（电力电子与电力传动专业论文）城市轨道交通新型供电系统监控试验平台设计.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t p o w e rs u p p l ys y s t e mo fu r b a n r a i l t r a n s p o r t a t i o ns u p p l i e s a n d t r a n s m i s s i o n st h ee l e c t r i c i t yf o ru r b a nr a i lv e h i c l e s i t sv e r yi m p o r t a n tt om o n i t o rt h e s y s t e mo p e r a t i n gp a r a m e t e r s t h em o n i t o r i n gp l a t f o r mo f t l l i sp a p e rr e s e a r c h so ns u p p l y s y s t e mf o ru r b a nr a i lt r a n s p o r t a t i o n n e wp o w e rs u p p l ys y s t e mu s e sp w m c o n v e r t e ri n p a r a i l e t h ep w m w o r k e si nt h ec o n d i t i o no fc o n v e r t e ra n di n v e r t e rt om a k et h ev e h i c l e b r a k i n ge n e r g yb a c kt ot h ea cp o w e rs u p p l ys y s t e m i t sp e r f o r m a n c ea n d f u n c t i o ni s m u c hb e t t e rt h a nu s u a l l y w i t ht h ed e v e l o p m e n ta n dd e b u g 每n gn e e d so fn e wp o w e r s u p p l ys y s t e m t h em o n i t o r i n gp l a t f o r mo ft h i sp a p e rb a s e so nt h en e w f e a t u r e sa n d c h a r a c t e r so ft h en e wp o w e rs u p p l ys y s t e m t h em o n i t o r i n ga n dc o n t r o lp l a t f o r m c o m b i n e se t h e r n e tc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yw i t hv i i tu s e st h ef r i e n d l yi n t e r f a c eo f v it or e p l a c et h et r a d i t i o n a lm o n i t o r i n gm e t h o d s t h em o n i t o r i n gp a l t f o r ma c h i e v e st h e e f f i c i e n t r e l i a b l ea n dr e a l t i m em o n i t o r i n go ft h en e wf e e d f o r w a r d t r a c t i o np o w e r s u p p l ys y s t e m b a s e do nt h em o d l e m a s t e rc i r c u i tt o p o l o g ya n dc o n t r o ls t r a t e g yo f t h en e wt r a c t i o n p o w e rs u p p l ys y s t e m t h ep a p e rg i v e st h em o n i t o r i n gs y s t e md e s i g n s t h i sm o n i t o r i n g s y s t e mi sd i v i d e di n t ot w op a r t s m o n i t o r i n gs u b s y s t e ma n d c o n t r o ls u b s y s t e m t h ep a p e rb u i l dt h em o n i t o r i n gs u b s y s t e m sw i t hd e s i g nt h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r e s y s t e m si ni n d u s t r yp c a p p l i c a t i o ns o f t w a r es y s t e m s i sd e v i d e di n t ot h r e ep a r t s m o n i t o r i n gs o f t w a r eb a s e d o nl a b v i e w v i r t u a lo s c i l l o s c o p ea n dd l l b a s e do nv c t h ep a p e rb u i l dt h ec o n t r o ls u b s y s t e m sw i t hu n i v e r s a lc o n t r o l l e r t h ec o n t r o l l e r u s e sr s 4 8 5b u sn e t w o r ka st h eb a s e m e n tc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k i tr e a l i z e st h e o p e r a t i o no f r e a l t i m ed i s p l a ya n dr e a l t i m ec o n t r o lo fp w m c o n v e r t e r i na d d i t i o n t h et r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e mo p e r a t i o nc a na l s ob ec o n t r o l l e d t h r o u g ht h eh o s tc o m p u t e rs y s t e m i t i sv e ru s e f u la n dc o n v i e n tf o rd e s i g n e r st o d e b u g g i n ga n dm a i n t e n a n c et h es y s t e m i ne v e r yc h a p t e ra n dt h es u m m a r yo ft h i sp a p e r t h ea c t u a lr e s u l t so f t h em o n i t o r i n g a n dc o n t r o ls y s t e ma r eg i v e d t h er e s u l t s o fe x p e r i m e n ts h o wt h a tt h ed e s i g n r e q u i r e m e n t so f t h em o n i t o r p l a t f o r ma r ef u l l yr e a l i z e d ib e l i v et h a tt h e r ea r eg o o d p r o s p e c t so f i t sa p p l i c a t i o n k e y w o r d s s u p p l ys y s t e m p w mc o n v e r t e r e t h e m e tn e t w o r k v i o n t r o l l e r c l a s s n o t m 9 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果 除了文中特别加以标注和致谢之处外 论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果 也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名 猡藁谚 签字同期 勘叩年 月砂同 8 l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留 使用学位论文的规定 特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 并采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编以供查阅和借阅 同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名 1 7 t 砸 签字吼2 即年厂月脚日 导师签名 棚勃卅 签字日期 钟9 年石月砂日 i 致谢 本论文的工作是在我酶导筛剃态刚教授的悉心指导下完残的 剃志剐教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响 在此衷心感谢两年来 刘老师对我的关心耨指导 沈茂盛老师 刁利军老师以及牟寓强工程师悉心指导我们完成了实验室的科 研工作 在学习上和生活上都给予我很大的关心和帮助 在此向沈茂盛老师 刁 利军老耀以及牟富强工程师表示衷心豹感谢 在实验室工作及撰写论文期间 卒哲锋 张钢 王磊 林文立 梅樱等同学 对我论文枣的醑究工作给予了热情絮助 特翔是王磊穗士在学业上的指导给了我 很大帮助 在此向他们表达我诚挚的谢意 在交大的6 年学习生涯中 电气学院的老师和爵学们给予我悉心的指导窝无 私的帮助 感谢他们让我的学生生涯增添精彩 借此机会 也懿本论文中所弓l 焉和参考的文献资料的作者和出版者致以崇嵩 的敬意和感谢 最后要感谢我的父母和朋友 一是他们的理解和支持使我能够在学校专心完 裁我嚣学业 1 引言 1 1课题背景 城市轨道交通具有快速 运量大 低噪音 舒适安全 节能环保等诸多优点 自问世后便显现出其特有的优势 成为世界各国解决日益严重的城市交通问题的 首选 我国城市轨道交通的发展已经历了4 0 年的历史 越来越多的城市建立了城 市轨道交通线路 未来 城市轨道交通系统将能承担5 0 8 0 的城市交通客流 量 可以预计 我国的城市轨道交通和高速铁路一样 拥有庞大的市场潜力 这 在一定程度上可带动相关机电 材料产业的发展 经济效益是非常明显的 目前 城市轨道交通主要采用7 5 0 v 和1 5 0 0 v 直流供电制式 一般采用1 2 脉 波或2 4 脉波二极管整流 这种二极管整流器沿用至今已经有几十年历史 它的最 大优点是由于二极管不需要控制 因而装置的结构简单 性能很可靠 而且经过 长时间的应用 技术也比较成熟 但是它也存在着一些问题 直流电压不可控 电压波动大 对交流电网的谐波污染大 此外 由于城轨车辆需要频繁的起动和 制动 而在车辆快速启动时 需要的牵引功率大 由二极管整流输出的直流电压 会迅速跌落 在车辆制动时 为了防止直流电压升高超过限制值 只能用电阻将 制动能量消耗掉 造成能量的极大浪费 i 以冲量等效原理为基础 1 9 6 4 年 德国的a s e h o n u n g 等人率先提出了脉宽调 制变频的思想 即p w m p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n 他们把通信系统中的调制技术推 广应用于交流变频器 p w m 整流器的研究始于2 0 世纪8 0 年代 这一时期由于自 关断器件的r 趋成熟及应用 推动了p w m 技术的应用与研究 到2 0 世纪8 0 年代 末 随着a w g r e e n 等人提出了基于坐标变换的p w m 整流器连续 离散动态数学 模型及控制策略 p w m 整流器的研究发展到了一个新的高度 总体来讲 p w m 整流器可以具有如下优良性能 2 1 网侧电流为正弦波 可以减少甚至避免谐波污染 2 网侧功率因数控制 如单位功率因数控制 3 电能的双向传输 p w m 整流器既可以将电网输入的交流电压整流为输 出的直流电压 方便地将直流逆变为交流 回馈到电网中去 实现牵引与再生工 况间快速平滑的转换 由于这种p w m 整流器能很方便的在整流或逆变的四象限内 运行 最初也称它为四象限变流器 4 较快的动态控制响应 可以使整流得到的直流电压更加趋于稳定 城市轨道交通供电系统是整个城市轨道交通系统能量的来源 必须保证供电 系统在具有较高的可靠性的条件下 提供良好的电能质量 在设计供电系统时 要求供电质量良好 以避免供电系统的波动损坏电力机车等用电设备 同时 还 要求供电系统具有解决网侧谐波干扰的功能 城市轨道交通新型供电装置就是在 p w m 整流器技术背景下 将p w m 整流技术应用到牵引供电领域 实现对传统牵 引供电系统的改进 以达到减少网侧谐波 稳定直流侧电压以及在列车制动时回 馈再利用制动能量的目的 作者所在的课题组承担了国家科技支撑计划所支持的城市轨道供电能馈式牵 引供电装置的研制工作 采用p w m 整流器的新型拓扑 有效地解决了传统二极管 整流器所存在的问题 新型牵引供电装置有效地减少了交流电网侧的谐波 并且 交流侧功率因数完全可控 动态相应快 最为重要的是 采用p w m 整流器后 交 直流两侧的能量可以实现双向流动 这对于处于制动工况的车辆来说 其再生制 动产生的能量可以通过供电装置回馈交流电网 大大减少了能量的浪费 对于节 能减排具有十分积极的意义 为了保障城市轨道交通新型供电系统调试及运行的正常 本文设计了新型供 电系统监控试验平台 1 2国内外发展现状 节能 环保 安全 人性化 是当前城市轨道交通发展的重要趋势 加强 自主创新能力是国家可持续发展的必由之路 新型能馈式牵引供电系统研究具有很强的创新意义 它比传统的供电系统在 多个方面有明显的优势 主要体现在 通过完成牵引供电与制动能量回馈两种模 式的自动转换 实现动车制动能量的再生利用 具有显著的节能效益 除此之外 系统的谐波含量和功率因数均有所改善 鉴于此 国外同类产品也j 下在积极地研 制之中 在世界范围内 城市轨道交通新型供电系统的研究刚刚起步 我国与世 界水平的差距还很小 考虑到系统的节能效果 低的谐波污染和高水平的直流电 压输出 国外发达国家也在竞相研制这种以脉冲整流器为核心单元的城市轨道交 通系统 而我国与世界先进水平在这方面的差距仅在一两年之间 新型能馈式牵 引供电系统的研制成功极可能在三年的时间内赶上甚至超过国外发达国家的水 平 对新型能馈式牵引供电系统的研究不仅有利于我们掌握目前世界先进的大功 率p w m 整流技术 如 主电路 控制 能量管理 智能监控等方面的技术 而且 可以通过技术推广克服现有供电系统的谐波污染大 功率因数低的缺点 节约整 体成本 开辟一条 绿色能源 道路 实现对现有城市轨道交通供电体系的革命 2 并产生巨大的经济效益 以规划线路总里程5 0 0 0 公里计算 大约需1 0 0 0 个以上 的供电系统 实现产值约5 0 亿左右 国家在新型的能馈式牵引供电系统的研制方面给予了越来越高的重视 科技 部在 十一五 国家科技支撑计划重点项目 电力电子关键器件及重大装备研制 中把第七课题 城市轨道交通能馈式牵引供电系统及牵引传动系统研制 作为一 项重要研究课题 课题要求自主研制城市轨道交通2 m w 能馈式牵引供电系统样 机 并在试验线上完成运行考核试验 要求节能效果达到国际技术水平 在工业控制领域 随着技术水平的不断提高 各种现场总线技术被开发出来 如c a n p r o f i b u s 等 以太两技术原来只是一种局域网技术 丽近凡年其发震 速度惊人 并开始突破局域网的限制 走向了城域网 呈现出向广域网络扩张的 态势 目前 以太网已成为世界上应用最为广泛的计算机网络 它遵循囡际标准 规范 传输速度快 可以满足实时性要求 此外 r s 4 8 5 总线因硬件设计简单 控制方便 成本低廉等优点 在各控制领域工程中仍被广泛使用 与此同时 随着计算枕技术的迅猛发展 虚拟仪器技术在数据采集 自动测 试和测量仪器领域得到了广泛应用 促进和推动测试系统和测量仪器的设计方法 与实现技术发生了深刻的交化 虚拟仪器既有普通仪器的基本功镜 又有一般仪 器所没有的特殊功能 是一种高档低价的新型仪器 软件就是仪器 已经成为测 试与测量技术发展的重要标恚 本文的重点是完成新型能馈式牵引供电系统监控平台的设计 监控系统相关 参数的传输是通过以太网及r s 4 8 5 总线实现的 上层界谣是通过虚拟仪器实现的 因此 本文研究的监测控制平台在数掘传输方面具有了以太网 r s 4 8 5 总线等优 势 在监测界面方面具有虚拟仪器的优势 l3选题意义 城市轨道交通新型供电系统 要求供电质量良好 且具有解决网侧谐波干扰 的功能 为了保障供电系统调试及运行的正常 要求对供电系统动态过程中的各 电气参量 温度值及开关量等迸行测量 传输 显示 存储及故障诊断 方便用 户观察数据 分析数据 而目前测量电参数主要依靠示波器 电压表 电流表以 及万用表等仪表装髭 这些仪表的大量使用会影响p w m 整流器的正常运行 威胁 技术人员人身安全 使调试过程复杂化等 急需丌发一种新的技术来代替传统的 测量仪器 此外 为方便设计人员调试修改供电系统底层主控程序 需要设计控 制器 实现控制器与主控板之问的数据通讯 为了熊决以上 藤题 本文设计了基于以太网及虚拟仪器技术的监测予系统以 3 及基于r s 4 8 5 总线的控制子系统 监测子系统通过上位机监测界面和下位机系统 实现 控制子系统通过控制器实现 监测子系统及控制子系统构成了供电系统监 控试验平台 本监测控制试验平台具有以下的优势 1 监控数据量大 可完成大量数据的实时高效的测量 传输 显示及存储 2 较高的安全性 数据检测方便 不必频繁地使用示波器及其他测量仪器 减少了人与强电接触的机会 提高了安全性 3 降低成本 采用虚拟仪器设计上层界面减少了测试系统的硬件环节 降 低了系统的开发和后期维护的成本 4 多通道显示 普通示波器一般只有四通道 可显示的变量少 采用虚拟 示波器可以显示更多的变量 拥有更多的通道 5 观察距离远 普通示波器观察点距离检测点的距离最长即为探头的长度 而虚拟示波器的数据是通过以太网传输过来的 观察点可以距离测量点几十米乃 至上百米远 6 良好的人机界面 基于l a b v i e w 的上层监测系统直接面向对象 具有 良好的人机界面 波形显示通过基于v c 的虚拟示波器显示 实现与传统仪器面 板相似的图形界面显示 用户可根据个人爱好定义自己所喜爱的面板形式 人机 界面良好 7 主控参数可更改 使用设计的控制器 设计者可以在工作条件恶劣的调 试及维修现场随时修改供电系统主控板的控制参数 1 4 主要研究工作 本文设计的监控系统的研究对象是城市轨道交通新型能馈式牵引供电系统 为了实现对牵引供电系统的监控任务 采用传感器 信号调理电路 d s p 及外围 电路 以太网通信传输单元等构建了监测子系统下位机平台 利用l a b v i e w 以及 基于v c 的虚拟示波器实现了监测子系统上位机平台设计 同时 上位机和下位 机一起配合 实现了对供电系统的故障诊断功能 此外 为了实现对供电系统调 试维护过程中的主控板控制参数修改 设计了基于d s p 及r s 4 8 5 总线的控制子系 统 根据科研及工程项目的实际需要 本文的研究内容主要分为以下几个方面 第一章 引言 介绍了课题的背景及国内外发展现状 提出了本文的主要研 究工作及选题意义 第二章 监控系统概述 介绍了新型能馈式牵引供电系统的结构以及供电系 4 统监测控制试验平台的设计要求 提出了监控系统的总体设计方案 第三章 监测子系统下位机系统设计 介绍了监测子系统的总体方案 根据 方案设计了监测子系统下位机系统 下位机系统设计主要包括传感器选型 信号 调理板设计 监测板设计以及网络传输单元设计 第四章 监测子系统上位机系统设计 介绍了上位机系统总体设计方案 根 据上位机系统设计方案 完成了上位机系统的上层监控界面设计 虚拟示波器设 计 动态链接库设计以及故障诊断部分设计 第五章 监控系统的控制子系统设计 控制子系统主要通过设计控制器实现 介绍了控制子系统的设计方案 根据设计方案 详细介绍了控制器的硬件设计 软件设计等 第六章 总结已完成的工作并提出现有工作中的不足 5 2 监控系统概述 2 1新型能馈式牵引供电系统概述 为了减少制动能量在列车制动电阻上的耗散 抑制地铁隧道内温度的升高和 减少车载设备 国外一般在牵引变电所的直流母线上设置再生制动能量吸收装置 所采用的吸收方案主要包括电阻耗能型 电容储能型 飞轮储能型和逆变回馈型 四种方式 设置再生制动能量吸收装置的供电系统区别于传统的二极管不控整流 供电系统 又被称为城市轨道交通新型供电系统 电阻耗能型再生制动能量吸收装置控制简单 其主要缺点是再生制动能量消 耗在吸收电阻上 未加以利用 而且电阻散热也导致环境温度上升 因此当该装 置设置在地下变电所内时 电阻柜需单独放置 而且该房间需采取措施保证有足 够的通风量 需要相应的通风动力装置 也增加了相应的电能消耗 2 1 电容储能型或飞轮储能型再生制动能量吸收装置要设置体积庞大的电容器组 和转动机械飞轮装置作为储能部件 因此应用实例较少 逆变回馈型再生制动能量吸收装置主要采用电力电子器件构成大功率晶闸管 三相逆变器 该逆变器的直流侧与牵引变电所中的整流器直流母线相联 其交流 进线接到交流电网上 当再生制动使直流电压超过规定值时 逆变器启动并从直 流母线吸收电流 将再生直流电能逆变成工频交流电回馈至交流电网 该吸收装 置的电气系统主要包括晶闸管逆变器 逆变变压器 平衡电抗器 交流断路器 直流快速断路器 电动隔离开关 直流电压变换器和调节控制柜等 该装置充分 利用了列车再生制动能量 提高了再生能量的利用率 节能效果好 并可减少列 车制动电阻的容量 其能量直接回馈到电网 既不要配置储能元件 又不要配置 吸收电阻 因此对环境温度影响小 在大功率室内安装的情况下多采用此方案 逆变回馈型另一种方式是再生制动能量吸收装置与整流系统相结合的方式 即整 流装置本身既是整流器又是逆变器 根据当前供电系统电压大小 能量流动的情 况来切换整流 逆变状态 此种装置结合了再生制动能量和整流系统 成本相对 较低 适合大功率场合 本文所监控的新型能馈式牵引供电系统就是再生制动能 量吸收装置与整流系统相结合的逆变回馈型供电系统 新型能馈式牵引供电系统的结构如图2 1 所示 系统由若干个整流器单元多重 化并联组成 采用这种结构方式 可以提高系统的供电质量 同时供电装置扩容 容易 并可以提供一定的冗余性 另外 新型能馈式牵引供电系统区别于传统系 7 统的不同之处在于其直流侧的制动能量可以回馈到交流电网 交流侧功率因数可 调 并且直流侧的输出特性完全可控 整流器单元是新型能馈式牵引供电系统的 基本组成部分 每个整流器单元内由两个p w m 整流器与交流侧的变压器组成 每 个整流器单元具体参数有 功率p 5 0 0 k w 直流侧电压u d c 7 5 0 v 交流侧线电压 u a c 4 0 0 v l o k v 1 0 k v 聿警车 聿 茎 专 占电站占 z 2 上 厂 厂 人 誓 一 i i 卣流似线 7 5 0 v i 卣流f 咕线 7 图2 1 新型能馈式牵引供电系统结构图 f i g u r e2 1s t r u c t u r eo fn o v e lt r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m 2 2监控系统总体设计 2 2 1 监控系统的设计要求 由上文的分析可知 本文所要设计的监控系统必须满足以下几个方面的功能 要求 1 由于供电可靠性和电能质量的要求 监测系统需要监测的对象较多 主 要有 接触器状态 交流侧三相线电压和线电流 直流电压和电流 相关的温度 信号以及故障保护信号等1 3 路模拟信号和1 8 路数字信号 2 要求监控系统显示实时性好 故障诊断数据准确可靠 反馈命令及时准 确 3 在不希望监测性能下降的前提下为了尽量降低硬件成本 设计系统是尽 可能充分利用硬件资源 这也就要求数据采集系统具有灵活易配置的多通道 同 步采集的能力 4 从易用性和智能性方面考虑 要求监测过程中能给出必要的提示信息 当数据异常时能够给出报警信息 要求具有故障诊断功能 对已经产生的故障准 确显示其故障点信息及故障原因 5 控制器系统用于对主控板的参数进行设置和修改 要求具有网络通讯可 靠 操作简单 灵活的软件设置 通用性好 高集成度 便于携带以及环境适应 性好等特点 2 2 2 监控系统的总体设计方案 新型能馈式牵引供电系统分为主电路部分 主控部分 监测控制部分 主电 路部分主要由变压器及p w m 整流器单元构成 主控部分主要由主控制板 c p l d 单元以及功率驱动模块构成 本文主要研究监测控制部分 即设计供电系统的监 控试验平台 主电路部分和主控部分不在本文的研究范围之内 监测控制部分的监控对象是p w m 整流器单元 根据前面分析的设计要求 考 虑到设计人员和使用人员的应用层次不同 本文设计的新型能馈式牵引供电系统 的监控系统结构如图2 2 所示 9 一1 5控 幽2 2 新掣能馈式牵引供电系统监控结构幽 f i g u r e2 2s t r u c t u m o f c o n t r o la n d d i a g n o s e s y s t e m f o r n o v e l t r a c t i o ns u p p l ys y s t 哪 新型能馈式牵引供电系统的监控系统设计主要分为两个部分 即监测子系统 和控制子系统 其中 监测子系统由下位机系统和上位机系统构成 控制子系统 通过设计控制器实现 监铡予系统的下位机系统主要山多路传感器 信号调理电路板 监测板以及 网络通信传输单兀构成 其中 多路传感器实时采集p w m 整流器单元电胍 电流 温度等参数 多路传感器的采集信号以及p w m 整流器单元的状态信号等模拟量 数字量分别通过模拟量调理电路 数字量调理电路转换成底层监测板d s p 可以以 别的电信号 然后送给供电系统十控制板和监测系统的底层监测板 h 监测板d s p 对接收到的模拟量进行a d 转换 同时检测数字量的状态信息 主控板d s p 将 p w m 整流器发生故障时的故障信息以及系统运行的状态信息 如工作r 整流 逆变 状态 系统起 停机 等通过串口传递给监测板d s p 监测板d s p 还负责对采集到 的模拟量 数字量和信息最进行处理 按照既定的通讯m 义将返些数据组织成以 太网数据帧所要求的形式 通过以a 刚上传刮l 位机系统 监测子系统的上位机系统山基于l a b v i e w 的监删系统及基十v c 的虚拟示 波器组成 其中 基于l a b v i e w 的监测系统负责计算处理p w m 整流器单元的各 种运行数据 状态信息等 并进行脑测显示 存储 丽基于v c 丁 的虚拟示波器系 统负责p w m 整流器单元模拟量的实时波形砬示 使用v c 编丐0 用动忐链接库 d l l 协鲥 监测界面和虚拟示波器两个应j 目软件在进行并自的数批接收和发送发1 二 的冲突 控制f 系统即托 制器卜要由网络传输单儿 液晶显不巾元以及按键操作单兀 等构成 控制器利用底层通讯通道向主控系统发送命令 进行参数的在线修改 实时查看主控系统的工况等 用于p w m 整流器装置在运行 调试 维护过程中的 参数显示 参数修改等 2 3小结 本章介绍了新型能馈式牵引供电系统的基本内容 分析了新型供电系统的基 本监控要求 从监控系统的设计要求及科研需要出发 提出了监控系统的总体设 计方案 本文研究的新型能馈式牵引供电系统的监控系统主要分为两个部分 即监测 子系统和控制子系统 其中 监测子系统由下位机系统及上位机系统构成 控制 子系统通过设计控制器实现 监测子系统的下位机系统的设计将在第三章中进行详细的介绍 上位机系统 的设计将在第四章中进行详细的描述 第五章将介绍控制子系统即控制器的设计 3 监测子系统的下位机系统设计 为了显示供电系统每个p w m 整流器单元的工作状态 需要监渊交流侧电压电 流信号 直流侧电压电流信号 开关量信号 温度信号以及故障保护信号等 共 计1 3 路模拟信号 1 8 路数字信号 m 机系统 h i 小 一 嘲3l 新型能镄式牵引供电系统子监测系统示意图 f i g a m 3is t r u e t u r e o f m o n i t o r i n gs y s t e m f o r n o v e l t r a c t i o n p o w e r s t r p o l y s y s t e m 新型能馈式牵引供电系统监测子系统的示意图如图3 1 所示 由本文第二章介 绍的监测子系统总体方案可知 监测子系统的下位机系统主要由多路传感器 信 号调理板 监测板以及网络通信传输单元构成 监测子系统的上位机系统由基于 l a b v l e w 的监测系统厦基于v c 十的虚拟示波器组成 本章先介绍监测子系统下位机系统的设计 t 位机的设计将在第四章中介绍 3 1下位机系统简介 由前面的内容可知 整个监测子系统的下位机系统主要由多路传感器 信号 调理板 监测板以及网络通信传输单元构成 各部分具体功能如下 1 多路传感器 主要用于测量交流侧电压电流 直流侧电压电流 p w m 整流器单元电感温度 直流电容温度 功率开关管i g b t 温度等 2 信号调理板 信号调理板分为模拟信号调理板和数字信号调理板 其中 数字信号调理板主要用于采集监控系统所需数字量 并将采集到的数字信号转换 为监测板可以识别的标准数字信号 数字信号调理板采集调理的数字信号主要包 括交流侧主接触器的闭合状态 直流电容预充电接触器的闭合状态 直流接触器 的闭合状态 直流电容放电接触器的闭合状态等 模拟信号调理板负责采集从传 感器测得的各种模拟信号 并对得到的模拟信号进行采样 放大 电气隔离 滤 波 信号转换等处理 将模拟信号转换为监测板a d 通道可以识别的标准信号 同时 模拟信号调理板对采集的模拟量进行了硬件保护设计 可以向外提供硬件 故障信号 3 监测板 监测板负责对来自信号调理电路的模拟量 数字量和来自主控 板的信息量进行处理 按照既定的通讯协议将这些数据组织成以太网数据帧所要 求的形式 通过以太网上传到上位机系统 此外 监测板还采用非易失性存储器 f l a s h 存储来自主控板的故障数据 并通过以太网接口将故障数据上传给上位 机系统 4 网络通信传输部分 包括串行通信 以太网通信以及c a n 通信 主控 板和监测系统之间部分数字量传输采用串行通信 监测系统内部采用以太网控制 芯片和必要的隔离芯片 按照既定的通讯协议通过以太网与上位机进行大数据量 通信 c a n 通信作为备用扩展通讯通道 压重匿 r 一 i 7 n i i l c i c i j d s p 2 8 1 2 了 7 i 二 i 主控芯片 r 焉 l i 竺竺 i 厂 百 广 1 7 l 2 图3 2 新型能馈式牵引供电系统监测系统下位机系统结构图 f i g u r e3 2s t r u c t u r eo fm o n i t o r i n gs u b s y s t e m f o rn o v e lt r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m 监测系统下位机系统的结构如图3 2 所示 首先传感器采集模拟量送给模拟信 号调理板 p w m 整流器单元给出相关数字量给数字量调理板 调理板将调理后的 1 4 模拟信号 数字信号送给监测板 监测板可以将得到的信号通过网络传输单元进 行数据传输 因此 下位机系统的设计主要包括传感器选型 信号调理板设计 监测板设计以及网络通信传输单元设计 下面将根据以上分析 分别介绍下位机系统各单元的设计 3 2 传感器的选型 传感器一般由敏感元件 转换元件和其它辅助部件组成 其作用是把物理信 号转换成电信号 是监测系统和被测量对象之间的接口 是监测系统中必不可少 的一个基础环节 传感器在本系统中处于监测系统的最前端 其性能好坏将直接 影响着整个监测系统的整体性能 对监测系统的整体测量精度起着重要的作用 根据第二章所确定的监控系统总体方案以及前一节分析的下位机系统构成可 知 本监测系统需要对电压 电流 温度等进行测量 有关电压 电流等电量测量的传感器 按照其工作原理不同可以分为 霍开 环传感器 霍尔闭环传感器 互感原理传感器 电磁调制传感器和电磁隔离感器 等 其中 霍尔闭环传感器是现在应用比较广泛的电流 电压传感器 这种传感 器可咀测量任意波形的电流 电压 如直流 交流 脉冲电流 可以实现被测信号 与测量信号之间完全电气隔离 具有良好的总体精度 高频带 低度漂移和较高的 线性度等诸多优点p 下面先对霍尔闭环传感器的工原理进行简单介绍 1 霍尔闭环电流传感器的工作原理 闭环霍尔电流传感器的工作原理是磁平衡式的 如图33 所示 蚓3 3 霍尔闭环电流传感器原理创 f i g u r e3 3p r i n c i p a lc i r c u i to f h a l lc k s e d l o o pc u r r e n ts e n s o r 原边电流i 口所产生的磁场通过一个副边线圈的电流i s 所产生的磁场进行补偿 使霍尔器件始终处于检测零磁通的工作状态 当原副边补偿电流产生的磁场在磁 j e 豆窑煎 厶生亟 监奎 芯中达到平衡时 式 3 1 成立 n p x l n s xi s 3 1 式中 i p 为原边电流 n p 为原边线圈的匝 i s 为副边补偿电流 n s 为副边线 圈的匝数 由式 3 1 可以看出 当己知传感器原边和副边线圈匝数时 通过量副 边补偿电流i s 的大小 即可推算原边电流i 口的值 从而实现对原边电流的隔离测量 2 霍尔闭环电压传感器的工作原理 霍尔闭环电压传感器是在霍尔闭环电流传感器的基础上 原边串入电阻 原 边电压v p 通过原边电阻转换为原边电流i p i p 产生的磁通量与霍尔电压经过放大后 产生的副边电流i 通过副边线圈所产生的磁通量相平衡 副边电流i s 精确的反映原 边电压 其原理图如图3 4 所示 图3 a 霍尔闭环电压传感器原理酗 f i g u r e3 4 p r i n t 岫l c i a e u i t o f h a l l c l o s e d l o o p v o l t a g t s e n s o r 测量温度的传感器主要有热电偶 热敏电阻 本文采用测温原理简单 丌发 早 种类多 发展较成熟的热敏电阻传感罂 热电阻的电阻值是随温度变化而变 化 铜热电阻和铂热电阻是正温度系数热敏电阻 温度越高电阻值越高 具备非 常优良的复现性和线性 本文中 根据单个p w m 整流单元的系统所需测定参量的范围及精度要求 我 们选择采用l e m 公司的a v l 0 0 1 0 0 0 传感器测量交流侧线电压和直流电压 采用 l e m 公司的l f l 0 0 5 s 传感器测量直流电流 采用热敏电阻传感器p t l 0 0 澜i 量电感温 度 采用s k i i p 中集成的电流传感器测量交流侧电流 采用s k i i p 中具有正温度系数 p t c 的电阻柬完成i g b t 温度检测 p w m 整流单元功率p 5 0 0 k w 直流侧电压u d e 7 5 0 v 交流侧线电压 u a c 4 0 0 v 传感器的选型如表3l 所述 表3 1 传感器选型表 t a b l e3 1t a b l eo fs e n s o rs e l e c t i o n 待铡待测传感器传感器测量 备注 参数范围名称型号范围 交流侧 4 0 0 v 士5 l e ma v l 0 0 1 0 0 0 1 1 5 0 0 v 线电压 交流侧集成的电 s k i i p 线电流 l2 5 0 a 士5 3 0 0 0 a 流传感器 提供 直流电压 5 0 0 1 0 0 0 vl e ma v l o o 1 0 0 0士1 5 0 0 v 直流电流5 0 0 1 0 0 0 a l e ml f l 0 0 5 s士1 5 0 0 a 电感温度 8 0 1 0 0 p t l 0 0p 1 r l o oo 4 1 9 电容温度8 5 盯1 0 0p t l o o0 4 1 9 s k i i p l g b t 温度 5 0 6 0 p t c 电阻 m 1 1 7 5 提供 3 3信号调理板设计 信号调理板分为模拟信号调理板和数字信号调理板 主要用于对p w m 整流单 元的各种状态信号进行检测 调理 信号调理板的设计主要有 1 输出直流电压检测电路 输出直流电压信号不仅用于过压保护 欠压保 护 还用于计算p w m 开关占空比 直流电压的高低决定了输出p w m 脉冲的调制 程度 因此 输出直流电压信号至关重要 直流电压检测可以采用电压传感器 电 压l e m l e m 传感器采集来的信号为1 0 0 0 v 5 0 m a 的电流信号 经过比例电阻 分压 再经过低通滤波进入射极跟随器环节 从而使得输入阻抗增加 输出阻抗 减小 提高带载能力 负载变化不影响该点电压值 最后通过钳位保证信号电压 范围在d s p 管脚能接收的o 3 3 之间 输出直流电压检测电路如图3 5 所示 图3 5 直流电压检测电路图 f i g u r e3 5m e a s u r e m e n tc i r c u i tf o rv o l t a g ed c 2 输出直流电流检测电路 直流电流检测主要用于过流保护 整流器的均 1 7 流控制 输出功率的检测和显示 直流电流检测采用电流l e m 来采样 l e m 传 感器采集来的信号为2 0 0 0 a 一4 0 0 m a 的电流信号 经过比例电阻分压 再经过低通 滤波进入射极跟随器环节 从而使得输入阻抗增加 输出阻抗减小 提高带载能 力 负载变化不影响该点电压值 最后通过偏置电路及钳位保证信号电压范围在 d s p 管脚能接收的o 3 3 之间 直流电流检测电路如图3 6 所示 图3 6 直流电流检测电路 f i g u r e3 6m e a s u r e m e n tc i r c u i tf o rc u r r e n td c 3 交流电压检测电路 交流电压的检测主要用于输入电压保护 输入功率 的检测和显示等 交流电压检测采用电压l e m 来采样 l e m 传感器采集来的信 号为1 0 0 0 v 5 0 m a 的电流信号 经过比例电阻分压 再经过低通滤波进入射极跟 随器环节 从而使得输入阻抗增加 输出阻抗减小 提高带载能力 负载变化不 影响该点电压值 最后通过偏置电路及钳位保证信号电压范围在d s p 管脚能接收 的0 3 3 之间 交流电压检测电路如图3 7 所示 图3 7 交流电压检测电路 f i g u r e3 7m e a s u r e m e n tc i r c u i tf o rv o l t a g ea c 4 交流电流检测电路 交流电流的检测主要用于p w m 整流器的控制以及 过流保护 防止整流器长时运行于过载状态 交流电流检测由s k i i p 模块提供 采 集来的信号为2 0 0 0 a 8 v 的电压信号 经过比例电阻分压 再经过低通滤波进入射 极跟随器环节 从而使得输入阻抗增加 输出阻抗减小 提高带载能力 负载变 化不影响该点电压值 最后通过偏置电路及钳位保证信号电压范围在d s p 管脚能 接收的o 一3 3 之f b j 交流电流检测电路如图3 8 所示 图3 8 交流电流检测电路 f i g u r e3 8m e a s u r e m e n tc i r c u i tf o rc u r r e n ta c 5 温度检测电路 温度检测主要用于系统的过温保护 主要有i g b t 温度 检测和电感温度检测 i g b t 温度检测由i g b t 模块自行给出信号 电感 电容温 度检测由p t l 0 0 完成 p t l 0 0 热电阻阻值每升高一欧姆温度升高2 5 摄氏度 用在 低温时 近似温度2 阻值一l o o 幸2 一 1 0 0 欧姆对应0 摄氏度 系统中测量温度 范围在 5 0 度到2 5 0 度 对应的热阻阻值为8 0 欧到2 0 0 欧 如图3 4 所示5 v 电压 给p t l 0 0 供电 利用a s m l l l 7 作为恒流源 由于热阻阻值相对于电路中的r 1 4 3 很小 所以认为电流基本都从热阻流过 从而将温度信号转换成对应的电压信号 图3 9 交流电流检测电路 f i g u r e3 9m e a s u r e m e n tc i r c u i tf o rc u r r e n ta c 如图3 5 所示 温度信号转换成的电压信号经过分压之后得到电压v p t 大约 在1 0 0 m v 至2 0 0 m v 左右 将经过线性光欧隔离芯片h c p l 7 8 4 0 h c p l 7 8 4 0 不 仅起到隔离的作用 同时还有放大的功能 在其线性区输出与输入信号存在固定 的8 1 的关系 之后利用差分放大电路将电压信号继续放大到合适的范围 后面 的射级跟随器起到增加输入电阻的作用 最后电压信号输入到监控板d s p 中 电 路中的稳压二极管保证了输出的辐值在一定范围内 用来保护d s p 1 9 图3 1 0 交流电流检测电路 f i g u r e3 10m e a s u r e m e n tc i r c u i tf o rc u r r e n ta c 6 开关量状态检测 开关量状态检测主要提供给上层监控系统检测整个 p w m 整流器的工作 其输入量可作为主回路接触器故障的判别信号 包括交流断 路器开关信号 交流预充电电路断路器开关信号 直流断路器丌关信号等 开关 量状态检测通过d i d o 电路实现 具体电路如图3 1 0 所示 图3 1 0 d i d o 电路图 f i g u r e3 10c i r c u i tf o rd i d o 3 4d s p 芯片及外围电路设计 3 4 1