CRH3动车组牵引系统半实物仿真研究

宋君君等

摘要：文章通过分析CRH3高速动车组牵引传动系统的结构和工作原理，基于Simulink建立牵引传动系统离散数学模型，并利用Dspace实时仿真器建立虚拟牵引传动系统，它和自制的牵引系统接口箱、牵引控制单元TCU、建立的TCU的MVB仿真环境共同构成了牵引传动系统半实物实时仿真平台，以模拟动车组运行时的牵引传动系统。

关键词：CRH3动车组；牵引传动系统；接口箱；Dspace；TCU 文献标识码：A

中图分类号：TP391 文章编号：1009-2374（2016）06-0013-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.06.007

1 概述

CRH3型动车组是以德国西门子公司的Velaro-E动车组为原型车，大多数的动车的关键部件如牵引控制单元TCU、中央控制单元CCU、制动控制单元BCU等仍然是国外采购。而当前对TCU的研究困难，主要是由于环境复杂、损耗大、效率低、危险度高，应将实际控制器和虚拟被控对象连接，在实验室环境下实现控制器的研发与测试。

2 CRH3牵引系统半实物仿真研究方案

2.1 建设方案

（1）基于Simulink建立了包含牵引变压器、四象限变流器、中间直流回路、PWM逆变器、牵引电机5个子系统的牵引传动系统的数学模型，通过专用平台将仿真模型下载到Dspace仿真器，实时模拟牵引传动系统。Dspace实时仿真器、IO操作面板、TCU和接口转换箱共同组成牵引传动系统实时仿真平台的基础架构；（2）为了模拟CRH3牵引传动系统响应司机指令的过程，通过LabView建立MVB仿真环境控制界面实现在牵引传动系统实时仿真平台中加入CCU的模拟，其通过MVB网络与TCU进行数据的交换；（3）利用该实时仿真平台，对CRH3车载TCU进行了仿真测试和程序开发。

2.2 CRH3牵引系统半实物仿真平台的组成

（1）LabView搭建的网络信号界面；（2）Dspace仿真平台；（3）工控机模拟CCU，MVB板卡LabView软件，安装有TCU的上位机软件Monitor，可用于对TCU进行实时监控和故障诊断；（4）牵引控制单元TCU；（5）接口箱；（6）实时仿真上位机。

3 仿真平台的设计

3.1 接口箱的设计

牵引仿真系统接口箱主要完成仿真软硬件Dspace与车用牵引控制单元TCU的信号转换。接口箱由三部分组成：IO操作面板、后面板和信号调理板。IO操作面板主要实现牵引电机冷却装置相关温度及压力传感器的电信号的模拟，其中冷却系统温度包括冷却装置入口温度、冷却装置出口温度、过滤器温度、水冷内部温度、变流器温度和各个电机轴温、MUB电阻的温度。

完成对牵引控制单元工作模式及识别的模拟，完成与牵引控制相关如供电状态、主断状况重要信息的显示，IO面板安装部分开关、滑动变阻器和指示灯。中间转换电路实现TCU信号和Dspace仿真信号之间信号调理转换。后面板主要用于出线，调理后信号走向处理。图1为信号传递及调理的示意图：

TCU与接口箱的接口设计以及接口箱与Dsapce的接口设计，通过中间的电路板的电压转换，实现从TCU的输出信号到Dsapce的输入信号的转换和从Dsapce的开关信号和转速信号电压电流信号到TCU的输入的转换。

3.2 牵引传动系统的仿真设计

CRH3牵引传动系统采用分布式结构，各子传动系统及中央控制系统之间利用MVB网络进行数据交换。牵引传动系统由受电弓、牵引变压器、四象限变流器、中间直流回路、PWM逆变器、牵引电机和变速箱组成。受电弓将接触网的25kV单相工频交流电输送给牵引变压器，经变压器降压后的单相交流电供给2个四象限变流器，四象限变流器将单相交流电变换为直流电，经中间直流回路输送给PWM逆变器，PWM逆变器将直流电变换成幅值和频率均可控的三相交流电，为三相异步牵引电机供电。牵引电机轴输出的转矩和转速通过变速箱内的齿轮传递给车轴，转换成轮缘牵引力和车辆速度。

在仿真软件Matlab/Simulink环境下搭建CRH3动车组牵引系统的仿真模型。模型具体参数设置依照CRH3型动车组原型以及实车试验参数：牵引电动机的额定电压：2750V；额定电流：135A；额定功率：560kW；额定转速：4100转/分；极对数：2对；转动惯量：J=100。

仿真模型使用Simulink建立完成后，通过RTI实现并下载到实时Dspace仿真器中，余下的工作就由ControlDesk来完成。ControlDesk将对实验过程进行综合管理。

Dspace仿真器的主要输入为IGBT的脉冲及开关控制信号，主要输出为牵引电机的电压、电流和速度信号。为了缩小仿真计算周期，Dspace仿真器选用双处理器（CPU）配置并行计算。为了减少2个CPU之间数据的交换，对模型进行了合理的分配，主CPU用于牵引变压器和四象限变流器模型的计算，从CPU用于中间直流回路、PWM逆变器和牵引电机模型的计算。2个CPU仅交换直流端电压和电流等数据。

ControlDesk部分监控界面，它显示了仿真的基本信息：仿真步长，计算周期，仿真时间和采样频率的设置；另外还设置了输入窗口，分别用于输入“VCB手动启动”信号，可实现对系统的实时手动调节；其他主要包含虚拟示波器，用于对关注数据进行观测。

3.3 网络信号系统的设计

TCU是牵引传动系统的控制单元，可从MVB网络获取司控台发出的控制指令，也可通过MVB网络发送给CCU的相关牵引状态数据；CCU通过采集牵引传动系统的电压、电流、温度和断路器状态等信息，并集合CCU网络指令控制牵引传动系统部件，完成牵引/制动管理、速度管理、安全监测和故障诊断等功能。虚拟MVB网络由一台装有MVB网卡的PC机来完成，利用图形化编程工具LabView编写CRH3牵引系统MVB环境仿真程序，模拟列车控制器与TCU之间的通信。

在装有MVB板卡的工控机上安装OPC Server，并通过OPC Server将网络配置工具生成的需要给TCU发送的MVB数据及将MVB板卡作为MVB网络总线主的文件配置给MVB板卡。通过OPC服务器与LabView软件连接。搭建出司控台控制指令输入界面、状态显示输出界面、参数设置界面、温度设置界面等。

PC机上基于LabView构建了虚拟司控台界面，当对司控台的输入界面进行操纵时，例如牵引、制动指令和牵引、制动设定值的修改，可通过MVB网络传给TCU；同时，TCU中的车速、电压、电流数据通过MVB网络传递给司控台并显示。

工控机中安装TCU的上位机软件，用于对TCU进行实时监控和故障诊断。

4 平台仿真结果

牵引系统半实物仿真平台的仿真结果图3是中间环节电压的电压曲线，牵引工况和制动工况的完整曲线。列车上电后，经过预充电接触器闭合后，支撑电容进行预充电，主接触器闭合，充电继续，直到中间直流电压上升并维持在2600～2700V，CCU发出牵引指令，列车加速电压上升到3400V，列车运行速度为300km/h，此时发出制动指令，电压短暂上升后开始。图4为牵引特性曲线。

5 结语

通过仿真示波器显示出的牵引特性曲线与给定的牵引特性曲线基本一致，牵引和制动工况下的四象限变流器和牵引电机的电压和电流也满足牵引和制动控制的要求，所以牵引系统半实物实时仿真平台能够对牵引控制器车载程序进行测试，平台中的虚拟牵引传动系统能够替代实际传动系统用于动车组牵引控制器的研究及测试以及TCU程序的开发设计。利用该牵引传动系统仿真平台，进行了牵引系统的故障模拟，能够为解决实车的常见故障提供快速的方法和经验。

参考文献

[1] 冯晓云.交流传动及其控制系统[M].北京：高等教育出版社，2009.

[2] 崔恒斌，陈春阳.牵引逆变系统实时仿真模型的研究[J].计算机仿真，2011，28（4）.

[3] 宋术全.CRH3型动车组辅助变流器半实物仿真系统

[J].中国铁道科学，2012，33（2）.

[4] 王欢.基于LabVIEW的实时控制与仿真技术应用研究[D].南京航空航天大学，2008.

作者简介：宋君君（1986-），女，河北唐山人，供职于唐山轨道客车有限责任公司，研究方向：动车组牵引传动

系统。

（责任编辑：周 琼）