（电气工程专业论文）交直型电力机车功率因数补偿装置测试平台的研制.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t w i t ht h ew i d e l yu s eo ft h eh i g hp o w e ra c - d cl o c o m o t i v e ，l o wp o w e rf a c t o r h a r m f u l n e s sa n dh a r m o n i c sp o l l u t i o nh a v eb e c o m ea ni n c r e a s i n g l yu r g e n t p r o b l e mt ob es o l v ei nt h ee l e c t r i f i c a t i o nr a i l w a ys y s t e m s of a rt h ev e h i c l e p o w e rc o m p e n s a t i o nd e v i c e sw h i c h a r eo nt h ed o m e s t i ca c d ce l e c t r i c l o c o m o t i v e sh a v ea l m o s t l yb e e ni s o l a t e dw h e nt h el o c o m o t i v ea r eo nu s e t h e r e a s o nw a sm a i n l yd u et ov e h i c l e p o w e rc o m p e n s a t i o n d e v i c e sp e r f o r m u n r e l i a b l y , a n da l s ot h e l a c ko fa ne f f e c t i v ed e v i c ea n dd i a g n o s t i cm e t h o d t o s o l v et h e s ep r o b l e m s ，an o v e lc o n t r o ls y s t e mo fp o w e rc o m p e n s a t i o nh a sb e e n d e v e l o p e d ，a sw e l la s ac o r r e l a t i v et e s ta n dd i a g n o s ep l a t f o r mf o rt h i sc o n t r o l s y s t e m i nt h i st h e s i s ，t h ed e v e l o p m e n to f t e s tp l a t f o r mi ss t u d i e dd e e p l y t h e d e s i g n i s d e s i g n e d b a s e do nt h ec 8 0 51f x x xs e r i e ss o c m i c r o c o n t r o l l e ra n dt h ec o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ( c p l d ) i t sm a i n f u n c t i o ni st of u l f i l lt h ec o m p l e t e l ys i m u l a t i o nt h es t a t ew h i c ht h el o c o m o t i v e s s y s t e mi sr u n n i n g b yt h es e r i a lp o r tc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ep ca n dt h et e s t b e n c h ，p ci sr e a l i z e dt h ec o n t r o lo ft h et e s tb e n c h s ot h ed e s i g nc a np e r f o r mt h e p r o s e s so fa u t o t e s t i n gt h ec o n t r o lp l u g i nb o a r da n di n t e r f a c ep l u g i nb o a r d t h e t e s tr e s u l t sw i l lb es h o w nb yt h el i g h to fl e d t h ei s s u e sw h i c ha r em a i n l yd i s c u s s e di nt h ep a p e ra r ea sf o l l o w s ： t h ep r i n c i p l eo ft h ec o n t r o lp l u g - i nb o a r da n dt h ei n t e r f a c ep l u g - i nb o a r d a r ed i s c u s s e d ，p a r t i c u l a r l yt h ei n t e r f a c es i g n a l sb e t w e e nt h ep l u g i nb o a r d sa n d p l a t f o r m t h ed e s i g n so fh a r d w a r es y s t e mo fp l a t f o r ma r ed i s c u s s e di nd e t a i l ，a sw e l l a st h ed e s i g n so fs o f t w a r es y s t e m t h em a n - m a c h i n ei n t e r f a c ep r o g r a mo n p e r s o n a lc o m p u t e rf o rt h ep u r p o s eo fs u r v e i l l a n c ea n dc o n t r o li sd e s i g n e db a s e d o nt h em i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s s ( m f c ) p a r t i c u l l a r l y , t h ed e s i g no fs y s t e m s o f t w a r ef o rm i c r o c o n t r o l l e rb a s e do ns m a l lr t o s 5le m b e d d e do p e r a t i o n s y s t e mi si n t r o d u c e d i nt h ee n d ，p r o g r a m mf o rt h et e s ta n dd i a g n o s eo ft h ep o w e rc o m p e n s a t i o n c o n t r o ls y s t e ma r ed e s i g n e d k e y w o rd s ：p o w e rc o m p e n s a t i o n ，c 8 0 5 1f 0 2 0 ，c p l d ，s m a l lr t o s 51 西南交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权西南交通大学可以将本学术论文编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密囹，适用本授权书。 学位论文作者签名：喻主乎 指导教师签 日期2 o o 以伊7 、c , 4日期 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本文的创新内容如下： 1 设计了以s o c 型高速混合信号处理器c 8 0 5 1 f 0 2 0 和a l t e r a 的 e p m 7 1 2 8 型c p l d 器件为核心的测试平台。 2 采用v i s u a lc h 6 0 设计了基于m f c 的上位机监控软件，设计了基 于s m a l lr t o s 5 1 实时操作系统的测试平台嵌入式系统软件。 申明人：1 喻静 砌，年卯月竹日 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章前言 本章首先介绍无功功率的存在和影响，以及无功功率补偿的作用。然后 简要介绍国内现阶段在电力机车上使用的无功补偿装置的状况和进展，以及 本文的研究背景。最后介绍本文研究的主要内容及论文的章节安排。 1 1 无功功率补偿的问题 无功功率不是无用功率，它是用于电路内电场和磁场的转换，并用来在 电气设备中建立和维持磁场的电功率。但无功功率的存在也在大量地消耗电 网的电能。无功功率对电网的影响主要有以下几个方面：( 1 ) 增加设备容量。 无功功率的增加，会导致电流增大和视在功率增加，从而使发电机、变压器 及其它电气设备容量和导线容量增加。同时，电力用户的起动及制动设备、 测量仪表的尺寸和规格也要加大。( 2 ) 设备及线路损耗增加。无功功率的增 加，使总电流增大、因而使设备及线路的损耗增加。( 3 ) 使线路及变压器的 电压降增大，对于电力机车等冲击性无功功率负载，这还会使电压产生剧烈 波动，使牵引供电质量严重降低。 随着电力电子装置的应用日益广泛，电力系统中的非线性负载越来越多， 这样就需要向电力系统提供大量的无功功率。由于电力系统网络元件的阻抗 主要是电感性的，所以在电网中输送无功功率就造成受电端的电压幅值不稳 定，并且使输电线路的输送能力降低。显然，这些无功功率如果都要由发电 机提供并经过长距离传送是不合理的，通常也是不可能的。合理的方法应是 在需要消耗无功功率的地方产生无功功率，这就是我们所说的无功功率补偿。 其作用主要有：提高供电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少功率 损耗；稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。在长距离输电线中合适的 地点设置动态无功补偿装置还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力； 在电气化铁道等三相负载不平衡的场合，通过适当的无功补偿可以平衡三相 的有功及无功负载。由此可见，无功功率对电网安全运行存在很大的威胁， 电网谐波和无功治理对稳定电网电压、增进系统的稳定性、改善电网波形有 十分重要的意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 问题的提出 我国目前广泛使用的电力机车是工频交流整流器式电力机车( 即交直传 动电力机车) 。这种机车主要存在谐波电流大、功率因数低、产生负序电流等 问题。其中，谐波是焦点问题。为解决这个问题，有两个思路：一是装设谐 波补偿装置来补偿谐波，二是对机车本身进行改造，使其不产生谐波，且控 制其功率因数为1 。 后一思路在新研制的交直交传动机车上已经实施。针对目前运用中的大 量相控电力机车产生的谐波问题，切实可行的方法是设置谐波装置。目前我 国电气化铁道已采用了两种处理方法：牵引变电所加装功率因数补偿和谐 波抑制装置；交直传动电力机车加装功率因数补偿装置。 我国现有s s 4 g 、s s 4 b 、s s 6 、s s 7 电力机车已装有的功率因数补偿装置， 由于系统工作可靠性差，且不易检测诊断装置好坏，导致基本未投入正常使 用，未能发挥其提高功率因数、节能降耗的作用。 针对这些问题，株洲电力机车厂与我校合作开发了新型的无功补偿控制 板，并已装车运行，解决了原有功补控制器存在的问题，为了配合新型控制 器的推广使用，需要研制出相应的检测装置。本设计即为专门针对新型车载 功率因数补偿系统而开发的测试平台。 目前，国内在段运用的针对交直型电力机车的测试平台大多是多年前的 产品，功能比较简单，技术含量相对较低，针对性不是很强。本文研制的交 直型电力机车功率因数补偿装置测试平台是专门针对功率因数补偿系统的测 试平台，本测试平台硬件拟采用m c u + c p l d 方式，其中m c u 采用c y g n a l 高速 混合信号微控制器，c p l d 采用a 1 t e r a 公司的增强型可编程p l d 器件e p m 7 1 2 8 。 这种硬件结构使得测试平台具有高可编程型、高集成度、高可靠性、易升级 和维护。 1 3 本文的设计目标及章节安排 分析新型功补偿装置插件及开发的测试平台，要求完成任务如下： 1 实现对功补插件所涉及的机车输入信号的完全模拟。例如，电网电压 电流二次侧输入信号，p f c 支路晶闸管电流和端电压信号输入信号等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 2 实现多种测试模式：自动测试和手动单步测试、功补插件单独测试和 功补系统测试。 3 实现上位机对功补测试平台的控制。即通过上下位机的串口通信控制 测试平台，完成测试项目的选择，电网及p f c 支路模拟量参数的设定 等功能。 4 实现测试平台对功补插件故障部位的准确诊断，并能通过l c d 或指示 灯的形式显示测试结果。 结合上述设计目标，本测试平台硬件拟采用m c u + c p l d 方式。其中m c u 采 用c y g n a lc 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机，c 8 0 5 1 f x x x 单片机是一种高速混合信号微控制 器，属于8 0 5 1 的增强型，其采用8 0 5 1 内核，但其指令执行速度为a t m e l 8 9 c 5 1 的1 0 到2 0 倍，且内部集成丰富的用于工业控制系统的外部设备，如：a d c 转换、d a c 模拟输出等模块。c p l d 采用a 1 t e r a 公司的增强型可编程p l d 器件 e p m 7 1 2 8 ，这使得测试平台的系统结构更加紧凑高，可靠性更强，并且也易于 系统的升级和维护。 本文的章节安排如下： 1 第一章介绍无功功率补偿的问题，然后简要介绍国内现阶段在电力机 车上使用的无功补偿装置的状况和进展，以及本文的研究背景。 2 第二章简要介绍新型机车无功补偿装置的基本原理，对新型机车无功 补偿控制系统的总体结构、各部分组成及其工作原理进行了简要介 绍，为后面章节涉及到的无功补偿装置测试平台的设计提供理论依 据。 3 第三章主要对新型机车无功补偿装置的两个插件板的接口进行分析， 在此基础上总结出测试平台的系统需求，并完成测试平台的总体方案 设计。 4 第四章至第七章分别对测试平台的硬件设计( 包括底层硬件驱动程序 设计) 、下位机系统软件设计、上位机监控软件设计，以及功补插件 测试程序设计进行了详细分析。文中没有给出具体的源代码，主要是 介绍设计思想以及程序框架的设计。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章新型机车无功补偿装置原理分析 本文是在“交直型电力机车功率因数补偿装置可靠性研究”( 后文简称 “可靠性研究 ) 课题的基础上进行的。测试平台的设计以“可靠性研究 课 题研制的新型无功补偿控制系统为研究对象。因此，本章首先简要介绍机车 无功补偿装置的基本原理，然后对新型机车无功补偿控制系统的总体结构、 各部分组成及其工作原理进行了介绍。本章的内容为后面章节涉及到的无功 补偿装置测试平台的设计提供了理论依据。 2 1 机车无功补偿装置基本工作原理 静止无功补偿器( s v c ) 具有吸收感性无功或称补偿容性无功功率的能力， 可抑制系统电压波动及闪变、限制过电压、提高功率因数和系统稳定性及增 大线路传输能力。晶闸管开关电容型无功补偿装置( t s c ) 即是s v c 方式之一。 它用串并联的晶闸管组投切高压电容器组以补偿系统无功。晶闸管开关响应 时间短，能够准确地选择电容器投切角度，实现零电流导通，避免投切时过 流过压产生，实现电容器的无过渡过程投切。它还可频繁投切，有效地跟踪、 补偿快速变化的负载，抑制电压的闪变影响，提高电力系统的稳定性。 t s c 的基本原理如图2 - 1 所示，其中图2 1 ( a ) 是其单相线路图，其中 的两个反并联晶闸管只是起将电容器并入电网或从电网断开的作用，而串联 的电感与电容器c 既组成无功补偿器件，又起滤除特定次谐波的作用，同 时也可以用来抑制电容器投人电网时可能造成的冲击电流。当电容器投入时， t s c 的电压一电流特性就近似为该电容器的伏安特性( 因为各次谐波电流在 电感上产生的电压降与电容相比很小) 即如图2 - 1 ( c ) 所示。在工程实际中， 一般将电容器分成几组( 图2 - 1 ( b ) 所示) ，每组都可由晶闸管投切。这样 可根据电网的无功需求投切这些电容器，t s c 实际上就是断续可调的吸收容 件无功功率的动态无功补偿器，其电压一电流特性按照投入电容器组数的不 同可以是图2 - 1 ( c ) 中的0 a 、0 a 、0 c 等曲线段。 c l r 一一一一1 i l l q 一 ) - b 一 ) _ 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 c ) 图2 2 静态无功功率补偿器线路原理和工作原理图 a ) 单相等效电路 b ) t 作曲线c ) 机车功补装置线路原理图 实际上，由电力系统中的分析可知，系统的特性曲线可近似表示为： u 圳t 一睾或i ， a u q 一= 一一 u qs 汇 ( 2 - 2 ) 式中：无功功率为零时的系统电压：系统短路容量。 可见，无功功率的变化将引起系统电压成比例地变化。投入补偿器之后， 系统供给的无功功率为负载和补偿器无功功率之和，即：蟛5 铣十姊。因此， 当负载无功功率娩变化时，如果补偿器的无功功率蜴总能够弥补娩的变化， 从而使g 维持不变。即g 。0 ，则u 也将为o ，供电电压保持恒定。这就是 对无功功率进行补偿的原理。 机车无功补偿装置系统线路原理图如图2 2 ( c ) 所示。它由四部分组成： 2 5 k v 电网及电压电流互感器、无功补偿和滤波电容器组、无功补偿控制系统、 晶闸管驱动板。 目前，交直型电力机车的无功补偿装置的主电路均采用t s c 方式，一方 面由于其控制相对简单，投资相对较小，另一方面t s c 方式的性能与t s r 等 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 动态无功补偿方式相比差别不是很大。新型无功补偿控制系统仍然是针对现 行s s 4 改型电力机车无功补偿装置的t s c 控制原则进行控制的。本文测试平 台的研究对象即是新型机车无功补偿控制系统( 如图2 - 2 ( c ) 的s v g c o n t r o l l e r 部分所示) 。 2 2 新型机车无功补偿控制系统构成 机车无功补偿装置的控制由新型机车无功补偿控制系统完成，控制器包 括两块6 u 板插件，分为：无功补偿控制板和无功补偿接口板。其中，功补控 制板主要完成无功功率计算、无功补偿电容器组支路的投切控制、网络通信 以及无功补偿装置的故障处理等功能；功补接口板主要完成模拟信号、输入 输出数字开关量信号的处理、晶闸管触发脉冲分配、与晶闸管驱动板接口等 功能；。 2 2 1 无功补偿控制插件 无功补偿控制板原理框图见图2 3 ，控制板主要以c 8 0 5 1 f x 高速单片 机为控制核心，加上外围电路构成无功补偿控制板。 1 基本功能 1 ) 完成机车无功量q 和有功量p 计算和采集； 2 ) 根据无功功率和电网电压完成无功补偿支路的投切控制； 3 ) 完成各无功补偿支路的过电流和晶闸管开关的过电压和电网过高 等保护功能； 2 主要输入信号 1 ) 电网电压、电网电流； 2 ) 四路无功补偿支路电流； 3 ) 无功补偿支路线路接触器状态反馈； 4 ) 无功补偿支路触发信号状态反馈： 5 ) 无功补偿支路峰值过电流信号； 6 ) 无功补偿支路峰值过电压信号； 3 主要输出信号 1 ) 无功补偿支路触发信号； 2 ) 无功补偿支路线路接触器分断信号； 3 ) 4 ) 5 ) 6 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文 无功补偿支路永久性故障 无功补偿支路有效值过电流故障 r s 4 8 5 通信接口； r s 2 3 2 通信接口： 7 7 母：功补控鹚板 1 1 0 l 贬地一h 靖 强g 嚣 l l i l 唯越r t ，f 蝉嚣 i i i 删卜h 柠删 ( h 删h 诧铡 l ! ，掘* i f 一“：d 懂藏0 j i q 弹屯薛 唯删b ti 管o j 靴冲 _ ：- 乜晚 ? 0 采一 片l d c h 8 0 5l f 0 2 0 单片机 图2 - 3 无功补偿控制板结构原理框图 第8 页 l i l l 一一l 4 基本原理 控制板由混合信号处理单片机c 8 0 5 1 f x x 及其外围电路组成。c 8 0 5 i f x x 是高集成度的单片机，集成了a d c 、d a c 、异步串行控制器( u a i t t ) 、外部数 据存储器和f l a s h 存储器，可以在高达2 5 n t z 的主频时钟下工作。 原边电压由原边电压互感器的次级( 1 0 0 v ) 经无功补偿专用变压器( 变 比1 0 ：1 ) 送到无功补偿插件上，经过运放隔离和偏置2 5 v 的信号调理，成 ， “m扛 由zj砭配拉=昀舯 ，群，j ，! 诗h i tei # t 、一j t 0 “+ ，o s ? i 耵# 一l ? 4 ，j ， ，t * ，n w 胨i 帆 l 潼c 0 加；j 。盘b 4 ，n ：i 啦辫0 瞄冲戢盎 ；j o ：i 舯一 f 。“二旷，i j 忙j 1 - y * ；n 1 m 7 1 - * 十r m ? _ 嚏轴川r r j h 埘k 姓t 职冲馕喜 1 d ! y 盯笠妒：；孵撵魁嚣谥盎 7 ，一f f p 。，：扛辑= 。- 一 ? r 即j j 薯i - q 一 ：一验劓盘n ： ，j，1 心叫1 4 fj “显! 一 m ：新0 ：一 。矗，0 矿甜、f i i ? 畸 _ ，7 l q ? 和壬| 0 1 t一 n ：q f l j 。? f l t 叫wh 。w r 4 ：五 、： 二m m 。lz ： i ； i tt 捕篝o ： “，i ? ：佴一i t 茁鼻抽jf1 i i i j ：n ，：础 l ，l ” t “ z 一。f f ，s 7 1 i t ：0 牛o ： 卫fj 二* ，? ，： 1 簋k f ，z ，4 - ，f7 7 p l “! 画 0 枷，i 卜； w5 m7 h lf 。： “：0 o j rh 订 fn二t ，”- f ： 二掣，j m 。竹靠l ，：n? 舶 f j 一 p ? t ，! “- ：盘t ：“争- q - 。i ，? ， o - t f t t ! ： ： i ，一，o ：婚。 扣，- j ，鼻；髯，j 0 9 c 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 为额定电压下有效值1 3 9 2 v 、偏置为2 5 v 的单极性信号，再送入到单片机 的内置a d c 模块。原边电压为2 5 k v 时，信号有效值为0 7 5 v 。 原边电流由接在主变压器原边绕组接地端的低压电流互感器取得信号， 经过运放隔离和偏置2 5 v 的信号调理，成为为2 5 v 的单极性信号，再送入 到单片机的内置a d c 模块。原边有效值为3 0 0 a 时，信号有效值为0 7 1 v 。 单片机对原边电流和原边电压信号进行采样，将模拟信号转换为数字信 号一边单片机进行无功大小计算。同时，对四路无功补偿支路电流进行采样， 以便完成电流计算、频谱分析和过电流保护。 无功补偿装置的投切时间、故障显示和保护主要由软件实现。无功补偿 装置的投切控制的主要原则是：采用无功和电网电压 两个目标控制支路投功。电网电压高于2 3 k v 时，以无功量为控制目标；在电 网电压低于1 9 k v 时，以电网电压为目标。 无功量的控制原则为： o 4 8 0 k v a r 时投入一组无功补偿支路，直至全部投入； q - 1 2 0 k v a r 时切除一组无功补偿支路，直至全部切除； 四组无功补偿遵循先投入先切除的循环投切原则。 无功补偿控制板可以实现如下保护功能： ( 1 ) 过流保护：控制系统的过流保护原则：以峰值过电流作参考，采用 电流有效值保护方式，并对基波过电流和谐波过电流采用不同的保 护方式。当某个支路发生过电流故障时，封锁该路晶闸管触发脉冲， 送故障信号到接口板显示。当有两组以上支路发生故障时，封锁全 部触发脉冲，并报司机台显示。 ( 2 ) 高电网电压保护：当原边电压有效值大于2 9 5 k v 时，封锁全部脉冲。 只有当有效值小于2 7 5 k v 时，无功补偿装置才重新工作。 ( 3 ) 逻辑错误保护：当检测到无功补偿装置有电流而没有投入信号或者 有投入信号而没有电流时，封锁该路触发脉冲，同时故障送接口板 显示。 ( 4 ) 控制系统硬件故障保护：当检测到有投入信号而没有投入反馈信号 或者有投入反馈信号而没有投入信号时，说明无功补偿控制系统硬 件有故障，封锁该路触发脉冲，同时故障送接口板显示。 无功补偿控制板必须与接口板同时工作，共同完成无功补偿装置的控制 和保护。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 2 2 2 无功补偿接口插件 无功补偿接口板原理框图如图2 4 所示，主要由c p l d 逻辑处理电路和模 拟信号处理电路组成。 1 无功补偿接口板的功能 1 ) 将输入的模拟信号转换成系统所需的数字信号或参与形成其他信 号； 2 ) 将无功补偿控制板输出的数字信号处理后输出。 3 ) 无功补偿系统的故障显示。 2 主要输入信号 1 ) p f c 支路电流信号输入：通过接口电路将p f c 支路电流送入无功补 偿控制板； 2 ) p f c 晶闸管电压输入：通过接口电路形成无功补偿电压过零信号， 保证无功补偿装置过零投入； 3 ) 控制板输入的p f c 晶闸管投入电平信号输入： 4 ) 复位信号输入； 5 ) 电源输入； 6 ) 其他相关信号输入，保证无功补偿在机车预先设定好的条件下投入 运行。 3 主要输出信号 1 ) “有电流信号输出，送入无功补偿控制板； 2 ) 电流采样信号输出，送入无功补偿控制板； 3 ) 峰值“过电流 信号输出，送入无功补偿控制板； 4 ) 峰值“过电压 信号输出，送入无功补偿控制板； 5 ) 脉冲封锁状态反馈输出，送入无功补偿控制板； 6 ) 脉冲输出，送入脉冲放大板； 7 ) 预备信号输出，送入无功补偿控制板。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 l d 4 ，z 4i 电流检测 l d 8 儿8i 电流检测 商电流 电j i i 堆准 有电流倍 弓比较 有屯流信 号比较 j d l 2 l z l 2 l d l 疗 n 流检测 ，l 电流 佥测 z 1 0 有电流信 号比较 订电流信 号比较 l h 6 l b l o 7 8 p f c 支路电腺 l h l 4 8 7 p f c 支路电压 i b i s 8 8 p f c 支路电压 产生过零 信号p l 产生过零 信号p 2 产生过零 信号p 3 一中过零 信号p 4 西一8 7 p f c 支路投入信譬 l d 6 防空转速度信号 ，洲特性控制电流信号 i h 2 0 髓j 尽谴 l d l 8 7 7 p f c 支路故障 i z l 87 8 p f c 支路敞障 i d 2 0 8 7 p f c 支路敞障 i z 2 0 8 8 p f c 支路故障 2 2 2 8 ( 3 d 2 8 )7 8 p f c 过电流( 有效值) 2 6 3 0 ( 3 d 3 0 ) 8 7 p f c 过电流( 年r 效值) 2 2 3 0 ( 3 d 3 2 ) 8 8 p f c 过电流( 有效值) 2 d 2 8 复位输入 勰出复位输入 2 2 1 0 2 d i o c p l d 7 7 p f c 7 8 p f c 2 d 1 8 2 2 1 8 2 d 2 0 8 p f c 有电流2 7 _ 2 0 3 d 2 浦j 翠”信i r l 1 1 1 丛坠盈墨壁篮 8 8 p f c i l l 流采样信l b 2 6 ( 3 d 8 0 7 8 p f c 过电流信 d - ( 肇值)1 2 2 6 ( 3 d 1 2 8 7 1 ，f c 过u 流信呼( 峰侑)2 h 1 0 ( 3 d 1 4 j 8 8 p f c j 2 2 b 1 2 ( 3 d l t 5 7 7 p f c 过【u 爪2 b 1 4 ( 3 d l h 7 8 p f c2 b 1 6 ( ：, d 2 0 8 7 p f c 过电i i 信号峰值2 b 1 8 ( 3 d 2 2 ) 8 8 p f c 是2 b 2 1 jf 3 d 2 4 2 d 2 4 2 2 2 4 2 d 2 6 2 2 2 6 反馈7 7 p f c 脉冲封锁鉴 2 2 2 ：2 2 4 7 7 p f c 脉冲输出2 d 2 7 8 p f c 脉冲输出2 d 4 $ 7 p f c 脉冲输出2 d 6 8 8 p f c 脉冲输出 2 d 8 输出预备l b l 6 过流 过压 接触器 故障显示 2 d 1 2 2 2 1 2 2 d 1 4 2 2 1 4 2 d 1 6 l b 2 l z 2 + 5 v 1 5 v + 1 5 v o v e i 地) 图2 - 4 无功补偿接【j 板原理框图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 4 基本原理 无功补偿接口板包括以下几个模块： ( 1 ) 支路电流处理：由交流互感器取得，变比为8 0 0 a 2 v 。经过运放调整 和比较电路后，生成“有电流 信号和“峰值过电流 信号。同时 把电流信号送控制板处理和采样。 ( 2 ) 晶闸管端电压处理：由电压传感器取得，变比为2 0 0 0 v 8 0 m a ，该信 号在板内转换成与晶闸管电压同相的、占空比约为5 0 的方波同步信 号，用于实现过零投切。同时用于生成过电压信号，送到控制板做 保护处理用。 ( 3 ) 输出显示缓冲电路：显示峰值过电压、峰值过电流和有效值过电流 故障显示。闪烁表示可恢复故障或瞬时故障，持续亮表示不可恢复 故障。 无功补偿接口板共处理四组无功补偿装置的有关信号，每一组电路结构 相同。图2 5 给出了支路电流和晶闸管端电压的信号处理电路。 一手辱 却! k 亨 c ! d 瓢”1一、 ：i 广r 耸眈：一 r 妒o - f 。 土 j p 】” 7 图2 - 5 支路电流和晶闸管端电压信号处理电路 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 第3 章测试平台系统需求分析和总体方案设计 在上一章对新型机车无功补偿控制系统的两个插件( 无功补偿控制板和 无功补偿接口板) 的功能、主要输入输出信号和基本原理的介绍的基础上， 本章进一步对这两个插件板的接口信号进行分析，在此基础上总结出测试平 台的系统需求，并完成测试平台的总体方案设计。 3 1 系统信号流分析 上一章对无功补偿控制板和接口板的输入输出信号进行了介绍，此处对 无功补偿控制板和接口板与测试平台组成的测试系统的信号分类及信号流向 进行总结分析。系统信号流图如图3 1 所示。 图3 - 1 系统信号流图 图中箭头表示信号的流向，标号分别标识四个信号流。下面对图 3 - 1 进行详细的说明和分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 表3 - i 信号流信号定义 信号流信号流 电网电压、电网电流( 输出)系统复位( 输入) 支路电流( 输出)支路投入信号( 输入) 支路投入状态反馈( 输出)支路永久性故障信号( 输入) 主断路器分合信号( 输出)支路有效值过流故障信号( 输 接触器状态反馈( 输出)入) 峰值电流故障信号( 输出)5 5 5 主接触器控制( 输入) 峰值过压故障信号( 输出)支路隔离信号( 输入) 有电流信号( 输出) 机车预备信号( 输出) ( 续表3 - i ) 信号流信号定义 信号流信号流 系统复位( 输出)支路电流( 输入) 支路投入信号( 输出)支路投入状态反馈( 输入) 支路永久性故障信号( 输出)峰值电流故障信号( 输入) 支路有效值过流故障信号( 输峰值过压故障信号( 输入) 出) 有电流信号( 输入) 5 5 5 主接触器控制( 输出)机车预备信号( 输入) 支路隔离信号( 输出) 支路电流传感器信号( 输出) 晶闸管端电压传感器信号( 输 出) 注：表中的输入、输出方向是以测试、f 台为参考的。如：“支路电流( 输出) ” 表示“测试甲台的输出”。 由于该测试平台既可以单独对无功补偿控制板进行测试，又可以单独对 无功补偿接口板进行测试，还可以同时对无功补偿控制板和接口板进行测试。 所以，分别对以上三种测试模式的系统信号流进行分析。 1 测试模式一：单独测试无功补偿控制板 由于控制板和接口板需要共同配合才能正常工作，所以，当单独对无功 补偿控制板进行测试时，测试平台就需要充当接口板和信号源( 电网电压、电 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 网电流、支路电流传感器信号和晶闸管端电压互感器信号等信号源) 的功能。 这时，信号流的方向( 如图3 - 2 ( a ) 所示) 是：测试平台输出信号流到无功补 偿控制板；同时，无功补偿控制板输出信号流到测试平台，供测试平台测 试。 测试 平台 测试 平台 无功补偿 控制插件 无功补偿 控制插件 a ) 测试 平台 测试 平台 无功补偿 接口插件 无功补偿 接口插件 b ) 测试 平台 测试 平台 无功补偿 接口插件 无功补偿 接口插件 c ) 图3 - 2 信号流示意图 2 测试模式二：单独测试无功补偿接口板 同理，当单独对无功补偿接口板进行测试时，测试平台就需要充当控制 板和信号源( 产生电网电压、电网电流、支路电流等信号源) 的功能。这时， 信号流的方向( 如图3 - 2 ( b ) 所示) 是：测试平台输出信号流到无功补偿接口 板；同时，无功补偿接口板输出信号流到测试平台，供测试平台测试。 3 测试模式三：同时测试无功补偿控制板和接口板 当同时对无功补偿控制板和接口板进行测试时，相当于对这个无功补偿 控制系统进行系统检测。此时，测试平台只需要向两块插件板提供无功补偿 控制系统所需的外部信号：信号源以及来自机车电子柜的其他信号( 如：主 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 断分合信号、接触器状态反馈信号、5 5 5 主接触器状态反馈信号等) 。同时， 测试平台检测两插件板输出信号，以完成测试。这时，信号流的方向( 如图 3 2 ( c ) 所示) 是：测试平台输出信号流( 其中的电网电压和电网电流信号) 和( 其中的支路电流信号和晶闸管端电压信号) 分别到无功补偿控制板和 接口板；同时，无功补偿控制板和接口板分别输出信号流和到测试平台， 供测试平台测试。 3 2 测试平台与无功补偿控制系统接口分析 通过图3 1 所示信号流图及前面章节的分析可知，测试平台必须能够对 无功补偿控制系统进行三种模式的测试，即：模式一( 单独测试无功补偿控 制板) 、模式二( 单独测试无功补偿接口板) 、模式三( 同时测试无功补偿控 制板和接口板) 。现把测试平台与无功补偿控制系统相关的所有接口信号归 纳、分析如下。 为叙述方便，以下所涉及到的信号输入输出方向，均是以测试平台为参 考点的。 单向输出信号： r 电网电压、f 乜网电流信号 模拟信号 支路电流传感器信号 l 晶闸管端电压传感器信号 数字开关r 主断分合信号 量信号 l 接触器状态反馈信号 单向输入信号：无 双向输入出信号： 数字开关 量信号 号号 贵 馈信信号号 动 反障障信信 晰 号舨摊黼雌黼 号獬号信状性流故故号信黜信入八久违流压信各蝇离投投永值过过流预鞠隔撇黻脉蒌；雠蜮赖洲蝙支支支有峰峰有机鲐支 厂，、l 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 可见，测试平台必须能够通过无功补偿装置接口为无功补偿控制板和 ( 或) 无功补偿接口板提供上述所示信号( 或其中某几种信号) ，以完成三种 模式下的测试。下面分别对无功补偿控制板和无功补偿接口板进行较为详细 的接口分析。 3 2 1 无功补偿控制板测试接口分析 对无功补偿控制板测试接口的输入和输出信号进行分析。 1 控制板测试接口输出信号 模拟机车实际运行时电网电流信号( i no u t ) ，输出到控制板相应测 试接口，作为控制板的输入信号。 模拟机车实际运行时电网电压信号( u no u t ) 。输出到控制板相应 测试接口，作为控制板的输入信号。 模拟机车实际运行时无功补偿支路电流信号( i fo u t 2 c o n b l ， i fo u t 2 c o n b 2 ，i fo u t 2 c o n b 3 ，i fo u t 2 c o n b 4 ) 。输出到控制 板相应测试接口，作为控制板的输入信号。 支路投入状态反馈信号输出( t r i p s t a p f c l ，t r i p s t a p f c 2 ， t r i p s t a p f c 3 ，t r i p s t a p f c 4 ) 。 测试时，从平台测试接口输出一个支路投入反馈状态信号到测试接口 上，表示相应的无功补偿支路已经投入。 主断信号m a i n s o no u t ( 低电平有效) 。5 v 电平信号，低电平表示 主断路器断开信号。该信号用来产生对无功补偿控制系统的系统复 位。 接触器状态反馈信号( c o n t a c t o r ls t a t e ，c o n t a c t o r 2 s t a t e ， c o n t a c t o r 3 s t a t e ，c o n t a c t o r 4 s t a t e ) 。输出到控制板相应测试接口，表 示无功补偿支路真空接触器的开关状态。 峰值“过电流信号输出( p e a k o c p f c l ，p e a k o c p f c 2 ，p e a k o c p f c 3 ， p e a k o c p f c 4 ) 。 当测试无功补偿控制板时，从平台测试接口输出一个p e a k o c p f c l = 1 信号，表示有相应无功补偿支路峰值过电流。 峰值“过电压 信号输出( p e a k o vp f c l ，p e a k o vp f c 2 ，p e a k o v p f c 3 ，p e a k o vp f c 4 ) 。 当测试控制板功能时，从平台测试接口输出一个p e a k o vp f c l = l 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 的信号，表示相应无功补偿支路的晶闸管端发生过电压。 “有电流 信号( c u r r e n t e x p f c1 ，c u r r e n t e x p f c 2 ，c u r r e n t e x p f c 3 ， c u r r e n t e x p f c 4 ) 。 测试时，从平台测试接口输出一个“有电流 信号到测试接口上，表 示检测到相应的无功补偿支路中有电流。 机车预备信号( r e a d yo u t ) 。表示机车预备好，无功补偿装置可 以投入工作。 2 控制板测试接口输入信号 系统复位( r e s e to u t ) 。从控制板测试接口输入到测试平台。低电 平有效，表示控制板需要对无功补偿控制系统进行系统复位。 支路投入信号( t r i p p f c l ，t f i p p f c 2 ，t r i p p f c 3 ，t f i p p f c 4 ) 。控制 板输出到测试接口的反馈信号。该信号低电平有效，表示相应的无功 补偿支路被投入。 永久性故障信号( f a u l t o u t p f c1 ，f a u l t o u t p f c 2 ，f a u l t o u t p f c 3 ， f a u l t o u t p f c 4 ) ，高电平有效。控制板输出到测试接口的反馈信号， 作为测试平台的输入信号。该信号有效时，表示无功补偿装置发生永 久性故障。 支路有效值“过电流 故障信号( r m s o c p f c l ，r m s o c p f c 2 ， r m s o c p f c 3 ，r m s o c p f c 4 ) 。控制板输出有效值过流信号到测试接 口，表示相应支路出现有效值过电流故障。 5 5 5 主接触器控制信号( 5 5 5 m a i ni n ) 。控制板输出该信号到测试接 口。该信号有效时，表明整个无功补偿装置有永久性故障，需要整体 隔离。 支路接触器隔离信号( c o n t a c t o r l c o n t r ，c o n t a c t o r 2 c o n t r ， c o n t a c t o r 3 c o n t r ，c o n t a c t o r 4 c o n t r ) 。从控制板输出到平台，高电平有 效，表示相应无功补偿支路存在永久性故障，需要隔离该支路接触器， 使该支路退出工作。 3 2 2 无功补偿接口板测试接口分析 对无功补偿接口板测试接1 2 1 的输入和输出信号进行分析。 1 接口板测试接口输出信号 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 模拟机车实际运行时的无功补偿支路电流传感器信号( i f lo u t ， i f 2 一