李小波 吴 浩 翁晓韬 胡方家

(1.上海工程技术大学城市轨道交通学院,201620,上海;2.上海轨道交通维护保障中心车辆分公司,200233,上海∥第一作者,讲师、博士)

用于地铁列车的门极可关断晶闸管(GTO)牵引变流器分为两大类:直流斩波器和交流逆变器。两者的主要构成相似,均包括:牵引控制单元(Traction Control Unit,简为 TCU),牵引变流模块(Traction Converter Module,简为 TCM),牵引电机和反馈装置等部件。各构成部件不仅与列车安全相关度高、故障多发,而且工作原理和逻辑关系复杂,尤其前两者技术含量高,是本文的研究对象。

1 测试系统构建

为了提高系统的灵活性,系统的构建采用分模块测试并综合集成的方法,不仅变流器各构成单元和模块能单独构成测试环节,而且各环节还能构成整体实现综合测试。这种设计方法阶段目标清晰,调试过程方便,以下将分别介绍。

1.1 TCU测试环节

牵引控制单元的软件系统由运行控制模块、运算模块和功能模块等构成。前两者为系统内置模块,以类库或系统级调用的形式完成单元内部工作或辅助功能,如圆周率的计算、数字转换和程序的初始化等;功能模块则是实现列车控制的模块,掌握其信息流的工作机理并与之形成交互才能真正把握TCU的工作机理。TCU测试原理如图1所示。

1.2 TCM测试环节

对于GTO牵引变流器,无论是直流斩波模块还是交流逆变模块,从主电路的拓扑结构而言,均是GTO以一种频率的脉宽调制(PWM)信号交替导通,并配有相应的驱动保护和缓冲电路。以交流列车逆变相模块为例,如图2所示,V1与V2是两个主晶闸管GTO1和GTO2;V4和V5为V2和V1(GTO)的续流管;通过A1和A2按PWM 规律交替通断V1(GTO1)和V2(GTO2)可将输入端P与N间的直流电压变换为输出端L的交流电压。TCM 测试环节的原理框图见图2。

图1 TCU功能及测试原理

图2 牵引相模块及测试原理

1.3 综合测试平台构建

综合测试是以上两个测试环节的整合(见图3)。将列车主回路中的传动部分以数学模型替代,与测试目标牵引变流器(包括TCU和TCM)共同构成半实物仿真闭环;测控软件则是在虚拟仪器(Labview)平台上的二次开发,将测试和控制有效结合。

图3 牵引变流器综合测试系统

2 信息流及软件设计

综合测试实质上是一个半实物仿真测试系统,对实际情况的真实性模拟决定了系统运行的合理性和结果的有效性。仿真模型的重要性在于向测试目标提供接近真实的运行环境。即从TCU和TCM的角度来观察,其环境配置与实际列车运行环境基本没有差别。

以下将从仿真模型的处理、交互方式、系统同步三方面加以介绍。

2.1 仿真模型的处理

为了满足系统仿真过程实时性的要求,将牵引电机构成传动部分进行局部线性化处理,并降低数学模型的阶数,以便减少计算机运行仿真模型时的时间开销,使仿真模型与实际系统保持相近的运行速度。

2.2 交互方式

主控计算机与牵引控制单元按照宿主机-目标机模式来规范。主控计算机为宿主机,TCU为目标机。在主控机与目标机之间的信息交互设计中,应满足TCU的内部工作程序流程。

在TCU功能模块中,15 ms周期牵引控制模块和75 ms周期牵引控制模块为控制模块的主流程(主程序),除了变流模块控制和电压、电流等控制动作在1 ms中断处理模块执行之外,绝大多数控制功能都在这两个模块中执行。

2.3 系统的同步

由于测试过程是在半实物仿真条件下进行的,因此保证整个系统的同步尤为重要。系统同步需要处理好两个问题:①仿真服务器、输入输出设备和显示之间的同步;②仿真环节与被测对象之间的同步。问题①很容易做到。问题②的处理方法是:用数据采集卡的定时器,通过硬件直接中断进行定时模式实现了系统毫秒级的精确定时,定时器的定时标记传送给其它计算机就实现了这些计算机的时钟同步。对定时标记的传输频率进行控制可实现仿真的多速率。

2.4 软件设计

软件系统采用结构化的设计思想。主程序采用嵌套循环方式进行设计,内层循环进行各种状态和功能的切换,外层循环则实现相应状态和子程序的调用。添加新功能只需在外层循环中添加相应功能的子程序模块即可。软件结构如图4。

图4 测试系统软件架构

主界面设计充分利用Labview中的用户定制功能选项,对主界面的最大化和大小调整功能进行了限制,且当子程序被调出时,主界面(见图5、图6)不被关闭。

图5 主界面设计

图6 系统实时运行状态显示

3 实例

3.1 TCU测试

在TCU低压测试环节中,控制计算机向TCU输入GTO的触发信号,通过A1或A2(图2)触发GTO的通与断,并测试GK(门极和阴极)的触发波形(图7(a)),再展开其上升沿与下降沿(图7(b)和(c))。

这时分析GTO的触发信息如下:导通时首先要求有几十微秒宽的强触发信号,然后保持正向偏置约+1 V,以确保可靠导通;关断时也需要有足够的关断能量,而后施以负偏置约-15 V,保证可靠关断。这一过程符合对GTO驱动电路所要求的波形。如图7(b)其导通瞬间有50～60 μ s宽度的强触发脉冲,然后有维持正向导通的压降。从图7(c)可见,关断时有强的反向电压脉冲,最后维持约-15 V的反向偏置(见图7(a))。

3.2 综合测试试验

以直流斩波器为例,综合测试试验在模拟典型运行工况下进行,主要参数如电网电压、电机电枢电流、机车运行速度等变化情况都进行了实时数据采集,如图8所示。同时也监控了主回路中重要接触器的工作状态,因为它们能反映TCU的控制过程。典型工况下的测试数据与列车实际运行工况数据对比,即可作为GTO牵引变流器性能的测试和评价依据。

图7 触发信号波形

图8 综合测试动态参数波形

4 结语

提出了一种GTO牵引变流器的综合测试方案。该方案不仅能够对各部件实施独立测试,还可以对整体进行综合测试,测试方法方便有效。本测试方法的应用对象虽然是GTO牵引变流器,但是该方法也可以移植到地铁IGBT(绝缘门双极晶体管)牵引变流器的测试系统中。

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