動車組牽引傳動系統故障導向安全技術仿真研究

■ 趙紅衛 謝冰若 夏菲 鄭雪洋 高楓

動車組牽引傳動系統故障導向安全技術仿真研究

■ 趙紅衛 謝冰若 夏菲 鄭雪洋 高楓

為深入研究動車組牽引傳動系統故障導向安全技術，搭建了基于RT-LAB的動車組牽引傳動系統HIL仿真平臺，該平臺將牽引系統和列車網絡系統集成于一體，且同時考慮牽引系統被控對象的正常建模和各種故障建模，采用該平臺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；故障導向安全；RT-LAB；HIL

0 引言

為確保動車組運行安全，牽引傳動系統需采用合理的故障導向安全技術。在973項目“交通系統安全技術基礎”的支持下，對高速列車牽引傳動系統故障導向安全技術開展專項研究，搭建了基于RT-LAB的動車組牽引傳動系統硬件在回路（Hardware in Loop，HIL）仿真平臺，利用該平臺對動車組原型車牽引系統進行正常工況的靜、動態性能仿真，進行各種故障工況下故障導向安全測試并進行總結。

HIL仿真技術是一種半實物仿真技術[1]，即采用真實的牽引控制單元（Traction Control Unit，TCU），但被控對象采用dSPACE、RT-LAB等實時仿真系統替代。文獻[2]采用dSPACE實時仿真機建立逆變器和異步電機模型，并進行仿真研究；文獻[3]建立機車牽引系統被控對象Matlab/Simulink實時仿真模型；文獻[4]—文獻[5]基于dSPACE仿真機建立動車組牽引傳動系統實時仿真模型，并進行仿真研究。

就動車組而言，不僅TCU，列車網絡的中央控制單元（Central Control Unit，CCU）也參與牽引傳動系統的控制管理，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，監測牽引電機及齒輪箱溫度，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和逆變器以驅動牽引電機，實現防滑/防空轉功能，還管理牽引變流器內部各種開關。現有動車組牽引傳動HIL仿真系統多針對TCU建立，并沒有考慮同樣參與牽引傳動系統控制管理的CCU，因此不完整。另一方面，現有牽引傳動系統被控對象建模大都考慮正常模型，未考慮故障建模，無法進行各種故障工況仿真和故障導向安全測試。

針對上述問題，基于RT-LAB實時仿真機，建立將TCU/CCU集成在一起的某型動車組牽引傳動系統HIL仿真平臺。在牽引系統被控對象建模時不僅考慮正常模型，還考慮各種典型故障，正常模型和故障模型均通過狀態方程形式實現，兩者可自由切換。

1 動車組牽引傳動系統概述

如圖1所示，8輛編組某型動車組牽引系統含有2個牽引單元：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：2、4車為拖車，1、3車為動車；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1個牽引變流器，由2個并聯四象限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BT—RBT）、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（見圖2）。

2 動車組牽引傳動系統HIL仿真平臺結構

圖3所示為8輛編組動車組牽引傳動系統HIL仿真平臺結構，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2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2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。

仿真平臺中的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。

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，通過串口通信實現。另一方面，可在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，監控被控對象電壓、電流的實時狀態。動車組牽引傳動系統HIL仿真平臺見圖4。

3 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。

3.1 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（等效電路見圖5）。

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

圖3 動車組牽引傳動系統HIL仿真平臺結構

圖5 中，u1、i1為變壓器一次側電壓電流；u21、u22、i21和i22為2個二次側繞組電壓電流，則牽引變壓器模型為：

式中：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k會發生變化（短路阻抗也會發生變化）。

3.2 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見圖6，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。

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6中的等效串聯電阻R如下：

式中：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2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（見表1）。

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不全為0，則SM、SN的取值見表2。

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：

圖5 牽引變壓器等效電路

圖6 四象限整流器主電路

表1 不控整流狀態下四象限整流器開關函數

式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的取值見表3，SN不變（如表2所示）。

在脈沖驅動模式下，如果2個開關管出現開路故障，以T1、T4管為例，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（見表4）。

3.3 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RST）和制動斬波管BT支路（制動電阻RBT）（見圖7）。

根據圖7得到中間直流回路的數學模型如下：

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

在二次濾波電感開路故障情況下，模型變為：

表2 四象限整流器正常工作時的開關函數

表3 T1開路時的開關函數SM

表4 T1、T4開路時的開關函數

3.4 逆變器建模

三相兩電平逆變器主電路見圖8，N為三相對稱負載中點。

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）：

建立逆變器模型：

式中：開關函數SA、SB和SC可根據開關管T1'、T2'、T3'、T4'、T5'、T6'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（見表5）。在Q1=Q4=1、Q3=Q6=1或Q5=Q2=1情況下，表明逆變器出現橋臂短路情況，此時模型會報警。

圖7 中間直流回路電路結構

圖8 三相兩電平逆變器主電路

如果某一個開關管出現開路故障，僅以T3'出現開路故障為例，此時二極管D3'仍正常工作。當電流iB>0時，電流只能流經D6'，下橋臂導通，開關函數SB=0，這種情況下，開關函數SB的取值見表6，SA、SC不變（如表5所示）。

3.5 牽引電機建模

不考慮磁路飽和、鐵芯損耗和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α、β坐標系的數學模型為[6]：

式中：usα、usβ為定子電壓α、β軸分量；isα、isβ為定子電流α、β軸分量；ψsα、ψsβ為定子磁鏈α、β軸分量；np為極對數；J為轉動慣量；TL為負載轉矩；ωr為電機電角速度；Ls、Rs、Lr和Rr分別為定子自感、定子電阻、轉子自感和轉子電阻；Lm為定轉子間互感；Tr=Lr/Rr；σ=1

表5 逆變器開關函數

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：

3.6 其他故障建模

除上述討論的被控對象故障建模外，還總結出其他故障建模：

（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）2個四象限整流器電流不均衡；

（6）電流互感器偏置過高；

（7）逆變器三相電流不平衡。

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

表6 T3'開路時的開關函數SB

4 牽引系統故障模擬軟件

使用RT-LAB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（主界面見圖9）。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（見圖10）；系統級故障模擬界面見圖11，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七大類。

5 正常工況試驗

5.1 牽引變流器啟動過程

牽引變流器啟動過程見圖12（圖（a）和（b）中，藍色代表電壓，紅色代表電流），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，TCU會進行制動斬波支路測試，即給制動斬波開關管BT發出2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，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。

5.2 牽引變流器全速域牽引過程

圖9 牽引系統故障模擬軟件主界面

圖10 邏輯器件故障模擬區

圖11 系統故障模擬區

圖12 牽引變流器啟動過程

牽引手柄滿級位，列車全速域牽引過程見圖13（圖（a）、（b）和（e）中，藍色代表電壓，紅色代表電流），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（數值為負與參考方向選取有關）。隨著列車速度的提高，直流母線電壓波動增大。在列車速度約為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。

6 故障工況試驗

6.1 制動斬波支路測試失敗

在對直流母線進行預充電過程中，TCU會通過導通制動斬波管BT來測試制動斬波支路是否可以正常工作。即給制動斬波管BT發出2個3 ms驅動脈沖（間隔3 ms），TCU應檢測到直流側電壓下降。如果直流母線電壓未出現下降，則判定制動斬波支路存在故障。此時，TCU會斷開主斷，封鎖4QR1、4QR2和逆變器，同時導通短路晶閘管KT將中間直流電壓釋放。

圖14給出了相關波形（圖（a）和（b）中，藍色代表電壓，紅色代表電流）。開始時系統正常運行，通過4QR1進行預充電（見圖14（a）、（b）和（c））；在329．1 s，TCU發出BT驅動脈沖進行制動斬波支路測試（見圖14（e）），但此時中間直流側電壓并無下降（見圖14（d）），TCU判斷制動斬波支路測試失敗，斷開主斷（見圖14（a）和（c）），隨后導通KT（見圖14（f））泄放直流母線電壓（見圖14（d））。

6.2 逆變器三相電流之和不為0

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15給出了相關波形（圖（a）和（b）中，藍色代表電壓，紅色代表電流）。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（見圖15（d）），TCU立刻封鎖逆變器（見圖15（d）、（e）），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（見圖15（c））。TCU封鎖逆變器后，在274．149 s封鎖4QR1和4QR2（見圖15（a）、（b））。

7 牽引傳動系統故障導向安全技術總結

當牽引設備不正常時，牽引傳動系統能夠迅速保護、自動或提示司機手動隔離故障設備并導向安全，故障影響不應擴大化。牽引系統應根據故障部件選擇恰當的保護方式，包括降弓、跳主斷、降功率、封鎖四象限整流器/逆變器等。

圖13 牽引變流器全速域牽引過程

圖14 制動斬波支路測試失敗相關波形

圖15 逆變器三相電流和不為0測試波形

CCU/TCU主要針對牽引傳動系統牽引變壓器、牽引控制器、牽引變流器和牽引電機進行故障診斷與保護。如IGBT達到過電流限值，會關閉部分開關管甚至分主斷，切除牽引變流器；牽引變流器內部風扇故障，冷卻水泵故障，冷卻水溫過低、過高，冷卻液壓力超過最大限值或低于最小限值時，都會導致牽引封鎖；牽引變流器內部溫度達到過熱限值時，或限制功率輸出或導致牽引封鎖；牽引變流器接地電壓超出允許范圍時，封鎖牽引。常用故障保護策略見表7。

8 結束語

介紹某型動車組牽引傳動系統結構，詳細討論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，在此基礎上建立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，不僅可用于正常工況下牽引系統靜、動態性能仿真，還可以再現高速動車組現場故障，是研究和攻克高速列車系統保護和故障診斷技術的重要手段和方法，在京津、武廣、京滬、滬杭線動車組運營故障分析及解除中發揮了重要作用。目前，還利用該平臺完成自主化CCU/TCU的開發和測試。

表7 牽引傳動系統故障保護策略分類

[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實時仿真[J]．中國鐵道科學，2008，29(4)：96-102．

[4] 馬志文，李偉，崔恒斌，等．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．

趙紅衛：中國鐵道科學研究院機車車輛研究所/北京縱橫機電技術開發公司，研究員，北京，100081/ 100094

謝冰若：中國鐵道科學研究院機車車輛研究所/北京縱橫機電技術開發公司，助理研究員，北京，100081/ 100094

夏 菲：中國鐵道科學研究院機車車輛研究所/北京縱橫機電技術開發公司，助理研究員，北京，100081/ 100094

鄭雪洋：中國鐵道科學研究院機車車輛研究所/北京縱橫機電技術開發公司，助理研究員，北京，100081/ 100094

高 楓：中國鐵道科學研究院機車車輛研究所/北京縱橫機電技術開發公司，助理研究員，北京，100081/ 100094

責任編輯 高紅義

U266.2

A

1672-061X（2015）02-0031-09

國家重點基礎研究發展計劃項目（2012CB723803）。

所獲獎項：2014年度中國鐵道學會科學技術獎二等獎。