基于HIL仿真试验平台的动车组电机缺相故障研究

郭 洋,任宝珠,姚大顺,于晓蔓,姜宋阳(中车大连电力牵引研发中心有限公司，辽宁 大连 116052)

0 引 言

电力牵引传动系统是动车组(EMU)重要的核心组成部分，其高可靠性是高速列车稳定运行的重要保障。牵引电机作为电力牵引系统中能量转换的载体，工作环境存在大量的电磁耦合，导致牵引电机故障率较高，因此完善牵引电机故障检测算法变得至关重要。牵引变流系统的功率等级较高，需要到具有资质的特定试验场所进行试验，考虑到试验场地造价高，同时也存在安全隐患，耗费大量的人力物力资源，因此在项目建立初期，优化故障检测算法尤为重要。通过硬件在环(HIL)仿真平台[1]搭建牵引电机故障工况，模拟电机定子绕组缺相时的故障状态和特征，在项目初期及时发掘软件在设计实现中存在的缺陷，对故障检测算法进行测试优化，节省了大量的人力物力资源。因此，设计EUM牵引电机缺相故障HIL仿真测试平台是十分有必要的。

近年来，诸多学者对电机缺相故障及诊断技术进行了一系列研究。文献[2]提出了一种不降阶方式建立多相感应电机模型，研究了多相感应电机在不同缺相工况下的电流特性，由于多相电机具有冗余特性，发生故障后仍可以运行。文献[3]在异步电机基本结构及运行原理的基础上，分析了异步电动机常见的电气故障和机械故障以及发生的原因，对转子断条、定子绕组断路及电源缺相故障进行分析。于明星等[4]通过对电机温度场模型做出合理假设，定义温度场边界条件，建立定子绕组等效热模型，计算正常运行和缺相运行时的温度场分布，分析缺相后各相绕组温度变化情况。文献[5-6]基于感应电机的数学模型，以MATLAB/Simulink为工具对电机定子绕组故障瞬态过程进行了建模仿真。

综上所述，基于异步电动机在静止坐标系下的数学模型，根据缺相故障下定子绕组的接线，推导出端电压的约束条件，基于MATLAB/Simulink中Xilinx软件建立异步电机定子绕组缺相数学模型，并采用dSPACE实时仿真器对电力牵引控制系统进行了HIL仿真，对实时仿真系统的构成进行了分析，通过电机缺相实时模型与牵引控制单元(TCU)连接，用于牵引系统电机缺相故障诊断与算法功能的开发测试和验证。

1 异步电机数学模型的建立

HIL实时仿真器是半实物仿真测试平台的核心，包括四象限模型、逆变器模型和电机模型，为了使实时仿真系统更加贴近EMU真实的工作环境，对仿真模型的精度提出了更高的要求。

1.1 正常状态下异步电机数学模型的建立

本文先介绍电机在正常工况时，电机模型建立的过程[7]，图1为对称的三相三线制电路结构图。设定子边电源电压为eag、ebg、ecg，为了能用电源电压来表示定子的各相电压，假设电机定子中点o与定子边电源中点g间电压为uog，定子各相端电压约束条件可表示为

(1)

式中：uas、ubs、ucs为定子绕组三相相电压；Rs为定子绕组电阻；ias、ibs、ics为定子三相绕组电流；φas、φbs、φcs为定子三相磁链；eag、ebg、ecg为定子边三相电源电压；uog为电机定子中点o与定子边电源中点g间电压。

图1 三相异步电机定子绕组示意图

为了求解出uog，可以将式(1)的3个方程式相加:

对于三相三线制连接方式，则:

ias+ibs+ics=0

(3)

进一步还可以证明:

φas+φbs+φcs=0

(4)

则有：

uas+ubs+ucs=0

(5)

故,可得：

(6)

将定子各相电压写成矩阵形式,如下:

(7)

异步电机三相原始模型相当复杂，通过坐标变换能够简化数学模型，便于分析和计算。本文介绍了静止两相α-β-n正交坐标系中的数学模型，包括端电压约束条件、电磁方程、电磁转矩和机械运动方程。

端电压约束条件为

(8)

电磁方程式为

(9)

式中：φαs、φβs分别为定子静止坐标系α轴、β轴磁链；φαr、φβr分别为转子旋转坐标系α轴、β轴磁链；Rr为转子绕组电阻；ω为转子角速度；Lls、Llr分别为定子漏感和转子漏感；φmα、φmβ分别为α轴、β轴互感磁链。

定义φmα、φmβ为α轴、β轴互感磁链:

(10)

电磁转矩方程如下:

(11)

机械运动方程如下:

(12)

式中:p为电机的极对数;J为转动惯量。

1.2 异步电机断路时电机数学模型建立

图2所示为异步电机工作在缺相工况下的定子绕组断路示意图。假设当t>0时，开关由位置1断开，发生了电源A相对电机中点缺相故障。缺相后，A相电流为0，即：

ias=0

(13)

考虑端电压约束条件，有：

(14)

将式(14)的ubs和ucs相加，并求解出电机定子中点o与定子边电源中点g间电压uog为

(15)

图2 三相异步电机定子绕组断路示意图

通过对o点运用节点电流法，则有:

ibs+ics=0

(16)

通过上述分析可知，当电机A相发生缺相后，A相的电流为0，B相和C相的电流互为反相。

如果将a-b-c变量形式的电流变换到静止坐标系α-β-n坐标系下，则有：

(17)

如果用α-β-n变量形式的磁链表示a-b-c变量形式的磁链，同时考虑式(17)所示的α轴电流与n轴电流间的关系，可以化简b、c磁链之和，可得：

(18)

将式(18)代入式(15)中得到：

(19)

在各相磁链的逆变换中可以求得:

(20)

所以:

(21)

变换到α-β-n坐标系下:

(22)

式(22)为异步电机定子绕组A相发生故障时的数学模型。

2 半实物仿真平台设计

2.1 EMU牵引系统主电路及缺相故障诊断

本文基于复兴号CR200J EMU项目进行半实物仿真，如图3所示为动力集中EMU的牵引变流器主电路图，该牵引变流器从牵引变压器二次侧引出2组分别供给2组四象限整流器，2组四象限整流器并联后向中间直流环节供电，直流环节后端带有2组牵引逆变器，2组牵引逆变器分别向1个转向架上的2台异步电机供电。

图3 动力集中EMU的牵引变流器主电路图

当EMU牵引电机发生缺相故障时，软件程序能够识别出故障，并采取相应的保护策略。电力机车在启动阶段，低速无牵引力的情况下，首先要经过预励磁，即建立转子磁场，励磁功率为电机功率的3%～5%，以复兴号动力集中EMU的牵引电机为例，额定功率为1 250 kW，则励磁功率为37.5～62.5 kW，励磁电流为17～29 A。因为牵引变流器的功率等级较高，长期运行在高负荷高温的恶劣环境中，所以启动电流不能低于17 A，同时为了防止电机低速小电流工况误报缺相故障，根据工程经验设置缺相电流为25 A。电机缺相时，会出现三相不平衡的状态，根据国家标准定义三相不平衡度的标准是≥10%，由三相不平衡度的公式，即三相不平衡度=(三相电流平均值-任一相电流)×100%/三相电流平均值，选择电机缺相时，任两相电流绝对值大于55 A。故电机缺相故障检测逻辑：若TCU检测到方向手柄处于非零位且车速v小于0.1 km/h，任意两相电流绝对值大于55 A，其余一相电流绝对值小于25 A，持续1 s，报电机缺相故障。故障后，逆变器封锁脉冲，检测流程图如图4所示。

图4 EMU电机缺相故障检测流程图

2.2 基于dSPACE实时仿真系统构成

dSPACE实时系统具有实时性强、可靠性高、扩充性好等优点。目前在汽车、电力传动行业得到了广泛应用。本文所采用的系统是基于DS1006处理器板卡系统开发平台，DS1006处理器板卡具备极强的处理计算能力，适用于有复杂计算需求的HIL测试应用。通过dSPACE的PHS总线，DS1006可与dSPACE的其他I/O板卡连接以扩展系统。基于串行处理器的半实物仿真步长一般为50 μs左右，即频率为20 kHz，接近开关器件脉冲频率，仿真结果将会出现失真的情况。为了解决这一问题，引入仿真步长能够达到10 ns级的FPGA并行处理芯片，使得系统更加适合高开关频率的电力电子电路仿真。

dSPACE软件环境的功能强大且使用方便，拥有简便实用的自动代码生成/下载和试验/调试的整套工具软件。dSPACE在MATLAB中集成了代码生成及下载软件，完全可以达到与MATLAB无缝衔接，这样可以使用户更方便地在MATLAB中直接调用dSPACE的各种库。同时dSPACE还为用户提供了软件组合工具包CDP，主要包括RTI、Controldesk等。这样在MATLAB/Simulink支持下可以实现从控制系统的分析、设计、建模、离线仿真、设置I/O参数，生成代码连接编译及下载到试验的全过程。

3 半实物仿真验证

3.1 仿真系统设置

为了验证本文方案的有效性，基于dSPACE实时系统对CR200J型EMU牵引系统的主电路拓扑进行实时数字模型模拟。采用CR200J型EMU TCU进行程序设计，两者通过脉冲光纤线、硬线及连接器实现信号交互，构成HIL平台。平台结构如图5所示，TCU采用TMSF28335主处理器。其中，DL850示波器在dSPACE仿真机后端分线端子排上采集信号，中间电压信号变比为50 mA/4 000 V，逆变器电机电流信号变比为250 mA/1 000 A。

图5 HIL实时仿真系统结构

采用MATLAB/Simulink软件搭建复兴号动力集中EMU牵引逆变器主电路模型，如图6所示。主要分为三部分：第一部分是弓网、四象限模型；第二部分是2组逆变器及电机缺相模型；第三部分为处理器接口模型。其中，牵引变流器参数如表1所示。

图6 牵引主回路模型示意图

表1 仿真模型参数表

将模型编译下载到dSPACE仿真机中，在上位机控制软件中向TCU下发合主断控制指令，启动TCU运行，TCU将接触器指令状态实时反馈给仿真机，形成闭环系统仿真，在进行仿真时，将第一组逆变器的牵引电机模型设置为电机缺相模型，第二组逆变器的牵引电机则为正常电机模型。

3.2 仿真结果

通过示波器观测波形，图7所示为逆变器1启动运行时的电流波形。从图7中波形参数得到逆变器1的U相电流幅值为±12.5 A，V相电流和W相电流幅值均大于55 A，通过电机缺相故障诊断逻辑可知，此时逆变器1发生了电机缺相故障。

图7 牵引逆变器1的电流波形图

图8 牵引逆变器1的线电压及相电流波形图

图8所示为逆变器1的启动运行电流波形和电机线电压波形，由于线电压的数值与绝缘栅极型晶体管(IGBT)的开通关断状态有关，当线电压减小到0时，即代表逆变器开始封锁脉冲，从逆变器1启动运行到封锁脉冲，共用时约1.5 s，即电机故障诊断逻辑在0.5 s内检测到任意两相电流绝对值大于55 A，另一相电流绝对值小于25 A，并且持续1 s，与电机缺相故障诊断逻辑相符，即判断为电机缺相故障，为了保证电力机车安全运行，需要封锁逆变器1的脉冲，停止运行。

图9 牵引逆变器2电流波形图

图9所示为逆变器2的电机电流波形。逆变器1与逆变器1同时启动，U相电流最大值为215 A，V相电流有效值为270 A。从电流的波形参数可知，逆变器2未发生电机缺相故障。

如图10所示，由于线电压的数值与IGBT的开通关断状态有关，当线电压减小到0时，即代表逆变器2开始封锁脉冲，通过逆变器2运行结果可知，当TCU检测到逆变器1停机时，在逆变器2启动后的2 s内，封锁脉冲，停止运行。

图10 牵引逆变器2线电压及相电流波形图

3.3 仿真结果分析

通过逆变器1仿真结果可知，当电机发生缺相时，发生缺相的一相电流绝对值为0 A。模型输出的信号经过仿真机后存在微小的零漂误差，仿真机输出给调理板卡时，误差被相应地放大，所以示波器在分线端子排采集到断相电流为12.5 A，另外两相电流幅值大小相等，符号相反，与理论分析结果基本一致。

4 结 语

本文设计了一套电力机车牵引控制系统中异步电机一相缺相的半实物仿真系统，该系统能准确描述电机发生缺相故障时的瞬态响应，为缺相故障诊断逻辑优化及算法开发提供了有力的支持，在牵引控制系统研发初期，可以使用该系统进行仿真验证，从而避免牵引控制产品在地面试验阶段才发现设计上的潜在问题，大大缩短了项目研发周期，提高了牵引控制系统的可靠性。

声 明

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《电机与控制应用》编辑部