基于半实物仿真技术的动车变流器传感器故障研究与分析

连 蓉，沈 晟，贺 莉

（中国中车永济电机有限公司，陕西 西安 710018）

引言

变流器是动车重要的执行部件，其安全性、稳定性直接影响着动车的正常运行[1]。变流器故障类型繁多，传感器故障是其中的一种，研究传感器故障对变流器所造成的影响对保障整个列车的安全有效运行具有重要的现实意义[2]。半实物仿真技术是一种新兴的测试验证技术，它通过数字建模的方式模拟变流器关键器件的电气特性，外接真实实车控制单元，能更准确、方便地研究牵引控制系统在各种特殊工况、故障工况下的电气特性及其对列车运行的影响[3]，完善变流器及其控制单元的设计质量，降低故障率，提高动车变流器的可靠性。

本文以CRH5型动车直流母线电压传感器故障为例，依CRH5型动车主回路拓扑搭建系统模型，外接实物为CRH5型动车实车运行TCU，阐述变流器系统模型架构及母线电压传感器故障工况的半实物仿真模拟的过程、原理，并得出分析结论。

1 半实物仿真模型的建立

半实物仿真模型包括网侧模型、主回路模型、电机模型组成。网侧模型用于实时模拟25 kV网压、网压波动、网压突变等功能，可配置网压频率、额定网压电压等参数；主回路模型由牵引变压器模型、整流模型、中间直流环节和逆变模型，分别模拟对应器件的电气特性。

直流母线电压传感器故障工况是在系统模型的基础上，对变流器模型进行改造与重新配置。变流器模型由IGBT半桥桥臂形式电路组合搭建而成，其通过IO接受TCU驱动信号控制并反馈故障信号，可以定性仿真出IGBT开通／关断过程中电压／电流的瞬态变化过程，二极管拖尾效应，并可以通过软故障注入的方式模拟过压、过流、IGBT二极管短路或短路工况[4]。

CRH5型动车变流器有两个直流母线电压传感器，分别将数据传输给TCU整流采集板卡、逆变采集板卡。传感器故障工况分为整流侧传感器故障和逆变侧传感器故障，因此，需要将原整流器模型的输出电压Uout配置到两个不同的模拟量输出端口，且在输出前分别加入Gain增益模块，用于设置母线电压传感器输出变比。修改后的整流器模型见图1所示。通过修改变比，可分别模拟出整流侧母线电压传感器故障工况和逆变侧母线电压传感器故障工况。

图1 修改后的整流器模型

2 运行原理

半实物仿真模型是利用simulink集成工具箱中Xilinx系统FPGA开发工具System Generator模块而开发，这种开发方式避免了复杂的源代码，缩短开发周期。同时，公式化的建模方式能更准确地反映实际工况，且可考虑到很多细节因素。

基于System Generator工具包搭建系统模型，编译生成HDL代码，下载到FPGA板卡，硬件仿真平台为TCU的物理输入输出量转换成仿真模型可处理的数字信号提供环境。具体运行原理图如图2所示。

图2 电压传感器故障工况半实物仿真运行原理

3 试验过程及结果

在半实物仿真试验过程中模拟直流母线电压传感器故障工况，其中包括整流侧直流母线电压传感器故障和逆变侧直流母线电压传感器故障两种情况，且故障工况为瞬间降到原母线电压的1/3。过程状态为：初始状态，系统处于正常运行；中间过程，直流母线电压传感器瞬时失效故障；最终状态，直流母线电压传感器恢复正常。

图3、图4分别为整流侧直流母线电压传感器故障工况波形，逆变侧直流母线电压传感器故障工况波形，第一通道为整流侧直流母线电压，第二通道为四象限A输入电压，第三通道为四象限A输入电流，第四通道为逆变侧直流母线电压，第五通道为逆变1输出电压，第六通道为逆变1输出电流，第七通道为逆变2输出电压，第八通道为逆变2输出电流。

故障工况为母线电压在白框区域的某一时刻瞬间从3 200 V降为300 V，经过2 s后又重新恢复，测得关键变量的波形数据。

4 结论

通过对图3、图4的波形进行FFT谐波分析，对比故障点前一时刻、故障时刻以及故障后一时刻的关键变量有效值与谐波含量，得出以下结论。

1）整流侧传感器故障工况下，整流侧直流电压瞬时值为240 V，逆变侧直流电压瞬时值4 080 V，四象限输入电压瞬时值3 960 V，逆变输出电压瞬时值为-3 973 A，逆变输出电流瞬时值为-36.7 A；

图3 整流侧直流母线电压传感器故障工况

图4 逆变侧直流母线电压传感器故障工况

2）逆变侧传感器故障工况下，整流侧直流电压瞬时值为3 520 V，逆变侧整流侧直流电压瞬时值为186.7 V，四象限输入电压瞬时值为-3 386 V，四象限输入电流瞬时值为-66.7 A，逆变输出电压瞬时值3 360 V，逆变输出电流瞬时值为-40 A。

CRH5型动车母线电压传感器故障会造成直流母线电压的过压、欠压问题，为进一步分析变流器故障提供了理论依据。