■ 趙紅衛(wèi) 謝冰若 夏菲 鄭雪洋 高楓

動車組牽引傳動系統(tǒng)故障導(dǎo)向安全技術(shù)仿真研究

■ 趙紅衛(wèi) 謝冰若 夏菲 鄭雪洋 高楓

為深入研究動車組牽引傳動系統(tǒng)故障導(dǎo)向安全技術(shù)，搭建了基于RT-LAB的動車組牽引傳動系統(tǒng)HIL仿真平臺，該平臺將牽引系統(tǒng)和列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成于一體，且同時考慮牽引系統(tǒng)被控對象的正常建模和各種故障建模，采用該平臺進行了各種工況仿真研究。該平臺不僅可用于正常工況下牽引系統(tǒng)靜、動態(tài)性能仿真，還可用于牽引系統(tǒng)各種故障模擬、復(fù)現(xiàn)，具有較高的應(yīng)用價值。

動車組；牽引傳動系統(tǒng)；故障導(dǎo)向安全；RT-LAB；HIL

0 引言

為確保動車組運行安全，牽引傳動系統(tǒng)需采用合理的故障導(dǎo)向安全技術(shù)。在973項目“交通系統(tǒng)安全技術(shù)基礎(chǔ)”的支持下，對高速列車牽引傳動系統(tǒng)故障導(dǎo)向安全技術(shù)開展專項研究，搭建了基于RT-LAB的動車組牽引傳動系統(tǒng)硬件在回路（Hardware in Loop，HIL）仿真平臺，利用該平臺對動車組原型車牽引系統(tǒng)進行正常工況的靜、動態(tài)性能仿真，進行各種故障工況下故障導(dǎo)向安全測試并進行總結(jié)。

HIL仿真技術(shù)是一種半實物仿真技術(shù)[1]，即采用真實的牽引控制單元（Traction Control Unit，TCU），但被控對象采用dSPACE、RT-LAB等實時仿真系統(tǒng)替代。文獻[2]采用dSPACE實時仿真機建立逆變器和異步電機模型，并進行仿真研究；文獻[3]建立機車牽引系統(tǒng)被控對象Matlab/Simulink實時仿真模型；文獻[4]—文獻[5]基于dSPACE仿真機建立動車組牽引傳動系統(tǒng)實時仿真模型，并進行仿真研究。

就動車組而言，不僅TCU，列車網(wǎng)絡(luò)的中央控制單元（Central Control Unit，CCU）也參與牽引傳動系統(tǒng)的控制管理，但分工不同。以某型動車組為例，CCU管理受電弓、高壓主斷路器、主變壓器及冷卻系統(tǒng)，監(jiān)測牽引電機及齒輪箱溫度，綜合司機牽引手柄和列車定速控制生成轉(zhuǎn)矩指令下發(fā)給TCU。TCU根據(jù)CCU指令控制四象限整流器和逆變器以驅(qū)動牽引電機，實現(xiàn)防滑/防空轉(zhuǎn)功能，還管理牽引變流器內(nèi)部各種開關(guān)?，F(xiàn)有動車組牽引傳動HIL仿真系統(tǒng)多針對TCU建立，并沒有考慮同樣參與牽引傳動系統(tǒng)控制管理的CCU，因此不完整。另一方面，現(xiàn)有牽引傳動系統(tǒng)被控對象建模大都考慮正常模型，未考慮故障建模，無法進行各種故障工況仿真和故障導(dǎo)向安全測試。

針對上述問題，基于RT-LAB實時仿真機，建立將TCU/CCU集成在一起的某型動車組牽引傳動系統(tǒng)HIL仿真平臺。在牽引系統(tǒng)被控對象建模時不僅考慮正常模型，還考慮各種典型故障，正常模型和故障模型均通過狀態(tài)方程形式實現(xiàn)，兩者可自由切換。

1 動車組牽引傳動系統(tǒng)概述

如圖1所示，8輛編組某型動車組牽引系統(tǒng)含有2個牽引單元：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：2、4車為拖車，1、3車為動車；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的1、3車提供動力。

單個動車含1個牽引變流器，由2個并聯(lián)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BT—RBT）、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)的牽引電機一起組成完整的牽引傳動系統(tǒng)主電路（見圖2）。

2 動車組牽引傳動系統(tǒng)HIL仿真平臺結(jié)構(gòu)

圖3所示為8輛編組動車組牽引傳動系統(tǒng)HIL仿真平臺結(jié)構(gòu)，主要由2個車載CCU、2個車載顯示屏、2個列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)仿真機、4個車載TCU和1個RT-LAB實時仿真機組成。2個CCU分別位于2個端車，是整車控制器，其被控對象為整車電氣線路和除牽引子系統(tǒng)外的各子系統(tǒng)，分別由運行在2個工控機上的列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)仿真軟件模擬。2個車載顯示屏也位于2個端車，主要用于顯示整列車各子系統(tǒng)狀態(tài)和故障代碼。4個TCU分別位于4個動車，是牽引系統(tǒng)控制器，其被控對象均由RT-LAB實時仿真機模擬。

仿真平臺中的2個CCU之間由WTB總線連接。2個CCU與2個顯示屏之間、2個CCU與4個TCU之間、2個CCU與2個工控機之間均由MVB總線連接。在2個工控機上均配置了MVB驅(qū)動程序，以實現(xiàn)列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)仿真軟件與MVB總線的數(shù)據(jù)交互。

在用戶接口方面，每個工控機上安裝有數(shù)據(jù)在線監(jiān)視軟件，分別用來監(jiān)控本牽引單元的CCU和2個TCU的故障代碼和實時變量值，通過串口通信實現(xiàn)。另一方面，可在PC機上安裝RT-LAB上位機監(jiān)控軟件，通過以太網(wǎng)線連接RT-LAB實時仿真機，監(jiān)控被控對象電壓、電流的實時狀態(tài)。動車組牽引傳動系統(tǒng)HIL仿真平臺見圖4。

3 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。

3.1 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（等效電路見圖5）。

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)

圖3 動車組牽引傳動系統(tǒng)HIL仿真平臺結(jié)構(gòu)

圖5 中，u1、i1為變壓器一次側(cè)電壓電流；u21、u22、i21和i22為2個二次側(cè)繞組電壓電流，則牽引變壓器模型為：

式中：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k會發(fā)生變化（短路阻抗也會發(fā)生變化）。

3.2 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見圖6，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)。

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6中的等效串聯(lián)電阻R如下：

式中：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，計算SM、SN分為2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（見表1）。

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不全為0，則SM、SN的取值見表2。

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：

圖5 牽引變壓器等效電路

圖6 四象限整流器主電路

表1 不控整流狀態(tài)下四象限整流器開關(guān)函數(shù)

式中整流器交流側(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的取值見表3，SN不變（如表2所示）。

在脈沖驅(qū)動模式下，如果2個開關(guān)管出現(xiàn)開路故障，以T1、T4管為例，此時二極管D1、D4仍正常工作。當網(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（見表4）。

3.3 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RST）和制動斬波管BT支路（制動電阻RBT）（見圖7）。

根據(jù)圖7得到中間直流回路的數(shù)學(xué)模型如下：

式中：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時表示導(dǎo)通，為0時表示關(guān)閉。

在二次濾波電感開路故障情況下，模型變?yōu)椋?/p>

表2 四象限整流器正常工作時的開關(guān)函數(shù)

表3 T1開路時的開關(guān)函數(shù)SM

表4 T1、T4開路時的開關(guān)函數(shù)

3.4 逆變器建模

三相兩電平逆變器主電路見圖8，N為三相對稱負載中點。

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）：

建立逆變器模型：

式中：開關(guān)函數(shù)SA、SB和SC可根據(jù)開關(guān)管T1'、T2'、T3'、T4'、T5'、T6'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（見表5）。在Q1=Q4=1、Q3=Q6=1或Q5=Q2=1情況下，表明逆變器出現(xiàn)橋臂短路情況，此時模型會報警。

圖7 中間直流回路電路結(jié)構(gòu)

圖8 三相兩電平逆變器主電路

如果某一個開關(guān)管出現(xiàn)開路故障，僅以T3'出現(xiàn)開路故障為例，此時二極管D3'仍正常工作。當電流iB>0時，電流只能流經(jīng)D6'，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的取值見表6，SA、SC不變（如表5所示）。

3.5 牽引電機建模

不考慮磁路飽和、鐵芯損耗和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，則異步電機在兩相靜止α、β坐標系的數(shù)學(xué)模型為[6]：

式中：usα、usβ為定子電壓α、β軸分量；isα、isβ為定子電流α、β軸分量；ψsα、ψsβ為定子磁鏈α、β軸分量；np為極對數(shù)；J為轉(zhuǎn)動慣量；TL為負載轉(zhuǎn)矩；ωr為電機電角速度；Ls、Rs、Lr和Rr分別為定子自感、定子電阻、轉(zhuǎn)子自感和轉(zhuǎn)子電阻；Lm為定轉(zhuǎn)子間互感；Tr=Lr/Rr；σ=1

表5 逆變器開關(guān)函數(shù)

式（11）中，usα、usβ由定子在ABC坐標系下的定子電壓經(jīng)坐標變換得到：

3.6 其他故障建模

除上述討論的被控對象故障建模外，還總結(jié)出其他故障建模：

（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）2個四象限整流器電流不均衡；

（6）電流互感器偏置過高；

（7）逆變器三相電流不平衡。

以上這些故障可通過直接設(shè)置仿真機輸出電壓/電流值實現(xiàn)，無需改變被控對象數(shù)學(xué)模型。

表6 T3'開路時的開關(guān)函數(shù)SB

4 牽引系統(tǒng)故障模擬軟件

使用RT-LAB上位機監(jiān)控軟件觸發(fā)各種牽引系統(tǒng)故障并不方便，需要使用其在線調(diào)整參數(shù)對話框，手動選取各種參數(shù)，在線修改并應(yīng)用，過程較繁瑣。為了提高故障測試效率，基于RT-LAB實時仿真環(huán)境，采用LabVIEW開發(fā)了牽引系統(tǒng)故障模擬軟件（主界面見圖9）。主要功能包括：控制仿真啟動、暫停、結(jié)束，觸發(fā)牽引系統(tǒng)故障，顯示牽引傳動系統(tǒng)運行狀態(tài)和主要部件工作狀態(tài)，顯示牽引傳動系統(tǒng)電壓電流實時波形并進行存儲，在線調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)等。

該軟件可以模擬的牽引系統(tǒng)故障分為兩大類：邏輯器件故障和系統(tǒng)級故障。邏輯器件故障主要用來模擬開關(guān)器件開路或短路（見圖10）；系統(tǒng)級故障模擬界面見圖11，具體可分為高壓系統(tǒng)相關(guān)故障、四象限整流器相關(guān)故障、中間直流回路相關(guān)故障、輔助變流器相關(guān)故障、牽引逆變器相關(guān)故障、牽引電機相關(guān)故障、牽引電機機械相關(guān)故障七大類。

5 正常工況試驗

5.1 牽引變流器啟動過程

牽引變流器啟動過程見圖12（圖（a）和（b）中，藍色代表電壓，紅色代表電流），給出了四象限整流器4QR1和4QR2的交流側(cè)電壓、電流波形，牽引變壓器一次側(cè)電流波形和直流母線電壓波形。在70．16 s，預(yù)充電開關(guān)K1閉合，此時4QR1工作在不控整流狀態(tài)（4QR2未工作），直流母線電壓上升；在71．4 s，TCU會進行制動斬波支路測試，即給制動斬波開關(guān)管BT發(fā)出2個約3 ms的驅(qū)動脈沖，隨后關(guān)閉，TCU應(yīng)檢測到直流母線電壓下跌；在76．3 s，TCU閉合K2，斷開K1，4QR2也進入不控整流狀態(tài)；在77 s，預(yù)充電結(jié)束，TCU向4QR1和4QR2發(fā)出控制脈沖，使直流母線電壓穩(wěn)定在3 000 V。

5.2 牽引變流器全速域牽引過程

圖9 牽引系統(tǒng)故障模擬軟件主界面

圖10 邏輯器件故障模擬區(qū)

圖11 系統(tǒng)故障模擬區(qū)

圖12 牽引變流器啟動過程

牽引手柄滿級位，列車全速域牽引過程見圖13（圖（a）、（b）和（e）中，藍色代表電壓，紅色代表電流），給出了4QR1、4QR2交流側(cè)電壓電流、變壓器一次側(cè)電流、直流母線電壓、牽引電機A相電壓電流、牽引電機電磁轉(zhuǎn)矩和列車運行速度波形（數(shù)值為負與參考方向選取有關(guān)）。隨著列車速度的提高，直流母線電壓波動增大。在列車速度約為140 km/h時，系統(tǒng)從恒牽引力向恒功區(qū)過渡。整個全速牽引過程中，半實物仿真試驗臺運行正常，輸出波形穩(wěn)定。

6 故障工況試驗

6.1 制動斬波支路測試失敗

在對直流母線進行預(yù)充電過程中，TCU會通過導(dǎo)通制動斬波管BT來測試制動斬波支路是否可以正常工作。即給制動斬波管BT發(fā)出2個3 ms驅(qū)動脈沖（間隔3 ms），TCU應(yīng)檢測到直流側(cè)電壓下降。如果直流母線電壓未出現(xiàn)下降，則判定制動斬波支路存在故障。此時，TCU會斷開主斷，封鎖4QR1、4QR2和逆變器，同時導(dǎo)通短路晶閘管KT將中間直流電壓釋放。

圖14給出了相關(guān)波形（圖（a）和（b）中，藍色代表電壓，紅色代表電流）。開始時系統(tǒng)正常運行，通過4QR1進行預(yù)充電（見圖14（a）、（b）和（c））；在329．1 s，TCU發(fā)出BT驅(qū)動脈沖進行制動斬波支路測試（見圖14（e）），但此時中間直流側(cè)電壓并無下降（見圖14（d）），TCU判斷制動斬波支路測試失敗，斷開主斷（見圖14（a）和（c）），隨后導(dǎo)通KT（見圖14（f））泄放直流母線電壓（見圖14（d））。

6.2 逆變器三相電流之和不為0

設(shè)置該故障主要用來監(jiān)測牽引電機是否存在漏電流。TCU將逆變器三相電流傳感器反饋值進行相加，當其和大于一定值后，TCU會封鎖逆變器，隨后封鎖2個4QR并報出該故障。圖15給出了相關(guān)波形（圖（a）和（b）中，藍色代表電壓，紅色代表電流）。當系統(tǒng)運行至274．139 s時，TCU檢測到逆變器三相電流和不為0（見圖15（d）），TCU立刻封鎖逆變器（見圖15（d）、（e）），由于電機屬于感性負載，電流進行續(xù)流，中間直流側(cè)電壓有所抬升（見圖15（c））。TCU封鎖逆變器后，在274．149 s封鎖4QR1和4QR2（見圖15（a）、（b））。

7 牽引傳動系統(tǒng)故障導(dǎo)向安全技術(shù)總結(jié)

當牽引設(shè)備不正常時，牽引傳動系統(tǒng)能夠迅速保護、自動或提示司機手動隔離故障設(shè)備并導(dǎo)向安全，故障影響不應(yīng)擴大化。牽引系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)故障部件選擇恰當?shù)谋Ｗo方式，包括降弓、跳主斷、降功率、封鎖四象限整流器/逆變器等。

圖13 牽引變流器全速域牽引過程

圖14 制動斬波支路測試失敗相關(guān)波形

圖15 逆變器三相電流和不為0測試波形

CCU/TCU主要針對牽引傳動系統(tǒng)牽引變壓器、牽引控制器、牽引變流器和牽引電機進行故障診斷與保護。如IGBT達到過電流限值，會關(guān)閉部分開關(guān)管甚至分主斷，切除牽引變流器；牽引變流器內(nèi)部風(fēng)扇故障，冷卻水泵故障，冷卻水溫過低、過高，冷卻液壓力超過最大限值或低于最小限值時，都會導(dǎo)致牽引封鎖；牽引變流器內(nèi)部溫度達到過熱限值時，或限制功率輸出或?qū)е聽恳怄i；牽引變流器接地電壓超出允許范圍時，封鎖牽引。常用故障保護策略見表7。

8 結(jié)束語

介紹某型動車組牽引傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，詳細討論牽引系統(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、逆變器和牽引電機等，在此基礎(chǔ)上建立與列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)集成為一體的動車組牽引傳動系統(tǒng)HIL仿真平臺，不僅可用于正常工況下牽引系統(tǒng)靜、動態(tài)性能仿真，還可以再現(xiàn)高速動車組現(xiàn)場故障，是研究和攻克高速列車系統(tǒng)保護和故障診斷技術(shù)的重要手段和方法，在京津、武廣、京滬、滬杭線動車組運營故障分析及解除中發(fā)揮了重要作用。目前，還利用該平臺完成自主化CCU/TCU的開發(fā)和測試。

表7 牽引傳動系統(tǒng)故障保護策略分類

[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)進展[J]．機車電傳動，2009(3)：1-4．

[2] 盧子廣，柴建云，王祥珩．異步電機驅(qū)動系統(tǒng)實時仿真[J]．中小型電機，2003，30(3)：25-29．

[3] 丁榮軍，桂衛(wèi)華，陳高華．電力機車交流傳動系統(tǒng)的半實物實時仿真[J]．中國鐵道科學(xué)，2008，29(4)：96-102．

[4] 馬志文，李偉，崔恒斌，等．電動車組交流傳動系統(tǒng)的硬件在回路實時仿真研究[J]．鐵道機車車輛，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．

趙紅衛(wèi)：中國鐵道科學(xué)研究院機車車輛研究所/北京縱橫機電技術(shù)開發(fā)公司，研究員，北京，100081/ 100094

謝冰若：中國鐵道科學(xué)研究院機車車輛研究所/北京縱橫機電技術(shù)開發(fā)公司，助理研究員，北京，100081/ 100094

夏 菲：中國鐵道科學(xué)研究院機車車輛研究所/北京縱橫機電技術(shù)開發(fā)公司，助理研究員，北京，100081/ 100094

鄭雪洋：中國鐵道科學(xué)研究院機車車輛研究所/北京縱橫機電技術(shù)開發(fā)公司，助理研究員，北京，100081/ 100094

高 楓：中國鐵道科學(xué)研究院機車車輛研究所/北京縱橫機電技術(shù)開發(fā)公司，助理研究員，北京，100081/ 100094

責任編輯 高紅義

U266.2

A

1672-061X（2015）02-0031-09

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目（2012CB723803）。

所獲獎項：2014年度中國鐵道學(xué)會科學(xué)技術(shù)獎二等獎。