動車組牽引傳動系統HIL仿真平臺被控對象建模研究*

謝冰若，夏 菲，趙紅衛

(中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081)

動車組牽引傳動系統HIL仿真平臺被控對象建模研究*

謝冰若，夏 菲，趙紅衛

(中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081)

討論了動車組牽引傳動系統HIL仿真平臺被控對象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，故障模型是在正常模型基礎上完成的，兩者均以狀態方程形式實現。

動車組;牽引傳動系統;硬件在環路;故障建模

由于動車組牽引傳動系統成套設備體積大，電壓等級高，在研究牽引控制單元(Traction Control Unit，TCU)時，廣泛采用硬件在回路(Hardware in Loop，HIL)仿真技術［1］。這是一種半實物仿真技術，即采用真實的TCU，但被控對象采用dSPACE、RT-LAB等實時仿真系統替代。

文獻［2］基于dSPACE實時仿真機，建立了逆變器和異步電機的模型。文獻［3］建立了機車牽引傳動系統被控對象的 Matlab/Simulink仿真模型。文獻［4-5］基于dSPACE仿真機，建立了動車組牽引傳動系統的實時仿真模型并進行仿真研究。

以上文獻中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。本文以某型動車組為例，在介紹其牽引系統結構的基礎上，詳細討論了牽引系統被控對象的正常建模和故障建模，故障模型是在正常模型基礎上完成的，兩者均以狀態方程形式實現。

1 動車組牽引傳動系統介紹

某型動車組牽引系統配置如圖1所示。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。

單個動車含一個牽引變流器，它由2個并聯的四象限PWM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，直流支撐電容Cd，短路晶閘管支路ST－RST和制動斬波支路BTRBT)，1個三相兩電平PWM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2所示。

圖1 8輛編組的某型動車組牽引系統配置

圖2 單個動車牽引傳動系統主電路結構

2 牽引傳動系統被控對象建模

建模時，接觸網電壓25 kV/50 Hz由Matlab/Simulink的正弦波發生器模擬，下面介紹主要部件建模。

2.1 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如圖3所示。

其中u1、i1為變壓器一次側電壓電流，u21、u22、i21和i22為兩個二次側繞組電壓電流，則牽引變壓器模型如下:

圖3 牽引變壓器等效電路

式(1)中，k為牽引變壓器變比。

如果牽引變壓器繞組發生匝間短路，其模型仍可用式(1)表示，只是牽引變壓器變比k會發生變化(短路阻抗也會變化)。

2.2 四象限PWM整流器建模

整流器建模時，將開關器件看作理想開關，不考慮開關器件導通壓降，導通和關斷時間等因素。

四象限整流器主電路如圖4所示，由牽引變壓器短路阻抗Ls、Rs，預充電開關K1、預充電電阻R1、線路開關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。

圖4 四象限整流器主電路

定義橋臂M、N的開關函數如下:

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4中的等效串聯電阻R如下:

式(4)中，SK2為線路開關K2的開關函數，K2閉合時SK2=1，否則SK2=0。

在K1或K2閉合情況下，計算SM、SN分為如下兩種情況:

(1)如果T1，T2，T3，T4的驅動脈沖P1，P2，P3，P4均為0，即沒有驅動脈沖時，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，如表1所示。

表1 不控整流狀態下四象限整流器的開關函數

為防止在i2在零值附近抖動，一般設置一個電流容差來防止誤判。在不控整流工作狀態中，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受驅動脈沖控制，即P1，P2，P3，P4不全部為0，則SM、SN如表2所示。

表2 四象限整流器正常工作時的開關函數

在P1=P2=1，或P3=P4=1的情況下，表明整流器出現橋臂短路情況，此時模型會報警。

最終建立四象限整流器模型如下:

式(5)中，整流器交流側電壓uMN如下:

在脈沖驅動模式下，如果某一個開關管出現開路故障，以T1為例，此時反并聯二極管D1仍正常工作。當網側電流i2＜0時，電流只能經二極管D2流回牽引繞組，下橋臂導通，開關函數SM=0，則開關函數SM如表3所示。SN不變，仍如表2所示。

表3 T1開路時的開關函數SM

在脈沖驅動模式下，如果兩個開關管出現開路故障，以T1、T4為例，此時二極管D1、D4仍正常工作。當網側電流i2＜0時，電流只能經二極管D2、D3流回牽引繞組，此時開關函數SM=0，SN=1，如表4所示。

表4 T1和T4開路時的開關函數

2.3 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(等效電阻為RST)和制動斬波管BT支路(制動電阻為RBT)，如圖5所示。

圖5 中間直流回路電路結構

根據圖5，得到中間直流回路的數學模型如下:

SKT、SBT分別為短路晶閘管KT、制動斬波管BT的開關函數，為1表示導通，為0表示關閉。

在二次濾波電感開路故障的情況下，模型變為:

2.4 逆變器建模

兩電平逆變器主電路如圖6所示。N為三相對稱負載的中點。

圖6 三相兩電平逆變器主電路

與四象限整流器類似，將開關器件看作理想開關，定義A、B、C相橋臂開關函數Si(i=A、B、C)如下:

建立逆變器模型如下:

式(10)中，開關函數SA、SB和SC可根據開關管T'1，T'2，T'3，T'4，T'5，T'6的驅動脈沖Q1，Q2，Q3，Q4，Q5，Q6和三相電流iA、iB和iC的流向確定，如表5所示。在Q1=Q4=1、Q3=Q6=1或Q5=Q2=1的情況下，表明逆變器出現橋臂短路情況，此時模型會報警。

如果某一個開關管出現開路故障，僅以T'3出現開路故障為例，此時二極管D'3仍正常工作。當電流iB＞0時，電流只能流經D'6，下橋臂導通，開關函數SB=0，這種情況下，開關函數SB如表6所示，SA，SC不變，仍如表5所示。

表5 逆變器開關函數表

表6 T'3開路時的開關函數SB

2.5 牽引電機建模

不考慮磁路飽和、鐵芯損耗，不考慮溫度變化對繞組電阻的影響，忽略空間諧波，假設三相繞組對稱，所產生的磁動勢沿氣隙圓周按正弦規律分布，則異步電機在兩相靜止αβ坐標系的數學模型如下所示［6］:

式(11)中，usα、usβ為定子電壓的α、β軸分量;isα、isβ為定子電流的α、β軸分量;ψsα、ψsβ為定子磁鏈的α、β軸分量;np是極對數，J是轉動慣量，TL是負載轉矩，ωr是電機電角速度;Ls、Rs、Lr和Rr分別是定子自感、定子電阻、轉子自感和轉子電阻，Lm是定轉子間互感;Tr= Lr/Rr，σ=1－L2m/(LsLr)。

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

而ABC坐標系下的定子電流，可通過反變換得到:

2.6 其他故障建模

除了上述討論的被控對象故障建模外，還總結其他故障建模如下:

(1)網壓過低/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)兩個四象限整流器的電流不均衡;

(6)電流互感器偏置過高;

(7)逆變器三相電流不平衡。

以上這些故障可以通過直接設置仿真機輸出的電壓/電流值實現，無需改變被控對象數學模型。

3 結束語

本文介紹了某型動車組牽引系統結構，詳細討論了牽引系統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，故障模型是在正常模型基礎上完成的，兩者均通過狀態方程形式實現。這為建立支持各種故障工況仿真的動車組牽引傳動系統HIL仿真平臺打下了基礎。

［1］ 傅成俊.軌道交通車輛交流傳動系統硬件在回路仿真技術進展［J］.機車電傳動，2009(3):1-4.

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

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

［4］ 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.

［5］ 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.

［6］ 馮曉云.電力牽引交流傳動及其控制系統［M］.北京:高等教育出版社，2009.

Research on Controlled Objects Modeling of EMU Traction Drive System HIL Simulation Platform

XIE Bingruo，XIA Fei，ZHAO Hongwei
(Locomotive and Car Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

This paper establishes the normal models and fault models of the controlled objects of EMU traction drive system HIL simulation platform，mainly including traction transformer，4-quadrant rectifier，intermediate DC circuit，inverter，traction motor and so on.The fault models are established on the basis of normal models.They are both described by state equations.

EMU;traction drive system;hardware in loop;fault modeling

U266.2 TM461 TM464

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2015.02.08

1008－7842(2015)02－0032－04

*國家重點基礎研究發展計劃(2012CB723803)

1—)男，助理研究員(

2015－02－11)