劉昌亮，肖正

（1.廣西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西南寧 530001；2.中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長沙 410075）

基于CAN總線的主逆變器試驗臺的設(shè)計

劉昌亮1，肖正2

（1.廣西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西南寧 530001；2.中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長沙 410075）

針對目前對HXD3、HXD3C、HXD1B、HXD1C型電力機車變流器故障診斷需求以及它們之間的性能差異，提出使用CAN總線將各功能模塊連接起來，并通過分析處理軟件對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，并對存在故障的變流器進(jìn)行故障診斷。利用CAN總線易于擴展、結(jié)構(gòu)簡單的特點，改變了以前診斷系統(tǒng)功能單一、不易擴展等缺點，便于系統(tǒng)的升級和節(jié)約重復(fù)設(shè)計的成本。

CAN總線；變流器；故障診斷；性能測試

0 引言

目前，國內(nèi)外很多機構(gòu)都開展了對機車的主逆變器診斷系統(tǒng)的研究，但大都是針對某一種特定型號的逆變器來設(shè)計，不便于系統(tǒng)的后期升級和擴展。本試驗臺正是為了解決此問題而設(shè)計，主要采用模塊化設(shè)計思想，以故障診斷主機為核心，可編程序控制器控制完成對系統(tǒng)自身接觸器、繼電器的邏輯控制和自檢；變流器控制模塊模擬機車微機控制系統(tǒng)控制被試變流器動作；信號采集系統(tǒng)采集被試變流器的實驗數(shù)據(jù)；專用測試儀器則對被試變流器的諧波、相位角以及光纖通道的狀態(tài)進(jìn)行測試[1-2]。所有智能設(shè)備通過CAN總線將實驗數(shù)據(jù)聯(lián)接到計算機的串口總線，從而進(jìn)入計算機中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和儲存。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

該系統(tǒng)的主體實驗結(jié)構(gòu)如圖1所示，各模塊裝在做好的控制柜中，通過CAN總線進(jìn)行連接，其中專用測試主要包括：IGBT模塊測試、變流器各主要電阻和電容器件數(shù)值測試、速度傳感器信號通道測試、中間電壓檢測單元測試。同樣通過CAN總線將各功能模塊與故障診斷主機相連接[3-5]。

1.2 接口規(guī)范

該測試臺設(shè)計符合鐵道部關(guān)于和諧型機車管理信息系統(tǒng)自動化設(shè)備接口規(guī)范。采用CAN總線的自動化設(shè)備或流水生產(chǎn)線設(shè)上位管理機，配置以太網(wǎng)卡和現(xiàn)場總線卡、設(shè)備控制器等，通過工業(yè)通信方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集控制，將設(shè)備信息、操作信息、檢修檢測試驗數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息等進(jìn)行整合，與信息系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)。采用串行接口的自動化設(shè)備，使接口計算機與信息系統(tǒng)交換[3，6]。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

2 試驗臺的主要功能模塊

該試驗臺主要的測試功能有變流器保護(hù)功能測試、變流器動作邏輯測試、變流器輸入和輸出通道測試、絕緣電阻測試、通信信號通道測試、IGBT模塊檢測、變流器各主要電阻和電容器件數(shù)值測試、速度傳感器信號通道測試。各功能均采用模塊化設(shè)計，通過CAN總線與上位主機進(jìn)行連接。由于各模塊的功能不同，基本設(shè)計思想相似，因此選擇變流器保護(hù)功能測試、變流器動作邏輯測試來做詳細(xì)說明。

2.1 變流器保護(hù)功能測試

在機車主變流器內(nèi)，設(shè)立多種保護(hù)功能，以保護(hù)牽引變流器和整車安全運行。系統(tǒng)在提供主變流器正常工作的條件下，通過各種模擬量、數(shù)字量模擬車載設(shè)備，供給牽引變流器和輔助變流器信號對被試變流器的各種保護(hù)進(jìn)行測試。其測試原理如圖2所示[7-8]。

2.1.1 過流和過載保護(hù)

（1）在每一組牽引變流器的輸入回路中，設(shè)有輸入電流互感器ACCT，用于控制和監(jiān)視變流器的輸入電流，防止輸入端過載或短路。在試驗系統(tǒng)中通過模擬該電流反饋信號，計算機監(jiān)測保護(hù)發(fā)生時四象限整流器和逆變器的門極是否被封鎖，輸入回路中的工作接觸器是否斷開，同時牽引變流器是否向微機控制系統(tǒng)發(fā)出跳主斷的信號。

圖2 變流器保護(hù)功能測試原理圖

（2）在每一組牽引變流的輸出回路中，設(shè)有輸出電流互感器CTU、CTW，對牽引電機過載及牽引電機三相不平衡起控制和監(jiān)視保護(hù)作用。在試驗系統(tǒng)中通過模擬該電流反饋信號，計算機監(jiān)測保護(hù)發(fā)生時四象限脈沖整流器和逆變器的門極是否被封鎖，輸入回路中的工作接觸器是否斷開，同時牽引變流器是否向微機控制系統(tǒng)發(fā)出跳主斷的信號。

2.1.2 接地保護(hù)

對于HXD3，牽引變流器的接地保護(hù)系統(tǒng)由跨接在中間回路的兩個串聯(lián)電容和一個接地信號傳感器組成。當(dāng)主牽引回路正常時，由于只有一點接地，接地保護(hù)電路中流過的電流為零，接地信號檢測傳感器無信號輸出。本系統(tǒng)模擬接地信號傳感器輸出，給出故障條件。

對于HXD1，接地故障檢測由分壓器、擬位勢絕緣的差動放大器和一個比較電路組成。固定放電電阻器按102kΩ∶34kΩ的比例劃分成兩部分。電阻器的中心抽頭接地，一個濾波電容器并聯(lián)在阻值低的電阻器上。監(jiān)控該電容器的電壓，當(dāng)發(fā)生接地故障時，被測電壓發(fā)生變化，由此，相關(guān)聯(lián)的牽引控制單元TCU就能識別接地故障。本系統(tǒng)通過DA輸出，模擬被檢測電容器電壓傳感器輸出，給出故障條件。

在試驗系統(tǒng)中通過模擬該故障反饋信號且持續(xù)時間超過1ms時，計算機監(jiān)測保護(hù)發(fā)生時四象限脈沖整流器和逆變器的門極是否被封鎖，輸入回路中的工作接觸器是否斷開，若故障持續(xù)時間達(dá)到150ms時，計算機監(jiān)測牽引變流器是否向微機控制系統(tǒng)發(fā)出主斷的信號。

2.1.3 瞬時過電壓保護(hù)

當(dāng)機車出現(xiàn)空轉(zhuǎn)、滑行或者受電弓離線造成的網(wǎng)壓中斷等情況時，牽引變流器上可能出現(xiàn)瞬時過電壓。為了防止這種過電壓對變流器造成損壞，在中間直流回路設(shè)有瞬時過電壓限制電路，由IGBT和限制電阻組成。當(dāng)中間直流回路達(dá)到3200V且持續(xù)時間達(dá)40μs時，瞬時過電壓保護(hù)回路動作，該IGBT將導(dǎo)通，直流回路能量經(jīng)限流電阻放電和釋放，消除過電壓。

在試驗系統(tǒng)中通過模擬該故障反饋信號且持續(xù)時間超過40μs時，計算機監(jiān)測保護(hù)發(fā)生時IGBT觸發(fā)信號是否發(fā)出。

2.1.4 器件保護(hù)

（1）四象限整流器器件的短路保護(hù)通過對門放大器的監(jiān)測，當(dāng)出現(xiàn)門電壓不一致時，說明四象限整流器器件短路，四象限整流器和逆變器的門極均被封鎖，輸入回路中的工作接觸器斷開，同時微機控制系統(tǒng)發(fā)出跳主斷的信號。

在試驗系統(tǒng)中通過模擬該反饋信號，計算機監(jiān)測保護(hù)發(fā)生時四象限脈沖整流器和逆變器的門極是否被封鎖，輸入回路中的工作接觸器是否斷開，同時牽引變流器是否向微機控制系統(tǒng)發(fā)出跳主斷的信號。

（2）通過對門放大器的監(jiān)測，當(dāng)出現(xiàn)門電壓不一致時，說明逆變器器件短路，四象限整流器和逆變器的門極均被封鎖，輸入回路中的工作接觸器斷開，同時微機控制系統(tǒng)發(fā)出跳主斷的信號。

在試驗系統(tǒng)中通過模擬該反饋信號，計算機監(jiān)測保護(hù)發(fā)生時四象限脈沖整流器和逆變器的門極是否被封鎖，輸入回路中的工作接觸器是否斷開，同時牽引變流器是否向微機控制系統(tǒng)發(fā)出跳主斷的信號。

試驗的過程中都是通過模擬變流器的動作來診斷各種保護(hù)是否做好，有問題的就通過數(shù)據(jù)采集卡和CAN總線系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳入試驗臺中央處理器來處理。

2.2 變流器動作邏輯測試

變流器控制著主變壓器和牽引電動機之間、主變壓器和輔助機組之間的能量傳輸，其邏輯動作的安全可靠直接關(guān)系到整列車輛的安全運行。因此，通過模擬車輛控制信號及各種機車反饋模擬量、數(shù)字量信號測試牽引變流器和輔助變流器的各種動作邏輯，是檢修、測試的重要測試項目，其測試原理如圖3所示。例如在HXD3型電力機車中，主變流器允許投入前必須具備牽引風(fēng)機風(fēng)速繼電器的回饋信號和主變壓器油流繼電器的信號[5，7]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件采用數(shù)據(jù)采集的主流軟件LabVIEW 2010編寫，同時調(diào)用acess數(shù)據(jù)庫來存儲采集的數(shù)據(jù)，以便于今后查閱。主體設(shè)計思想與系統(tǒng)硬件的設(shè)計一致，采用模塊化的設(shè)計思想。

其主要的設(shè)計流程如圖4所示。

圖3 變流器動作邏輯測試原理圖

圖4 系統(tǒng)主程序流程圖

其余的各功能模塊，獨自編寫成子模塊，采用子程序調(diào)用方式，完成相應(yīng)的功能檢測，將檢測到的數(shù)據(jù)傳回到主程序中。主程序?qū)Σ杉貋淼臄?shù)據(jù)量進(jìn)行判斷、處理，同時給出相應(yīng)的處理意見[6，8]。

4 現(xiàn)場實驗結(jié)果

在對HXD3型電力機車的主變流器進(jìn)行了變流器保護(hù)功能測試、變流器動作邏輯測試、變流器輸入和輸出通道測試、絕緣電阻測試、通信信號通道測試、IGBT模塊檢測、變流器各主要電阻和電容器件數(shù)值測試、速度傳感器信號通道測試。

將經(jīng)過測試的主變流器裝車運行，得到的結(jié)果安全可靠。對在運行中出現(xiàn)故障的變流器進(jìn)行測試，經(jīng)測試檢修后，裝車運行情況良好。

試驗結(jié)果表明，該實驗臺對HXD3、HXD3C、HXD1B、HXD1C型電力機車變流器診斷全面，安全可靠，達(dá)到了對主變流器的診斷目的[4，7-8]。

5 結(jié)束語

該試驗臺目前已有3套在兩地的機車檢修基地中投入運行，運行情況良好。由于使用了CAN總線，系統(tǒng)易于擴充，隨著今后的診斷技術(shù)要求越來越高，需要添加新的模塊時，直接將新的節(jié)點掛在上面，同時在上位機軟件中添加該模塊的處理功能即可，體現(xiàn)了該實驗臺的改進(jìn)和系統(tǒng)升級的靈活。

[1]嚴(yán)云升．微機在國產(chǎn)電力機車上的應(yīng)用[J]．機車電傳動，1998（5）：31-33.

[2]嚴(yán)云升．TM1型機車的微機控制系統(tǒng)[J]．機車電傳動，1997（3）：1-4.

[3]李蔚．DJJ1型高速交流傳動電動車組微機控制與通信系統(tǒng)[J]．電力機車技術(shù)，2001（2）：9-11.

[4]常振臣，牛得田，王立德．列車通信網(wǎng)絡(luò)研究現(xiàn)狀及展望[J]．電力機車與城軌車輛，2005（5）：5-7.

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[7]吳明強，史慧，朱曉華，等.故障診斷專家系統(tǒng)研究現(xiàn)狀與展望[J].計算機測量與控制，2005，13（12）：1301-1304.

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Design of main inverter test bed based on CAN bus

LIU Chang-liang1，XIAO Zheng2
（1.Guangxi Vocational&Technical Institute of Industry，Nanning 530001，China；
2.Information Science and Engineering College，Central South University，Changsha 410075，China）

Main inverter test bed is mainly used to test the comprehensive performance of the converters of HXD3，HXD3C，HXD1B，HXD1C electric locomotives，and test the performance of the converter CI/TCU control unit.This paper proposed to connect each function module with CAN bus and to analyze and process test data，orderly to diagnose the faults of converters through the analysis and processing software.The CAN bus is easy to expand and its structure is simple，which overcomes the shortcomings of the previous diagnosis system including single function，difficult to expand.The new system is easy to update and save the design cost.

CAN bus；converter；fault diagnosis；performance test

TM464；TP336；TP277；U292.9

A

1674-5124（2013）03-0062-03

2012-09-03；

：2012-11-17

國家自然科學(xué)基金項目（60774045）

劉昌亮（1980-），男，廣西武宣縣人，講師，碩士，主要從事自動化技術(shù)的研究。