基于RT-LAB的動車組牽引傳動系統HIL仿真研究*

夏 菲, 謝冰若, 趙紅衛

(中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所， 北京 100081)

?

綜合技術研究

基于RT-LAB的動車組牽引傳動系統HIL仿真研究*

夏 菲, 謝冰若, 趙紅衛

(中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所， 北京 100081)

建立了基于RT-LAB的動車組牽引傳動系統HIL仿真平臺，介紹了其結構和配套開發的牽引系統故障模擬軟件，最后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靜、動態性能仿真，還可用于牽引系統各種故障模擬、復現，具有較高的應用價值。

動車組； 牽引傳動系統； RT-LAB； 硬件在環； 故障模擬

作為一種半實物仿真技術，硬件在環(Hardware in Loop，HIL)仿真廣泛應用于動車組牽引控制單元(Traction Control Unit，TCU)研究，它采用dSPACE、RT-LAB等實時仿真機代替真實的牽引變流器和牽引電機等進行各種仿真試驗，具有體積小、節能、安全便捷等優點[1-2]。

就動車組而言，不僅TCU，列車網絡的中央控制單元(Central Control Unit，CCU)也參與牽引系統的控制管理，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，綜合司機牽引手柄和列車定速控制生成轉矩指令下發給TCU。TCU根據CCU指令控制四象限整流器(4 Quadrant Rectifier，4QR)和逆變器以驅動牽引電機。現有動車組牽引傳動系統HIL仿真多針對TCU建立，并沒有考慮同樣參與牽引系統控制管理的CCU。另一方面，現有牽引系統被控對象建模大都考慮正常模型，未考慮故障建模。

針對上述問題，在文獻[3]討論了動車組牽引傳動系統被控對象正常建模和故障建模基礎上，本文建立了將TCU/CCU集成為一體的動車組牽引傳動系統HIL仿真平臺，介紹了其結構和配套開發的牽引系統故障模擬軟件，最后進行了各種正常、故障工況仿真研究。

1 動車組牽引系統結構

8輛編組的某型動車組含兩個相同的牽引單元，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：1、3車為動車，2、4車為拖車。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。

每個動車含一個牽引變流器，它由2個并聯的四象限整流器(包含預充電支路K1-R1和線路隔離開關K2)，中間直流回路(包括二次諧振支路Lr-Cr-Rr，直流儲能電容Cd，短路晶閘管支路ST-RST和制動斬波支路BT-RBT)，1個三相兩電平逆變器構成。牽引變流器與受電弓、主斷路器、牽引變壓器和4個并聯的牽引電機一起組成完整的牽引傳動系統主電路，如圖1所示。

圖1 動車組牽引傳動系統主電路結構

2 動車組牽引傳動系統HIL仿真平臺結構

圖2所示為8輛編組動車組牽引傳動系統HIL仿真平臺結構。它主要由2個車載CCU、2個車載顯示屏、2個列車網絡系統仿真機、4個車載TCU和1個RT-LAB實時仿真機組成。2個CCU分別位于兩個端車，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外的各個子系統，分別由運行在2個工控機上的列車網絡系統仿真軟件模擬。2個車載顯示屏也位于兩個端車，主要用于顯示整列車各子系統狀態和故障代碼。4個TCU分別位于4個動車，是牽引系統控制器，其被控對象均由RT-LAB實時仿真機模擬。

圖2中，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驅動程序，以實現列車網絡系統仿真軟件與MVB總線的數據交互。

圖2 動車組牽引傳動系統HIL仿真平臺結構

在用戶接口方面，每個工控機上安裝有數據在線監視軟件，分別用來監控本牽引單元的CCU和2個TCU的故障代碼和實時變量值，這通過串口通信實現。另一方面，可以在PC機上安裝RT-LAB上位機監控軟件，通過以太網線連接RT-LAB實時仿真機，來監控被控對象電壓、電流的實時狀態。

3 牽引系統故障模擬軟件

使用RT-LAB的上位機監控軟件觸發各種牽引系統故障并不方便，需要使用其在線調整參數對話框，手動選取各種參數，在線修改并應用，過程較繁瑣。為了提高故障測試效率，基于RT-LAB實時仿真環境，采用LabVIEW開發了牽引系統故障模擬軟件。

牽引系統故障模擬軟件主界面如圖3所示。其主要功能包括：控制仿真啟動、暫停、結束，觸發牽引系統故障，顯示牽引傳動系統運行狀態和主要部件工作狀態，顯示牽引傳動系統電壓電流實時波形并進行存儲，在線調整系統參數等。

該軟件可以模擬的牽引系統故障分為兩大類：邏輯器件故障和系統級故障。邏輯器件故障主要用來模擬開關器件開路或短路。系統級故障具體可分為：高壓系統相關故障、四象限整流器相關故障、中間直流回路相關故障、輔助變流器相關故障、牽引逆變器相關故障、牽引電機相關故障、牽引電機機械相關故障共7大類。

圖3 牽引系統故障模擬軟件主界面

4 正常工況試驗

4.1 牽引變流器啟動過程

牽引變流器啟動過程如圖4所示，給出了四象限整流器4QR1和4QR2的交流側電壓、電流波形，牽引變壓器一次側電流波形和直流母線電壓波形。在70.16 s，預充電開關K1閉合，此時4QR1工作在不控整流狀態(4QR2未工作)，直流母線電壓上升。在71.4 s時，TCU會進行制動斬波支路測試，即給制動斬波開關管BT發出兩個約3 ms的驅動脈沖，隨后關閉，TCU應檢測到直流母線電壓下跌。在76.3 s時，TCU閉合K2，斷開K1，4QR2也進入不控整流狀態。在77 s，預充電結束，TCU向4QR1和4QR2發出控制脈沖，使直流母線電壓穩定在3 000 V。

4.2 牽引變流器全速域牽引過程

牽引手柄滿級位，列車全速域牽引過程如圖5所示，給出了4QR1、4QR2交流側電壓電流、變壓器一次側電流、直流母線電壓、牽引電機A相電壓電流、牽引電機電磁轉矩和列車運行速度波形(這里數值為負數與參考方向選取有關)。隨著列車速度提高，直流母線電壓波動增大。在列車速度約140 km/h時，系統從恒牽引力向恒功區過渡。整個全速牽引過程中，半實物仿真試驗臺運行正常，輸出波形穩定。

圖4 牽引變流器啟動過程

圖5 牽引變流器全速域牽引過程

圖6給出了列車在速度176 km/h時，牽引變壓器一次側電壓電流、4QR1交流側電壓電流、直流母線電壓、逆變器輸出A相電壓電流、牽引電機三相電流和輸出電磁轉矩波形細節。

圖6 變流器電壓、電流波形細節(列車速度v=176 km/h)

5 故障工況試驗

5.1 兩個并聯的4QR電流不均衡過大

兩個并聯運行的4QR電流不均衡過大容易導致開關器件過流而損壞，TCU會實時監控4QR1和4QR2的電流，當兩者之差超過某一閾值后，會封鎖兩個4QR和逆變器并報出該故障。圖7給出了相關波形，系統正常運行至233.962 s附近，4QR1出現直流偏移(如圖7(a)所示)，此時TCU檢測到兩個4QR的電流之差超過閾值，立刻封鎖兩個4QR(如圖7(a)、(b)所示)，然后封鎖逆變器(如圖7(d)、(e)所示)，由于電機屬于感性負載，電流進行續流，中間直流側電壓略有抬升(如圖7(c))。

5.2 逆變器三相電流之和不為零

設置該故障主要用來監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8給出了相關波形，當系統運行至274.139 s時，TCU檢測到逆變器三相電流和不為0(如圖8(d)所示)，TCU立刻封鎖逆變器(如圖8(d)、(e)所示)，由于電機屬于感性負載，電流進行續流，中間直流側電壓有所抬升(如圖8(c))。TCU封鎖逆變器后，在274.149 s封鎖4QR1和4QR2(如圖8(a)、(b)所示)。

圖7 兩個4QR電流不均衡測試波形

圖8 逆變器三相電流和不為零測試波形

6 結束語

本文建立了與列車網絡控制系統集成為一體的動車組牽引傳動系統HIL仿真平臺，它不僅可用于正常工況下牽引系統靜、動態性能仿真，還可用于牽引系統各種故障模擬、復現，具有較高的應用價值。

[1] 馬志文，李 偉，崔恒斌，韓昆．電動車組交流傳動系統的硬件在回路實時仿真研究[J]．鐵道機車車輛，2011，31(2)：1-5．

[2] 崔恒斌，馬志文，韓 昆，等．電動車組牽引傳動系統的實時仿真研究[J]．中國鐵道科學，2011，32(6)：94-101．

[3] 謝冰若，夏 菲，趙紅衛．動車組牽引傳動系統HIL仿真平臺被控對象建模研究[J]．鐵道機車車輛，2015，35(2)32-35．

Research on HIL Simulation of EMU Traction Drive System Based on RT-LAB

XIAFei,XIEBingruo,ZHAOHongwei

(Locomotive & Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

This paper established the HIL simulation platform of EMU traction drive system based on RT-LAB, introduced the structure and fault simulation software of this platform, and carried out the simulation of various conditions. This platform has good application prospect, which not only can be used for static or dynamic performance simulation under normal conditions, but also can be used for fault simulations under different fault conditions.

EMU; traction drive system; RT-LAB; hardware-in-loop; fault modeling

1008-7842 (2015) 03-0001-05

女，助理研究員(

2015-02-12)

U266.2， TM461， TM464

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.03.01

*國家重點基礎研究發展計劃(2012CB723803)