CRH3動(dòng)車組牽引系統(tǒng)半實(shí)物仿真研究

宋君君等

摘要：文章通過分析CRH3高速動(dòng)車組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理，基于Simulink建立牽引傳動(dòng)系統(tǒng)離散數(shù)學(xué)模型，并利用Dspace實(shí)時(shí)仿真器建立虛擬牽引傳動(dòng)系統(tǒng)，它和自制的牽引系統(tǒng)接口箱、牽引控制單元TCU、建立的TCU的MVB仿真環(huán)境共同構(gòu)成了牽引傳動(dòng)系統(tǒng)半實(shí)物實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，以模擬動(dòng)車組運(yùn)行時(shí)的牽引傳動(dòng)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：CRH3動(dòng)車組；牽引傳動(dòng)系統(tǒng)；接口箱；Dspace；TCU 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TP391 文章編號(hào)：1009-2374（2016）06-0013-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.06.007

1 概述

CRH3型動(dòng)車組是以德國西門子公司的Velaro-E動(dòng)車組為原型車，大多數(shù)的動(dòng)車的關(guān)鍵部件如牽引控制單元TCU、中央控制單元CCU、制動(dòng)控制單元BCU等仍然是國外采購。而當(dāng)前對(duì)TCU的研究困難，主要是由于環(huán)境復(fù)雜、損耗大、效率低、危險(xiǎn)度高，應(yīng)將實(shí)際控制器和虛擬被控對(duì)象連接，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下實(shí)現(xiàn)控制器的研發(fā)與測(cè)試。

2 CRH3牽引系統(tǒng)半實(shí)物仿真研究方案

2.1 建設(shè)方案

（1）基于Simulink建立了包含牽引變壓器、四象限變流器、中間直流回路、PWM逆變器、牽引電機(jī)5個(gè)子系統(tǒng)的牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，通過專用平臺(tái)將仿真模型下載到Dspace仿真器，實(shí)時(shí)模擬牽引傳動(dòng)系統(tǒng)。Dspace實(shí)時(shí)仿真器、IO操作面板、TCU和接口轉(zhuǎn)換箱共同組成牽引傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)的基礎(chǔ)架構(gòu)；（2）為了模擬CRH3牽引傳動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)司機(jī)指令的過程，通過LabView建立MVB仿真環(huán)境控制界面實(shí)現(xiàn)在牽引傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)中加入CCU的模擬，其通過MVB網(wǎng)絡(luò)與TCU進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換；（3）利用該實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，對(duì)CRH3車載TCU進(jìn)行了仿真測(cè)試和程序開發(fā)。

2.2 CRH3牽引系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)的組成

（1）LabView搭建的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)界面；（2）Dspace仿真平臺(tái)；（3）工控機(jī)模擬CCU，MVB板卡LabView軟件，安裝有TCU的上位機(jī)軟件Monitor，可用于對(duì)TCU進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和故障診斷；（4）牽引控制單元TCU；（5）接口箱；（6）實(shí)時(shí)仿真上位機(jī)。

3 仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)

3.1 接口箱的設(shè)計(jì)

牽引仿真系統(tǒng)接口箱主要完成仿真軟硬件Dspace與車用牽引控制單元TCU的信號(hào)轉(zhuǎn)換。接口箱由三部分組成：IO操作面板、后面板和信號(hào)調(diào)理板。IO操作面板主要實(shí)現(xiàn)牽引電機(jī)冷卻裝置相關(guān)溫度及壓力傳感器的電信號(hào)的模擬，其中冷卻系統(tǒng)溫度包括冷卻裝置入口溫度、冷卻裝置出口溫度、過濾器溫度、水冷內(nèi)部溫度、變流器溫度和各個(gè)電機(jī)軸溫、MUB電阻的溫度。

完成對(duì)牽引控制單元工作模式及識(shí)別的模擬，完成與牽引控制相關(guān)如供電狀態(tài)、主斷狀況重要信息的顯示，IO面板安裝部分開關(guān)、滑動(dòng)變阻器和指示燈。中間轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)TCU信號(hào)和Dspace仿真信號(hào)之間信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換。后面板主要用于出線，調(diào)理后信號(hào)走向處理。圖1為信號(hào)傳遞及調(diào)理的示意圖：

TCU與接口箱的接口設(shè)計(jì)以及接口箱與Dsapce的接口設(shè)計(jì)，通過中間的電路板的電壓轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)從TCU的輸出信號(hào)到Dsapce的輸入信號(hào)的轉(zhuǎn)換和從Dsapce的開關(guān)信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)電壓電流信號(hào)到TCU的輸入的轉(zhuǎn)換。

3.2 牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)

CRH3牽引傳動(dòng)系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，各子傳動(dòng)系統(tǒng)及中央控制系統(tǒng)之間利用MVB網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。牽引傳動(dòng)系統(tǒng)由受電弓、牽引變壓器、四象限變流器、中間直流回路、PWM逆變器、牽引電機(jī)和變速箱組成。受電弓將接觸網(wǎng)的25kV單相工頻交流電輸送給牽引變壓器，經(jīng)變壓器降壓后的單相交流電供給2個(gè)四象限變流器，四象限變流器將單相交流電變換為直流電，經(jīng)中間直流回路輸送給PWM逆變器，PWM逆變器將直流電變換成幅值和頻率均可控的三相交流電，為三相異步牽引電機(jī)供電。牽引電機(jī)軸輸出的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速通過變速箱內(nèi)的齒輪傳遞給車軸，轉(zhuǎn)換成輪緣牽引力和車輛速度。

在仿真軟件Matlab/Simulink環(huán)境下搭建CRH3動(dòng)車組牽引系統(tǒng)的仿真模型。模型具體參數(shù)設(shè)置依照CRH3型動(dòng)車組原型以及實(shí)車試驗(yàn)參數(shù)：牽引電動(dòng)機(jī)的額定電壓：2750V；額定電流：135A；額定功率：560kW；額定轉(zhuǎn)速：4100轉(zhuǎn)/分；極對(duì)數(shù)：2對(duì)；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：J=100。

仿真模型使用Simulink建立完成后，通過RTI實(shí)現(xiàn)并下載到實(shí)時(shí)Dspace仿真器中，余下的工作就由ControlDesk來完成。ControlDesk將對(duì)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行綜合管理。

Dspace仿真器的主要輸入為IGBT的脈沖及開關(guān)控制信號(hào)，主要輸出為牽引電機(jī)的電壓、電流和速度信號(hào)。為了縮小仿真計(jì)算周期，Dspace仿真器選用雙處理器（CPU）配置并行計(jì)算。為了減少2個(gè)CPU之間數(shù)據(jù)的交換，對(duì)模型進(jìn)行了合理的分配，主CPU用于牽引變壓器和四象限變流器模型的計(jì)算，從CPU用于中間直流回路、PWM逆變器和牽引電機(jī)模型的計(jì)算。2個(gè)CPU僅交換直流端電壓和電流等數(shù)據(jù)。

ControlDesk部分監(jiān)控界面，它顯示了仿真的基本信息：仿真步長，計(jì)算周期，仿真時(shí)間和采樣頻率的設(shè)置；另外還設(shè)置了輸入窗口，分別用于輸入“VCB手動(dòng)啟動(dòng)”信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)手動(dòng)調(diào)節(jié)；其他主要包含虛擬示波器，用于對(duì)關(guān)注數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測(cè)。

3.3 網(wǎng)絡(luò)信號(hào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

TCU是牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的控制單元，可從MVB網(wǎng)絡(luò)獲取司控臺(tái)發(fā)出的控制指令，也可通過MVB網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給CCU的相關(guān)牽引狀態(tài)數(shù)據(jù)；CCU通過采集牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的電壓、電流、溫度和斷路器狀態(tài)等信息，并集合CCU網(wǎng)絡(luò)指令控制牽引傳動(dòng)系統(tǒng)部件，完成牽引/制動(dòng)管理、速度管理、安全監(jiān)測(cè)和故障診斷等功能。虛擬MVB網(wǎng)絡(luò)由一臺(tái)裝有MVB網(wǎng)卡的PC機(jī)來完成，利用圖形化編程工具LabView編寫CRH3牽引系統(tǒng)MVB環(huán)境仿真程序，模擬列車控制器與TCU之間的通信。

在裝有MVB板卡的工控機(jī)上安裝OPC Server，并通過OPC Server將網(wǎng)絡(luò)配置工具生成的需要給TCU發(fā)送的MVB數(shù)據(jù)及將MVB板卡作為MVB網(wǎng)絡(luò)總線主的文件配置給MVB板卡。通過OPC服務(wù)器與LabView軟件連接。搭建出司控臺(tái)控制指令輸入界面、狀態(tài)顯示輸出界面、參數(shù)設(shè)置界面、溫度設(shè)置界面等。

PC機(jī)上基于LabView構(gòu)建了虛擬司控臺(tái)界面，當(dāng)對(duì)司控臺(tái)的輸入界面進(jìn)行操縱時(shí)，例如牽引、制動(dòng)指令和牽引、制動(dòng)設(shè)定值的修改，可通過MVB網(wǎng)絡(luò)傳給TCU；同時(shí)，TCU中的車速、電壓、電流數(shù)據(jù)通過MVB網(wǎng)絡(luò)傳遞給司控臺(tái)并顯示。

工控機(jī)中安裝TCU的上位機(jī)軟件，用于對(duì)TCU進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和故障診斷。

4 平臺(tái)仿真結(jié)果

牽引系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)的仿真結(jié)果圖3是中間環(huán)節(jié)電壓的電壓曲線，牽引工況和制動(dòng)工況的完整曲線。列車上電后，經(jīng)過預(yù)充電接觸器閉合后，支撐電容進(jìn)行預(yù)充電，主接觸器閉合，充電繼續(xù)，直到中間直流電壓上升并維持在2600～2700V，CCU發(fā)出牽引指令，列車加速電壓上升到3400V，列車運(yùn)行速度為300km/h，此時(shí)發(fā)出制動(dòng)指令，電壓短暫上升后開始。圖4為牽引特性曲線。

5 結(jié)語

通過仿真示波器顯示出的牽引特性曲線與給定的牽引特性曲線基本一致，牽引和制動(dòng)工況下的四象限變流器和牽引電機(jī)的電壓和電流也滿足牽引和制動(dòng)控制的要求，所以牽引系統(tǒng)半實(shí)物實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)能夠?qū)恳刂破鬈囕d程序進(jìn)行測(cè)試，平臺(tái)中的虛擬牽引傳動(dòng)系統(tǒng)能夠替代實(shí)際傳動(dòng)系統(tǒng)用于動(dòng)車組牽引控制器的研究及測(cè)試以及TCU程序的開發(fā)設(shè)計(jì)。利用該牽引傳動(dòng)系統(tǒng)仿真平臺(tái)，進(jìn)行了牽引系統(tǒng)的故障模擬，能夠?yàn)榻鉀Q實(shí)車的常見故障提供快速的方法和經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 馮曉云.交流傳動(dòng)及其控制系統(tǒng)[M].北京：高等教育出版社，2009.

[2] 崔恒斌，陳春陽.牽引逆變系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真模型的研究[J].計(jì)算機(jī)仿真，2011，28（4）.

[3] 宋術(shù)全.CRH3型動(dòng)車組輔助變流器半實(shí)物仿真系統(tǒng)

[J].中國鐵道科學(xué)，2012，33（2）.

[4] 王歡.基于LabVIEW的實(shí)時(shí)控制與仿真技術(shù)應(yīng)用研究[D].南京航空航天大學(xué)，2008.

作者簡介：宋君君（1986-），女，河北唐山人，供職于唐山軌道客車有限責(zé)任公司，研究方向：動(dòng)車組牽引傳動(dòng)

系統(tǒng)。

（責(zé)任編輯：周 瓊）