動車組牽引傳動系統(tǒng)HIL仿真平臺被控對象建模研究*

謝冰若，夏 菲，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)

動車組牽引傳動系統(tǒng)HIL仿真平臺被控對象建模研究*

謝冰若，夏 菲，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)

討論了動車組牽引傳動系統(tǒng)HIL仿真平臺被控對象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，故障模型是在正常模型基礎(chǔ)上完成的，兩者均以狀態(tài)方程形式實(shí)現(xiàn)。

動車組;牽引傳動系統(tǒng);硬件在環(huán)路;故障建模

由于動車組牽引傳動系統(tǒng)成套設(shè)備體積大，電壓等級高，在研究牽引控制單元(Traction Control Unit，TCU)時，廣泛采用硬件在回路(Hardware in Loop，HIL)仿真技術(shù)［1］。這是一種半實(shí)物仿真技術(shù)，即采用真實(shí)的TCU，但被控對象采用dSPACE、RT-LAB等實(shí)時仿真系統(tǒng)替代。

文獻(xiàn)［2］基于dSPACE實(shí)時仿真機(jī)，建立了逆變器和異步電機(jī)的模型。文獻(xiàn)［3］建立了機(jī)車牽引傳動系統(tǒng)被控對象的 Matlab/Simulink仿真模型。文獻(xiàn)［4-5］基于dSPACE仿真機(jī)，建立了動車組牽引傳動系統(tǒng)的實(shí)時仿真模型并進(jìn)行仿真研究。

以上文獻(xiàn)中牽引系統(tǒng)被控對象建模大都考慮正常模型，未考慮故障建模。本文以某型動車組為例，在介紹其牽引系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)討論了牽引系統(tǒng)被控對象的正常建模和故障建模，故障模型是在正常模型基礎(chǔ)上完成的，兩者均以狀態(tài)方程形式實(shí)現(xiàn)。

1 動車組牽引傳動系統(tǒng)介紹

某型動車組牽引系統(tǒng)配置如圖1所示。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。

單個動車含一個牽引變流器，它由2個并聯(lián)的四象限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BTRBT)，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，如圖2所示。

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)

2 牽引傳動系統(tǒng)被控對象建模

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，下面介紹主要部件建模。

2.1 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如圖3所示。

其中u1、i1為變壓器一次側(cè)電壓電流，u21、u22、i21和i22為兩個二次側(cè)繞組電壓電流，則牽引變壓器模型如下:

圖3 牽引變壓器等效電路

式(1)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，只是牽引變壓器變比k會發(fā)生變化(短路阻抗也會變化)。

2.2 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如圖4所示，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)。

圖4 四象限整流器主電路

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4中的等效串聯(lián)電阻R如下:

式(4)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(jì)算SM、SN分為如下兩種情況:

(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，如表1所示。

表1 不控整流狀態(tài)下四象限整流器的開關(guān)函數(shù)

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不全部為0，則SM、SN如表2所示。

表2 四象限整流器正常工作時的開關(guān)函數(shù)

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:

式(5)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如表3所示。SN不變，仍如表2所示。

表3 T1開路時的開關(guān)函數(shù)SM

在脈沖驅(qū)動模式下，如果兩個開關(guān)管出現(xiàn)開路故障，以T1、T4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，如表4所示。

表4 T1和T4開路時的開關(guān)函數(shù)

2.3 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(等效電阻為RST)和制動斬波管BT支路(制動電阻為RBT)，如圖5所示。

圖5 中間直流回路電路結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖5，得到中間直流回路的數(shù)學(xué)模型如下:

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表示導(dǎo)通，為0表示關(guān)閉。

在二次濾波電感開路故障的情況下，模型變?yōu)?

2.4 逆變器建模

兩電平逆變器主電路如圖6所示。N為三相對稱負(fù)載的中點(diǎn)。

圖6 三相兩電平逆變器主電路

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)如下:

建立逆變器模型如下:

式(10)中，開關(guān)函數(shù)SA、SB和SC可根據(jù)開關(guān)管T'1，T'2，T'3，T'4，T'5，T'6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，如表5所示。在Q1=Q4=1、Q3=Q6=1或Q5=Q2=1的情況下，表明逆變器出現(xiàn)橋臂短路情況，此時模型會報警。

如果某一個開關(guān)管出現(xiàn)開路故障，僅以T'3出現(xiàn)開路故障為例，此時二極管D'3仍正常工作。當(dāng)電流iB＞0時，電流只能流經(jīng)D'6，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如表6所示，SA，SC不變，仍如表5所示。

表5 逆變器開關(guān)函數(shù)表

表6 T'3開路時的開關(guān)函數(shù)SB

2.5 牽引電機(jī)建模

不考慮磁路飽和、鐵芯損耗，不考慮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αβ坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型如下所示［6］:

式(11)中，usα、usβ為定子電壓的α、β軸分量;isα、isβ為定子電流的α、β軸分量;ψsα、ψsβ為定子磁鏈的α、β軸分量;np是極對數(shù)，J是轉(zhuǎn)動慣量，TL是負(fù)載轉(zhuǎn)矩，ωr是電機(jī)電角速度;Ls、Rs、Lr和Rr分別是定子自感、定子電阻、轉(zhuǎn)子自感和轉(zhuǎn)子電阻，Lm是定轉(zhuǎn)子間互感;Tr= Lr/Rr，σ=1－L2m/(LsLr)。

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:

而ABC坐標(biāo)系下的定子電流，可通過反變換得到:

2.6 其他故障建模

除了上述討論的被控對象故障建模外，還總結(jié)其他故障建模如下:

(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)兩個四象限整流器的電流不均衡;

(6)電流互感器偏置過高;

(7)逆變器三相電流不平衡。

以上這些故障可以通過直接設(shè)置仿真機(jī)輸出的電壓/電流值實(shí)現(xiàn)，無需改變被控對象數(shù)學(xué)模型。

3 結(jié)束語

本文介紹了某型動車組牽引系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，詳細(xì)討論了牽引系統(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，故障模型是在正常模型基礎(chǔ)上完成的，兩者均通過狀態(tài)方程形式實(shí)現(xiàn)。這為建立支持各種故障工況仿真的動車組牽引傳動系統(tǒng)HIL仿真平臺打下了基礎(chǔ)。

［1］ 傅成俊.軌道交通車輛交流傳動系統(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(shí)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(shí)物時仿真［J］.中國鐵道科學(xué)，2008，29(4):96-102.

［4］ 馬志文，李偉，崔恒斌，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.

［5］ 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.

［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.

Research on Controlled Objects Modeling of EMU Traction Drive System HIL Simulation Platform

XIE Bingruo，XIA Fei，ZHAO Hongwei
(Locomotive and Car Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

This paper establishes the normal models and fault models of the controlled objects of EMU traction drive system HIL simulation platform，mainly including traction transformer，4-quadrant rectifier，intermediate DC circuit，inverter，traction motor and so on.The fault models are established on the basis of normal models.They are both described by state equations.

EMU;traction drive system;hardware in loop;fault modeling

U266.2 TM461 TM464

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2015.02.08

1008－7842(2015)02－0032－04

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

1—)男，助理研究員(

2015－02－11)