电动机、发电机、空气压缩机等会发生振动的地方；3、5动车组主变流器维护与检修

项目三动车组主变流器维护与检修（６）不要施加象锤击那样过大的冲出力进行试验。（７）在清扫时不要使用吹气式，必须用吸引式清扫机（吸尘器）