机车变流器便携式在线监测系统的设计

郑江平， 郭彭昱， 李 东

（中车永济电机有限公司技术中心， 陕西 西安 710016）

引言

HXD2 型新八轴机车是在HXD2 型基础上自主研发的交流传动电力机车，是目前国内货运主力机车车型之一。整车为八轴9 600 kW 货运电力机车，采用轴控驱动模式，单轴驱动功率1 200 kW。每节机车配有两组变流柜，每台变流柜驱动两台1 200 kW的牵引电机工作。变流柜由变压器次变取电，额定输入电压950 V，额定输入电流1 692 A。变流柜内部有整流模块、整流斩波模块和逆变模块等[1-3]。

新八轴机车变流器模块发生故障只能返厂测试，测试时的输入电压、电流都是人为设置，并不能复现实际运行工况[4-6]。因此本文提出一种新型便携式机车变流柜在线监测系统，可记录实际运行过程中各个参数数据。该系统采用模块化、标准化设计方案，无需220 V 交流供电，占地面积不足0.5 m2，不影响机械间通行。

1 系统总体设计

在线监测系统的设计主要包括机械改造、硬件设计和软件设计三方面。

机械改造包括变流柜的改造和监测设备的防振改造。变流柜的改造包括监测信号线的引出及高压防护，电压传感器和电流传感器的安装固定，以及将监测信号连接至监测设备。考虑到机车运行过程中，较为强烈的振动可能会对在线测试及高速大容量硬盘的数据传输产生影响，因此采用定制箱体固定设备主体、电源和硬盘，可保证测试过程顺利进行。

系统的硬件设计包括硬件的构成和选型。变流柜在线监测系统的硬件组成如图1 所示，主要由cRIO-9038 控制器、测试模块、电流传感器、电压传感器、衰减器、12 V 锂电池、上位机和存储设备等部分组成。其中传感器部分和测试模块可根据监测信号的不同进行调整。

系统软件设计主要包括监测数据实时采集存储和数据分析。通过各传感器获得监测信号，可实时在上位机进行查看，及时发现异常。监测数据同时也会存储到高速移动硬盘之中，测试完成之后可通过DIAdem 软件进行更为详细的数据分析。

2 系统硬件设计

系统的主要部分包括固定的控制单元、存储单元和电源，以及根据监测信号不同而变化的测试模块和传感器等。

NI cRIO-9038 CompactRIO 控制器是一款适用于高级控制和监控应用的嵌入式控制器。

控制器具有33 GHz 双核CPU、Xilinx Kintex-7 160 T FPGA、2 GB DDR3 RAM、8 GB 非易失性存储容量。该控制器运行NI Linux Real-Time 操作系统，兼具实时操作系统的高性能和Linux 的开放性。嵌入式用户界面功能和Mini DisplayPort 可允许添加本地人机界面（HMI）,以简化程序开发。这款控制器提供了SDHC 插槽和各种连接端口，包括两个千兆以太网、两个USB 高速主机、一个USB 设备和两个串行端口连接选项以及8 槽Compact RIO 接口。具有较宽工作温度范围，为-40～70 ℃，完全适应机车运行环境。

存储单元采用NI cRIO-9801 存储单元，具有512 GB 高速固态移动硬盘，传输速率可达500 Mbit/s。

系统采用12 V 锂电池移动电源供电，占地空间小，且过分相区间可不间断监测。根据监测信号需要，选择适合的模块。本次监测选用两个cRIO-9223模块。该模块为CompactRIO 系统输入电压信号，同时还为高压应用提供隔离和过流保护。9223 模块拥有4 个差分模拟输入通道，电压输入范围-10～10 V，每个通道分辨率为16 bit，可同步采样，采样频率为1 MHz，60 V DC 通道间隔离。此外具有100 V的过压保护, 防止错误信号连接或意外输入到个别通道。

3 系统软件设计

系统软件采用Labview 编程。该软件可进行试验参数的设定、实时显示被测量波形、并可将数据进行存储，测试完成后可进行测试数据分析。

3.1 参数设定及实时观测

在主界面可以对不同信号的名称、量程和倍率进行更改，以获得合适范围的波形，便于观测。在主界面还可以选择进入各监测模块，实时观察被测量波形。变流器在线监测系统软件主窗口如图2 所示。

3.2 数据存储及分析

数据处理是实时监测系统的关键功能，需要从传感器采集数据，通过处理后在监测界面以图形显示。采集速度太慢会导致数据不准确，甚至波形不连续，不利于准确分析。采集过快则单位时间内数据量变大，一是对处理速度要求变高，二是对存储单元的容量要求也变大。通过分析，可对电压、电流这类高速变化的信号采用1 MHz高采样率进行数据采集。温度信号变化较慢，可采用较低采样率进行数据采集，这样可以较好地平衡数据量和采集速度之间的关系。

数据分析是在线监测系统的最终目的，是否可以通过软件对采集的数据合理地进行处理和分析，并输出有效的分析报告才是系统的意义所在。通过DIAdem 软件，可对测试数据进行详尽对比分析。

3.3 现场测试

对兰州西——新丰镇兰新线运行的HXD2 型新八轴机车A 节1 轴进行了在线监测，选择8 路测试信号，如表1 所示。重点监测接触网网压品质、四象限功率模块输入电流以及IGBT 工作状态等信息。

表1 测试信号

将相关测试点通过线缆、高压差分探头或电流传感器（罗氏线圈）引出，与在线监测设备连接，在线监测设备将采集到的电流、电压等信号存储在固态硬盘中，同时将采集的实时数据波形通过以太网线缆传输至上位机电脑，供监测人员实时监控与查看。

本次在线监测获得了大量真实工况下变流器的运行数据。监测设备现场安装图如图3 所示。

通过对比分析，可以发现：

1）本次测试为随车不间断在线监测，因此涵盖了车辆运行过程中的几乎所有工况，如启动、加速、减速、过分相和制动等。在多次测试过程中，在线监测系统运行正常，变流器工作时8 路监测信号如图4 所示。

2）通过图5 可以看出，过分相前后监测系统工作正常，因为不需220 V 电源供电，过分相期间仍可正常记录数据。

4 结语

本文提出一种新型便携式机车变流柜在线监测系统。占地面积小，采样速率高，无需220 V 电源，现场测试数据表明该系统的可行性及优越性。在线监测系统能测得实际工况下模块状态信息，对变流器优化设计提供数据支持。