地鐵列車可關斷晶閘管牽引變流器綜合測試技術研究*

李小波 吳 浩 翁曉韜 胡方家

(1.上海工程技術大學城市軌道交通學院,201620,上海;2.上海軌道交通維護保障中心車輛分公司,200233,上?！蔚谝蛔髡?講師、博士)

用于地鐵列車的門極可關斷晶閘管(GTO)牽引變流器分為兩大類:直流斬波器和交流逆變器。兩者的主要構(gòu)成相似,均包括:牽引控制單元(Traction Control Unit,簡為 TCU),牽引變流模塊(Traction Converter Module,簡為 TCM),牽引電機和反饋裝置等部件。各構(gòu)成部件不僅與列車安全相關度高、故障多發(fā),而且工作原理和邏輯關系復雜,尤其前兩者技術含量高,是本文的研究對象。

1 測試系統(tǒng)構(gòu)建

為了提高系統(tǒng)的靈活性,系統(tǒng)的構(gòu)建采用分模塊測試并綜合集成的方法,不僅變流器各構(gòu)成單元和模塊能單獨構(gòu)成測試環(huán)節(jié),而且各環(huán)節(jié)還能構(gòu)成整體實現(xiàn)綜合測試。這種設計方法階段目標清晰,調(diào)試過程方便,以下將分別介紹。

1.1 TCU測試環(huán)節(jié)

牽引控制單元的軟件系統(tǒng)由運行控制模塊、運算模塊和功能模塊等構(gòu)成。前兩者為系統(tǒng)內(nèi)置模塊,以類庫或系統(tǒng)級調(diào)用的形式完成單元內(nèi)部工作或輔助功能,如圓周率的計算、數(shù)字轉(zhuǎn)換和程序的初始化等;功能模塊則是實現(xiàn)列車控制的模塊,掌握其信息流的工作機理并與之形成交互才能真正把握TCU的工作機理。TCU測試原理如圖1所示。

1.2 TCM測試環(huán)節(jié)

對于GTO牽引變流器,無論是直流斬波模塊還是交流逆變模塊,從主電路的拓撲結(jié)構(gòu)而言,均是GTO以一種頻率的脈寬調(diào)制(PWM)信號交替導通,并配有相應的驅(qū)動保護和緩沖電路。以交流列車逆變相模塊為例,如圖2所示,V1與V2是兩個主晶閘管GTO1和GTO2;V4和V5為V2和V1(GTO)的續(xù)流管;通過A1和A2按PWM 規(guī)律交替通斷V1(GTO1)和V2(GTO2)可將輸入端P與N間的直流電壓變換為輸出端L的交流電壓。TCM 測試環(huán)節(jié)的原理框圖見圖2。

圖1 TCU功能及測試原理

圖2 牽引相模塊及測試原理

1.3 綜合測試平臺構(gòu)建

綜合測試是以上兩個測試環(huán)節(jié)的整合(見圖3)。將列車主回路中的傳動部分以數(shù)學模型替代,與測試目標牽引變流器(包括TCU和TCM)共同構(gòu)成半實物仿真閉環(huán);測控軟件則是在虛擬儀器(Labview)平臺上的二次開發(fā),將測試和控制有效結(jié)合。

圖3 牽引變流器綜合測試系統(tǒng)

2 信息流及軟件設計

綜合測試實質(zhì)上是一個半實物仿真測試系統(tǒng),對實際情況的真實性模擬決定了系統(tǒng)運行的合理性和結(jié)果的有效性。仿真模型的重要性在于向測試目標提供接近真實的運行環(huán)境。即從TCU和TCM的角度來觀察,其環(huán)境配置與實際列車運行環(huán)境基本沒有差別。

以下將從仿真模型的處理、交互方式、系統(tǒng)同步三方面加以介紹。

2.1 仿真模型的處理

為了滿足系統(tǒng)仿真過程實時性的要求,將牽引電機構(gòu)成傳動部分進行局部線性化處理,并降低數(shù)學模型的階數(shù),以便減少計算機運行仿真模型時的時間開銷,使仿真模型與實際系統(tǒng)保持相近的運行速度。

2.2 交互方式

主控計算機與牽引控制單元按照宿主機-目標機模式來規(guī)范。主控計算機為宿主機,TCU為目標機。在主控機與目標機之間的信息交互設計中,應滿足TCU的內(nèi)部工作程序流程。

在TCU功能模塊中,15 ms周期牽引控制模塊和75 ms周期牽引控制模塊為控制模塊的主流程(主程序),除了變流模塊控制和電壓、電流等控制動作在1 ms中斷處理模塊執(zhí)行之外,絕大多數(shù)控制功能都在這兩個模塊中執(zhí)行。

2.3 系統(tǒng)的同步

由于測試過程是在半實物仿真條件下進行的,因此保證整個系統(tǒng)的同步尤為重要。系統(tǒng)同步需要處理好兩個問題:①仿真服務器、輸入輸出設備和顯示之間的同步;②仿真環(huán)節(jié)與被測對象之間的同步。問題①很容易做到。問題②的處理方法是:用數(shù)據(jù)采集卡的定時器,通過硬件直接中斷進行定時模式實現(xiàn)了系統(tǒng)毫秒級的精確定時,定時器的定時標記傳送給其它計算機就實現(xiàn)了這些計算機的時鐘同步。對定時標記的傳輸頻率進行控制可實現(xiàn)仿真的多速率。

2.4 軟件設計

軟件系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)化的設計思想。主程序采用嵌套循環(huán)方式進行設計,內(nèi)層循環(huán)進行各種狀態(tài)和功能的切換,外層循環(huán)則實現(xiàn)相應狀態(tài)和子程序的調(diào)用。添加新功能只需在外層循環(huán)中添加相應功能的子程序模塊即可。軟件結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4 測試系統(tǒng)軟件架構(gòu)

主界面設計充分利用Labview中的用戶定制功能選項,對主界面的最大化和大小調(diào)整功能進行了限制,且當子程序被調(diào)出時,主界面(見圖5、圖6)不被關閉。

圖5 主界面設計

圖6 系統(tǒng)實時運行狀態(tài)顯示

3 實例

3.1 TCU測試

在TCU低壓測試環(huán)節(jié)中,控制計算機向TCU輸入GTO的觸發(fā)信號,通過A1或A2(圖2)觸發(fā)GTO的通與斷,并測試GK(門極和陰極)的觸發(fā)波形(圖7(a)),再展開其上升沿與下降沿(圖7(b)和(c))。

這時分析GTO的觸發(fā)信息如下:導通時首先要求有幾十微秒寬的強觸發(fā)信號,然后保持正向偏置約+1 V,以確?？煽繉?關斷時也需要有足夠的關斷能量,而后施以負偏置約-15 V,保證可靠關斷。這一過程符合對GTO驅(qū)動電路所要求的波形。如圖7(b)其導通瞬間有50～60 μ s寬度的強觸發(fā)脈沖,然后有維持正向?qū)ǖ膲航?。從圖7(c)可見,關斷時有強的反向電壓脈沖,最后維持約-15 V的反向偏置(見圖7(a))。

3.2 綜合測試試驗

以直流斬波器為例,綜合測試試驗在模擬典型運行工況下進行,主要參數(shù)如電網(wǎng)電壓、電機電樞電流、機車運行速度等變化情況都進行了實時數(shù)據(jù)采集,如圖8所示。同時也監(jiān)控了主回路中重要接觸器的工作狀態(tài),因為它們能反映TCU的控制過程。典型工況下的測試數(shù)據(jù)與列車實際運行工況數(shù)據(jù)對比,即可作為GTO牽引變流器性能的測試和評價依據(jù)。

圖7 觸發(fā)信號波形

圖8 綜合測試動態(tài)參數(shù)波形

4 結(jié)語

提出了一種GTO牽引變流器的綜合測試方案。該方案不僅能夠?qū)Ω鞑考嵤┆毩y試,還可以對整體進行綜合測試,測試方法方便有效。本測試方法的應用對象雖然是GTO牽引變流器,但是該方法也可以移植到地鐵IGBT(絕緣門雙極晶體管)牽引變流器的測試系統(tǒng)中。

[1]余強,陶生桂.地鐵車輛上兩種典型GTO驅(qū)動電路的對比分析[J].變流技術與電力牽引,2006(1):28.

[2]Wu Hao,Zhang Xiubin.Study on the HILS testing system for the electric traction sy stem of the DC Locomotives[C].Proceedings of 2005 IEEE Industry Applications Conference,2005:2464.

[3]薛定宇,陳陽泉.基于MAT LAB/Simulink的系統(tǒng)仿真技術與應用[M].北京:清華大學出版社,2002.

[4]程隆華,方海清.上海地鐵1號線車輛牽引(制動)數(shù)字仿真計算[J].上海鐵道學院學報,1994,9(15):39.