■ 趙紅衛(wèi) 謝冰若 夏菲 鄭雪洋 高楓
動車組牽引傳動系統(tǒng)故障導(dǎo)向安全技術(shù)仿真研究
■ 趙紅衛(wèi) 謝冰若 夏菲 鄭雪洋 高楓
為深入研究動車組牽引傳動系統(tǒng)故障導(dǎo)向安全技術(shù),搭建了基于RT-LAB的動車組牽引傳動系統(tǒng)HIL仿真平臺,該平臺將牽引系統(tǒng)和列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成于一體,且同時考慮牽引系統(tǒng)被控對象的正常建模和各種故障建模,采用該平臺進(jìn)行了各種工況仿真研究。該平臺不僅可用于正常工況下牽引系統(tǒng)靜、動態(tài)性能仿真,還可用于牽引系統(tǒng)各種故障模擬、復(fù)現(xiàn),具有較高的應(yīng)用價值。
動車組;牽引傳動系統(tǒng);故障導(dǎo)向安全;RT-LAB;HIL
為確保動車組運行安全,牽引傳動系統(tǒng)需采用合理的故障導(dǎo)向安全技術(shù)。在973項目“交通系統(tǒng)安全技術(shù)基礎(chǔ)”的支持下,對高速列車牽引傳動系統(tǒng)故障導(dǎo)向安全技術(shù)開展專項研究,搭建了基于RT-LAB的動車組牽引傳動系統(tǒng)硬件在回路(Hardware in Loop,HIL)仿真平臺,利用該平臺對動車組原型車牽引系統(tǒng)進(jìn)行正常工況的靜、動態(tài)性能仿真,進(jìn)行各種故障工況下故障導(dǎo)向安全測試并進(jìn)行總結(jié)。
HIL仿真技術(shù)是一種半實物仿真技術(shù)[1],即采用真實的牽引控制單元(Traction Control Unit,TCU),但被控對象采用dSPACE、RT-LAB等實時仿真系統(tǒng)替代。文獻(xiàn)[2]采用dSPACE實時仿真機(jī)建立逆變器和異步電機(jī)模型,并進(jìn)行仿真研究;文獻(xiàn)[3]建立機(jī)車牽引系統(tǒng)被控對象Matlab/Simulink實時仿真模型;文獻(xiàn)[4]—文獻(xiàn)[5]基于dSPACE仿真機(jī)建立動車組牽引傳動系統(tǒng)實時仿真模型,并進(jìn)行仿真研究。
就動車組而言,不僅TCU,列車網(wǎng)絡(luò)的中央控制單元(Central Control Unit,CCU)也參與牽引傳動系統(tǒng)的控制管理,但分工不同。以某型動車組為例,CCU管理受電弓、高壓主斷路器、主變壓器及冷卻系統(tǒng),監(jiān)測牽引電機(jī)及齒輪箱溫度,綜合司機(jī)牽引手柄和列車定速控制生成轉(zhuǎn)矩指令下發(fā)給TCU。TCU根據(jù)CCU指令控制四象限整流器和逆變器以驅(qū)動牽引電機(jī),實現(xiàn)防滑/防空轉(zhuǎn)功能,還管理牽引變流器內(nèi)部各種開關(guān)?,F(xiàn)有動車組牽引傳動HIL仿真系統(tǒng)多針對TCU建立,并沒有考慮同樣參與牽引傳動系統(tǒng)控制管理的CCU,因此不完整。另一方面,現(xiàn)有牽引傳動系統(tǒng)被控對象建模大都考慮正常模型,未考慮故障建模,無法進(jìn)行各種故障工況仿真和故障導(dǎo)向安全測試。
針對上述問題,基于RT-LAB實時仿真機(jī),建立將TCU/CCU集成在一起的某型動車組牽引傳動系統(tǒng)HIL仿真平臺。在牽引系統(tǒng)被控對象建模時不僅考慮正常模型,還考慮各種典型故障,正常模型和故障模型均通過狀態(tài)方程形式實現(xiàn),兩者可自由切換。
如圖1所示,8輛編組某型動車組牽引系統(tǒng)含有2個牽引單元:1—4車為一個牽引單元,5—8車為一個牽引單元。以1—4車為例:2、4車為拖車,1、3車為動車;2車裝有受電弓、主斷路器和牽引變壓器,為裝有牽引變流器和牽引電機(jī)的1、3車提供動力。
單個動車含1個牽引變流器,由2個并聯(lián)四象限PWM整流器(包含預(yù)充電支路K1—R1和線路隔離開關(guān)K2)、中間直流回路(包括二次諧振支路Lr—Cr—Rr、直流支撐電容Cd、短路晶閘管支路ST—RST和制動斬波支路BT—RBT)、1個三相兩電平PWM逆變器構(gòu)成。牽引變流器與受電弓、主斷路器、牽引變壓器和4個并聯(lián)的牽引電機(jī)一起組成完整的牽引傳動系統(tǒng)主電路(見圖2)。
圖3所示為8輛編組動車組牽引傳動系統(tǒng)HIL仿真平臺結(jié)構(gòu),主要由2個車載CCU、2個車載顯示屏、2個列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)仿真機(jī)、4個車載TCU和1個RT-LAB實時仿真機(jī)組成。2個CCU分別位于2個端車,是整車控制器,其被控對象為整車電氣線路和除牽引子系統(tǒng)外的各子系統(tǒng),分別由運行在2個工控機(jī)上的列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)仿真軟件模擬。2個車載顯示屏也位于2個端車,主要用于顯示整列車各子系統(tǒng)狀態(tài)和故障代碼。4個TCU分別位于4個動車,是牽引系統(tǒng)控制器,其被控對象均由RT-LAB實時仿真機(jī)模擬。
仿真平臺中的2個CCU之間由WTB總線連接。2個CCU與2個顯示屏之間、2個CCU與4個TCU之間、2個CCU與2個工控機(jī)之間均由MVB總線連接。在2個工控機(jī)上均配置了MVB驅(qū)動程序,以實現(xiàn)列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)仿真軟件與MVB總線的數(shù)據(jù)交互。
在用戶接口方面,每個工控機(jī)上安裝有數(shù)據(jù)在線監(jiān)視軟件,分別用來監(jiān)控本牽引單元的CCU和2個TCU的故障代碼和實時變量值,通過串口通信實現(xiàn)。另一方面,可在PC機(jī)上安裝RT-LAB上位機(jī)監(jiān)控軟件,通過以太網(wǎng)線連接RT-LAB實時仿真機(jī),監(jiān)控被控對象電壓、電流的實時狀態(tài)。動車組牽引傳動系統(tǒng)HIL仿真平臺見圖4。
建模時,接觸網(wǎng)電壓25 kV/50 Hz由Matlab/ Simulink的正弦波發(fā)生器模擬。
3.1 牽引變壓器建模
不考慮變壓器鐵耗、磁飽和影響,不考慮變壓器短路阻抗(在四象限整流器模型中考慮),牽引變壓器可看作一個理想變壓器(等效電路見圖5)。
圖1 8輛編組的某型動車組牽引系統(tǒng)配置
圖2 單個動車牽引傳動系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)
圖3 動車組牽引傳動系統(tǒng)HIL仿真平臺結(jié)構(gòu)
圖5 中,u1、i1為變壓器一次側(cè)電壓電流;u21、u22、i21和i22為2個二次側(cè)繞組電壓電流,則牽引變壓器模型為:
式中:k為牽引變壓器變比。
如果牽引變壓器繞組發(fā)生匝間短路,其模型仍可用式(1)表示,只是k會發(fā)生變化(短路阻抗也會發(fā)生變化)。
3.2 四象限PWM整流器建模
整流器建模時,將開關(guān)器件看作理想開關(guān),不考慮開關(guān)器件導(dǎo)通壓降、導(dǎo)通和關(guān)斷時間等因素。
四象限整流器主電路見圖6,由牽引變壓器短路阻抗Ls、Rs,預(yù)充電開關(guān)K1、預(yù)充電電阻R1、線路開關(guān)K2和4個IGBT器件T1、T2、T3、T4組成,每個IGBT均與1個二極管反向并聯(lián)。
定義橋臂M、N的開關(guān)函數(shù)如下:
在K1和K2均斷開情況下,顯然i2=id=0,四象限整流器模型求解完畢。
在K1或K2閉合情況下,圖6中的等效串聯(lián)電阻R如下:
式中:SK2為線路開關(guān)K2的開關(guān)函數(shù),K2閉合時SK2=1,否則SK2=0。
在K1或K2閉合情況下,計算SM、SN分為2種情況:
(1)如果T1、T2、T3、T4的驅(qū)動脈沖P1、P2、P3、P4均為0,即沒有驅(qū)動脈沖時,四象限整流器相當(dāng)于橋式不控整流電路,此時SM、SN由交流電流i2的流向、電壓u2和ud的大小決定(見表1)。
為防止在i2在零值附近抖動,一般設(shè)置一個電流容差來防止誤判。在不控整流工作狀態(tài)中,如果i2=0,|u2|<|ud|,橋式整流電路無法啟動,此時i2=id=0,四象限整流器模型求解完畢。
(2)如果T1、T2、T3、T4受驅(qū)動脈沖控制,即P1、P2、P3、P4不全為0,則SM、SN的取值見表2。
在P1=P2=1或P3=P4=1的情況下,表明整流器出現(xiàn)橋臂短路情況,此時模型會報警。
最終建立四象限整流器模型如下:
圖5 牽引變壓器等效電路
圖6 四象限整流器主電路
表1 不控整流狀態(tài)下四象限整流器開關(guān)函數(shù)
式中整流器交流側(cè)電壓uMN如下:
在脈沖驅(qū)動模式下,如果某一個開關(guān)管出現(xiàn)開路故障,以T1為例,此時反并聯(lián)二極管D1仍正常工作。當(dāng)網(wǎng)側(cè)電流i2<0時,電流只能經(jīng)二極管D2流回牽引繞組,下橋臂導(dǎo)通,開關(guān)函數(shù)SM=0,則開關(guān)函數(shù)SM的取值見表3,SN不變(如表2所示)。
在脈沖驅(qū)動模式下,如果2個開關(guān)管出現(xiàn)開路故障,以T1、T4管為例,此時二極管D1、D4仍正常工作。當(dāng)網(wǎng)側(cè)電流i2<0時,電流只能經(jīng)二極管D2、D3流回牽引繞組,此時開關(guān)函數(shù)SM=0、SN=1(見表4)。
3.3 中間直流回路建模
中間直流回路包括二次諧振電路Lr—Cr—Rr、支撐電容Cd、短路晶閘管ST支路(等效電阻RST)和制動斬波管BT支路(制動電阻RBT)(見圖7)。
根據(jù)圖7得到中間直流回路的數(shù)學(xué)模型如下:
式中:SKT、SBT分別為短路晶閘管KT、制動斬波管BT的開關(guān)函數(shù),為1時表示導(dǎo)通,為0時表示關(guān)閉。
在二次濾波電感開路故障情況下,模型變?yōu)椋?/p>
表2 四象限整流器正常工作時的開關(guān)函數(shù)
表3 T1開路時的開關(guān)函數(shù)SM
表4 T1、T4開路時的開關(guān)函數(shù)
3.4 逆變器建模
三相兩電平逆變器主電路見圖8,N為三相對稱負(fù)載中點。
與四象限整流器類似,將開關(guān)器件看作理想開關(guān),定義A、B、C相橋臂開關(guān)函數(shù)Si(i=A、B、C):
建立逆變器模型:
式中:開關(guān)函數(shù)SA、SB和SC可根據(jù)開關(guān)管T1'、T2'、T3'、T4'、T5'、T6'的驅(qū)動脈沖Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6和三相電流iA、iB和iC的流向確定(見表5)。在Q1=Q4=1、Q3=Q6=1或Q5=Q2=1情況下,表明逆變器出現(xiàn)橋臂短路情況,此時模型會報警。
圖7 中間直流回路電路結(jié)構(gòu)
圖8 三相兩電平逆變器主電路
如果某一個開關(guān)管出現(xiàn)開路故障,僅以T3'出現(xiàn)開路故障為例,此時二極管D3'仍正常工作。當(dāng)電流iB>0時,電流只能流經(jīng)D6',下橋臂導(dǎo)通,開關(guān)函數(shù)SB=0,這種情況下,開關(guān)函數(shù)SB的取值見表6,SA、SC不變(如表5所示)。
3.5 牽引電機(jī)建模
不考慮磁路飽和、鐵芯損耗和溫度變化對繞組電阻的影響,忽略空間諧波,假設(shè)三相繞組對稱,所產(chǎn)生的磁動勢沿氣隙圓周按正弦規(guī)律分布,則異步電機(jī)在兩相靜止α、β坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型為[6]:
式中:usα、usβ為定子電壓α、β軸分量;isα、isβ為定子電流α、β軸分量;ψsα、ψsβ為定子磁鏈α、β軸分量;np為極對數(shù);J為轉(zhuǎn)動慣量;TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩;ωr為電機(jī)電角速度;Ls、Rs、Lr和Rr分別為定子自感、定子電阻、轉(zhuǎn)子自感和轉(zhuǎn)子電阻;Lm為定轉(zhuǎn)子間互感;Tr=Lr/Rr;σ=1
表5 逆變器開關(guān)函數(shù)
式(11)中,usα、usβ由定子在ABC坐標(biāo)系下的定子電壓經(jīng)坐標(biāo)變換得到:
3.6 其他故障建模
除上述討論的被控對象故障建模外,還總結(jié)出其他故障建模:
(1)網(wǎng)壓過低/過高;
(2)直流母線電壓過壓;
(3)四象限整流器過流;
(4)逆變器過流;
(5)2個四象限整流器電流不均衡;
(6)電流互感器偏置過高;
(7)逆變器三相電流不平衡。
以上這些故障可通過直接設(shè)置仿真機(jī)輸出電壓/電流值實現(xiàn),無需改變被控對象數(shù)學(xué)模型。
表6 T3'開路時的開關(guān)函數(shù)SB
使用RT-LAB上位機(jī)監(jiān)控軟件觸發(fā)各種牽引系統(tǒng)故障并不方便,需要使用其在線調(diào)整參數(shù)對話框,手動選取各種參數(shù),在線修改并應(yīng)用,過程較繁瑣。為了提高故障測試效率,基于RT-LAB實時仿真環(huán)境,采用LabVIEW開發(fā)了牽引系統(tǒng)故障模擬軟件(主界面見圖9)。主要功能包括:控制仿真啟動、暫停、結(jié)束,觸發(fā)牽引系統(tǒng)故障,顯示牽引傳動系統(tǒng)運行狀態(tài)和主要部件工作狀態(tài),顯示牽引傳動系統(tǒng)電壓電流實時波形并進(jìn)行存儲,在線調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)等。
該軟件可以模擬的牽引系統(tǒng)故障分為兩大類:邏輯器件故障和系統(tǒng)級故障。邏輯器件故障主要用來模擬開關(guān)器件開路或短路(見圖10);系統(tǒng)級故障模擬界面見圖11,具體可分為高壓系統(tǒng)相關(guān)故障、四象限整流器相關(guān)故障、中間直流回路相關(guān)故障、輔助變流器相關(guān)故障、牽引逆變器相關(guān)故障、牽引電機(jī)相關(guān)故障、牽引電機(jī)機(jī)械相關(guān)故障七大類。
5.1 牽引變流器啟動過程
牽引變流器啟動過程見圖12(圖(a)和(b)中,藍(lán)色代表電壓,紅色代表電流),給出了四象限整流器4QR1和4QR2的交流側(cè)電壓、電流波形,牽引變壓器一次側(cè)電流波形和直流母線電壓波形。在70.16 s,預(yù)充電開關(guān)K1閉合,此時4QR1工作在不控整流狀態(tài)(4QR2未工作),直流母線電壓上升;在71.4 s,TCU會進(jìn)行制動斬波支路測試,即給制動斬波開關(guān)管BT發(fā)出2個約3 ms的驅(qū)動脈沖,隨后關(guān)閉,TCU應(yīng)檢測到直流母線電壓下跌;在76.3 s,TCU閉合K2,斷開K1,4QR2也進(jìn)入不控整流狀態(tài);在77 s,預(yù)充電結(jié)束,TCU向4QR1和4QR2發(fā)出控制脈沖,使直流母線電壓穩(wěn)定在3 000 V。
5.2 牽引變流器全速域牽引過程
圖9 牽引系統(tǒng)故障模擬軟件主界面
圖10 邏輯器件故障模擬區(qū)
圖11 系統(tǒng)故障模擬區(qū)
圖12 牽引變流器啟動過程
牽引手柄滿級位,列車全速域牽引過程見圖13(圖(a)、(b)和(e)中,藍(lán)色代表電壓,紅色代表電流),給出了4QR1、4QR2交流側(cè)電壓電流、變壓器一次側(cè)電流、直流母線電壓、牽引電機(jī)A相電壓電流、牽引電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和列車運行速度波形(數(shù)值為負(fù)與參考方向選取有關(guān))。隨著列車速度的提高,直流母線電壓波動增大。在列車速度約為140 km/h時,系統(tǒng)從恒牽引力向恒功區(qū)過渡。整個全速牽引過程中,半實物仿真試驗臺運行正常,輸出波形穩(wěn)定。
6.1 制動斬波支路測試失敗
在對直流母線進(jìn)行預(yù)充電過程中,TCU會通過導(dǎo)通制動斬波管BT來測試制動斬波支路是否可以正常工作。即給制動斬波管BT發(fā)出2個3 ms驅(qū)動脈沖(間隔3 ms),TCU應(yīng)檢測到直流側(cè)電壓下降。如果直流母線電壓未出現(xiàn)下降,則判定制動斬波支路存在故障。此時,TCU會斷開主斷,封鎖4QR1、4QR2和逆變器,同時導(dǎo)通短路晶閘管KT將中間直流電壓釋放。
圖14給出了相關(guān)波形(圖(a)和(b)中,藍(lán)色代表電壓,紅色代表電流)。開始時系統(tǒng)正常運行,通過4QR1進(jìn)行預(yù)充電(見圖14(a)、(b)和(c));在329.1 s,TCU發(fā)出BT驅(qū)動脈沖進(jìn)行制動斬波支路測試(見圖14(e)),但此時中間直流側(cè)電壓并無下降(見圖14(d)),TCU判斷制動斬波支路測試失敗,斷開主斷(見圖14(a)和(c)),隨后導(dǎo)通KT(見圖14(f))泄放直流母線電壓(見圖14(d))。
6.2 逆變器三相電流之和不為0
設(shè)置該故障主要用來監(jiān)測牽引電機(jī)是否存在漏電流。TCU將逆變器三相電流傳感器反饋值進(jìn)行相加,當(dāng)其和大于一定值后,TCU會封鎖逆變器,隨后封鎖2個4QR并報出該故障。圖15給出了相關(guān)波形(圖(a)和(b)中,藍(lán)色代表電壓,紅色代表電流)。當(dāng)系統(tǒng)運行至274.139 s時,TCU檢測到逆變器三相電流和不為0(見圖15(d)),TCU立刻封鎖逆變器(見圖15(d)、(e)),由于電機(jī)屬于感性負(fù)載,電流進(jìn)行續(xù)流,中間直流側(cè)電壓有所抬升(見圖15(c))。TCU封鎖逆變器后,在274.149 s封鎖4QR1和4QR2(見圖15(a)、(b))。
當(dāng)牽引設(shè)備不正常時,牽引傳動系統(tǒng)能夠迅速保護(hù)、自動或提示司機(jī)手動隔離故障設(shè)備并導(dǎo)向安全,故障影響不應(yīng)擴(kuò)大化。牽引系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)故障部件選擇恰當(dāng)?shù)谋Wo(hù)方式,包括降弓、跳主斷、降功率、封鎖四象限整流器/逆變器等。
圖13 牽引變流器全速域牽引過程
圖14 制動斬波支路測試失敗相關(guān)波形
圖15 逆變器三相電流和不為0測試波形
CCU/TCU主要針對牽引傳動系統(tǒng)牽引變壓器、牽引控制器、牽引變流器和牽引電機(jī)進(jìn)行故障診斷與保護(hù)。如IGBT達(dá)到過電流限值,會關(guān)閉部分開關(guān)管甚至分主斷,切除牽引變流器;牽引變流器內(nèi)部風(fēng)扇故障,冷卻水泵故障,冷卻水溫過低、過高,冷卻液壓力超過最大限值或低于最小限值時,都會導(dǎo)致牽引封鎖;牽引變流器內(nèi)部溫度達(dá)到過熱限值時,或限制功率輸出或?qū)е聽恳怄i;牽引變流器接地電壓超出允許范圍時,封鎖牽引。常用故障保護(hù)策略見表7。
介紹某型動車組牽引傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu),詳細(xì)討論牽引系統(tǒng)被控對象的正常建模和故障建模,包括牽引變壓器、四象限整流器、中間直流回路、逆變器和牽引電機(jī)等,在此基礎(chǔ)上建立與列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)集成為一體的動車組牽引傳動系統(tǒng)HIL仿真平臺,不僅可用于正常工況下牽引系統(tǒng)靜、動態(tài)性能仿真,還可以再現(xiàn)高速動車組現(xiàn)場故障,是研究和攻克高速列車系統(tǒng)保護(hù)和故障診斷技術(shù)的重要手段和方法,在京津、武廣、京滬、滬杭線動車組運營故障分析及解除中發(fā)揮了重要作用。目前,還利用該平臺完成自主化CCU/TCU的開發(fā)和測試。
表7 牽引傳動系統(tǒng)故障保護(hù)策略分類
[1] 傅成?。壍澜煌ㄜ囕v交流傳動系統(tǒng)硬件在回路仿真技術(shù)進(jìn)展[J].機(jī)車電傳動,2009(3):1-4.
[2] 盧子廣,柴建云,王祥珩.異步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)實時仿真[J].中小型電機(jī),2003,30(3):25-29.
[3] 丁榮軍,桂衛(wèi)華,陳高華.電力機(jī)車交流傳動系統(tǒng)的半實物實時仿真[J].中國鐵道科學(xué),2008,29(4):96-102.
[4] 馬志文,李偉,崔恒斌,等.電動車組交流傳動系統(tǒng)的硬件在回路實時仿真研究[J].鐵道機(jī)車車輛,2011,31(2):1-5.
[5] 崔恒斌,馬志文,韓昆,等.電動車組牽引傳動系統(tǒng)的實時仿真研究[J].中國鐵道科學(xué),2011,32(6):94-101.
[6] 馮曉云.電力牽引交流傳動及其控制系統(tǒng)[M].北京:高等教育出版社,2009.
趙紅衛(wèi):中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所/北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司,研究員,北京,100081/ 100094
謝冰若:中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所/北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司,助理研究員,北京,100081/ 100094
夏 菲:中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所/北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司,助理研究員,北京,100081/ 100094
鄭雪洋:中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所/北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司,助理研究員,北京,100081/ 100094
高 楓:中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所/北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司,助理研究員,北京,100081/ 100094
責(zé)任編輯 高紅義
U266.2
A
1672-061X(2015)02-0031-09
國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目(2012CB723803)。
所獲獎項:2014年度中國鐵道學(xué)會科學(xué)技術(shù)獎二等獎。