基于半實(shí)物仿真技術(shù)的動(dòng)車變流器傳感器故障研究與分析

連 蓉，沈 晟，賀 莉

（中國(guó)中車永濟(jì)電機(jī)有限公司，陜西 西安 710018）

引言

變流器是動(dòng)車重要的執(zhí)行部件，其安全性、穩(wěn)定性直接影響著動(dòng)車的正常運(yùn)行[1]。變流器故障類型繁多，傳感器故障是其中的一種，研究傳感器故障對(duì)變流器所造成的影響對(duì)保障整個(gè)列車的安全有效運(yùn)行具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[2]。半實(shí)物仿真技術(shù)是一種新興的測(cè)試驗(yàn)證技術(shù)，它通過數(shù)字建模的方式模擬變流器關(guān)鍵器件的電氣特性，外接真實(shí)實(shí)車控制單元，能更準(zhǔn)確、方便地研究牽引控制系統(tǒng)在各種特殊工況、故障工況下的電氣特性及其對(duì)列車運(yùn)行的影響[3]，完善變流器及其控制單元的設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低故障率，提高動(dòng)車變流器的可靠性。

本文以CRH5型動(dòng)車直流母線電壓傳感器故障為例，依CRH5型動(dòng)車主回路拓?fù)浯罱ㄏ到y(tǒng)模型，外接實(shí)物為CRH5型動(dòng)車實(shí)車運(yùn)行TCU，闡述變流器系統(tǒng)模型架構(gòu)及母線電壓傳感器故障工況的半實(shí)物仿真模擬的過程、原理，并得出分析結(jié)論。

1 半實(shí)物仿真模型的建立

半實(shí)物仿真模型包括網(wǎng)側(cè)模型、主回路模型、電機(jī)模型組成。網(wǎng)側(cè)模型用于實(shí)時(shí)模擬25 kV網(wǎng)壓、網(wǎng)壓波動(dòng)、網(wǎng)壓突變等功能，可配置網(wǎng)壓頻率、額定網(wǎng)壓電壓等參數(shù)；主回路模型由牽引變壓器模型、整流模型、中間直流環(huán)節(jié)和逆變模型，分別模擬對(duì)應(yīng)器件的電氣特性。

直流母線電壓傳感器故障工況是在系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，對(duì)變流器模型進(jìn)行改造與重新配置。變流器模型由IGBT半橋橋臂形式電路組合搭建而成，其通過IO接受TCU驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制并反饋故障信號(hào)，可以定性仿真出IGBT開通／關(guān)斷過程中電壓／電流的瞬態(tài)變化過程，二極管拖尾效應(yīng)，并可以通過軟故障注入的方式模擬過壓、過流、IGBT二極管短路或短路工況[4]。

CRH5型動(dòng)車變流器有兩個(gè)直流母線電壓傳感器，分別將數(shù)據(jù)傳輸給TCU整流采集板卡、逆變采集板卡。傳感器故障工況分為整流側(cè)傳感器故障和逆變側(cè)傳感器故障，因此，需要將原整流器模型的輸出電壓Uout配置到兩個(gè)不同的模擬量輸出端口，且在輸出前分別加入Gain增益模塊，用于設(shè)置母線電壓傳感器輸出變比。修改后的整流器模型見圖1所示。通過修改變比，可分別模擬出整流側(cè)母線電壓傳感器故障工況和逆變側(cè)母線電壓傳感器故障工況。

圖1 修改后的整流器模型

2 運(yùn)行原理

半實(shí)物仿真模型是利用simulink集成工具箱中Xilinx系統(tǒng)FPGA開發(fā)工具System Generator模塊而開發(fā)，這種開發(fā)方式避免了復(fù)雜的源代碼，縮短開發(fā)周期。同時(shí)，公式化的建模方式能更準(zhǔn)確地反映實(shí)際工況，且可考慮到很多細(xì)節(jié)因素。

基于System Generator工具包搭建系統(tǒng)模型，編譯生成HDL代碼，下載到FPGA板卡，硬件仿真平臺(tái)為TCU的物理輸入輸出量轉(zhuǎn)換成仿真模型可處理的數(shù)字信號(hào)提供環(huán)境。具體運(yùn)行原理圖如圖2所示。

圖2 電壓傳感器故障工況半實(shí)物仿真運(yùn)行原理

3 試驗(yàn)過程及結(jié)果

在半實(shí)物仿真試驗(yàn)過程中模擬直流母線電壓傳感器故障工況，其中包括整流側(cè)直流母線電壓傳感器故障和逆變側(cè)直流母線電壓傳感器故障兩種情況，且故障工況為瞬間降到原母線電壓的1/3。過程狀態(tài)為：初始狀態(tài)，系統(tǒng)處于正常運(yùn)行；中間過程，直流母線電壓傳感器瞬時(shí)失效故障；最終狀態(tài)，直流母線電壓傳感器恢復(fù)正常。

圖3、圖4分別為整流側(cè)直流母線電壓傳感器故障工況波形，逆變側(cè)直流母線電壓傳感器故障工況波形，第一通道為整流側(cè)直流母線電壓，第二通道為四象限A輸入電壓，第三通道為四象限A輸入電流，第四通道為逆變側(cè)直流母線電壓，第五通道為逆變1輸出電壓，第六通道為逆變1輸出電流，第七通道為逆變2輸出電壓，第八通道為逆變2輸出電流。

故障工況為母線電壓在白框區(qū)域的某一時(shí)刻瞬間從3 200 V降為300 V，經(jīng)過2 s后又重新恢復(fù)，測(cè)得關(guān)鍵變量的波形數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

通過對(duì)圖3、圖4的波形進(jìn)行FFT諧波分析，對(duì)比故障點(diǎn)前一時(shí)刻、故障時(shí)刻以及故障后一時(shí)刻的關(guān)鍵變量有效值與諧波含量，得出以下結(jié)論。

1）整流側(cè)傳感器故障工況下，整流側(cè)直流電壓瞬時(shí)值為240 V，逆變側(cè)直流電壓瞬時(shí)值4 080 V，四象限輸入電壓瞬時(shí)值3 960 V，逆變輸出電壓瞬時(shí)值為-3 973 A，逆變輸出電流瞬時(shí)值為-36.7 A；

圖3 整流側(cè)直流母線電壓傳感器故障工況

圖4 逆變側(cè)直流母線電壓傳感器故障工況

2）逆變側(cè)傳感器故障工況下，整流側(cè)直流電壓瞬時(shí)值為3 520 V，逆變側(cè)整流側(cè)直流電壓瞬時(shí)值為186.7 V，四象限輸入電壓瞬時(shí)值為-3 386 V，四象限輸入電流瞬時(shí)值為-66.7 A，逆變輸出電壓瞬時(shí)值3 360 V，逆變輸出電流瞬時(shí)值為-40 A。

CRH5型動(dòng)車母線電壓傳感器故障會(huì)造成直流母線電壓的過壓、欠壓?jiǎn)栴}，為進(jìn)一步分析變流器故障提供了理論依據(jù)。