基于半實物仿真技術的動車變流器傳感器故障研究與分析

連 蓉，沈 晟，賀 莉

（中國中車永濟電機有限公司，陜西 西安 710018）

引言

變流器是動車重要的執行部件，其安全性、穩定性直接影響著動車的正常運行[1]。變流器故障類型繁多，傳感器故障是其中的一種，研究傳感器故障對變流器所造成的影響對保障整個列車的安全有效運行具有重要的現實意義[2]。半實物仿真技術是一種新興的測試驗證技術，它通過數字建模的方式模擬變流器關鍵器件的電氣特性，外接真實實車控制單元，能更準確、方便地研究牽引控制系統在各種特殊工況、故障工況下的電氣特性及其對列車運行的影響[3]，完善變流器及其控制單元的設計質量，降低故障率，提高動車變流器的可靠性。

本文以CRH5型動車直流母線電壓傳感器故障為例，依CRH5型動車主回路拓撲搭建系統模型，外接實物為CRH5型動車實車運行TCU，闡述變流器系統模型架構及母線電壓傳感器故障工況的半實物仿真模擬的過程、原理，并得出分析結論。

1 半實物仿真模型的建立

半實物仿真模型包括網側模型、主回路模型、電機模型組成。網側模型用于實時模擬25 kV網壓、網壓波動、網壓突變等功能，可配置網壓頻率、額定網壓電壓等參數；主回路模型由牽引變壓器模型、整流模型、中間直流環節和逆變模型，分別模擬對應器件的電氣特性。

直流母線電壓傳感器故障工況是在系統模型的基礎上，對變流器模型進行改造與重新配置。變流器模型由IGBT半橋橋臂形式電路組合搭建而成，其通過IO接受TCU驅動信號控制并反饋故障信號，可以定性仿真出IGBT開通／關斷過程中電壓／電流的瞬態變化過程，二極管拖尾效應，并可以通過軟故障注入的方式模擬過壓、過流、IGBT二極管短路或短路工況[4]。

CRH5型動車變流器有兩個直流母線電壓傳感器，分別將數據傳輸給TCU整流采集板卡、逆變采集板卡。傳感器故障工況分為整流側傳感器故障和逆變側傳感器故障，因此，需要將原整流器模型的輸出電壓Uout配置到兩個不同的模擬量輸出端口，且在輸出前分別加入Gain增益模塊，用于設置母線電壓傳感器輸出變比。修改后的整流器模型見圖1所示。通過修改變比，可分別模擬出整流側母線電壓傳感器故障工況和逆變側母線電壓傳感器故障工況。

圖1 修改后的整流器模型

2 運行原理

半實物仿真模型是利用simulink集成工具箱中Xilinx系統FPGA開發工具System Generator模塊而開發，這種開發方式避免了復雜的源代碼，縮短開發周期。同時，公式化的建模方式能更準確地反映實際工況，且可考慮到很多細節因素。

基于System Generator工具包搭建系統模型，編譯生成HDL代碼，下載到FPGA板卡，硬件仿真平臺為TCU的物理輸入輸出量轉換成仿真模型可處理的數字信號提供環境。具體運行原理圖如圖2所示。

圖2 電壓傳感器故障工況半實物仿真運行原理

3 試驗過程及結果

在半實物仿真試驗過程中模擬直流母線電壓傳感器故障工況，其中包括整流側直流母線電壓傳感器故障和逆變側直流母線電壓傳感器故障兩種情況，且故障工況為瞬間降到原母線電壓的1/3。過程狀態為：初始狀態，系統處于正常運行；中間過程，直流母線電壓傳感器瞬時失效故障；最終狀態，直流母線電壓傳感器恢復正常。

圖3、圖4分別為整流側直流母線電壓傳感器故障工況波形，逆變側直流母線電壓傳感器故障工況波形，第一通道為整流側直流母線電壓，第二通道為四象限A輸入電壓，第三通道為四象限A輸入電流，第四通道為逆變側直流母線電壓，第五通道為逆變1輸出電壓，第六通道為逆變1輸出電流，第七通道為逆變2輸出電壓，第八通道為逆變2輸出電流。

故障工況為母線電壓在白框區域的某一時刻瞬間從3 200 V降為300 V，經過2 s后又重新恢復，測得關鍵變量的波形數據。

4 結論

通過對圖3、圖4的波形進行FFT諧波分析，對比故障點前一時刻、故障時刻以及故障后一時刻的關鍵變量有效值與諧波含量，得出以下結論。

1）整流側傳感器故障工況下，整流側直流電壓瞬時值為240 V，逆變側直流電壓瞬時值4 080 V，四象限輸入電壓瞬時值3 960 V，逆變輸出電壓瞬時值為-3 973 A，逆變輸出電流瞬時值為-36.7 A；

圖3 整流側直流母線電壓傳感器故障工況

圖4 逆變側直流母線電壓傳感器故障工況

2）逆變側傳感器故障工況下，整流側直流電壓瞬時值為3 520 V，逆變側整流側直流電壓瞬時值為186.7 V，四象限輸入電壓瞬時值為-3 386 V，四象限輸入電流瞬時值為-66.7 A，逆變輸出電壓瞬時值3 360 V，逆變輸出電流瞬時值為-40 A。

CRH5型動車母線電壓傳感器故障會造成直流母線電壓的過壓、欠壓問題，為進一步分析變流器故障提供了理論依據。