基于RT-LAB的動車組牽引傳動系統(tǒng)HIL仿真研究*

夏 菲, 謝冰若, 趙紅衛(wèi)

(中國鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所， 北京 100081)

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綜合技術(shù)研究

基于RT-LAB的動車組牽引傳動系統(tǒng)HIL仿真研究*

夏 菲, 謝冰若, 趙紅衛(wèi)

(中國鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所， 北京 100081)

建立了基于RT-LAB的動車組牽引傳動系統(tǒng)HIL仿真平臺，介紹了其結(jié)構(gòu)和配套開發(fā)的牽引系統(tǒng)故障模擬軟件，最后進(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)； RT-LAB； 硬件在環(huán)； 故障模擬

作為一種半實(shí)物仿真技術(shù)，硬件在環(huán)(Hardware in Loop，HIL)仿真廣泛應(yīng)用于動車組牽引控制單元(Traction Control Unit，TCU)研究，它采用dSPACE、RT-LAB等實(shí)時仿真機(jī)代替真實(shí)的牽引變流器和牽引電機(jī)等進(jìn)行各種仿真試驗(yàn)，具有體積小、節(jié)能、安全便捷等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。

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)，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(4 Quadrant Rectifier，4QR)和逆變器以驅(qū)動牽引電機(jī)。現(xiàn)有動車組牽引傳動系統(tǒng)HIL仿真多針對TCU建立，并沒有考慮同樣參與牽引系統(tǒng)控制管理的CCU。另一方面，現(xiàn)有牽引系統(tǒng)被控對象建模大都考慮正常模型，未考慮故障建模。

針對上述問題，在文獻(xiàn)[3]討論了動車組牽引傳動系統(tǒng)被控對象正常建模和故障建?；A(chǔ)上，本文建立了將TCU/CCU集成為一體的動車組牽引傳動系統(tǒng)HIL仿真平臺，介紹了其結(jié)構(gòu)和配套開發(fā)的牽引系統(tǒng)故障模擬軟件，最后進(jìn)行了各種正常、故障工況仿真研究。

1 動車組牽引系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

8輛編組的某型動車組含兩個相同的牽引單元，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：1、3車為動車，2、4車為拖車。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。

每個動車含一個牽引變流器，它由2個并聯(lián)的四象限整流器(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，直流儲能電容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，如圖1所示。

圖1 動車組牽引傳動系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)

2 動車組牽引傳動系統(tǒng)HIL仿真平臺結(jié)構(gòu)

圖2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)。它主要由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(shí)時仿真機(jī)組成。2個CCU分別位于兩個端車，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)外的各個子系統(tǒng)，分別由運(yùn)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兩個端車，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(shí)時仿真機(jī)模擬。

圖2中，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(shí)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。

圖2 動車組牽引傳動系統(tǒng)HIL仿真平臺結(jié)構(gòu)

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(shí)時變量值，這通過串口通信實(shí)現(xiàn)。另一方面，可以在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(shí)時仿真機(jī)，來監(jiān)控被控對象電壓、電流的實(shí)時狀態(tài)。

3 牽引系統(tǒng)故障模擬軟件

使用RT-LAB的上位機(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(shí)時仿真環(huán)境，采用LabVIEW開發(fā)了牽引系統(tǒng)故障模擬軟件。

牽引系統(tǒng)故障模擬軟件主界面如圖3所示。其主要功能包括：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(yùn)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(shí)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。系統(tǒng)級故障具體可分為：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)故障共7大類。

圖3 牽引系統(tǒng)故障模擬軟件主界面

4 正常工況試驗(yàn)

4.1 牽引變流器啟動過程

牽引變流器啟動過程如圖4所示，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時，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)出兩個約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時，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。

4.2 牽引變流器全速域牽引過程

牽引手柄滿級位，列車全速域牽引過程如圖5所示，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(yùn)行速度波形(這里數(shù)值為負(fù)數(shù)與參考方向選取有關(guān))。隨著列車速度提高，直流母線電壓波動增大。在列車速度約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(shí)物仿真試驗(yàn)臺運(yùn)行正常，輸出波形穩(wěn)定。

圖4 牽引變流器啟動過程

圖5 牽引變流器全速域牽引過程

圖6給出了列車在速度176 km/h時，牽引變壓器一次側(cè)電壓電流、4QR1交流側(cè)電壓電流、直流母線電壓、逆變器輸出A相電壓電流、牽引電機(jī)三相電流和輸出電磁轉(zhuǎn)矩波形細(xì)節(jié)。

圖6 變流器電壓、電流波形細(xì)節(jié)(列車速度v=176 km/h)

5 故障工況試驗(yàn)

5.1 兩個并聯(lián)的4QR電流不均衡過大

兩個并聯(lián)運(yùn)行的4QR電流不均衡過大容易導(dǎo)致開關(guān)器件過流而損壞，TCU會實(shí)時監(jiān)控4QR1和4QR2的電流，當(dāng)兩者之差超過某一閾值后，會封鎖兩個4QR和逆變器并報出該故障。圖7給出了相關(guān)波形，系統(tǒng)正常運(yùn)行至233.962 s附近，4QR1出現(xiàn)直流偏移(如圖7(a)所示)，此時TCU檢測到兩個4QR的電流之差超過閾值，立刻封鎖兩個4QR(如圖7(a)、(b)所示)，然后封鎖逆變器(如圖7(d)、(e)所示)，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)電壓略有抬升(如圖7(c))。

5.2 逆變器三相電流之和不為零

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8給出了相關(guān)波形，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行至274.139 s時，TCU檢測到逆變器三相電流和不為0(如圖8(d)所示)，TCU立刻封鎖逆變器(如圖8(d)、(e)所示)，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(如圖8(c))。TCU封鎖逆變器后，在274.149 s封鎖4QR1和4QR2(如圖8(a)、(b)所示)。

圖7 兩個4QR電流不均衡測試波形

圖8 逆變器三相電流和不為零測試波形

6 結(jié)束語

本文建立了與列車網(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，它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。

[1] 馬志文，李 偉，崔恒斌，韓昆．電動車組交流傳動系統(tǒng)的硬件在回路實(shí)時仿真研究[J]．鐵道機(jī)車車輛，2011，31(2)：1-5．

[2] 崔恒斌，馬志文，韓 昆，等．電動車組牽引傳動系統(tǒng)的實(shí)時仿真研究[J]．中國鐵道科學(xué)，2011，32(6)：94-101．

[3] 謝冰若，夏 菲，趙紅衛(wèi)．動車組牽引傳動系統(tǒng)HIL仿真平臺被控對象建模研究[J]．鐵道機(jī)車車輛，2015，35(2)32-35．

Research on HIL Simulation of EMU Traction Drive System Based on RT-LAB

XIAFei,XIEBingruo,ZHAOHongwei

(Locomotive & Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

This paper established the HIL simulation platform of EMU traction drive system based on RT-LAB, introduced the structure and fault simulation software of this platform, and carried out the simulation of various conditions. This platform has good application prospect, which not only can be used for static or dynamic performance simulation under normal conditions, but also can be used for fault simulations under different fault conditions.

EMU; traction drive system; RT-LAB; hardware-in-loop; fault modeling

1008-7842 (2015) 03-0001-05

女，助理研究員(

2015-02-12)

U266.2， TM461， TM464

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.03.01

*國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(2012CB723803)