基于CAN總線的主逆變器試驗臺的設計

劉昌亮，肖正

（1.廣西工業職業技術學院，廣西南寧 530001；2.中南大學信息科學與工程學院，湖南長沙 410075）

基于CAN總線的主逆變器試驗臺的設計

劉昌亮1，肖正2

（1.廣西工業職業技術學院，廣西南寧 530001；2.中南大學信息科學與工程學院，湖南長沙 410075）

針對目前對HXD3、HXD3C、HXD1B、HXD1C型電力機車變流器故障診斷需求以及它們之間的性能差異，提出使用CAN總線將各功能模塊連接起來，并通過分析處理軟件對測試數據進行分析、處理，并對存在故障的變流器進行故障診斷。利用CAN總線易于擴展、結構簡單的特點，改變了以前診斷系統功能單一、不易擴展等缺點，便于系統的升級和節約重復設計的成本。

CAN總線；變流器；故障診斷；性能測試

0 引言

目前，國內外很多機構都開展了對機車的主逆變器診斷系統的研究，但大都是針對某一種特定型號的逆變器來設計，不便于系統的后期升級和擴展。本試驗臺正是為了解決此問題而設計，主要采用模塊化設計思想，以故障診斷主機為核心，可編程序控制器控制完成對系統自身接觸器、繼電器的邏輯控制和自檢；變流器控制模塊模擬機車微機控制系統控制被試變流器動作；信號采集系統采集被試變流器的實驗數據；專用測試儀器則對被試變流器的諧波、相位角以及光纖通道的狀態進行測試[1-2]。所有智能設備通過CAN總線將實驗數據聯接到計算機的串口總線，從而進入計算機中進行數據處理和儲存。

1 系統結構設計

1.1 系統結構原理圖

該系統的主體實驗結構如圖1所示，各模塊裝在做好的控制柜中，通過CAN總線進行連接，其中專用測試主要包括：IGBT模塊測試、變流器各主要電阻和電容器件數值測試、速度傳感器信號通道測試、中間電壓檢測單元測試。同樣通過CAN總線將各功能模塊與故障診斷主機相連接[3-5]。

1.2 接口規范

該測試臺設計符合鐵道部關于和諧型機車管理信息系統自動化設備接口規范。采用CAN總線的自動化設備或流水生產線設上位管理機，配置以太網卡和現場總線卡、設備控制器等，通過工業通信方式實現數據采集控制，將設備信息、操作信息、檢修檢測試驗數據、狀態信息等進行整合，與信息系統交換數據。采用串行接口的自動化設備，使接口計算機與信息系統交換[3，6]。

圖1 系統結構原理圖

2 試驗臺的主要功能模塊

該試驗臺主要的測試功能有變流器保護功能測試、變流器動作邏輯測試、變流器輸入和輸出通道測試、絕緣電阻測試、通信信號通道測試、IGBT模塊檢測、變流器各主要電阻和電容器件數值測試、速度傳感器信號通道測試。各功能均采用模塊化設計，通過CAN總線與上位主機進行連接。由于各模塊的功能不同，基本設計思想相似，因此選擇變流器保護功能測試、變流器動作邏輯測試來做詳細說明。

2.1 變流器保護功能測試

在機車主變流器內，設立多種保護功能，以保護牽引變流器和整車安全運行。系統在提供主變流器正常工作的條件下，通過各種模擬量、數字量模擬車載設備，供給牽引變流器和輔助變流器信號對被試變流器的各種保護進行測試。其測試原理如圖2所示[7-8]。

2.1.1 過流和過載保護

（1）在每一組牽引變流器的輸入回路中，設有輸入電流互感器ACCT，用于控制和監視變流器的輸入電流，防止輸入端過載或短路。在試驗系統中通過模擬該電流反饋信號，計算機監測保護發生時四象限整流器和逆變器的門極是否被封鎖，輸入回路中的工作接觸器是否斷開，同時牽引變流器是否向微機控制系統發出跳主斷的信號。

圖2 變流器保護功能測試原理圖

（2）在每一組牽引變流的輸出回路中，設有輸出電流互感器CTU、CTW，對牽引電機過載及牽引電機三相不平衡起控制和監視保護作用。在試驗系統中通過模擬該電流反饋信號，計算機監測保護發生時四象限脈沖整流器和逆變器的門極是否被封鎖，輸入回路中的工作接觸器是否斷開，同時牽引變流器是否向微機控制系統發出跳主斷的信號。

2.1.2 接地保護

對于HXD3，牽引變流器的接地保護系統由跨接在中間回路的兩個串聯電容和一個接地信號傳感器組成。當主牽引回路正常時，由于只有一點接地，接地保護電路中流過的電流為零，接地信號檢測傳感器無信號輸出。本系統模擬接地信號傳感器輸出，給出故障條件。

對于HXD1，接地故障檢測由分壓器、擬位勢絕緣的差動放大器和一個比較電路組成。固定放電電阻器按102kΩ∶34kΩ的比例劃分成兩部分。電阻器的中心抽頭接地，一個濾波電容器并聯在阻值低的電阻器上。監控該電容器的電壓，當發生接地故障時，被測電壓發生變化，由此，相關聯的牽引控制單元TCU就能識別接地故障。本系統通過DA輸出，模擬被檢測電容器電壓傳感器輸出，給出故障條件。

在試驗系統中通過模擬該故障反饋信號且持續時間超過1ms時，計算機監測保護發生時四象限脈沖整流器和逆變器的門極是否被封鎖，輸入回路中的工作接觸器是否斷開，若故障持續時間達到150ms時，計算機監測牽引變流器是否向微機控制系統發出主斷的信號。

2.1.3 瞬時過電壓保護

當機車出現空轉、滑行或者受電弓離線造成的網壓中斷等情況時，牽引變流器上可能出現瞬時過電壓。為了防止這種過電壓對變流器造成損壞，在中間直流回路設有瞬時過電壓限制電路，由IGBT和限制電阻組成。當中間直流回路達到3200V且持續時間達40μs時，瞬時過電壓保護回路動作，該IGBT將導通，直流回路能量經限流電阻放電和釋放，消除過電壓。

在試驗系統中通過模擬該故障反饋信號且持續時間超過40μs時，計算機監測保護發生時IGBT觸發信號是否發出。

2.1.4 器件保護

（1）四象限整流器器件的短路保護通過對門放大器的監測，當出現門電壓不一致時，說明四象限整流器器件短路，四象限整流器和逆變器的門極均被封鎖，輸入回路中的工作接觸器斷開，同時微機控制系統發出跳主斷的信號。

在試驗系統中通過模擬該反饋信號，計算機監測保護發生時四象限脈沖整流器和逆變器的門極是否被封鎖，輸入回路中的工作接觸器是否斷開，同時牽引變流器是否向微機控制系統發出跳主斷的信號。

（2）通過對門放大器的監測，當出現門電壓不一致時，說明逆變器器件短路，四象限整流器和逆變器的門極均被封鎖，輸入回路中的工作接觸器斷開，同時微機控制系統發出跳主斷的信號。

在試驗系統中通過模擬該反饋信號，計算機監測保護發生時四象限脈沖整流器和逆變器的門極是否被封鎖，輸入回路中的工作接觸器是否斷開，同時牽引變流器是否向微機控制系統發出跳主斷的信號。

試驗的過程中都是通過模擬變流器的動作來診斷各種保護是否做好，有問題的就通過數據采集卡和CAN總線系統將數據傳入試驗臺中央處理器來處理。

2.2 變流器動作邏輯測試

變流器控制著主變壓器和牽引電動機之間、主變壓器和輔助機組之間的能量傳輸，其邏輯動作的安全可靠直接關系到整列車輛的安全運行。因此，通過模擬車輛控制信號及各種機車反饋模擬量、數字量信號測試牽引變流器和輔助變流器的各種動作邏輯，是檢修、測試的重要測試項目，其測試原理如圖3所示。例如在HXD3型電力機車中，主變流器允許投入前必須具備牽引風機風速繼電器的回饋信號和主變壓器油流繼電器的信號[5，7]。

3 系統軟件設計

本系統軟件采用數據采集的主流軟件LabVIEW 2010編寫，同時調用acess數據庫來存儲采集的數據，以便于今后查閱。主體設計思想與系統硬件的設計一致，采用模塊化的設計思想。

其主要的設計流程如圖4所示。

圖3 變流器動作邏輯測試原理圖

圖4 系統主程序流程圖

其余的各功能模塊，獨自編寫成子模塊，采用子程序調用方式，完成相應的功能檢測，將檢測到的數據傳回到主程序中。主程序對采集回來的數據量進行判斷、處理，同時給出相應的處理意見[6，8]。

4 現場實驗結果

在對HXD3型電力機車的主變流器進行了變流器保護功能測試、變流器動作邏輯測試、變流器輸入和輸出通道測試、絕緣電阻測試、通信信號通道測試、IGBT模塊檢測、變流器各主要電阻和電容器件數值測試、速度傳感器信號通道測試。

將經過測試的主變流器裝車運行，得到的結果安全可靠。對在運行中出現故障的變流器進行測試，經測試檢修后，裝車運行情況良好。

試驗結果表明，該實驗臺對HXD3、HXD3C、HXD1B、HXD1C型電力機車變流器診斷全面，安全可靠，達到了對主變流器的診斷目的[4，7-8]。

5 結束語

該試驗臺目前已有3套在兩地的機車檢修基地中投入運行，運行情況良好。由于使用了CAN總線，系統易于擴充，隨著今后的診斷技術要求越來越高，需要添加新的模塊時，直接將新的節點掛在上面，同時在上位機軟件中添加該模塊的處理功能即可，體現了該實驗臺的改進和系統升級的靈活。

[1]嚴云升．微機在國產電力機車上的應用[J]．機車電傳動，1998（5）：31-33.

[2]嚴云升．TM1型機車的微機控制系統[J]．機車電傳動，1997（3）：1-4.

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[4]常振臣，牛得田，王立德．列車通信網絡研究現狀及展望[J]．電力機車與城軌車輛，2005（5）：5-7.

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[7]吳明強，史慧，朱曉華，等.故障診斷專家系統研究現狀與展望[J].計算機測量與控制，2005，13（12）：1301-1304.

[8]唐建湘，蔣新華，陳特放.電力機車狀態監測與故障診斷系統研究[J].中南大學學報：自然科學版，2003，34（2）: 199-202.

Design of main inverter test bed based on CAN bus

LIU Chang-liang1，XIAO Zheng2
（1.Guangxi Vocational&Technical Institute of Industry，Nanning 530001，China；
2.Information Science and Engineering College，Central South University，Changsha 410075，China）

Main inverter test bed is mainly used to test the comprehensive performance of the converters of HXD3，HXD3C，HXD1B，HXD1C electric locomotives，and test the performance of the converter CI/TCU control unit.This paper proposed to connect each function module with CAN bus and to analyze and process test data，orderly to diagnose the faults of converters through the analysis and processing software.The CAN bus is easy to expand and its structure is simple，which overcomes the shortcomings of the previous diagnosis system including single function，difficult to expand.The new system is easy to update and save the design cost.

CAN bus；converter；fault diagnosis；performance test

TM464；TP336；TP277；U292.9

A

1674-5124（2013）03-0062-03

2012-09-03；

：2012-11-17

國家自然科學基金項目（60774045）

劉昌亮（1980-），男，廣西武宣縣人，講師，碩士，主要從事自動化技術的研究。