基于HIL仿真試驗平臺的動車組電機缺相故障研究

郭 洋,任寶珠,姚大順,于曉蔓,姜宋陽(中車大連電力牽引研發中心有限公司，遼寧 大連 116052)

0 引 言

電力牽引傳動系統是動車組(EMU)重要的核心組成部分，其高可靠性是高速列車穩定運行的重要保障。牽引電機作為電力牽引系統中能量轉換的載體，工作環境存在大量的電磁耦合，導致牽引電機故障率較高，因此完善牽引電機故障檢測算法變得至關重要。牽引變流系統的功率等級較高，需要到具有資質的特定試驗場所進行試驗，考慮到試驗場地造價高，同時也存在安全隱患，耗費大量的人力物力資源，因此在項目建立初期，優化故障檢測算法尤為重要。通過硬件在環(HIL)仿真平臺[1]搭建牽引電機故障工況，模擬電機定子繞組缺相時的故障狀態和特征，在項目初期及時發掘軟件在設計實現中存在的缺陷，對故障檢測算法進行測試優化，節省了大量的人力物力資源。因此，設計EUM牽引電機缺相故障HIL仿真測試平臺是十分有必要的。

近年來，諸多學者對電機缺相故障及診斷技術進行了一系列研究。文獻[2]提出了一種不降階方式建立多相感應電機模型，研究了多相感應電機在不同缺相工況下的電流特性，由于多相電機具有冗余特性，發生故障后仍可以運行。文獻[3]在異步電機基本結構及運行原理的基礎上，分析了異步電動機常見的電氣故障和機械故障以及發生的原因，對轉子斷條、定子繞組斷路及電源缺相故障進行分析。于明星等[4]通過對電機溫度場模型做出合理假設，定義溫度場邊界條件，建立定子繞組等效熱模型，計算正常運行和缺相運行時的溫度場分布，分析缺相后各相繞組溫度變化情況。文獻[5-6]基于感應電機的數學模型，以MATLAB/Simulink為工具對電機定子繞組故障瞬態過程進行了建模仿真。

綜上所述，基于異步電動機在靜止坐標系下的數學模型，根據缺相故障下定子繞組的接線，推導出端電壓的約束條件，基于MATLAB/Simulink中Xilinx軟件建立異步電機定子繞組缺相數學模型，并采用dSPACE實時仿真器對電力牽引控制系統進行了HIL仿真，對實時仿真系統的構成進行了分析，通過電機缺相實時模型與牽引控制單元(TCU)連接，用于牽引系統電機缺相故障診斷與算法功能的開發測試和驗證。

1 異步電機數學模型的建立

HIL實時仿真器是半實物仿真測試平臺的核心，包括四象限模型、逆變器模型和電機模型，為了使實時仿真系統更加貼近EMU真實的工作環境，對仿真模型的精度提出了更高的要求。

1.1 正常狀態下異步電機數學模型的建立

本文先介紹電機在正常工況時，電機模型建立的過程[7]，圖1為對稱的三相三線制電路結構圖。設定子邊電源電壓為eag、ebg、ecg，為了能用電源電壓來表示定子的各相電壓，假設電機定子中點o與定子邊電源中點g間電壓為uog，定子各相端電壓約束條件可表示為

(1)

式中：uas、ubs、ucs為定子繞組三相相電壓；Rs為定子繞組電阻；ias、ibs、ics為定子三相繞組電流；φas、φbs、φcs為定子三相磁鏈；eag、ebg、ecg為定子邊三相電源電壓；uog為電機定子中點o與定子邊電源中點g間電壓。

圖1 三相異步電機定子繞組示意圖

為了求解出uog，可以將式(1)的3個方程式相加:

對于三相三線制連接方式，則:

ias+ibs+ics=0

(3)

進一步還可以證明:

φas+φbs+φcs=0

(4)

則有：

uas+ubs+ucs=0

(5)

故,可得：

(6)

將定子各相電壓寫成矩陣形式,如下:

(7)

異步電機三相原始模型相當復雜，通過坐標變換能夠簡化數學模型，便于分析和計算。本文介紹了靜止兩相α-β-n正交坐標系中的數學模型，包括端電壓約束條件、電磁方程、電磁轉矩和機械運動方程。

端電壓約束條件為

(8)

電磁方程式為

(9)

式中：φαs、φβs分別為定子靜止坐標系α軸、β軸磁鏈；φαr、φβr分別為轉子旋轉坐標系α軸、β軸磁鏈；Rr為轉子繞組電阻；ω為轉子角速度；Lls、Llr分別為定子漏感和轉子漏感；φmα、φmβ分別為α軸、β軸互感磁鏈。

定義φmα、φmβ為α軸、β軸互感磁鏈:

(10)

電磁轉矩方程如下:

(11)

機械運動方程如下:

(12)

式中:p為電機的極對數;J為轉動慣量。

1.2 異步電機斷路時電機數學模型建立

圖2所示為異步電機工作在缺相工況下的定子繞組斷路示意圖。假設當t>0時，開關由位置1斷開，發生了電源A相對電機中點缺相故障。缺相后，A相電流為0，即：

ias=0

(13)

考慮端電壓約束條件，有：

(14)

將式(14)的ubs和ucs相加，并求解出電機定子中點o與定子邊電源中點g間電壓uog為

(15)

圖2 三相異步電機定子繞組斷路示意圖

通過對o點運用節點電流法，則有:

ibs+ics=0

(16)

通過上述分析可知，當電機A相發生缺相后，A相的電流為0，B相和C相的電流互為反相。

如果將a-b-c變量形式的電流變換到靜止坐標系α-β-n坐標系下，則有：

(17)

如果用α-β-n變量形式的磁鏈表示a-b-c變量形式的磁鏈，同時考慮式(17)所示的α軸電流與n軸電流間的關系，可以化簡b、c磁鏈之和，可得：

(18)

將式(18)代入式(15)中得到：

(19)

在各相磁鏈的逆變換中可以求得:

(20)

所以:

(21)

變換到α-β-n坐標系下:

(22)

式(22)為異步電機定子繞組A相發生故障時的數學模型。

2 半實物仿真平臺設計

2.1 EMU牽引系統主電路及缺相故障診斷

本文基于復興號CR200J EMU項目進行半實物仿真，如圖3所示為動力集中EMU的牽引變流器主電路圖，該牽引變流器從牽引變壓器二次側引出2組分別供給2組四象限整流器，2組四象限整流器并聯后向中間直流環節供電，直流環節后端帶有2組牽引逆變器，2組牽引逆變器分別向1個轉向架上的2臺異步電機供電。

圖3 動力集中EMU的牽引變流器主電路圖

當EMU牽引電機發生缺相故障時，軟件程序能夠識別出故障，并采取相應的保護策略。電力機車在啟動階段，低速無牽引力的情況下，首先要經過預勵磁，即建立轉子磁場，勵磁功率為電機功率的3%～5%，以復興號動力集中EMU的牽引電機為例，額定功率為1 250 kW，則勵磁功率為37.5～62.5 kW，勵磁電流為17～29 A。因為牽引變流器的功率等級較高，長期運行在高負荷高溫的惡劣環境中，所以啟動電流不能低于17 A，同時為了防止電機低速小電流工況誤報缺相故障，根據工程經驗設置缺相電流為25 A。電機缺相時，會出現三相不平衡的狀態，根據國家標準定義三相不平衡度的標準是≥10%，由三相不平衡度的公式，即三相不平衡度=(三相電流平均值-任一相電流)×100%/三相電流平均值，選擇電機缺相時，任兩相電流絕對值大于55 A。故電機缺相故障檢測邏輯：若TCU檢測到方向手柄處于非零位且車速v小于0.1 km/h，任意兩相電流絕對值大于55 A，其余一相電流絕對值小于25 A，持續1 s，報電機缺相故障。故障后，逆變器封鎖脈沖，檢測流程圖如圖4所示。

圖4 EMU電機缺相故障檢測流程圖

2.2 基于dSPACE實時仿真系統構成

dSPACE實時系統具有實時性強、可靠性高、擴充性好等優點。目前在汽車、電力傳動行業得到了廣泛應用。本文所采用的系統是基于DS1006處理器板卡系統開發平臺，DS1006處理器板卡具備極強的處理計算能力，適用于有復雜計算需求的HIL測試應用。通過dSPACE的PHS總線，DS1006可與dSPACE的其他I/O板卡連接以擴展系統?；诖刑幚砥鞯陌雽嵨锓抡娌介L一般為50 μs左右，即頻率為20 kHz，接近開關器件脈沖頻率，仿真結果將會出現失真的情況。為了解決這一問題，引入仿真步長能夠達到10 ns級的FPGA并行處理芯片，使得系統更加適合高開關頻率的電力電子電路仿真。

dSPACE軟件環境的功能強大且使用方便，擁有簡便實用的自動代碼生成/下載和試驗/調試的整套工具軟件。dSPACE在MATLAB中集成了代碼生成及下載軟件，完全可以達到與MATLAB無縫銜接，這樣可以使用戶更方便地在MATLAB中直接調用dSPACE的各種庫。同時dSPACE還為用戶提供了軟件組合工具包CDP，主要包括RTI、Controldesk等。這樣在MATLAB/Simulink支持下可以實現從控制系統的分析、設計、建模、離線仿真、設置I/O參數，生成代碼連接編譯及下載到試驗的全過程。

3 半實物仿真驗證

3.1 仿真系統設置

為了驗證本文方案的有效性，基于dSPACE實時系統對CR200J型EMU牽引系統的主電路拓撲進行實時數字模型模擬。采用CR200J型EMU TCU進行程序設計，兩者通過脈沖光纖線、硬線及連接器實現信號交互，構成HIL平臺。平臺結構如圖5所示，TCU采用TMSF28335主處理器。其中，DL850示波器在dSPACE仿真機后端分線端子排上采集信號，中間電壓信號變比為50 mA/4 000 V，逆變器電機電流信號變比為250 mA/1 000 A。

圖5 HIL實時仿真系統結構

采用MATLAB/Simulink軟件搭建復興號動力集中EMU牽引逆變器主電路模型，如圖6所示。主要分為三部分：第一部分是弓網、四象限模型；第二部分是2組逆變器及電機缺相模型；第三部分為處理器接口模型。其中，牽引變流器參數如表1所示。

圖6 牽引主回路模型示意圖

表1 仿真模型參數表

將模型編譯下載到dSPACE仿真機中，在上位機控制軟件中向TCU下發合主斷控制指令，啟動TCU運行，TCU將接觸器指令狀態實時反饋給仿真機，形成閉環系統仿真，在進行仿真時，將第一組逆變器的牽引電機模型設置為電機缺相模型，第二組逆變器的牽引電機則為正常電機模型。

3.2 仿真結果

通過示波器觀測波形，圖7所示為逆變器1啟動運行時的電流波形。從圖7中波形參數得到逆變器1的U相電流幅值為±12.5 A，V相電流和W相電流幅值均大于55 A，通過電機缺相故障診斷邏輯可知，此時逆變器1發生了電機缺相故障。

圖7 牽引逆變器1的電流波形圖

圖8 牽引逆變器1的線電壓及相電流波形圖

圖8所示為逆變器1的啟動運行電流波形和電機線電壓波形，由于線電壓的數值與絕緣柵極型晶體管(IGBT)的開通關斷狀態有關，當線電壓減小到0時，即代表逆變器開始封鎖脈沖，從逆變器1啟動運行到封鎖脈沖，共用時約1.5 s，即電機故障診斷邏輯在0.5 s內檢測到任意兩相電流絕對值大于55 A，另一相電流絕對值小于25 A，并且持續1 s，與電機缺相故障診斷邏輯相符，即判斷為電機缺相故障，為了保證電力機車安全運行，需要封鎖逆變器1的脈沖，停止運行。

圖9 牽引逆變器2電流波形圖

圖9所示為逆變器2的電機電流波形。逆變器1與逆變器1同時啟動，U相電流最大值為215 A，V相電流有效值為270 A。從電流的波形參數可知，逆變器2未發生電機缺相故障。

如圖10所示，由于線電壓的數值與IGBT的開通關斷狀態有關，當線電壓減小到0時，即代表逆變器2開始封鎖脈沖，通過逆變器2運行結果可知，當TCU檢測到逆變器1停機時，在逆變器2啟動后的2 s內，封鎖脈沖，停止運行。

圖10 牽引逆變器2線電壓及相電流波形圖

3.3 仿真結果分析

通過逆變器1仿真結果可知，當電機發生缺相時，發生缺相的一相電流絕對值為0 A。模型輸出的信號經過仿真機后存在微小的零漂誤差，仿真機輸出給調理板卡時，誤差被相應地放大，所以示波器在分線端子排采集到斷相電流為12.5 A，另外兩相電流幅值大小相等，符號相反，與理論分析結果基本一致。

4 結 語

本文設計了一套電力機車牽引控制系統中異步電機一相缺相的半實物仿真系統，該系統能準確描述電機發生缺相故障時的瞬態響應，為缺相故障診斷邏輯優化及算法開發提供了有力的支持，在牽引控制系統研發初期，可以使用該系統進行仿真驗證，從而避免牽引控制產品在地面試驗階段才發現設計上的潛在問題，大大縮短了項目研發周期，提高了牽引控制系統的可靠性。

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《電機與控制應用》編輯部