地鐵列車可關斷晶閘管牽引變流器綜合測試技術研究*

李小波 吳 浩 翁曉韜 胡方家

(1.上海工程技術大學城市軌道交通學院,201620,上海;2.上海軌道交通維護保障中心車輛分公司,200233,上海∥第一作者,講師、博士)

用于地鐵列車的門極可關斷晶閘管(GTO)牽引變流器分為兩大類:直流斬波器和交流逆變器。兩者的主要構成相似,均包括:牽引控制單元(Traction Control Unit,簡為 TCU),牽引變流模塊(Traction Converter Module,簡為 TCM),牽引電機和反饋裝置等部件。各構成部件不僅與列車安全相關度高、故障多發,而且工作原理和邏輯關系復雜,尤其前兩者技術含量高,是本文的研究對象。

1 測試系統構建

為了提高系統的靈活性,系統的構建采用分模塊測試并綜合集成的方法,不僅變流器各構成單元和模塊能單獨構成測試環節,而且各環節還能構成整體實現綜合測試。這種設計方法階段目標清晰,調試過程方便,以下將分別介紹。

1.1 TCU測試環節

牽引控制單元的軟件系統由運行控制模塊、運算模塊和功能模塊等構成。前兩者為系統內置模塊,以類庫或系統級調用的形式完成單元內部工作或輔助功能,如圓周率的計算、數字轉換和程序的初始化等;功能模塊則是實現列車控制的模塊,掌握其信息流的工作機理并與之形成交互才能真正把握TCU的工作機理。TCU測試原理如圖1所示。

1.2 TCM測試環節

對于GTO牽引變流器,無論是直流斬波模塊還是交流逆變模塊,從主電路的拓撲結構而言,均是GTO以一種頻率的脈寬調制(PWM)信號交替導通,并配有相應的驅動保護和緩沖電路。以交流列車逆變相模塊為例,如圖2所示,V1與V2是兩個主晶閘管GTO1和GTO2;V4和V5為V2和V1(GTO)的續流管;通過A1和A2按PWM 規律交替通斷V1(GTO1)和V2(GTO2)可將輸入端P與N間的直流電壓變換為輸出端L的交流電壓。TCM 測試環節的原理框圖見圖2。

圖1 TCU功能及測試原理

圖2 牽引相模塊及測試原理

1.3 綜合測試平臺構建

綜合測試是以上兩個測試環節的整合(見圖3)。將列車主回路中的傳動部分以數學模型替代,與測試目標牽引變流器(包括TCU和TCM)共同構成半實物仿真閉環;測控軟件則是在虛擬儀器(Labview)平臺上的二次開發,將測試和控制有效結合。

圖3 牽引變流器綜合測試系統

2 信息流及軟件設計

綜合測試實質上是一個半實物仿真測試系統,對實際情況的真實性模擬決定了系統運行的合理性和結果的有效性。仿真模型的重要性在于向測試目標提供接近真實的運行環境。即從TCU和TCM的角度來觀察,其環境配置與實際列車運行環境基本沒有差別。

以下將從仿真模型的處理、交互方式、系統同步三方面加以介紹。

2.1 仿真模型的處理

為了滿足系統仿真過程實時性的要求,將牽引電機構成傳動部分進行局部線性化處理,并降低數學模型的階數,以便減少計算機運行仿真模型時的時間開銷,使仿真模型與實際系統保持相近的運行速度。

2.2 交互方式

主控計算機與牽引控制單元按照宿主機-目標機模式來規范。主控計算機為宿主機,TCU為目標機。在主控機與目標機之間的信息交互設計中,應滿足TCU的內部工作程序流程。

在TCU功能模塊中,15 ms周期牽引控制模塊和75 ms周期牽引控制模塊為控制模塊的主流程(主程序),除了變流模塊控制和電壓、電流等控制動作在1 ms中斷處理模塊執行之外,絕大多數控制功能都在這兩個模塊中執行。

2.3 系統的同步

由于測試過程是在半實物仿真條件下進行的,因此保證整個系統的同步尤為重要。系統同步需要處理好兩個問題:①仿真服務器、輸入輸出設備和顯示之間的同步;②仿真環節與被測對象之間的同步。問題①很容易做到。問題②的處理方法是:用數據采集卡的定時器,通過硬件直接中斷進行定時模式實現了系統毫秒級的精確定時,定時器的定時標記傳送給其它計算機就實現了這些計算機的時鐘同步。對定時標記的傳輸頻率進行控制可實現仿真的多速率。

2.4 軟件設計

軟件系統采用結構化的設計思想。主程序采用嵌套循環方式進行設計,內層循環進行各種狀態和功能的切換,外層循環則實現相應狀態和子程序的調用。添加新功能只需在外層循環中添加相應功能的子程序模塊即可。軟件結構如圖4。

圖4 測試系統軟件架構

主界面設計充分利用Labview中的用戶定制功能選項,對主界面的最大化和大小調整功能進行了限制,且當子程序被調出時,主界面(見圖5、圖6)不被關閉。

圖5 主界面設計

圖6 系統實時運行狀態顯示

3 實例

3.1 TCU測試

在TCU低壓測試環節中,控制計算機向TCU輸入GTO的觸發信號,通過A1或A2(圖2)觸發GTO的通與斷,并測試GK(門極和陰極)的觸發波形(圖7(a)),再展開其上升沿與下降沿(圖7(b)和(c))。

這時分析GTO的觸發信息如下:導通時首先要求有幾十微秒寬的強觸發信號,然后保持正向偏置約+1 V,以確保可靠導通;關斷時也需要有足夠的關斷能量,而后施以負偏置約-15 V,保證可靠關斷。這一過程符合對GTO驅動電路所要求的波形。如圖7(b)其導通瞬間有50～60 μ s寬度的強觸發脈沖,然后有維持正向導通的壓降。從圖7(c)可見,關斷時有強的反向電壓脈沖,最后維持約-15 V的反向偏置(見圖7(a))。

3.2 綜合測試試驗

以直流斬波器為例,綜合測試試驗在模擬典型運行工況下進行,主要參數如電網電壓、電機電樞電流、機車運行速度等變化情況都進行了實時數據采集,如圖8所示。同時也監控了主回路中重要接觸器的工作狀態,因為它們能反映TCU的控制過程。典型工況下的測試數據與列車實際運行工況數據對比,即可作為GTO牽引變流器性能的測試和評價依據。

圖7 觸發信號波形

圖8 綜合測試動態參數波形

4 結語

提出了一種GTO牽引變流器的綜合測試方案。該方案不僅能夠對各部件實施獨立測試,還可以對整體進行綜合測試,測試方法方便有效。本測試方法的應用對象雖然是GTO牽引變流器,但是該方法也可以移植到地鐵IGBT(絕緣門雙極晶體管)牽引變流器的測試系統中。

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