牽引變流器模塊溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)

摘要：針對高速動(dòng)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(fā)生時(shí)觸發(fā)固態(tài)繼電器動(dòng)作進(jìn)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(shí)時(shí)監(jiān)控方法。通過ATmega128單片機(jī)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(shí)現(xiàn)封鎖牽引、真空斷路器動(dòng)作、上報(bào)故障信息、溫度采集、溫度顯示及記錄，超溫時(shí)報(bào)警。該系統(tǒng)兼容了溫度異常時(shí)封鎖牽引邏輯，可進(jìn)行模塊溫度高故障的鎖定及實(shí)時(shí)監(jiān)控。

關(guān)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(yù)警;封鎖牽引

中圖分類號：U266

一、課題背景

前期，針對高速動(dòng)車組在夏季高溫天氣條件下運(yùn)行時(shí)，在高速運(yùn)行時(shí)因牽引變流器內(nèi)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(chǎn)生大量熱量。模塊產(chǎn)生的熱量需及時(shí)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(nèi)，由于牽引變流器自身散熱單元翅片、冷卻器翅片、軸流風(fēng)機(jī)和風(fēng)機(jī)濾網(wǎng)等散熱效率的限制，以及變流器模塊自身故障，會(huì)導(dǎo)致牽引變流器整流、逆變模塊溫度異常升高。同時(shí)，牽引變流器長時(shí)間滿功率運(yùn)行時(shí)，安裝在局部密閉箱體中的變流器整流、逆變模塊會(huì)因散熱不良而燒損，嚴(yán)重影響模塊工作壽命，故障報(bào)出量急劇升高。對于載客運(yùn)行時(shí)存在極大的安全隱患[1]。

因牽引變流器整機(jī)采用主輔一體模塊化設(shè)計(jì)方式，整機(jī)工作時(shí)，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(fēng)機(jī)從外部大氣中抽入溫度較低的純凈空氣進(jìn)行強(qiáng)制式風(fēng)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(dá)到快速冷卻散熱的效果。二是風(fēng)冷方式從外部抽入新鮮空氣時(shí)，空氣中含有的雜質(zhì)如柳絮、沙塵等極容易堵塞風(fēng)機(jī)濾網(wǎng)及風(fēng)道，導(dǎo)致抽入空氣氣流不暢，易形成局部空間內(nèi)溫度積聚，熱量無法及時(shí)散出。

二、牽引變流器工作性能參數(shù)

CRH2A型高速動(dòng)車組的牽引變流器采用主輔一體模塊化設(shè)計(jì)，各模塊緊密內(nèi)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(fēng)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)制風(fēng)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(nèi)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(fēng)機(jī)等模塊化單元組成[2-4]。每節(jié)車廂設(shè)置一臺牽引變流器，每臺牽引變流器驅(qū)動(dòng)四臺并聯(lián)電機(jī)動(dòng)作，其主要組成部件的工作參數(shù)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(yùn)算，當(dāng)采集到某一路傳感器溫度異常信息后，觸發(fā)固態(tài)溫度檢測繼電器CTH動(dòng)作。通過CTH的輔助觸點(diǎn)斷開主真空斷路器單元，進(jìn)而通過DCU封鎖列車牽引，變流器停止工作。后續(xù)隔離該牽引變流器維持運(yùn)行，直至模塊表面溫度恢復(fù)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(diǎn)：各模塊上的溫度傳感器信號在進(jìn)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(dǎo)致DIF板卡無法辨識信號來源。當(dāng)其中一路溫度信號異常時(shí)，均籠統(tǒng)的判斷為模塊溫度異常故障進(jìn)行上報(bào)。因此，上報(bào)給DCU機(jī)箱的故障信息只記錄模塊溫度高故障，未區(qū)分具體模塊位置，導(dǎo)致故障點(diǎn)無法精確鎖定。后續(xù)進(jìn)行故障處理及日常運(yùn)用維護(hù)時(shí)，還需要加裝其余檢測設(shè)備才有可能鎖定故障，不便于后續(xù)故障判斷及處置。

三、改進(jìn)的方案及實(shí)施策略

針對既有動(dòng)車組的運(yùn)行工況及變流器的特殊工作性能，為提高動(dòng)車組在線運(yùn)行時(shí)各變流器模塊的安全監(jiān)控性能，為后續(xù)故障檢測及維護(hù)提供數(shù)據(jù)支撐，評估變流器模塊的工作可靠性及使用壽命。設(shè)計(jì)一種分層分布式變流器溫度智能測控以及報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對模塊溫度實(shí)時(shí)在線監(jiān)控、采集及顯示，當(dāng)超過預(yù)設(shè)閾值時(shí)報(bào)警。

采用一種與既有動(dòng)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(shí)時(shí)監(jiān)控方法，實(shí)現(xiàn)對各模塊溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控、顯示、超溫預(yù)警、上報(bào)故障信息及封鎖牽引等功能。系統(tǒng)由三層子系統(tǒng)組成：下位機(jī)溫度信息采集層、中間溫度信息處理層和上位機(jī)溫度信息顯示層。

下位機(jī)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(jīng)濟(jì)成本低的數(shù)字溫度傳感器DS18B20，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同步溫度采集。在傳輸溫度信息時(shí)，引入CRC校驗(yàn)碼，提高采集數(shù)據(jù)的精度。DS18B20溫度傳感器由三個(gè)引腳VDD 、DQ和GND組成，連接時(shí)將VDD和GND連接至板卡+5V和GND，DQ引腳連接至任一個(gè)數(shù)字I/O引腳。其通過1-Wire數(shù)據(jù)傳輸總線進(jìn)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(tǒng)溫度檢測要求[5-7]。傳感器的線路接頭共擴(kuò)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(jī)自身擴(kuò)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(shù)值信息，采集8路傳感器的溫度值。分別用DIF板卡控制固態(tài)溫度檢測繼電器CTH動(dòng)作、封鎖列車牽引及為人機(jī)界面上報(bào)故障信息;用ATmega128單片機(jī)作為中央處理器進(jìn)行溫度信息采集、實(shí)時(shí)顯示、RS復(fù)位及超溫時(shí)報(bào)警。ATmega128單片機(jī)上配置了12Hz晶體振蕩電路、DC5V低壓直流電源、A/D轉(zhuǎn)換模塊、RS復(fù)位開關(guān)按鈕及接地保護(hù)裝置，其中央處理模塊結(jié)構(gòu)圖如下圖2所示。電源模塊與DIF板卡共用，通過RS復(fù)位初始化檢測狀態(tài)，解除列車牽引封鎖，通過A/D轉(zhuǎn)換模塊對溫度信號進(jìn)行采集和碼制轉(zhuǎn)換，將溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成實(shí)時(shí)顯示的數(shù)字信號。ATmega128單片機(jī)配合由DIF板采集到的信息，進(jìn)行模塊超溫故障的精確判斷及溫度的實(shí)時(shí)在線監(jiān)控，兩路控制主輔一體，互為補(bǔ)充，以提高其故障檢測的冗余能力。

單片機(jī)中央處理模塊溫度報(bào)警邏輯設(shè)置如下：

1.設(shè)置溫度閾值（-10℃至70℃），溫度在該閾值內(nèi)變化為正常溫度，超出該范圍則報(bào)警;

2.計(jì)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(jì)算）范圍內(nèi)時(shí)，認(rèn)為是正常溫度變化曲線，當(dāng)超出該變化范圍則報(bào)警。

?T≥（T_1-T_2）/30

3.邏輯運(yùn)算中的計(jì)數(shù)器記錄溫度超過閾值時(shí)間"T" ，當(dāng)"T≥10s" 時(shí)，進(jìn)行超溫報(bào)警。

對以上三個(gè)邏輯量取“或”值，當(dāng)任意一條件滿足時(shí)，控制輸出高電平，蜂鳴器鳴響。進(jìn)行RS按鍵復(fù)位后，重新輸出低電平。

上位機(jī)層配置LCD12864 液晶顯示模塊及蜂鳴器。液晶顯示模塊采用循環(huán)顯示數(shù)據(jù)的方式，實(shí)時(shí)顯示溫度、位置及記錄時(shí)間，溫度異常時(shí)LCD屏鎖定模塊所表示的溫度數(shù)據(jù)并高亮顯示。當(dāng)超溫時(shí)蜂鳴器鳴響，進(jìn)行超溫報(bào)警。蜂鳴器鳴響后，操作RS復(fù)位按鈕或重新上電可以進(jìn)行復(fù)位，溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)保存。該分層分布式控制策略實(shí)現(xiàn)流程圖如下圖3所示[8-9]。

四、現(xiàn)車跟蹤驗(yàn)證及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

實(shí)施該溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控方案，動(dòng)車組上線運(yùn)營時(shí)進(jìn)行在線監(jiān)控，后續(xù)通過對歷史溫度數(shù)據(jù)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(shí)段，統(tǒng)計(jì)2020年6月19日至2020年9月2日近三個(gè)月的模塊溫度記錄數(shù)據(jù)如表2所示。去除模塊供斷電及異常顯示信息，對各個(gè)模塊溫升變化曲線分析可知，其滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)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(shí)時(shí)顯示，未發(fā)生溫度監(jiān)測失效及其他次生故障。實(shí)驗(yàn)測試表明：該監(jiān)控方案能夠?qū)崿F(xiàn)對溫度的實(shí)時(shí)在線監(jiān)控，該分層分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡易、抗干擾能力強(qiáng)、可兼容性高，可方便可靠的適用于動(dòng)車組現(xiàn)有溫度檢測系統(tǒng)，起到冗余監(jiān)測的作用。

五、總結(jié)

該方案可以極大提高模塊安全隱患故障的排查能力，及時(shí)鎖定異常模塊，縮短故障診斷及維護(hù)作業(yè)時(shí)間。不變更原有溫度信號采集裝置，選用了與既有設(shè)備相同的接口擴(kuò)展方式，實(shí)現(xiàn)與既有設(shè)備兼容，分路采集溫度信號;采用與牽引變流器機(jī)箱內(nèi)部環(huán)境相匹配的一體化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)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(tǒng)可升級為一種檢測工裝裝置，采用印刷電路板結(jié)構(gòu)進(jìn)行封裝，工裝外殼采用絕緣材料，外表面預(yù)留測試孔及擴(kuò)展孔插針，具有焊接牢靠、方便攜帶、易于測量、內(nèi)阻小不影響溫度值換算等優(yōu)點(diǎn);通過對采集板卡溫度采集范圍的設(shè)置，可監(jiān)控-10℃至70℃范圍內(nèi)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(gè)模塊溫度高故障信息的缺陷，可通過分析故障數(shù)據(jù)鎖定至某一模塊，極大的方便了檢修維護(hù)作業(yè)，提高了模塊溫度異常時(shí)故障處置效率。

基金項(xiàng)目：2019年省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)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(xié)作控制、設(shè)備故障檢測與診斷。

六、參考文獻(xiàn)

[1]基于CH376的高鐵電纜溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì).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(dòng)車組牽引變流器裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[D]. 潘慶建.上海交通大學(xué).2018.

[3]復(fù)興號動(dòng)車組牽引系統(tǒng)參數(shù)分析[J].羅昭強(qiáng)，尚大為，韓東寧.大連交通大學(xué)學(xué)報(bào).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(tǒng)[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(jié)能型可遙控智能溫控系統(tǒng)[J].張釗源，李文永.電子世界.2019（07）.

[7]高速動(dòng)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(dòng)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(dòng)跟蹤技術(shù)及系統(tǒng)運(yùn)用[J].李晉武.黑龍江科技信息.2016（18）.

基金項(xiàng)目：2019年省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)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(xié)作控制、設(shè)備故障檢測與診斷。