基于HIL仿真試驗(yàn)平臺(tái)的動(dòng)車(chē)組電機(jī)缺相故障研究

郭 洋,任寶珠,姚大順,于曉蔓,姜宋陽(yáng)(中車(chē)大連電力牽引研發(fā)中心有限公司，遼寧 大連 116052)

0 引 言

電力牽引傳動(dòng)系統(tǒng)是動(dòng)車(chē)組(EMU)重要的核心組成部分，其高可靠性是高速列車(chē)穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障。牽引電機(jī)作為電力牽引系統(tǒng)中能量轉(zhuǎn)換的載體，工作環(huán)境存在大量的電磁耦合，導(dǎo)致?tīng)恳姍C(jī)故障率較高，因此完善牽引電機(jī)故障檢測(cè)算法變得至關(guān)重要。牽引變流系統(tǒng)的功率等級(jí)較高，需要到具有資質(zhì)的特定試驗(yàn)場(chǎng)所進(jìn)行試驗(yàn)，考慮到試驗(yàn)場(chǎng)地造價(jià)高，同時(shí)也存在安全隱患，耗費(fèi)大量的人力物力資源，因此在項(xiàng)目建立初期，優(yōu)化故障檢測(cè)算法尤為重要。通過(guò)硬件在環(huán)(HIL)仿真平臺(tái)[1]搭建牽引電機(jī)故障工況，模擬電機(jī)定子繞組缺相時(shí)的故障狀態(tài)和特征，在項(xiàng)目初期及時(shí)發(fā)掘軟件在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中存在的缺陷，對(duì)故障檢測(cè)算法進(jìn)行測(cè)試優(yōu)化，節(jié)省了大量的人力物力資源。因此，設(shè)計(jì)EUM牽引電機(jī)缺相故障HIL仿真測(cè)試平臺(tái)是十分有必要的。

近年來(lái)，諸多學(xué)者對(duì)電機(jī)缺相故障及診斷技術(shù)進(jìn)行了一系列研究。文獻(xiàn)[2]提出了一種不降階方式建立多相感應(yīng)電機(jī)模型，研究了多相感應(yīng)電機(jī)在不同缺相工況下的電流特性，由于多相電機(jī)具有冗余特性，發(fā)生故障后仍可以運(yùn)行。文獻(xiàn)[3]在異步電機(jī)基本結(jié)構(gòu)及運(yùn)行原理的基礎(chǔ)上，分析了異步電動(dòng)機(jī)常見(jiàn)的電氣故障和機(jī)械故障以及發(fā)生的原因，對(duì)轉(zhuǎn)子斷條、定子繞組斷路及電源缺相故障進(jìn)行分析。于明星等[4]通過(guò)對(duì)電機(jī)溫度場(chǎng)模型做出合理假設(shè)，定義溫度場(chǎng)邊界條件，建立定子繞組等效熱模型，計(jì)算正常運(yùn)行和缺相運(yùn)行時(shí)的溫度場(chǎng)分布，分析缺相后各相繞組溫度變化情況。文獻(xiàn)[5-6]基于感應(yīng)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，以MATLAB/Simulink為工具對(duì)電機(jī)定子繞組故障瞬態(tài)過(guò)程進(jìn)行了建模仿真。

綜上所述，基于異步電動(dòng)機(jī)在靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)缺相故障下定子繞組的接線，推導(dǎo)出端電壓的約束條件，基于MATLAB/Simulink中Xilinx軟件建立異步電機(jī)定子繞組缺相數(shù)學(xué)模型，并采用dSPACE實(shí)時(shí)仿真器對(duì)電力牽引控制系統(tǒng)進(jìn)行了HIL仿真，對(duì)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的構(gòu)成進(jìn)行了分析，通過(guò)電機(jī)缺相實(shí)時(shí)模型與牽引控制單元(TCU)連接，用于牽引系統(tǒng)電機(jī)缺相故障診斷與算法功能的開(kāi)發(fā)測(cè)試和驗(yàn)證。

1 異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立

HIL實(shí)時(shí)仿真器是半實(shí)物仿真測(cè)試平臺(tái)的核心，包括四象限模型、逆變器模型和電機(jī)模型，為了使實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)更加貼近EMU真實(shí)的工作環(huán)境，對(duì)仿真模型的精度提出了更高的要求。

1.1 正常狀態(tài)下異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立

本文先介紹電機(jī)在正常工況時(shí)，電機(jī)模型建立的過(guò)程[7]，圖1為對(duì)稱的三相三線制電路結(jié)構(gòu)圖。設(shè)定子邊電源電壓為eag、ebg、ecg，為了能用電源電壓來(lái)表示定子的各相電壓，假設(shè)電機(jī)定子中點(diǎn)o與定子邊電源中點(diǎn)g間電壓為uog，定子各相端電壓約束條件可表示為

(1)

式中：uas、ubs、ucs為定子繞組三相相電壓；Rs為定子繞組電阻；ias、ibs、ics為定子三相繞組電流；φas、φbs、φcs為定子三相磁鏈；eag、ebg、ecg為定子邊三相電源電壓；uog為電機(jī)定子中點(diǎn)o與定子邊電源中點(diǎn)g間電壓。

圖1 三相異步電機(jī)定子繞組示意圖

為了求解出uog，可以將式(1)的3個(gè)方程式相加:

對(duì)于三相三線制連接方式，則:

ias+ibs+ics=0

(3)

進(jìn)一步還可以證明:

φas+φbs+φcs=0

(4)

則有：

uas+ubs+ucs=0

(5)

故,可得：

(6)

將定子各相電壓寫(xiě)成矩陣形式,如下:

(7)

異步電機(jī)三相原始模型相當(dāng)復(fù)雜，通過(guò)坐標(biāo)變換能夠簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型，便于分析和計(jì)算。本文介紹了靜止兩相α-β-n正交坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型，包括端電壓約束條件、電磁方程、電磁轉(zhuǎn)矩和機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程。

端電壓約束條件為

(8)

電磁方程式為

(9)

式中：φαs、φβs分別為定子靜止坐標(biāo)系α軸、β軸磁鏈；φαr、φβr分別為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系α軸、β軸磁鏈；Rr為轉(zhuǎn)子繞組電阻；ω為轉(zhuǎn)子角速度；Lls、Llr分別為定子漏感和轉(zhuǎn)子漏感；φmα、φmβ分別為α軸、β軸互感磁鏈。

定義φmα、φmβ為α軸、β軸互感磁鏈:

(10)

電磁轉(zhuǎn)矩方程如下:

(11)

機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程如下:

(12)

式中:p為電機(jī)的極對(duì)數(shù);J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

1.2 異步電機(jī)斷路時(shí)電機(jī)數(shù)學(xué)模型建立

圖2所示為異步電機(jī)工作在缺相工況下的定子繞組斷路示意圖。假設(shè)當(dāng)t>0時(shí)，開(kāi)關(guān)由位置1斷開(kāi)，發(fā)生了電源A相對(duì)電機(jī)中點(diǎn)缺相故障。缺相后，A相電流為0，即：

ias=0

(13)

考慮端電壓約束條件，有：

(14)

將式(14)的ubs和ucs相加，并求解出電機(jī)定子中點(diǎn)o與定子邊電源中點(diǎn)g間電壓uog為

(15)

圖2 三相異步電機(jī)定子繞組斷路示意圖

通過(guò)對(duì)o點(diǎn)運(yùn)用節(jié)點(diǎn)電流法，則有:

ibs+ics=0

(16)

通過(guò)上述分析可知，當(dāng)電機(jī)A相發(fā)生缺相后，A相的電流為0，B相和C相的電流互為反相。

如果將a-b-c變量形式的電流變換到靜止坐標(biāo)系α-β-n坐標(biāo)系下，則有：

(17)

如果用α-β-n變量形式的磁鏈表示a-b-c變量形式的磁鏈，同時(shí)考慮式(17)所示的α軸電流與n軸電流間的關(guān)系，可以化簡(jiǎn)b、c磁鏈之和，可得：

(18)

將式(18)代入式(15)中得到：

(19)

在各相磁鏈的逆變換中可以求得:

(20)

所以:

(21)

變換到α-β-n坐標(biāo)系下:

(22)

式(22)為異步電機(jī)定子繞組A相發(fā)生故障時(shí)的數(shù)學(xué)模型。

2 半實(shí)物仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 EMU牽引系統(tǒng)主電路及缺相故障診斷

本文基于復(fù)興號(hào)CR200J EMU項(xiàng)目進(jìn)行半實(shí)物仿真，如圖3所示為動(dòng)力集中EMU的牽引變流器主電路圖，該牽引變流器從牽引變壓器二次側(cè)引出2組分別供給2組四象限整流器，2組四象限整流器并聯(lián)后向中間直流環(huán)節(jié)供電，直流環(huán)節(jié)后端帶有2組牽引逆變器，2組牽引逆變器分別向1個(gè)轉(zhuǎn)向架上的2臺(tái)異步電機(jī)供電。

圖3 動(dòng)力集中EMU的牽引變流器主電路圖

當(dāng)EMU牽引電機(jī)發(fā)生缺相故障時(shí)，軟件程序能夠識(shí)別出故障，并采取相應(yīng)的保護(hù)策略。電力機(jī)車(chē)在啟動(dòng)階段，低速無(wú)牽引力的情況下，首先要經(jīng)過(guò)預(yù)勵(lì)磁，即建立轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，勵(lì)磁功率為電機(jī)功率的3%～5%，以復(fù)興號(hào)動(dòng)力集中EMU的牽引電機(jī)為例，額定功率為1 250 kW，則勵(lì)磁功率為37.5～62.5 kW，勵(lì)磁電流為17～29 A。因?yàn)闋恳兞髌鞯墓β实燃?jí)較高，長(zhǎng)期運(yùn)行在高負(fù)荷高溫的惡劣環(huán)境中，所以啟動(dòng)電流不能低于17 A，同時(shí)為了防止電機(jī)低速小電流工況誤報(bào)缺相故障，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)設(shè)置缺相電流為25 A。電機(jī)缺相時(shí)，會(huì)出現(xiàn)三相不平衡的狀態(tài)，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)定義三相不平衡度的標(biāo)準(zhǔn)是≥10%，由三相不平衡度的公式，即三相不平衡度=(三相電流平均值-任一相電流)×100%/三相電流平均值，選擇電機(jī)缺相時(shí)，任兩相電流絕對(duì)值大于55 A。故電機(jī)缺相故障檢測(cè)邏輯：若TCU檢測(cè)到方向手柄處于非零位且車(chē)速v小于0.1 km/h，任意兩相電流絕對(duì)值大于55 A，其余一相電流絕對(duì)值小于25 A，持續(xù)1 s，報(bào)電機(jī)缺相故障。故障后，逆變器封鎖脈沖，檢測(cè)流程圖如圖4所示。

圖4 EMU電機(jī)缺相故障檢測(cè)流程圖

2.2 基于dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)構(gòu)成

dSPACE實(shí)時(shí)系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高、擴(kuò)充性好等優(yōu)點(diǎn)。目前在汽車(chē)、電力傳動(dòng)行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。本文所采用的系統(tǒng)是基于DS1006處理器板卡系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，DS1006處理器板卡具備極強(qiáng)的處理計(jì)算能力，適用于有復(fù)雜計(jì)算需求的HIL測(cè)試應(yīng)用。通過(guò)dSPACE的PHS總線，DS1006可與dSPACE的其他I/O板卡連接以擴(kuò)展系統(tǒng)?；诖刑幚砥鞯陌雽?shí)物仿真步長(zhǎng)一般為50 μs左右，即頻率為20 kHz，接近開(kāi)關(guān)器件脈沖頻率，仿真結(jié)果將會(huì)出現(xiàn)失真的情況。為了解決這一問(wèn)題，引入仿真步長(zhǎng)能夠達(dá)到10 ns級(jí)的FPGA并行處理芯片，使得系統(tǒng)更加適合高開(kāi)關(guān)頻率的電力電子電路仿真。

dSPACE軟件環(huán)境的功能強(qiáng)大且使用方便，擁有簡(jiǎn)便實(shí)用的自動(dòng)代碼生成/下載和試驗(yàn)/調(diào)試的整套工具軟件。dSPACE在MATLAB中集成了代碼生成及下載軟件，完全可以達(dá)到與MATLAB無(wú)縫銜接，這樣可以使用戶更方便地在MATLAB中直接調(diào)用dSPACE的各種庫(kù)。同時(shí)dSPACE還為用戶提供了軟件組合工具包CDP，主要包括RTI、Controldesk等。這樣在MATLAB/Simulink支持下可以實(shí)現(xiàn)從控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)、建模、離線仿真、設(shè)置I/O參數(shù)，生成代碼連接編譯及下載到試驗(yàn)的全過(guò)程。

3 半實(shí)物仿真驗(yàn)證

3.1 仿真系統(tǒng)設(shè)置

為了驗(yàn)證本文方案的有效性，基于dSPACE實(shí)時(shí)系統(tǒng)對(duì)CR200J型EMU牽引系統(tǒng)的主電路拓?fù)溥M(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)字模型模擬。采用CR200J型EMU TCU進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，兩者通過(guò)脈沖光纖線、硬線及連接器實(shí)現(xiàn)信號(hào)交互，構(gòu)成HIL平臺(tái)。平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖5所示，TCU采用TMSF28335主處理器。其中，DL850示波器在dSPACE仿真機(jī)后端分線端子排上采集信號(hào)，中間電壓信號(hào)變比為50 mA/4 000 V，逆變器電機(jī)電流信號(hào)變比為250 mA/1 000 A。

圖5 HIL實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

采用MATLAB/Simulink軟件搭建復(fù)興號(hào)動(dòng)力集中EMU牽引逆變器主電路模型，如圖6所示。主要分為三部分：第一部分是弓網(wǎng)、四象限模型；第二部分是2組逆變器及電機(jī)缺相模型；第三部分為處理器接口模型。其中，牽引變流器參數(shù)如表1所示。

圖6 牽引主回路模型示意圖

表1 仿真模型參數(shù)表

將模型編譯下載到dSPACE仿真機(jī)中，在上位機(jī)控制軟件中向TCU下發(fā)合主斷控制指令，啟動(dòng)TCU運(yùn)行，TCU將接觸器指令狀態(tài)實(shí)時(shí)反饋給仿真機(jī)，形成閉環(huán)系統(tǒng)仿真，在進(jìn)行仿真時(shí)，將第一組逆變器的牽引電機(jī)模型設(shè)置為電機(jī)缺相模型，第二組逆變器的牽引電機(jī)則為正常電機(jī)模型。

3.2 仿真結(jié)果

通過(guò)示波器觀測(cè)波形，圖7所示為逆變器1啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)的電流波形。從圖7中波形參數(shù)得到逆變器1的U相電流幅值為±12.5 A，V相電流和W相電流幅值均大于55 A，通過(guò)電機(jī)缺相故障診斷邏輯可知，此時(shí)逆變器1發(fā)生了電機(jī)缺相故障。

圖7 牽引逆變器1的電流波形圖

圖8 牽引逆變器1的線電壓及相電流波形圖

圖8所示為逆變器1的啟動(dòng)運(yùn)行電流波形和電機(jī)線電壓波形，由于線電壓的數(shù)值與絕緣柵極型晶體管(IGBT)的開(kāi)通關(guān)斷狀態(tài)有關(guān)，當(dāng)線電壓減小到0時(shí)，即代表逆變器開(kāi)始封鎖脈沖，從逆變器1啟動(dòng)運(yùn)行到封鎖脈沖，共用時(shí)約1.5 s，即電機(jī)故障診斷邏輯在0.5 s內(nèi)檢測(cè)到任意兩相電流絕對(duì)值大于55 A，另一相電流絕對(duì)值小于25 A，并且持續(xù)1 s，與電機(jī)缺相故障診斷邏輯相符，即判斷為電機(jī)缺相故障，為了保證電力機(jī)車(chē)安全運(yùn)行，需要封鎖逆變器1的脈沖，停止運(yùn)行。

圖9 牽引逆變器2電流波形圖

圖9所示為逆變器2的電機(jī)電流波形。逆變器1與逆變器1同時(shí)啟動(dòng)，U相電流最大值為215 A，V相電流有效值為270 A。從電流的波形參數(shù)可知，逆變器2未發(fā)生電機(jī)缺相故障。

如圖10所示，由于線電壓的數(shù)值與IGBT的開(kāi)通關(guān)斷狀態(tài)有關(guān)，當(dāng)線電壓減小到0時(shí)，即代表逆變器2開(kāi)始封鎖脈沖，通過(guò)逆變器2運(yùn)行結(jié)果可知，當(dāng)TCU檢測(cè)到逆變器1停機(jī)時(shí)，在逆變器2啟動(dòng)后的2 s內(nèi)，封鎖脈沖，停止運(yùn)行。

圖10 牽引逆變器2線電壓及相電流波形圖

3.3 仿真結(jié)果分析

通過(guò)逆變器1仿真結(jié)果可知，當(dāng)電機(jī)發(fā)生缺相時(shí)，發(fā)生缺相的一相電流絕對(duì)值為0 A。模型輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)仿真機(jī)后存在微小的零漂誤差，仿真機(jī)輸出給調(diào)理板卡時(shí)，誤差被相應(yīng)地放大，所以示波器在分線端子排采集到斷相電流為12.5 A，另外兩相電流幅值大小相等，符號(hào)相反，與理論分析結(jié)果基本一致。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一套電力機(jī)車(chē)牽引控制系統(tǒng)中異步電機(jī)一相缺相的半實(shí)物仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)能準(zhǔn)確描述電機(jī)發(fā)生缺相故障時(shí)的瞬態(tài)響應(yīng)，為缺相故障診斷邏輯優(yōu)化及算法開(kāi)發(fā)提供了有力的支持，在牽引控制系統(tǒng)研發(fā)初期，可以使用該系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，從而避免牽引控制產(chǎn)品在地面試驗(yàn)階段才發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)上的潛在問(wèn)題，大大縮短了項(xiàng)目研發(fā)周期，提高了牽引控制系統(tǒng)的可靠性。

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《電機(jī)與控制應(yīng)用》編輯部