列车牵引系统IGBT脉冲信号丢失仿真实验分析

王 力， 韩建宁， 郑慧丽

（中车永济电机有限公司技术中心， 陕西 西安 710016）

引言

高速动车组目前已成为大众出行的首选交通工具，针对其电力牵引传动系统的可靠性研究显得尤为重要。据动车组牵引系统故障数统计结果表明，电力牵引变流器故障数占比达15%，其中四象限脉冲整流模块和牵引逆变器功率模块故障数占牵引变流器部件总故障次数的65%[1]。由于IGBT集合了MOSFET驱动功率小、通断速度快和BJT通态压降小、过载能力大的优点，目前绝大部分的四象限整流模块和逆变模块均采用IGBT作为其主开关功率器件[2]。因此针对IGBT故障工况的研究分析对列车牵引系统可靠性具有重要意义。

半实物仿真平台釆用真实的数字控制器，把高速动车组控制器的输入和输出连接外围电路的实时仿真系统中，并且所有系统通过高速动车组控制器闭环控制，即硬件在回路仿真[3]，相比于纯软件仿真可以更准确地研究牵引控制系统在各种故障工况下的电气特性，降低变流器故障率，提高牵引控制系统的稳定性。

本文通过在半实物仿真平台上模拟四象限脉冲丢失的故障工况，研究脉冲丢失对母线电压、四象限和逆变模块的冲击和影响程度，进而验证控制算法的可靠性。

1 列车牵引主电路原理

列车主电路工作原理如图1所示，列车处于牵引状态时，25 kV/50 Hz单相交流电从接触网由受电弓、高压断路器等，经牵引变压器降压后，输出单相交流电。首先通过主接触器给中间直流侧电容充电；当中间直流侧电压达到一定阀值后，启动四象限变流器继续抬升中间直流侧电压，最终稳定至系统设计的目标电压值；最后经牵引逆变器转换成牵引电机所需的变压变频三相交流电，整个过程是将电能转化为机械能来驱动牵引电机。列车在制动工况时，控制牵引逆变器使牵引电机处于发电状态，牵引逆变器工作于整流状态，牵引电机发出的三相交流电被整流为直流电并对中间直流环节进行充电，使中间直流环节电压上升。四象限整流器工作于逆变状态，中间直流回路直流电被逆变为单相交流电，该交流电通过主变压器、主断路器、受电弓等高压设备反馈给接触网，从而实现机械能到电能的转换[4]。

图1 列车牵引系统主电路原理图

四象限变流器作为牵引系统的重要组成部分，不仅要保证中间直流环节电路的直流电压保持恒定，确保电机侧牵引逆变器以及辅助变流器的正常工作，而且保证网侧功率因数近似等于单位值，减少对周围环境的电磁干扰，降低电能传输中的损耗，实现输出电压的快速调节及能量的双向流动。一旦四象限脉冲封锁后，逆变器的脉冲也会封锁，整个牵引系统就会停止工作，因此，针对四象限脉冲故障工况进行仿真分析对于研究整车牵引控制系统显得尤为重要。

2 半实物仿真模型的建立

半实物仿真模型主要包括接触网、牵引变压器、整流、中间直流环节、逆变、牵引电机模型、速度转矩等信号监测模型和变流器控制模型。搭建的整流模型如图2所示。

图2 IGBT脉冲信号丢失故障模型

图2是控制四象限桥臂IGBT脉冲信号丢失工况的模型，通过阶跃信号设置在t=100 s时刻故障，故障时间设定为1 s。

3 实验过程及仿真结果分析

3.1 实验过程

在半实物仿真试验过程中模拟四象限桥臂IGBT脉冲信号丢失工况，车速152 km/h满载运行：在t=100 s时刻，故障分两种情况：IGBT上管故障和上下管同时故障，故障时间设定为1 s，观测故障瞬间关键变量波形；系统在故障发生后持续7 s自动重新启动四象限和逆变，正常运行，观测启动瞬间关键变量波形。

3.2 四象限IGBT脉冲信号丢失瞬间波形分析

四象限脉冲信号丢失瞬间波形如图3所示：

图3 IGBT脉冲信号丢失瞬间波形

然后对直流母线电压、四象限输入电压、逆变输出电流进行分析，波形如图4、图5、图6所示。

图4 直流母线电压

分析结果：直流母线电压波动范围（2 986～3520 V），直流母线纹波幅值534 V。其中直流母线电压分量幅值3 269 V，主要谐波有2次、3次、4次。

图5 四象限输入电压

分析结果：四象限输入电压开始是受IGBT脉冲控制，脉冲丢失后，整流器成不控整流，电压波形变成连续正弦波。

图6 逆变器1输出电流

分析结果：四象限脉冲丢失后，逆变器脉冲封锁，逆变器1输出电流为0，逆变器2输出电流也为0。

3.3 四象限IGBT脉冲信号恢复瞬间波形分析（见图 7、图 8、图 9、图 10）

图7 脉冲信号恢复瞬间波形

波形说明：由图7可以看出，四象限脉冲信号恢复瞬间，直流母线有个升压的过程，网压不受影响，四象限输入电压及逆变输出电压由不控的连续正弦波变为可控方波，四象限输入电流和逆变输出电流值由0开始变大。

图8 直流母线电压

分析结果：四象限脉冲信号恢复后，由不控整流变为可控整流，直流母线电压有一个上升的过程，恢复瞬间波形正常。

图9 四象限输入电压

分析结果：四象限脉冲恢复，四象限输入电压由不控整流产生的正弦波变为可控方波，恢复瞬间波形正常。

图10 逆变器1输出电流

分析结果：逆变脉冲信号恢复，启动瞬间逆变输出电流有瞬间紊乱，电流幅值不到100 A，不会对逆变器造成大冲击，可以进一步优化控制算法消除紊乱。

3.4 仿真结果分析

IGBT上管1H故障及上下管1H/1B同时故障的电气变量瞬时值如表1所示。

表1 IGBT上管1H故障及上下管1H/1B同时故障的电气变量瞬时值

通过分析脉冲丢失瞬间和恢复瞬间关键变量的瞬时值以及波形的变化情况，得出以下结论：

1）在四象限桥臂IGBT脉冲信号丢失工况时，电气变量的幅值未发现异常情况；

2）在四象限桥臂IGBT脉冲信号恢复正常的瞬间，会造成牵引逆变器输出电流的瞬间紊乱。

4 结论

通过在半实物仿真平台上搭建列车牵引系统模型，模拟仿真某一时刻四象限IGBT脉冲信号丢失故障工况，仿真结果表明，脉冲信号丢失瞬间，控制算法对系统能够进行快速保护响应，对母线电压、四象限和逆变器未造成明显的冲击；在脉冲信号恢复瞬间，会造成牵引逆变器输出电流的瞬间紊乱，可以通过进一步优化控制算法消除紊乱。

[1]苟斌.电力牵引变流器故障诊断与容错控制技术研究[D].成都：西南交通大学，2016.

[2]忻力.IGBT在轨道交通牵引应用中的可靠性研究[J].机车电传动，2015（5）：1-5.

[3]顾春杰.基于RT-LAB的高速动车组牵引传动系统仿真平台研究[D].杭州：浙江大学，2013.

[4]杨显进.CRH5牵引变流器的研究[D].成都：西南交通大学，2009.