基于CAN总线的主逆变器试验台的设计

刘昌亮，肖正

（1.广西工业职业技术学院，广西南宁 530001；2.中南大学信息科学与工程学院，湖南长沙 410075）

基于CAN总线的主逆变器试验台的设计

刘昌亮1，肖正2

（1.广西工业职业技术学院，广西南宁 530001；2.中南大学信息科学与工程学院，湖南长沙 410075）

针对目前对HXD3、HXD3C、HXD1B、HXD1C型电力机车变流器故障诊断需求以及它们之间的性能差异，提出使用CAN总线将各功能模块连接起来，并通过分析处理软件对测试数据进行分析、处理，并对存在故障的变流器进行故障诊断。利用CAN总线易于扩展、结构简单的特点，改变了以前诊断系统功能单一、不易扩展等缺点，便于系统的升级和节约重复设计的成本。

CAN总线；变流器；故障诊断；性能测试

0 引言

目前，国内外很多机构都开展了对机车的主逆变器诊断系统的研究，但大都是针对某一种特定型号的逆变器来设计，不便于系统的后期升级和扩展。本试验台正是为了解决此问题而设计，主要采用模块化设计思想，以故障诊断主机为核心，可编程序控制器控制完成对系统自身接触器、继电器的逻辑控制和自检；变流器控制模块模拟机车微机控制系统控制被试变流器动作；信号采集系统采集被试变流器的实验数据；专用测试仪器则对被试变流器的谐波、相位角以及光纤通道的状态进行测试[1-2]。所有智能设备通过CAN总线将实验数据联接到计算机的串口总线，从而进入计算机中进行数据处理和储存。

1 系统结构设计

1.1 系统结构原理图

该系统的主体实验结构如图1所示，各模块装在做好的控制柜中，通过CAN总线进行连接，其中专用测试主要包括：IGBT模块测试、变流器各主要电阻和电容器件数值测试、速度传感器信号通道测试、中间电压检测单元测试。同样通过CAN总线将各功能模块与故障诊断主机相连接[3-5]。

1.2 接口规范

该测试台设计符合铁道部关于和谐型机车管理信息系统自动化设备接口规范。采用CAN总线的自动化设备或流水生产线设上位管理机，配置以太网卡和现场总线卡、设备控制器等，通过工业通信方式实现数据采集控制，将设备信息、操作信息、检修检测试验数据、状态信息等进行整合，与信息系统交换数据。采用串行接口的自动化设备，使接口计算机与信息系统交换[3，6]。

图1 系统结构原理图

2 试验台的主要功能模块

该试验台主要的测试功能有变流器保护功能测试、变流器动作逻辑测试、变流器输入和输出通道测试、绝缘电阻测试、通信信号通道测试、IGBT模块检测、变流器各主要电阻和电容器件数值测试、速度传感器信号通道测试。各功能均采用模块化设计，通过CAN总线与上位主机进行连接。由于各模块的功能不同，基本设计思想相似，因此选择变流器保护功能测试、变流器动作逻辑测试来做详细说明。

2.1 变流器保护功能测试

在机车主变流器内，设立多种保护功能，以保护牵引变流器和整车安全运行。系统在提供主变流器正常工作的条件下，通过各种模拟量、数字量模拟车载设备，供给牵引变流器和辅助变流器信号对被试变流器的各种保护进行测试。其测试原理如图2所示[7-8]。

2.1.1 过流和过载保护

（1）在每一组牵引变流器的输入回路中，设有输入电流互感器ACCT，用于控制和监视变流器的输入电流，防止输入端过载或短路。在试验系统中通过模拟该电流反馈信号，计算机监测保护发生时四象限整流器和逆变器的门极是否被封锁，输入回路中的工作接触器是否断开，同时牵引变流器是否向微机控制系统发出跳主断的信号。

图2 变流器保护功能测试原理图

（2）在每一组牵引变流的输出回路中，设有输出电流互感器CTU、CTW，对牵引电机过载及牵引电机三相不平衡起控制和监视保护作用。在试验系统中通过模拟该电流反馈信号，计算机监测保护发生时四象限脉冲整流器和逆变器的门极是否被封锁，输入回路中的工作接触器是否断开，同时牵引变流器是否向微机控制系统发出跳主断的信号。

2.1.2 接地保护

对于HXD3，牵引变流器的接地保护系统由跨接在中间回路的两个串联电容和一个接地信号传感器组成。当主牵引回路正常时，由于只有一点接地，接地保护电路中流过的电流为零，接地信号检测传感器无信号输出。本系统模拟接地信号传感器输出，给出故障条件。

对于HXD1，接地故障检测由分压器、拟位势绝缘的差动放大器和一个比较电路组成。固定放电电阻器按102kΩ∶34kΩ的比例划分成两部分。电阻器的中心抽头接地，一个滤波电容器并联在阻值低的电阻器上。监控该电容器的电压，当发生接地故障时，被测电压发生变化，由此，相关联的牵引控制单元TCU就能识别接地故障。本系统通过DA输出，模拟被检测电容器电压传感器输出，给出故障条件。

在试验系统中通过模拟该故障反馈信号且持续时间超过1ms时，计算机监测保护发生时四象限脉冲整流器和逆变器的门极是否被封锁，输入回路中的工作接触器是否断开，若故障持续时间达到150ms时，计算机监测牵引变流器是否向微机控制系统发出主断的信号。

2.1.3 瞬时过电压保护

当机车出现空转、滑行或者受电弓离线造成的网压中断等情况时，牵引变流器上可能出现瞬时过电压。为了防止这种过电压对变流器造成损坏，在中间直流回路设有瞬时过电压限制电路，由IGBT和限制电阻组成。当中间直流回路达到3200V且持续时间达40μs时，瞬时过电压保护回路动作，该IGBT将导通，直流回路能量经限流电阻放电和释放，消除过电压。

在试验系统中通过模拟该故障反馈信号且持续时间超过40μs时，计算机监测保护发生时IGBT触发信号是否发出。

2.1.4 器件保护

（1）四象限整流器器件的短路保护通过对门放大器的监测，当出现门电压不一致时，说明四象限整流器器件短路，四象限整流器和逆变器的门极均被封锁，输入回路中的工作接触器断开，同时微机控制系统发出跳主断的信号。

在试验系统中通过模拟该反馈信号，计算机监测保护发生时四象限脉冲整流器和逆变器的门极是否被封锁，输入回路中的工作接触器是否断开，同时牵引变流器是否向微机控制系统发出跳主断的信号。

（2）通过对门放大器的监测，当出现门电压不一致时，说明逆变器器件短路，四象限整流器和逆变器的门极均被封锁，输入回路中的工作接触器断开，同时微机控制系统发出跳主断的信号。

在试验系统中通过模拟该反馈信号，计算机监测保护发生时四象限脉冲整流器和逆变器的门极是否被封锁，输入回路中的工作接触器是否断开，同时牵引变流器是否向微机控制系统发出跳主断的信号。

试验的过程中都是通过模拟变流器的动作来诊断各种保护是否做好，有问题的就通过数据采集卡和CAN总线系统将数据传入试验台中央处理器来处理。

2.2 变流器动作逻辑测试

变流器控制着主变压器和牵引电动机之间、主变压器和辅助机组之间的能量传输，其逻辑动作的安全可靠直接关系到整列车辆的安全运行。因此，通过模拟车辆控制信号及各种机车反馈模拟量、数字量信号测试牵引变流器和辅助变流器的各种动作逻辑，是检修、测试的重要测试项目，其测试原理如图3所示。例如在HXD3型电力机车中，主变流器允许投入前必须具备牵引风机风速继电器的回馈信号和主变压器油流继电器的信号[5，7]。

3 系统软件设计

本系统软件采用数据采集的主流软件LabVIEW 2010编写，同时调用acess数据库来存储采集的数据，以便于今后查阅。主体设计思想与系统硬件的设计一致，采用模块化的设计思想。

其主要的设计流程如图4所示。

图3 变流器动作逻辑测试原理图

图4 系统主程序流程图

其余的各功能模块，独自编写成子模块，采用子程序调用方式，完成相应的功能检测，将检测到的数据传回到主程序中。主程序对采集回来的数据量进行判断、处理，同时给出相应的处理意见[6，8]。

4 现场实验结果

在对HXD3型电力机车的主变流器进行了变流器保护功能测试、变流器动作逻辑测试、变流器输入和输出通道测试、绝缘电阻测试、通信信号通道测试、IGBT模块检测、变流器各主要电阻和电容器件数值测试、速度传感器信号通道测试。

将经过测试的主变流器装车运行，得到的结果安全可靠。对在运行中出现故障的变流器进行测试，经测试检修后，装车运行情况良好。

试验结果表明，该实验台对HXD3、HXD3C、HXD1B、HXD1C型电力机车变流器诊断全面，安全可靠，达到了对主变流器的诊断目的[4，7-8]。

5 结束语

该试验台目前已有3套在两地的机车检修基地中投入运行，运行情况良好。由于使用了CAN总线，系统易于扩充，随着今后的诊断技术要求越来越高，需要添加新的模块时，直接将新的节点挂在上面，同时在上位机软件中添加该模块的处理功能即可，体现了该实验台的改进和系统升级的灵活。

[1]严云升．微机在国产电力机车上的应用[J]．机车电传动，1998（5）：31-33.

[2]严云升．TM1型机车的微机控制系统[J]．机车电传动，1997（3）：1-4.

[3]李蔚．DJJ1型高速交流传动电动车组微机控制与通信系统[J]．电力机车技术，2001（2）：9-11.

[4]常振臣，牛得田，王立德．列车通信网络研究现状及展望[J]．电力机车与城轨车辆，2005（5）：5-7.

[5]黄采伦，樊晓平，陈特放.列车故障在线诊断及应用[M].北京：国防工业出版社，2006：40-71.

[6]周桂发，陈特放，崔晓庆.机车在线故障诊断专家系统研究[J].长沙铁道学院学报，2002，20（1）：105-112.

[7]吴明强，史慧，朱晓华，等.故障诊断专家系统研究现状与展望[J].计算机测量与控制，2005，13（12）：1301-1304.

[8]唐建湘，蒋新华，陈特放.电力机车状态监测与故障诊断系统研究[J].中南大学学报：自然科学版，2003，34（2）: 199-202.

Design of main inverter test bed based on CAN bus

LIU Chang-liang1，XIAO Zheng2
（1.Guangxi Vocational&Technical Institute of Industry，Nanning 530001，China；
2.Information Science and Engineering College，Central South University，Changsha 410075，China）

Main inverter test bed is mainly used to test the comprehensive performance of the converters of HXD3，HXD3C，HXD1B，HXD1C electric locomotives，and test the performance of the converter CI/TCU control unit.This paper proposed to connect each function module with CAN bus and to analyze and process test data，orderly to diagnose the faults of converters through the analysis and processing software.The CAN bus is easy to expand and its structure is simple，which overcomes the shortcomings of the previous diagnosis system including single function，difficult to expand.The new system is easy to update and save the design cost.

CAN bus；converter；fault diagnosis；performance test

TM464；TP336；TP277；U292.9

A

1674-5124（2013）03-0062-03

2012-09-03；

：2012-11-17

国家自然科学基金项目（60774045）

刘昌亮（1980-），男，广西武宣县人，讲师，硕士，主要从事自动化技术的研究。