基于VC的高速动车组温升计算软件开发

耍利娜，姜学东，董侃，刘永欢，刁利军

（北京交通大学电气工程学院，北京100044）

随着我国高速动车组的迅速发展和不断提速，铁道部对高速动车组设备的可靠性技术要求越来越高，尤其是牵引变流器、牵引电机和牵引变压器。在众多技术研究中，温升对设备老化的影响是进行技术研究的重点问题。温度越高，老化的速度就越快，直接影响设备的使用寿命及经济效益。因此，对高速动车组牵引变流器、牵引电机和牵引变压器温升的研究是十分有必要的。

文献提出了一种变压器发热时间常数的热模型，该模型需要获知的参数数目少，而且不明确的那些参数也可通过其通常的取值范围来确定；文献提出的高速异步电机温升计算软件给出了中小型水外冷电机定子绕组温升计算程序，但只能完成计算功能，比较单一；文献介绍的电动机定子电流和温升测试系统可以实时采集电动机的定子电流和多路温度数据，对采集数据进行保存、拟合分析，但是受到传感器位置限制，而且只分析了电机的温度变化，不够全面。因此，笔者在VC环境下利用其辅助开发包MFC开发出一种针对高速动车组4QC整流器、逆变器、牵引电机和牵引变压器4部分的综合温升计算软件，该软件将热模型、温升算法与以太网、socket通信技术相结合，界面友好、数据准确，不但包含数据计算和波形显示等常规功能，还可实现波形的快速存储及数据上传功能，便于进行人机交互。

1 数据采集模块

系统数据采集模块如图1所示。其中底层硬件采用基于DSP的嵌入式系统，该系统集成了A/D转换模块、信号调理电路以及网络接口芯片，从而完成对被测信号的采集、处理及发送功能。其中信号调理电路对各种不同的输入模拟信号进行电压变换，使被采样信号电压幅值的变化范围满足A/D转换模块的要求，同时还对输入信号进行滤波处理，减少信号失真和噪声，阻止带外的频率引入的虚假信号。嵌入式系统与上位机建立网络连接之后通过以太网将数据传输至上位机，使用上层温升计算软件完成数据的计算、波形显示和其他相关功能。

图1 系统数据采集模块示意图Fig.1 Diagram of data acquisition module

2 温升计算软件设计

本软件的主要功能是完成动车组的各部分温升计算，选用Microsoft公司的Visual C++6.0语言编写，软件的整体结构与流程如图2所示。其中虚线框中所示为热仿真平台，用于完成温升计算并将结果通过套接字的方式传给综合仿真平台，为列车的安全运行提供一定的指导意义。

图2 软件结构及流程示意图Fig.2 Structure and flow chart of the software

2.1 数据传输设计

温升计算软件采用以太网通讯技术完成数据传输功能。信号经过采集处理后，以数据帧的形式通过以太网发送到上位机，需要根据以太网硬件地址来确定目的接口。ARP（地址解析协议）为以太网硬件地址和IP地址提供映射。温升计算软件运行时嵌入式系统会向预先设定好IP地址的目的上位机发送ARP请求，上位机收到报文后进行判断识别后会返回一个包含自身IP地址和硬件地址的ARP应答，嵌入式系统收到应答后便可向目的上位机发送数据报文。

网络连接建立之后通过实现TCP/IP协议族，完成对数据的封装和分用，进行以太网通信。在应用层、运输层、网络层、链路层4层协议系统中每层主要负责与其他机器上的对等层进行通信。其中链路层主要包括物理层和数据链路层，完成物理上的接口连结协议；运输层协议采用UDP协议，为了增强可靠性，对于关键的量值通过回传校验机制保证其可靠传输。以太网数据发送/接收流程图如图3所示。

图3 以太网发送/接收数据流程图Fig.3 Flow chart of Ethernet sending and receiving data

程序中发送和接收数据信息都是由套接字完成，嵌入式系统作为客户机端，上位机温升计算软件则作为服务器端，其连接过程可以分为3个步骤：服务器监听，客户端请求，连接确认。成功连接之后，作为客户机端的嵌入式系统在收到上位机发送的数据发送命令之后，将被测信号数据打包通过以太网发送至上位机。温升计算软件利用所接收的数据进行计算后同样以套接字的方式将结果发送给综合仿真平台，温升计算软件作为客户端，综合仿真平台作为服务器端，不同的是这个通信过程采用的是基于TCP（面向连接）的socket编程，其流程如图4所示[4]。

图4 基于TCP的socket网络通信流程图Fig.4 Flow chart of socket communication

2.2 参数计算

温升计算软件收到来自以太网的电压、电流、开关频率、环境温度和车速等数据后，结合以宏定义形式定义的器件固定参数和其他常量，设定每一秒钟以这些量为条件进行一次损耗和温升计算，以CRH3为例，其核心算法如下：

2.2.14 Q C整流器和逆变器

1）散热器和管子温升

4QC整流器和逆变器的热模型如图5所示。此模型包含5部分热阻，分别为IGBT结到壳的热阻Rjc，IGBT、壳到散热器的热阻Rch，IGBT，二极管结到壳的热阻Rjc，diode、壳到散热器的热阻Rch，diode，以及散热器到环境的热阻Rha[5]。

由于每个管子的损耗由通态损耗和开关损耗两部分组成，因此采用式（1）和（2）可得IGBT总损耗，式（3）和（4）可得二极管总损耗，变流器的总损耗可视为所有管子总损耗之和。又有ΔT=PR，即可得到管子和散热器的温升。

图5 4QC整流器和逆变器热模型示意图Fig.5 Thermal model diagram of 4QC rectifiers and inventer

其中，Pcond，IGBT[i]、Psw，IGBT[i]、Pcond，diode[i]、Psw，diode[i]为保存数据的数组，Udc、Idc和fk为采集到的输入量，其他量均为预先设定或计算好的数据。

2）冷却液温升

由上述模型可得到变流器功率器件的总损耗P，又由热力学公式

则单位时间内冷却液温升可由下式计算：其中：C为冷却液比热，ρ为冷却液密度，A为散热管截面积，均为定值；v为采集到的冷却液流速。

2.2.2 牵 引电机

牵引电机的热模型为热阻模型，如图6所示。此模型由5部分热阻构成，分别为气隙热阻R1、定子绕组对齿槽的热阻R2、定子齿槽对铁芯的热阻R3、定子铁芯对机座的热阻R4和机座对环境的热阻R5[6]。

图6 牵引电机热模型示意图Fig.6 Thermal model diagram of traction motor

通过计算先得到定子铜耗Pcu1、定子铁耗PFe、机械损耗和杂散损耗PΔ以及转子铜耗Pcu2，由式（7）到（10）即可得气隙的温度降ΔT1、定子绕组到铁芯的温度降ΔT2、定子铁芯到机座的温度降ΔT3和机座的温度降ΔT4。综合各部分温度降便可得到电机定子和转子温度降。

2.2.3 牵 引变压器

1）顶层油和绕组温度

变压器采用发热时间常数模型，实际上所需参数条件只有随时间变化的负荷率，而且负荷率可以通过输入的实际绕组电压电流计算出来。将Ts时间段内的变压器牵引负荷划分为n段，记各段时间结束了的当前时刻为ti，则变压器温升计算流程如图7所示。

图7 变压器温升计算流程图Fig.7 Calculation flow diagram of transformer’s temperature rise

其中：η为主变压器效率；U1为主变压器一次侧电压；I1为主变压器一次侧电流。

由于变压器的出口油需经冷却系统后再回到油箱，因此，变压器的出口油温度最高，可将出口油的温升视作变压器顶层油温升，然后运用公式（11）可得到变压器入口油温升。

2.3 温升曲线显示及数据存储

温升计算软件分为测试和网络两类窗口，所有温度曲线均为对时间和对距离两类，可以通过选择不同的横坐标范围对曲线进行缩放达到更好的观测效果。测试窗口中，通过选择所要观察的某个模块温度曲线来实现其在坐标系中的单

其中：Ki：负荷率；Ty：变压器油的发热时间常数；d：额定负荷下的短路损耗与空载损耗之比，约为2～6；τiw：顶层油对空气的允许温升；τykm：绕组对空气的允许温升；τrkm：绕组对空气的允许温升；Δτri：绕组对油温升的最大值；τsi：第i段时间内变压器油对空气的起始温升；τri：第i段时间内绕组对空气的温升；τsn：第n段时间内变压器油对空气的起始温升；τrn：第n段终了时绕组对空气的温升。

2）出口油和入口油温升

考虑冷却系统后，主变压器出口油温升与入口油温升之差同样可以采用式（11）来计算：独显示；网络窗口中，所有的曲线以不同颜色或不同线形显示在同一坐标系中，这样更便于同时观察各部分的温度变化情况。

测试窗口程序初始化时会创建一个文件，用于测试窗口输入参数的读写操作。网络窗口程序初始化时同样也会创建一个文件，用于存储以太网所上传的数据。当用户点击“保存”按钮时，程序启动保存功能，将以太网发送的数据全部写入之前所创建的文件中，并且会在文件头写入一些信息，例如：本次数据保存的起始时间和结束时间、保存的数据名称等，同时，还将当前显示的温升曲线经用户予以命名之后保存为图片。

3 运行结果与分析

3.1 数据与曲线显示功能

启动温升计算软件的网络窗口，可看到窗口右上角为以太网实时传输的各个数据，右下角为各温度实时计算结果，左侧分别为各温度对时间和距离的曲线。通过下方的控件可调节时间和距离的显示范围以及修改软件服务器端的IP地址，如图8所示。

图8 数据与曲线显示Fig.8 Display of data and curve

3.2 曲线存储功能

当点击温升计算软件界面右下角的“保存”按钮时，会弹出如图9所示的另存为对话框，用户可进行重命名后保存，温升曲线区域将以位图的形式保存到用户所指定的某个位置。图10所示即为存储下来的温升曲线图。

图9 曲线存储对话框Fig.9 Dialog of saving curve

3.3 温升结果上传功能

温升软件计算结果通过套接字的方式上传给模拟的综合仿真平台，如图11所示。界面最下方显示的即为实时上传的各部分温度结果。

图10 存储曲线位图Fig.10 BMP of saving curve

图11 温升上传结果Fig.11 Result of uploaded temperature rise

4 结论

笔者介绍了高速动车组的温升计算软件，软件对用户界面呈多窗口结构，功能的执行由事件驱动，主要可以完成损耗计算、温升计算、通信和数据传输、窗口操作、屏幕显示输出等功能，使用起来十分方便。整个软件功能和界面介绍部分是对软件体系结构设计思想的具体实现，还可以直接反映出软件解决实际问题的能力。总而言之，高速动车组温升计算软件是在Windows XP环境下，用VC编程实现的多目标、多任务和多窗口的图形用户界面，用户可以在界面上完成数据输入、修改、计算等全部工作，该软件具有用户界面友好，软件性能强，运行速度快，易于移植，开发研制的周期短等优点。

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