耍利娜，姜學(xué)東，董侃，劉永歡，刁利軍

（北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京100044）

隨著我國(guó)高速動(dòng)車組的迅速發(fā)展和不斷提速，鐵道部對(duì)高速動(dòng)車組設(shè)備的可靠性技術(shù)要求越來越高，尤其是牽引變流器、牽引電機(jī)和牽引變壓器。在眾多技術(shù)研究中，溫升對(duì)設(shè)備老化的影響是進(jìn)行技術(shù)研究的重點(diǎn)問題。溫度越高，老化的速度就越快，直接影響設(shè)備的使用壽命及經(jīng)濟(jì)效益。因此，對(duì)高速動(dòng)車組牽引變流器、牽引電機(jī)和牽引變壓器溫升的研究是十分有必要的。

文獻(xiàn)提出了一種變壓器發(fā)熱時(shí)間常數(shù)的熱模型，該模型需要獲知的參數(shù)數(shù)目少，而且不明確的那些參數(shù)也可通過其通常的取值范圍來確定；文獻(xiàn)提出的高速異步電機(jī)溫升計(jì)算軟件給出了中小型水外冷電機(jī)定子繞組溫升計(jì)算程序，但只能完成計(jì)算功能，比較單一；文獻(xiàn)介紹的電動(dòng)機(jī)定子電流和溫升測(cè)試系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)采集電動(dòng)機(jī)的定子電流和多路溫度數(shù)據(jù)，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、擬合分析，但是受到傳感器位置限制，而且只分析了電機(jī)的溫度變化，不夠全面。因此，筆者在VC環(huán)境下利用其輔助開發(fā)包MFC開發(fā)出一種針對(duì)高速動(dòng)車組4QC整流器、逆變器、牽引電機(jī)和牽引變壓器4部分的綜合溫升計(jì)算軟件，該軟件將熱模型、溫升算法與以太網(wǎng)、socket通信技術(shù)相結(jié)合，界面友好、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，不但包含數(shù)據(jù)計(jì)算和波形顯示等常規(guī)功能，還可實(shí)現(xiàn)波形的快速存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)上傳功能，便于進(jìn)行人機(jī)交互。

1 數(shù)據(jù)采集模塊

系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊如圖1所示。其中底層硬件采用基于DSP的嵌入式系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了A/D轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)調(diào)理電路以及網(wǎng)絡(luò)接口芯片，從而完成對(duì)被測(cè)信號(hào)的采集、處理及發(fā)送功能。其中信號(hào)調(diào)理電路對(duì)各種不同的輸入模擬信號(hào)進(jìn)行電壓變換，使被采樣信號(hào)電壓幅值的變化范圍滿足A/D轉(zhuǎn)換模塊的要求，同時(shí)還對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波處理，減少信號(hào)失真和噪聲，阻止帶外的頻率引入的虛假信號(hào)。嵌入式系統(tǒng)與上位機(jī)建立網(wǎng)絡(luò)連接之后通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)，使用上層溫升計(jì)算軟件完成數(shù)據(jù)的計(jì)算、波形顯示和其他相關(guān)功能。

圖1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊示意圖Fig.1 Diagram of data acquisition module

2 溫升計(jì)算軟件設(shè)計(jì)

本軟件的主要功能是完成動(dòng)車組的各部分溫升計(jì)算，選用Microsoft公司的Visual C++6.0語言編寫，軟件的整體結(jié)構(gòu)與流程如圖2所示。其中虛線框中所示為熱仿真平臺(tái)，用于完成溫升計(jì)算并將結(jié)果通過套接字的方式傳給綜合仿真平臺(tái)，為列車的安全運(yùn)行提供一定的指導(dǎo)意義。

圖2 軟件結(jié)構(gòu)及流程示意圖Fig.2 Structure and flow chart of the software

2.1 數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)

溫升計(jì)算軟件采用以太網(wǎng)通訊技術(shù)完成數(shù)據(jù)傳輸功能。信號(hào)經(jīng)過采集處理后，以數(shù)據(jù)幀的形式通過以太網(wǎng)發(fā)送到上位機(jī)，需要根據(jù)以太網(wǎng)硬件地址來確定目的接口。ARP（地址解析協(xié)議）為以太網(wǎng)硬件地址和IP地址提供映射。溫升計(jì)算軟件運(yùn)行時(shí)嵌入式系統(tǒng)會(huì)向預(yù)先設(shè)定好IP地址的目的上位機(jī)發(fā)送ARP請(qǐng)求，上位機(jī)收到報(bào)文后進(jìn)行判斷識(shí)別后會(huì)返回一個(gè)包含自身IP地址和硬件地址的ARP應(yīng)答，嵌入式系統(tǒng)收到應(yīng)答后便可向目的上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文。

網(wǎng)絡(luò)連接建立之后通過實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議族，完成對(duì)數(shù)據(jù)的封裝和分用，進(jìn)行以太網(wǎng)通信。在應(yīng)用層、運(yùn)輸層、網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層4層協(xié)議系統(tǒng)中每層主要負(fù)責(zé)與其他機(jī)器上的對(duì)等層進(jìn)行通信。其中鏈路層主要包括物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，完成物理上的接口連結(jié)協(xié)議；運(yùn)輸層協(xié)議采用UDP協(xié)議，為了增強(qiáng)可靠性，對(duì)于關(guān)鍵的量值通過回傳校驗(yàn)機(jī)制保證其可靠傳輸。以太網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送/接收流程圖如圖3所示。

圖3 以太網(wǎng)發(fā)送/接收數(shù)據(jù)流程圖Fig.3 Flow chart of Ethernet sending and receiving data

程序中發(fā)送和接收數(shù)據(jù)信息都是由套接字完成，嵌入式系統(tǒng)作為客戶機(jī)端，上位機(jī)溫升計(jì)算軟件則作為服務(wù)器端，其連接過程可以分為3個(gè)步驟：服務(wù)器監(jiān)聽，客戶端請(qǐng)求，連接確認(rèn)。成功連接之后，作為客戶機(jī)端的嵌入式系統(tǒng)在收到上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)送命令之后，將被測(cè)信號(hào)數(shù)據(jù)打包通過以太網(wǎng)發(fā)送至上位機(jī)。溫升計(jì)算軟件利用所接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算后同樣以套接字的方式將結(jié)果發(fā)送給綜合仿真平臺(tái)，溫升計(jì)算軟件作為客戶端，綜合仿真平臺(tái)作為服務(wù)器端，不同的是這個(gè)通信過程采用的是基于TCP（面向連接）的socket編程，其流程如圖4所示[4]。

圖4 基于TCP的socket網(wǎng)絡(luò)通信流程圖Fig.4 Flow chart of socket communication

2.2 參數(shù)計(jì)算

溫升計(jì)算軟件收到來自以太網(wǎng)的電壓、電流、開關(guān)頻率、環(huán)境溫度和車速等數(shù)據(jù)后，結(jié)合以宏定義形式定義的器件固定參數(shù)和其他常量，設(shè)定每一秒鐘以這些量為條件進(jìn)行一次損耗和溫升計(jì)算，以CRH3為例，其核心算法如下：

2.2.14 Q C整流器和逆變器

1）散熱器和管子溫升

4QC整流器和逆變器的熱模型如圖5所示。此模型包含5部分熱阻，分別為IGBT結(jié)到殼的熱阻Rjc，IGBT、殼到散熱器的熱阻Rch，IGBT，二極管結(jié)到殼的熱阻Rjc，diode、殼到散熱器的熱阻Rch，diode，以及散熱器到環(huán)境的熱阻Rha[5]。

由于每個(gè)管子的損耗由通態(tài)損耗和開關(guān)損耗兩部分組成，因此采用式（1）和（2）可得IGBT總損耗，式（3）和（4）可得二極管總損耗，變流器的總損耗可視為所有管子總損耗之和。又有ΔT=PR，即可得到管子和散熱器的溫升。

圖5 4QC整流器和逆變器熱模型示意圖Fig.5 Thermal model diagram of 4QC rectifiers and inventer

其中，Pcond，IGBT[i]、Psw，IGBT[i]、Pcond，diode[i]、Psw，diode[i]為保存數(shù)據(jù)的數(shù)組，Udc、Idc和fk為采集到的輸入量，其他量均為預(yù)先設(shè)定或計(jì)算好的數(shù)據(jù)。

2）冷卻液溫升

由上述模型可得到變流器功率器件的總損耗P，又由熱力學(xué)公式

則單位時(shí)間內(nèi)冷卻液溫升可由下式計(jì)算：其中：C為冷卻液比熱，ρ為冷卻液密度，A為散熱管截面積，均為定值；v為采集到的冷卻液流速。

2.2.2 牽 引電機(jī)

牽引電機(jī)的熱模型為熱阻模型，如圖6所示。此模型由5部分熱阻構(gòu)成，分別為氣隙熱阻R1、定子繞組對(duì)齒槽的熱阻R2、定子齒槽對(duì)鐵芯的熱阻R3、定子鐵芯對(duì)機(jī)座的熱阻R4和機(jī)座對(duì)環(huán)境的熱阻R5[6]。

圖6 牽引電機(jī)熱模型示意圖Fig.6 Thermal model diagram of traction motor

通過計(jì)算先得到定子銅耗Pcu1、定子鐵耗PFe、機(jī)械損耗和雜散損耗PΔ以及轉(zhuǎn)子銅耗Pcu2，由式（7）到（10）即可得氣隙的溫度降ΔT1、定子繞組到鐵芯的溫度降ΔT2、定子鐵芯到機(jī)座的溫度降ΔT3和機(jī)座的溫度降ΔT4。綜合各部分溫度降便可得到電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子溫度降。

2.2.3 牽 引變壓器

1）頂層油和繞組溫度

變壓器采用發(fā)熱時(shí)間常數(shù)模型，實(shí)際上所需參數(shù)條件只有隨時(shí)間變化的負(fù)荷率，而且負(fù)荷率可以通過輸入的實(shí)際繞組電壓電流計(jì)算出來。將Ts時(shí)間段內(nèi)的變壓器牽引負(fù)荷劃分為n段，記各段時(shí)間結(jié)束了的當(dāng)前時(shí)刻為ti，則變壓器溫升計(jì)算流程如圖7所示。

圖7 變壓器溫升計(jì)算流程圖Fig.7 Calculation flow diagram of transformer’s temperature rise

其中：η為主變壓器效率；U1為主變壓器一次側(cè)電壓；I1為主變壓器一次側(cè)電流。

由于變壓器的出口油需經(jīng)冷卻系統(tǒng)后再回到油箱，因此，變壓器的出口油溫度最高，可將出口油的溫升視作變壓器頂層油溫升，然后運(yùn)用公式（11）可得到變壓器入口油溫升。

2.3 溫升曲線顯示及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

溫升計(jì)算軟件分為測(cè)試和網(wǎng)絡(luò)兩類窗口，所有溫度曲線均為對(duì)時(shí)間和對(duì)距離兩類，可以通過選擇不同的橫坐標(biāo)范圍對(duì)曲線進(jìn)行縮放達(dá)到更好的觀測(cè)效果。測(cè)試窗口中，通過選擇所要觀察的某個(gè)模塊溫度曲線來實(shí)現(xiàn)其在坐標(biāo)系中的單

其中：Ki：負(fù)荷率；Ty：變壓器油的發(fā)熱時(shí)間常數(shù)；d：額定負(fù)荷下的短路損耗與空載損耗之比，約為2～6；τiw：頂層油對(duì)空氣的允許溫升；τykm：繞組對(duì)空氣的允許溫升；τrkm：繞組對(duì)空氣的允許溫升；Δτri：繞組對(duì)油溫升的最大值；τsi：第i段時(shí)間內(nèi)變壓器油對(duì)空氣的起始溫升；τri：第i段時(shí)間內(nèi)繞組對(duì)空氣的溫升；τsn：第n段時(shí)間內(nèi)變壓器油對(duì)空氣的起始溫升；τrn：第n段終了時(shí)繞組對(duì)空氣的溫升。

2）出口油和入口油溫升

考慮冷卻系統(tǒng)后，主變壓器出口油溫升與入口油溫升之差同樣可以采用式（11）來計(jì)算：獨(dú)顯示；網(wǎng)絡(luò)窗口中，所有的曲線以不同顏色或不同線形顯示在同一坐標(biāo)系中，這樣更便于同時(shí)觀察各部分的溫度變化情況。

測(cè)試窗口程序初始化時(shí)會(huì)創(chuàng)建一個(gè)文件，用于測(cè)試窗口輸入?yún)?shù)的讀寫操作。網(wǎng)絡(luò)窗口程序初始化時(shí)同樣也會(huì)創(chuàng)建一個(gè)文件，用于存儲(chǔ)以太網(wǎng)所上傳的數(shù)據(jù)。當(dāng)用戶點(diǎn)擊“保存”按鈕時(shí)，程序啟動(dòng)保存功能，將以太網(wǎng)發(fā)送的數(shù)據(jù)全部寫入之前所創(chuàng)建的文件中，并且會(huì)在文件頭寫入一些信息，例如：本次數(shù)據(jù)保存的起始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間、保存的數(shù)據(jù)名稱等，同時(shí)，還將當(dāng)前顯示的溫升曲線經(jīng)用戶予以命名之后保存為圖片。

3 運(yùn)行結(jié)果與分析

3.1 數(shù)據(jù)與曲線顯示功能

啟動(dòng)溫升計(jì)算軟件的網(wǎng)絡(luò)窗口，可看到窗口右上角為以太網(wǎng)實(shí)時(shí)傳輸?shù)母鱾€(gè)數(shù)據(jù)，右下角為各溫度實(shí)時(shí)計(jì)算結(jié)果，左側(cè)分別為各溫度對(duì)時(shí)間和距離的曲線。通過下方的控件可調(diào)節(jié)時(shí)間和距離的顯示范圍以及修改軟件服務(wù)器端的IP地址，如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)與曲線顯示Fig.8 Display of data and curve

3.2 曲線存儲(chǔ)功能

當(dāng)點(diǎn)擊溫升計(jì)算軟件界面右下角的“保存”按鈕時(shí)，會(huì)彈出如圖9所示的另存為對(duì)話框，用戶可進(jìn)行重命名后保存，溫升曲線區(qū)域?qū)⒁晕粓D的形式保存到用戶所指定的某個(gè)位置。圖10所示即為存儲(chǔ)下來的溫升曲線圖。

圖9 曲線存儲(chǔ)對(duì)話框Fig.9 Dialog of saving curve

3.3 溫升結(jié)果上傳功能

溫升軟件計(jì)算結(jié)果通過套接字的方式上傳給模擬的綜合仿真平臺(tái)，如圖11所示。界面最下方顯示的即為實(shí)時(shí)上傳的各部分溫度結(jié)果。

圖10 存儲(chǔ)曲線位圖Fig.10 BMP of saving curve

圖11 溫升上傳結(jié)果Fig.11 Result of uploaded temperature rise

4 結(jié)論

筆者介紹了高速動(dòng)車組的溫升計(jì)算軟件，軟件對(duì)用戶界面呈多窗口結(jié)構(gòu)，功能的執(zhí)行由事件驅(qū)動(dòng)，主要可以完成損耗計(jì)算、溫升計(jì)算、通信和數(shù)據(jù)傳輸、窗口操作、屏幕顯示輸出等功能，使用起來十分方便。整個(gè)軟件功能和界面介紹部分是對(duì)軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想的具體實(shí)現(xiàn)，還可以直接反映出軟件解決實(shí)際問題的能力?？偠灾?，高速動(dòng)車組溫升計(jì)算軟件是在Windows XP環(huán)境下，用VC編程實(shí)現(xiàn)的多目標(biāo)、多任務(wù)和多窗口的圖形用戶界面，用戶可以在界面上完成數(shù)據(jù)輸入、修改、計(jì)算等全部工作，該軟件具有用戶界面友好，軟件性能強(qiáng)，運(yùn)行速度快，易于移植，開發(fā)研制的周期短等優(yōu)點(diǎn)。

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