牽引變流器模塊溫度實時監控的實現

摘要：針對高速動車組牽引變流器整流和逆變模塊溫度異常故障，目前通過故障發生時觸發固態繼電器動作進而封鎖牽引。本文采用一種多層分布式控制策略的模塊溫度實時監控方法。通過ATmega128單片機I/O口從DIF板卡上DNS8口接入溫度傳感器，與DIF板卡形成分布式控制。實現封鎖牽引、真空斷路器動作、上報故障信息、溫度采集、溫度顯示及記錄，超溫時報警。該系統兼容了溫度異常時封鎖牽引邏輯，可進行模塊溫度高故障的鎖定及實時監控。

關鍵詞：牽引變流器;整流和逆變模塊;多層分布式控制;溫度傳感器;預警;封鎖牽引

中圖分類號：U266

一、課題背景

前期，針對高速動車組在夏季高溫天氣條件下運行時，在高速運行時因牽引變流器內部整流、逆變模塊單元均維持在較大功率工作載荷，各變流器模塊均產生大量熱量。模塊產生的熱量需及時散出，以防止模塊燒損。而各模塊均安裝在變流器箱體局部密閉空間內，由于牽引變流器自身散熱單元翅片、冷卻器翅片、軸流風機和風機濾網等散熱效率的限制，以及變流器模塊自身故障，會導致牽引變流器整流、逆變模塊溫度異常升高。同時，牽引變流器長時間滿功率運行時，安裝在局部密閉箱體中的變流器整流、逆變模塊會因散熱不良而燒損，嚴重影響模塊工作壽命，故障報出量急劇升高。對于載客運行時存在極大的安全隱患[1]。

因牽引變流器整機采用主輔一體模塊化設計方式，整機工作時，目前采用的主流散熱方式是，通過安裝在箱體上的抽氣式軸流風機從外部大氣中抽入溫度較低的純凈空氣進行強制式風冷散熱。這種散熱方式的劣勢：一是散熱效果受外部空氣溫度變化影響較大，在夏季35℃以上高溫天氣，抽入的空氣溫度甚至高于模塊表面溫度，無法達到快速冷卻散熱的效果。二是風冷方式從外部抽入新鮮空氣時，空氣中含有的雜質如柳絮、沙塵等極容易堵塞風機濾網及風道，導致抽入空氣氣流不暢，易形成局部空間內溫度積聚，熱量無法及時散出。

二、牽引變流器工作性能參數

CRH2A型高速動車組的牽引變流器采用主輔一體模塊化設計，各模塊緊密內置在密閉箱體中。箱體采用輕便型鋁合金框架，整體用四角吊耳懸掛于車體底部橫梁。采用軸流風機進行強制風冷式散熱，散熱效率受空氣氣流流速和空氣溫度的影響較大。變流器內部箱體主要由牽引控制裝置（DCU），U相、V相脈沖整流器功率模塊，U相、V相、W相逆變器功率模塊，接地電流檢測單元（GCT），真空交流接觸器，中間直流電路，三相電平逆變器及冷卻風機等模塊化單元組成[2-4]。每節車廂設置一臺牽引變流器，每臺牽引變流器驅動四臺并聯電機動作，其主要組成部件的工作參數如下表1所示。

牽引變流器DCU通過溫度信息處理模塊DIF板卡上的DNS8插口采集整流、逆變模塊上的溫度傳感器信息。通過對各路傳感器信息取“與”“或”邏輯運算，當采集到某一路傳感器溫度異常信息后，觸發固態溫度檢測繼電器CTH動作。通過CTH的輔助觸點斷開主真空斷路器單元，進而通過DCU封鎖列車牽引，變流器停止工作。后續隔離該牽引變流器維持運行，直至模塊表面溫度恢復正常后封鎖解除，變流器工作正常。

該溫度信息處理模塊的缺點：各模塊上的溫度傳感器信號在進入溫度信息處理模塊DIF板卡前，在板卡上的DNS8插口處已匯接為一路信號，導致DIF板卡無法辨識信號來源。當其中一路溫度信號異常時，均籠統的判斷為模塊溫度異常故障進行上報。因此，上報給DCU機箱的故障信息只記錄模塊溫度高故障，未區分具體模塊位置，導致故障點無法精確鎖定。后續進行故障處理及日常運用維護時，還需要加裝其余檢測設備才有可能鎖定故障，不便于后續故障判斷及處置。

三、改進的方案及實施策略

針對既有動車組的運行工況及變流器的特殊工作性能，為提高動車組在線運行時各變流器模塊的安全監控性能，為后續故障檢測及維護提供數據支撐，評估變流器模塊的工作可靠性及使用壽命。設計一種分層分布式變流器溫度智能測控以及報警系統，實現對模塊溫度實時在線監控、采集及顯示，當超過預設閾值時報警。

采用一種與既有動車組牽引變流器溫度檢測模塊DIF板卡成分層分布式控制策略的模塊溫度實時監控方法，實現對各模塊溫度實時監控、顯示、超溫預警、上報故障信息及封鎖牽引等功能。系統由三層子系統組成：下位機溫度信息采集層、中間溫度信息處理層和上位機溫度信息顯示層。

下位機層主要由各溫度傳感器及采集接頭組成，溫度傳感器采用了方便接入、測量精度高、經濟成本低的數字溫度傳感器DS18B20，可實現多點同步溫度采集。在傳輸溫度信息時，引入CRC校驗碼，提高采集數據的精度。DS18B20溫度傳感器由三個引腳VDD 、DQ和GND組成，連接時將VDD和GND連接至板卡+5V和GND，DQ引腳連接至任一個數字I/O引腳。其通過1-Wire數據傳輸總線進行信息交換，可測量-55℃至+125℃范圍溫度，測量溫度范圍滿足本系統溫度檢測要求[5-7]。傳感器的線路接頭共擴展為6路，分別采集U相、V相脈沖整流器功率模塊，U相、V相、W相逆變器功率模塊，DCU裝置以及接地電流檢測單元（GCT）表面溫度信息。采集后通過DNS8插口引出的接頭上傳給中間溫度信息處理層。其功能框圖如下圖1所示。

中間層采用分布式控制策略，不改變原有DIF板卡溫度采集模式，通過ATmega128單片機自身擴展的8位I/O口從原DNS8插口處接入各模塊上的DS18B20溫度采傳感器，通過識別不同的傳感器地址碼及及溫度數值信息，采集8路傳感器的溫度值。分別用DIF板卡控制固態溫度檢測繼電器CTH動作、封鎖列車牽引及為人機界面上報故障信息;用ATmega128單片機作為中央處理器進行溫度信息采集、實時顯示、RS復位及超溫時報警。ATmega128單片機上配置了12Hz晶體振蕩電路、DC5V低壓直流電源、A/D轉換模塊、RS復位開關按鈕及接地保護裝置，其中央處理模塊結構圖如下圖2所示。電源模塊與DIF板卡共用，通過RS復位初始化檢測狀態，解除列車牽引封鎖，通過A/D轉換模塊對溫度信號進行采集和碼制轉換，將溫度數據轉換成實時顯示的數字信號。ATmega128單片機配合由DIF板采集到的信息，進行模塊超溫故障的精確判斷及溫度的實時在線監控，兩路控制主輔一體，互為補充，以提高其故障檢測的冗余能力。

單片機中央處理模塊溫度報警邏輯設置如下：

1.設置溫度閾值（-10℃至70℃），溫度在該閾值內變化為正常溫度，超出該范圍則報警;

2.計算溫度斜率曲線，溫度變化率Q

"Q=C/T≤15℃/s"

（"T" 按照30s平滑計算）范圍內時，認為是正常溫度變化曲線，當超出該變化范圍則報警。

?T≥（T_1-T_2）/30

3.邏輯運算中的計數器記錄溫度超過閾值時間"T" ，當"T≥10s" 時，進行超溫報警。

對以上三個邏輯量取“或”值，當任意一條件滿足時，控制輸出高電平，蜂鳴器鳴響。進行RS按鍵復位后，重新輸出低電平。

上位機層配置LCD12864 液晶顯示模塊及蜂鳴器。液晶顯示模塊采用循環顯示數據的方式，實時顯示溫度、位置及記錄時間，溫度異常時LCD屏鎖定模塊所表示的溫度數據并高亮顯示。當超溫時蜂鳴器鳴響，進行超溫報警。蜂鳴器鳴響后，操作RS復位按鈕或重新上電可以進行復位，溫度數據進行實時保存。該分層分布式控制策略實現流程圖如下圖3所示[8-9]。

四、現車跟蹤驗證及實驗數據分析

實施該溫度實時監控方案，動車組上線運營時進行在線監控，后續通過對歷史溫度數據的分析，通過軟降篩選，擬合出具有一定特征的曲線，以測試該方案的有效性。

挑選夏季高溫天氣時段，統計2020年6月19日至2020年9月2日近三個月的模塊溫度記錄數據如表2所示。去除模塊供斷電及異常顯示信息，對各個模塊溫升變化曲線分析可知，其滿負荷運行時整流器功率模塊最高溫度為53℃、逆變器功率模塊最高溫度為52℃、牽引控制裝置（DCU）最高溫度為31℃、接地電流檢測單元（GCT）最高溫度為51℃。各模塊溫度變化均可實時顯示，未發生溫度監測失效及其他次生故障。實驗測試表明：該監控方案能夠實現對溫度的實時在線監控，該分層分布式控制系統結構簡易、抗干擾能力強、可兼容性高，可方便可靠的適用于動車組現有溫度檢測系統，起到冗余監測的作用。

五、總結

該方案可以極大提高模塊安全隱患故障的排查能力，及時鎖定異常模塊，縮短故障診斷及維護作業時間。不變更原有溫度信號采集裝置，選用了與既有設備相同的接口擴展方式，實現與既有設備兼容，分路采集溫度信號;采用與牽引變流器機箱內部環境相匹配的一體化設計，系統采用DC5V低壓直流電源，與DIF板卡共地，無需額外配置電源模塊;該系統可升級為一種檢測工裝裝置，采用印刷電路板結構進行封裝，工裝外殼采用絕緣材料，外表面預留測試孔及擴展孔插針，具有焊接牢靠、方便攜帶、易于測量、內阻小不影響溫度值換算等優點;通過對采集板卡溫度采集范圍的設置，可監控-10℃至70℃范圍內的溫度變化，檢測范圍大、精度高;解決了DCU裝置無法精確記錄各個模塊溫度高故障信息的缺陷，可通過分析故障數據鎖定至某一模塊，極大的方便了檢修維護作業，提高了模塊溫度異常時故障處置效率。

基金項目：2019年省級大學生創新創業訓練計劃項目（項目編號：2019-355）。 作者簡介： 郭志龍 （1989.07—），男，甘肅天水人，碩士研究生，工程師。研究方向：多智能體協作控制、設備故障檢測與診斷。

六、參考文獻

[1]基于CH376的高鐵電纜溫度檢測系統設計.Journal of Southwest China Normal University（Natural Science Edition）.2017年06期ISSN：1000-5471.中文核心期刊.

[2]CRH2型動車組牽引變流器裝置的設計與應用[D]. 潘慶建.上海交通大學.2018.

[3]復興號動車組牽引系統參數分析[J].羅昭強，尚大為，韓東寧.大連交通大學學報.2019（02）.

[4]Magnetic equivalentcircuit modeling of induction motors.Sudhoff S D，Kuhn BT，Corzine k A，et al.IEEE Trans on Energy Conversion.2007.

[5]基于DS18B20的智能溫度控制系統[J].孟蕭振，寧秋月，姜寧，裴若男，謝印慶.電子世界.2021（03）.

[6]基于DS18B20的節能型可遙控智能溫控系統[J].張釗源，李文永.電子世界.2019（07）.

[7]高速動車組軸溫傳感器可靠性研究綜述鄧艷俊，王明軒，陳春俊，楊崗，周林春，2020，（20）.

[8]高速動車組軸溫傳感器可靠性研究綜述[J].鄧艷俊，王明軒，陳春俊，楊崗，周林春.電子世界.2020（20）.

[9]鐵路車輛軸溫自動跟蹤技術及系統運用[J].李晉武.黑龍江科技信息.2016（18）.

基金項目：2019年省級大學生創新創業訓練計劃項目（項目編號：2019-355）。

作者簡介： 郭志龍 （1989.07—），男，甘肅天水人，碩士研究生，工程師。研究方向：多智能體協作控制、設備故障檢測與診斷。