基于RT-LAB的高速动车组牵引传动系统实时仿真*

2013-01-22顾春杰

机电工程 2013年2期

顾春杰，韦巍，何衍

（浙江大学电气工程学院，浙江杭州310027）

0 引言

为进一步缓解铁路运力紧张、提升运输服务品质，在全国范围内实现高速铁路网是必然的趋势［1］。牵引传动系统作为高速列车的重要组成部分，是列车的动力来源。由于实验条件限制以及相关硬件设备的成本问题，研究者不可能在实验室完成真实的牵引传动系统的平台搭建，如今用的比较多的是使用Mat⁃lab 等仿真软件完成模型的搭建和相关数据的纯软件仿真。虽然通过仿真能得到被测量所需的理想结果，但不能实现信号的实时在线监测和故障发生时控制器对故障情况的及时响应。

本研究利用RT-LAB实时仿真软件搭建高速列车牵引传动系统的仿真模型，并与GE公司CT11系统为开发平台的控制器以及列车通信网络（MVB）组成硬件在环的实时仿真系统。

1 CRH3 型高速动车组牵引传动系统

CRH3 型高速动车组采用的是4 动4 拖8 辆编组，其中相邻的两辆动车为一个基本的动力单元，每个动力单元都有相应的牵引传动系统，其基本结构框图如图1所示。牵引传动系统主要由牵引变压器、牵引变流器和牵引电机三部分组成。25 kV/50 Hz 单相交流电从接触网经受电弓、真空断路器，经牵引变压器降压后，输出单相1 550 V/50 Hz的交流电。牵引变流器输入侧为两个并联的四象限脉冲整流器（4QC），输出电压经过中间直流环节得到平滑的直流电压。直流电压经PWM逆变器转换成牵引传动系统所需要的变压变频三相交流电，从而驱动异步牵引电机［2-3］。

图1 CRH3动车组一个动力单元的基本结构

1.1 四象限脉冲整流器

目前整流器电流控制技术主要有间接电流控制和直接电流控制，由于瞬态直接电流控制策略能使系统直流侧电压稳定快、动态响应好、对系统参数变化能做出快速调整，该技术是高速动车组脉冲整流器普遍采用的控制技术［4-5］。

瞬态直接电流控制框图如图2所示。为了使中间直流环节电压恒定，本研究将实时检测到的中间直流电压U d与给定电压U d*进行比较，经PI调节器输出增大或减小的IN*，以达到反馈控制U d的目的。同时实时检测电网电压和电流值，经运算电路后输出参考电压信号U s与三角载波进行SPWM调制，生成控制信号驱动开关器件。

1.2 牵引传动系统直接转矩控制

图2 瞬态直接电流控制框图

传统的动车组牵引传动系统牵引电机的控制方式主要采用矢量控制技术，而继矢量控制技术之后发展起来的直接转矩控制技术（DTC）［6］，它是在定子坐标系下观测电机定子磁链和电磁转矩，将磁链、转矩观测值与参考值经滞环比较器比较后得到磁链、转矩的控制信号，再由开关表选择合适的电压矢量控制定子磁链的走向，从而达到控制转矩的目的。定子磁链的计算只与定子电阻有关，而定子电阻的测量又相对比较容易，使得磁链的估算更容易、更精确，受电机参数变化的影响较小。所以本研究提出的动车组牵引传动系统采用直接转矩控制方式驱动牵引电机［7-8］。

牵引电机的直接转矩控制系统将电机给定转速和实际转速相比较，经速度PI调节器输出给定的转矩；同时该系统根据实测电机三相电流和电压值，利用磁链和转矩估计模型分别计算电机的定子磁链和电磁转矩大小、计算电机转子的位置。然后分别计算电机给定磁链和转矩与实际值的误差，经滞环控制器后根据它们的状态选择逆变器的开关矢量，从而得到所需的SP⁃WM波形，实现对牵引电机的直接转矩控制［9］。

2 CRH3 型动车组牵引控制单元

2.1 牵引与制动特性

动车组在牵引和制动过程中可分为两个区域：准恒转矩输出区和恒功率输出区［10］。CRH3型动车组在不同的速度时刻根据牵引与制动特性曲线输出所需的牵引力，使动车组顺利完成牵引或制动过程。

牵引工况时，牵引力和速度的数学关系为：

制动工况时，制动力和速度的数学关系为：

式中：F—1 个编组（16 台电机）轮轨牵引力/制动力，kN；v—动车组速度，km/h。

2.2 牵引电机转矩、转速以及负载转矩计算公式

牵引电机转矩指令可以根据当前列车速度和牵引特性曲线计算得到：

牵引电机转速与动车组运行速度换算关系为：

高速动车组基本阻力公式为［11］：

由转矩计算公式可得每台牵引电机的负载转矩为：

式中：F—1个编组（16台电机）轮轨牵引力/制动力，kN；v—动车组速度，km/h；T e—1 台牵引电机输出转矩，N·m；d—车轮直径，m；N—动车组牵引电机总数；a—传动比；η—传动效率；n—电机转速，r/min；np—电机极对数；fz—动车组基本阻力，N；m—动车组总质量，t；T L—1台牵引电机负载转矩，N·m。

2.3 牵引控制策略

列车牵引控制策略的结构框图如图3所示。

图3 列车牵引控制策略的结构框图

CRH3 型动车组由司机室的牵引手柄、速度手柄和制动手柄来控制列车运行。该系统根据目标速度与列车实际速度之间的关系来实现牵引、恒速运行和制动等不同运行工况下的模式切换。

在列车启动阶段，司机给定列车运行的目标速度，由牵引特性曲线得到相应的牵引力，牵引力经列车牵引控制单元计算相应的转矩，从而作为牵引电机直接转矩控制模型的输入来控制牵引变流器，使列车处于牵引加速的运行状态。当给定速度与列车实际速度的偏差大于5 km/h时，列车处于牵引模式。

当给定速度与列车实际速度的偏差在-5 km/h～5 km/h 之间时，列车进入恒速运行模式，使列车实际运行速度保持恒定。

列车运行在不同区域时有不同的限速要求，列车速度超过限速值或者给定速度与列车实际速度的偏差小于-5 km/h时，列车进入制动模式，最后在限速值或者给定的速度下稳定运行。

3 列车牵引传动系统的半实物仿真

3.1 RT-LAB实时仿真系统简介

RT-LAB实时仿真器是由加拿大Opal-RT公司开发的一套基于模型设计和测试应用的平台，它主要应用于实时仿真系统、快速控制原型和硬件在环测试系统。它与其他仿真平台的不同之处在于：它可以把复杂的模型划分为多个子系统，再把这些子系统分配到多个目标机的节点上，从而构成了一个可伸缩的分布式实时仿真系统。

一台装有Matlab/Simulink和RT-LAB软件的主机（Host）可以完成系统建模、在线参数调节和信号监测等工作。而运行QNX 或者Redhat 等实时操作系统的目标机（Target）完成的是对模型的实时计算。目标机是Opal-RT 公司为硬件在环仿真应用设计的实时仿真器，其内部配置了多核处理器，可以进行复杂系统的模型计算。主机和目标机之间通过TCP/IP 或者IEEE 1394进行实时在线交互［12］。

3.2 硬件在环系统仿真模型

RT-LAB 实时仿真器包含有op5340、op5330、op5353、op5354 模拟量和数字量输入输出模块，GE CT11 系统装有TEWS 公司tpmc 系列输入输出模块。由GE CT11 系统为开发平台的控制器接收司机室经列车通信网络（MVB）传来的控制信号，通过tpmc551dac模块将数字量转化为模拟量，并将其传输给RT-LAB实时仿真器的op5340AI模块，下载有软件仿真模型的RT-LAB实时仿真器接收到控制信号后会实现不同模式下运行工况的仿真。同时本研究将牵引传动系统仿真模型中有用的信号量通过I/O通道输出，再由GE公司CT11系统经MVB通信网络传输到司机室，以便对牵引传动系统进行实时在线监测，也可以对发生的故障做出及时的判断。在列车通信网络环境下，牵引传动系统的硬件在环仿真系统结构框图如图4所示。

图4 牵引传动系统硬件在环结构框图

在整个列车牵引传动系统硬件在环仿真系统中，被下载到RT-LAB实时仿真器中的软件仿真模型如图5所示，它被分作4 个模块，由仿真器的4 个核作并行运算处理。其中，sm_TC是由电网电压、牵引变压器、牵引变流器以及牵引电机组成的子系统；ss_monitor子系统用于控制信号的给定与反馈信号的监测，该子系统中包含信号输入/输出模块，通过GE CT11系统可以实现仿真器输入/输出模块与司机室之间的信号传输；ss_TCU子系统完成四象限整流器和逆变器直接转矩控制算法的仿真；ss_console子系统将部分信号量由示波器进行观测。

图5 牵引传动系统RT-LAB软件仿真框图

3.3 仿真结果及分析

本研究由司机室给定的牵引、制动及速度信号来模拟不同的运行工况。CRH3动车组牵引电机具体参数如表1所示。

表1 CRH3动车组牵引电机参数

式（3～6）是牵引电机转矩、转速以及负载转矩计算公式。针对CRH3 型动车组，其用到的车辆基本参数如下［13-15］：

d=0.875 m，N=16，a=2.788，η=0.97，np=2，m=536 t。

本研究根据搭建的仿真模型设置相关参数，由司机室牵引手柄、速度手柄和制动手柄控制列车的运行。列车初始给定速度为240 km/h，列车处于牵引状态；当列车实际速度到达240 km/h 时，列车处于恒速运行状态；25 s时，列车给定速度降为180 km/h。当然列车运行期间还要考虑运行环境问题，即限速问题。

由于RT-LAB仿真软件中模拟量输出模块所对应的硬件的输出电压范围是-16 V～+16 V，本研究在实测输出结果的时候将仿真模型中的相关信号量缩小一百倍处理，以满足硬件对量程的要求。本研究使用RT-LAB 仿真软件ScopeView 工具查看的仿真波形和使用Tektronix 公司的MSO3032 示波器实测所得RT-LAB仿真器模拟量输出波形，如图6、图7所示。

图6 列车输出转矩曲线

图7 列车运行速度曲线

在实测运行速度输出值满足硬件量程的前提下，比较图7（a）和7（b），发现图7（a）中实线所对应的列车运行速度仿真曲线与图7（b）中实测运行速度曲线的变化趋势保持一致。通过这两张图可以看出，列车运行速度比较平稳。牵引状态时列车运行速度从0 km/h开始加速，当速度达到一开始给定的目标速度240 km/h后，列车进入恒速运行模式；18.5 s时运行速度比限速大，列车处于制动模式，此时实际速度略低于限速值；24 s后，列车保持在略低于限速值120 km/h的恒速运行模式；25 s 时，给定速度由240 km/h 降为180 km/h，此时列车仍以略低于限速的速度运行；38 s时运行速度达到180 km/h，列车再次进入恒速运行模式。

对仿真结果及实测波形进行分析，图6 中牵引电机输出转矩的仿真结果与实测波形保持一致，并随速度的变化而平稳变化；运行速度的仿真结果与实测波形的变化趋势保持一致，在图7（a）中虚线所示的列车运行限速条件下列车的运行速度曲线比较光滑，并始终保持在规定的限速范围以下。通过对波形的比较分析说明，牵引电机直接转矩控制对定子磁链和转矩具有较好的控制效果。

4 结束语

通过对CRH3 型高速动车组牵引传动系统的介绍，本研究在Matlab/Simulink环境下，基于RT-LAB软件搭建了整个系统的仿真模型，并利用RT-LAB 实时仿真器和GE CT11 系统以及列车通信网络（MVB）组成了硬件在环的仿真平台。该模型牵引电机采用直接转矩控制技术，依据列车的牵引控制策略，可以完成牵引、恒速运行、制动等不同运行工况的模拟。

仿真及实测得到的列车运行速度曲线平稳，控制效果比较好。而通过对比仿真结果与实测波形变化趋势的一致性，进一步说明了搭建的牵引传动系统硬件在环仿真模型的正确性。本研究在列车通信网络的背景下搭建的硬件在环仿真模型，以整个列车系统为对象来研究列车的牵引控制策略，为之后进一步的实时在线监测和故障诊断研究提供了基础。

（References）：

［1］张曙光.京沪高速铁路系统优化研究［M］.北京：中国铁道出版社，2009.

［2］姜东杰.CRH3 型动车组牵引传动系统［J］.铁道机车车辆，2008，28（B12）：95-99.

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