动车组牵引传动系统HIL仿真平台被控对象建模研究*

谢冰若，夏 菲，赵红卫

(中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京100081)

动车组牵引传动系统HIL仿真平台被控对象建模研究*

谢冰若，夏 菲，赵红卫

(中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京100081)

讨论了动车组牵引传动系统HIL仿真平台被控对象正常建模和故障建模，包括牵引变压器、四象限整流器、中间直流回路、逆变器和牵引电机等，故障模型是在正常模型基础上完成的，两者均以状态方程形式实现。

动车组;牵引传动系统;硬件在环路;故障建模

由于动车组牵引传动系统成套设备体积大，电压等级高，在研究牵引控制单元(Traction Control Unit，TCU)时，广泛采用硬件在回路(Hardware in Loop，HIL)仿真技术［1］。这是一种半实物仿真技术，即采用真实的TCU，但被控对象采用dSPACE、RT-LAB等实时仿真系统替代。

文献［2］基于dSPACE实时仿真机，建立了逆变器和异步电机的模型。文献［3］建立了机车牵引传动系统被控对象的 Matlab/Simulink仿真模型。文献［4-5］基于dSPACE仿真机，建立了动车组牵引传动系统的实时仿真模型并进行仿真研究。

以上文献中牵引系统被控对象建模大都考虑正常模型，未考虑故障建模。本文以某型动车组为例，在介绍其牵引系统结构的基础上，详细讨论了牵引系统被控对象的正常建模和故障建模，故障模型是在正常模型基础上完成的，两者均以状态方程形式实现。

1 动车组牵引传动系统介绍

某型动车组牵引系统配置如图1所示。1～4车为一个牵引单元，5～8车为一个牵引单元。以1～4车为例:1，3车为动车，2，4车为拖车。2车装有受电弓、主断路器和牵引变压器，为装有牵引变流器和牵引电机的1、3车提供动力。

单个动车含一个牵引变流器，它由2个并联的四象限PWM整流器(包含预充电支路K1－R1和线路隔离开关K2)，中间直流回路(包括二次谐振支路Lr－Cr－Rr，直流支撑电容Cd，短路晶闸管支路ST－RST和制动斩波支路BTRBT)，1个三相两电平PWM逆变器构成。牵引变流器与受电弓、主断路器，牵引变压器和4个并联的牵引电机一起组成完整的牵引传动系统主电路，如图2所示。

图1 8辆编组的某型动车组牵引系统配置

图2 单个动车牵引传动系统主电路结构

2 牵引传动系统被控对象建模

建模时，接触网电压25 kV/50 Hz由Matlab/Simulink的正弦波发生器模拟，下面介绍主要部件建模。

2.1 牵引变压器建模

不考虑变压器铁耗、磁饱和影响，不考虑变压器短路阻抗(在四象限整流器模型中考虑)，牵引变压器可看作一个理想变压器如图3所示。

其中u1、i1为变压器一次侧电压电流，u21、u22、i21和i22为两个二次侧绕组电压电流，则牵引变压器模型如下:

图3 牵引变压器等效电路

式(1)中，k为牵引变压器变比。

如果牵引变压器绕组发生匝间短路，其模型仍可用式(1)表示，只是牵引变压器变比k会发生变化(短路阻抗也会变化)。

2.2 四象限PWM整流器建模

整流器建模时，将开关器件看作理想开关，不考虑开关器件导通压降，导通和关断时间等因素。

四象限整流器主电路如图4所示，由牵引变压器短路阻抗Ls、Rs，预充电开关K1、预充电电阻R1、线路开关K2和4个IGBT器件T1，T2，T3，T4组成，每个IGBT均与1个二极管反向并联。

图4 四象限整流器主电路

定义桥臂M、N的开关函数如下:

在K1和K2均断开情况下，显然i2=id=0，四象限整流器模型求解完毕。

在K1或K2闭合情况下，图4中的等效串联电阻R如下:

式(4)中，SK2为线路开关K2的开关函数，K2闭合时SK2=1，否则SK2=0。

在K1或K2闭合情况下，计算SM、SN分为如下两种情况:

(1)如果T1，T2，T3，T4的驱动脉冲P1，P2，P3，P4均为0，即没有驱动脉冲时，四象限整流器相当于桥式不控整流电路，此时SM、SN由交流电流i2的流向、电压u2和ud的大小决定，如表1所示。

表1 不控整流状态下四象限整流器的开关函数

为防止在i2在零值附近抖动，一般设置一个电流容差来防止误判。在不控整流工作状态中，如果i2=0，|u2|＜|ud|，桥式整流电路无法启动，此时i2=id=0，四象限整流器模型求解完毕。

(2)如果T1，T2，T3，T4受驱动脉冲控制，即P1，P2，P3，P4不全部为0，则SM、SN如表2所示。

表2 四象限整流器正常工作时的开关函数

在P1=P2=1，或P3=P4=1的情况下，表明整流器出现桥臂短路情况，此时模型会报警。

最终建立四象限整流器模型如下:

式(5)中，整流器交流侧电压uMN如下:

在脉冲驱动模式下，如果某一个开关管出现开路故障，以T1为例，此时反并联二极管D1仍正常工作。当网侧电流i2＜0时，电流只能经二极管D2流回牵引绕组，下桥臂导通，开关函数SM=0，则开关函数SM如表3所示。SN不变，仍如表2所示。

表3 T1开路时的开关函数SM

在脉冲驱动模式下，如果两个开关管出现开路故障，以T1、T4为例，此时二极管D1、D4仍正常工作。当网侧电流i2＜0时，电流只能经二极管D2、D3流回牵引绕组，此时开关函数SM=0，SN=1，如表4所示。

表4 T1和T4开路时的开关函数

2.3 中间直流回路建模

中间直流回路包括二次谐振电路Lr－Cr－Rr，支撑电容Cd，短路晶闸管ST支路(等效电阻为RST)和制动斩波管BT支路(制动电阻为RBT)，如图5所示。

图5 中间直流回路电路结构

根据图5，得到中间直流回路的数学模型如下:

SKT、SBT分别为短路晶闸管KT、制动斩波管BT的开关函数，为1表示导通，为0表示关闭。

在二次滤波电感开路故障的情况下，模型变为:

2.4 逆变器建模

两电平逆变器主电路如图6所示。N为三相对称负载的中点。

图6 三相两电平逆变器主电路

与四象限整流器类似，将开关器件看作理想开关，定义A、B、C相桥臂开关函数Si(i=A、B、C)如下:

建立逆变器模型如下:

式(10)中，开关函数SA、SB和SC可根据开关管T'1，T'2，T'3，T'4，T'5，T'6的驱动脉冲Q1，Q2，Q3，Q4，Q5，Q6和三相电流iA、iB和iC的流向确定，如表5所示。在Q1=Q4=1、Q3=Q6=1或Q5=Q2=1的情况下，表明逆变器出现桥臂短路情况，此时模型会报警。

如果某一个开关管出现开路故障，仅以T'3出现开路故障为例，此时二极管D'3仍正常工作。当电流iB＞0时，电流只能流经D'6，下桥臂导通，开关函数SB=0，这种情况下，开关函数SB如表6所示，SA，SC不变，仍如表5所示。

表5 逆变器开关函数表

表6 T'3开路时的开关函数SB

2.5 牵引电机建模

不考虑磁路饱和、铁芯损耗，不考虑温度变化对绕组电阻的影响，忽略空间谐波，假设三相绕组对称，所产生的磁动势沿气隙圆周按正弦规律分布，则异步电机在两相静止αβ坐标系的数学模型如下所示［6］:

式(11)中，usα、usβ为定子电压的α、β轴分量;isα、isβ为定子电流的α、β轴分量;ψsα、ψsβ为定子磁链的α、β轴分量;np是极对数，J是转动惯量，TL是负载转矩，ωr是电机电角速度;Ls、Rs、Lr和Rr分别是定子自感、定子电阻、转子自感和转子电阻，Lm是定转子间互感;Tr= Lr/Rr，σ=1－L2m/(LsLr)。

式(11)中，usα、usβ由定子在ABC坐标系下的定子电压经坐标变换得到:

而ABC坐标系下的定子电流，可通过反变换得到:

2.6 其他故障建模

除了上述讨论的被控对象故障建模外，还总结其他故障建模如下:

(1)网压过低/过高;

(2)直流母线电压过压;

(3)四象限整流器过流;

(4)逆变器过流;

(5)两个四象限整流器的电流不均衡;

(6)电流互感器偏置过高;

(7)逆变器三相电流不平衡。

以上这些故障可以通过直接设置仿真机输出的电压/电流值实现，无需改变被控对象数学模型。

3 结束语

本文介绍了某型动车组牵引系统结构，详细讨论了牵引系统被控对象的正常建模和故障建模，包括牵引变压器、四象限整流器、中间直流回路、逆变器和牵引电机等，故障模型是在正常模型基础上完成的，两者均通过状态方程形式实现。这为建立支持各种故障工况仿真的动车组牵引传动系统HIL仿真平台打下了基础。

［1］ 傅成俊.轨道交通车辆交流传动系统硬件在回路仿真技术进展［J］.机车电传动，2009(3):1-4.

［2］ 卢子广，柴建云，王祥珩.异步电机驱动系统实时仿真［J］.中小型电机，2003，30(3):25-29.

［3］ 丁荣军，桂卫华，陈高华.电力机车交流传动系统的半实物时仿真［J］.中国铁道科学，2008，29(4):96-102.

［4］ 马志文，李伟，崔恒斌，韩昆.电动车组交流传动系统的硬件在回路实时仿真研究［J］.铁道机车车辆，2011，31(2): 1-5.

［5］ 崔恒斌，马志文，韩昆，等.电动车组牵引传动系统的实时仿真研究［J］.中国铁道科学，2011，32(6):94-101.

［6］ 冯晓云.电力牵引交流传动及其控制系统［M］.北京:高等教育出版社，2009.

Research on Controlled Objects Modeling of EMU Traction Drive System HIL Simulation Platform

XIE Bingruo，XIA Fei，ZHAO Hongwei
(Locomotive and Car Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

This paper establishes the normal models and fault models of the controlled objects of EMU traction drive system HIL simulation platform，mainly including traction transformer，4-quadrant rectifier，intermediate DC circuit，inverter，traction motor and so on.The fault models are established on the basis of normal models.They are both described by state equations.

EMU;traction drive system;hardware in loop;fault modeling

U266.2 TM461 TM464

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2015.02.08

1008－7842(2015)02－0032－04

*国家重点基础研究发展计划(2012CB723803)

1—)男，助理研究员(

2015－02－11)