电力机车交流传动系统的半实物实时仿真

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1、第29卷，第4期208年7月中国铁道科学CHINARAILWAYSCIENCEV01．29No．4July，2008文章编号：1001—4632(2008)04—0096—07电力机车交流传动系统的半实物实时仿真丁荣军1’2，桂卫华1，陈高华2(1．中南大学信息科学与工程学院，湖南长沙410075；2．株洲南车时代电气股份有限公司，湖南株洲412001)摘要：以六轴电力机车的电传动系统为例，通过对电网侧变流器、直流环节、逆变器和异步电机的建模，构建电力机车交流传动系统的数学模型。借助于MATLAB／simulink仿真系统，采用

2、“实际控制器+虚拟被控对象”的硬件在线半实物仿真HIL形式，实现了电力机车交流传动系统的半实物闭环实时仿真。各种工况下的仿真实验表明，半实物仿真结果与地面实验结果有很好的一致性。通过现有的半实物仿真和快速控制原型仿真的组合，形成标准化的系统设计平台，可以有效预验证系统设计。关键词：电力机车，交流传动系统，半实物仿真中图分类号：U264．43文献标识码：A以六轴电力机车[1]的电传动系统为例，分析电力机车交流传动系统半实物仿真的实现，采用“实际控制器+虚拟被控对象”的硬件在线半实物仿真[2]HIL形式，对电网侧变流器和直流环节建模

3、、逆变器和异步电机牵引系统建模。并给出半实物仿真的补集——“虚拟控制器+实际对象”，即快速控制原型技术(RCP)的概念和全动态实时闭环仿真的结果。1半实物实时仿真器1．1硬件环境采用双处理器结构，主要计算电网侧变流器子系统模型和电机侧变流器子系统模型。2块处理器均配备了数字输人输出板、模拟输出板、数字波形记录板、数字波形发生板等相应的I／O接口板。半实物实时仿真器的硬件组成如图1所示。1．2软件环境采用Simulink模块与C语言编写的S函数相结合的建模方法，实现交流传动系统模型在MAT—LAB／Simulink中整体仿真。由于

4、电力机车交流传动系统半实物仿真对实时性要求很高，用C语言编写的S函数具有执行速度快、支持实时代码生成等优点，所以系统模型中的四象限变流器、牵引逆变器和牵引电机模型都采用C语言编写的S函数。分别把四象限变流器子系统模型、牵引逆变器与异步电机子系统模型放在2个处理器进行计算，利用RTW自动生成实时代码，下载到半实物仿真器中运行。图1仿真器硬件配置2数学模型与Matlab／Simulink仿真2．1四象限变流器从系统级仿真的角度考虑，建立四象限变流器模型时，所关注的是整个闭环半实物系统的主要电量的运动规律，而不是大功率开关器件及其吸收

5、电路在换流时的动态特性。鉴于半实物仿真实时性的收稿日期：2008一Ol一29；修订日期：2008-05—04基金项目：国家科技支撑计划项目(2007BAAl2806)作者简介：丁荣军(1961一)，男，江苏无锡人，教授级高级工程师，博士研究生。第4期电力机车交流传动系统的半实物实时仿真97要求，变流器系统的数学模型不能太复杂。所以，在建立变流器数学模型时，将大功率开关器件简化为可控的理想开关，忽略各相的吸收电路，简化后变流器系统的电路拓扑结构‘33如图2所示。^鱼码ED】】c13j[D翔‘L津o一．“●F～∞‘T叼ED2】‘T4

6、．；[D由图2单重四象限变流器系统电路拓扑在控制器PWM信号控制下，四象限变流器的开关器件和二极管的导通情况见表1，其中1和0分别表示相应的大功率开关器件处于导通和关断状态，“√”表示相应的二极管处于导通状态。根据所有的变流器工作状态，确定相应的等效电路，并建立3种不同的状态空间方程描述系统的一RN／LN(一1／Cd，1／Cd，0)0O(1／LN，一1／LN，O)01／L2O式中：括号中的选项分别表示Ud反向接人情况(U。一一Ud)、Ud正向接人情况(U。一Ud)和仉不接人情况(U。=o)3种情况的取值；RN和LN分别代表变压器

7、次边电阻和漏感；Lz和C2分别代表二次谐振电感和电容；cd为直流环节的支撑电容。在模型的求解过程中，首先根据PWM控制信号输人和交流侧电流iN的正负来判断使用哪个状态方程，然后用四阶的龙格一库塔法求解该状态方程，确定相应的系统输出。在Simulink下建立的电网侧半实物仿真模型如图3所示。四象限脉冲整流器模型采用上面推导的数学模型，并用C语言编写的S函数来实现。图3电网侧半实物仿真模型表1变流器工作状态编号T1D1T2D2T31Ol1201030q0140√0051061070J080q0D3T4D4O0√0√1■1、J0工作状

8、态，分别表征控制器使直流环节电压Ud正向接入、反向接入和不接人交流一侧的3种情况。为了建立变流器系统的数学模型，选择状态空间方程的状态变量为变压器次边电流iN、直流环节电压仉、滤波电流iz和滤波电感电压乱z；输入变量为变压器次边电压UN和直流环节负载电流i。，输