CRH2牵引变流器的设计

1、课程名称：牵引电机课程设计设计题目： CRH2牵引变流器的设计 目 录第1章 绪论 1.1简介.1 1.2本课程设计的任务及基本要求.1第2章 2.1CRH2 型动车组牵引变流器概述.2 2.2牵引变流器中支撑电容器研究.4 2.2.1 支撑电容器的主要技术参数.5 2.2.2 脉冲整流器中支撑电容器的选型设计.5 2.2.3支撑电容器电容值的计算.8 2.2.4牵引变流器中支撑电容器常用参数选择方法.8 2.3牵引变流器组设计中的几个问题.10 2.4牵引变流器控制系统研制.11 2.4.1传动控制单元的基本功能.12 2.4.2 四象限变流器的控制原理.12 2.5 CRH2 型牵引变流器

2、故障分析及处理.14 2.5.1牵引变流器智能故障诊断系统的功能结构.14 2.5.2基于故障树的专家系统实现17 2.5.3CRH2 型牵引变流器故障的分类18 2.5.4保护措施及应急措施19 2.6结语.21 2.7 参考文献.22 11- 西南交通大学课程设计 第9页第一章 绪论1.1简介随着中国铁路的大提速，中国向日本引进了CRH2动车组，CRH2 型200 km/ h 动车组编组形式为8 辆编组,动力配置为4 动4 拖, 编组为T1c- M2- M1- T2- T1k-M2- M1s- T2c, 其中相邻两动车为1 个基本动力单元。每个动力单元具有独立的牵引传动系统。每个动力单元由

3、1 台牵引变压器、2 台牵引变流器、8 台牵引电机及其相关设备构成。采用车控方式, 即每台牵引变流器给1 辆动车的4 台牵引电机供电。CRH2 型动车组主变流器( CI) 由单相3 点式脉冲整流器、中间直流环节、3 点式逆变器、真空交流接触器K 等主电路设备以及牵引控制装置、控制电源等控制设备组成。 为了牵引变流器中支撑电容器的参数选择提供理论依据,首先以脉冲整流器为例对支撑电容器参数计算原理进行了详细推导, 并采用仿真方法进行了验证, 对5 种常用支撑电容器选型方法进行了归纳。在牵引变流器的设计中，针对一些关键的问题，比如变流器的散热问题等做了详细的探究。在牵引变流器的控制上，本文也对其控制

4、单元，及其基本功能做了一一介绍，并分析了其控制原理。 动车组牵引变流器作为牵引传动系统的关键部件，其性能质量直接关系到动车组的安全正点运行。在动车组运用检修时，必须对牵引变流器发生的故障进行全面的故障分析，记录故障现象，找到排除方法，深入分析原因，制订预防措施，从而减少动车组牵引变流器故障率，提高故障判断处理效率，最终达到提高动车组运用质量的目的。1.2本课程设计的任务及要求设计任务通过该设计，使学生初步掌握CRH2牵引变流器的结构，工作原理并对运行中牵引变流器的各种故障进行分析并采取相应的保护措施和应急处理措施。设计要求1. 画出牵引变流器的系统结构图。（对每部分参数提出设计意见）2. 分析

5、其工作原理及特性。3. 对牵引变流器的各种故障进行分析。4. 提出保护及应急措施。 第二章2.1 CRH2 型动车组牵引变流器概述 CRH2 型200 km/ h 动车组编组形式为8 辆编组,动力配置为4 动4 拖, 编组为T1c- M2- M1- T2- T1k-M2- M1s- T2c, 其中相邻两动车为1 个基本动力单元。每个动力单元具有独立的牵引传动系统。每个动力单元由1 台牵引变压器、2 台牵引变流器、8 台牵引电机及其相关设备构成。采用车控方式, 即每台牵引变流器给1 辆动车的4 台牵引电机供电。CRH2 型动车组主变流器( CI) 由单相3 点式脉冲整流器、中间直流环节、3 点式

6、逆变器、真空交流接触器K 等主电路设备以及牵引控制装置、控制电源等控制设备组成。上述设备安装在CI 箱体内。图1 主变流器系统图脉冲整流器部分:牵引变压器牵引绕组输出的AC1 500 V、50Hz 交流电输入脉冲整流器。脉冲整流器由单相3 点式PWM 变频器、交流接触器K 组成,采用无接点控制装置( IGBT 元件) , 从而实现了输出直流电压2 600 3 000 V 定压控制、牵引变压器原边电压、电流、功率因数的控制, 以及无接点控制装置保护。再生制动时, 脉冲整流器接收滤波电容器输出的直流3 000 V 电压, 向牵引变压器供应AC1 500 V、50Hz 交流电。另外, 主电路的输入通

7、过交流接触器K实施。四象限变流器四象限变流器的基本功能是实现牵引电网与中间直流环节之间的能量传递(牵引工况下从电网吸收能量，制动工况下向电网反馈能量)。与传统的整流器不同，四象限变流器通过采用PWM控制方法具有下述 功能： 无论是网压发生波动还是逆变器的负载发生变化，四象限变流器均可以使中间直流环节电压保持 在给定值上，从而保证电机侧变流器一VVVF电压型逆变器正常工作。 四象限变流器可以做到牵引与再生工况之间快速且平滑的转换，充分满足动车的牵引/制动要求。 四象限变流器可以明显改善对牵引电网的影响。通过四象限变器的控制,牵引电网电流基波的相位可以与网压的相位相同(牵引工况时)或相反(制动工况

8、时），使电网功率因数接近1或-1;同时牵引电网电流波形接近于正弦，有效降低电网的高次谐波含量。 为了实现上述功能，四象限变流器将采用PWM方式进行电压矢量控制，对中间直流环节电压和电网功 率因数进行调节。为使牵引电网电流波形接近于正弦，每节动车的四象限变流器采用两相两重控制方法，每个四象限变流器采用5分频PWM控制(GTO开关频率为250 Hz)l0逆变器部分: 输入为滤波电容器电压, 逆变器根据无接点控制装置( IGBT 元件) 控制信号, 输出变频变压的三相交流电, 对4 台并联的牵引电机进行转速、扭矩控制。在再生制动时, 逆变器工作在整流状态, 将牵引电机发出的3 相交流电进行整流, 向

9、滤波电容器输出直流电压。由于采用了3 点式拓扑结构,减小了输出电压和电流的波动, 从而有利于降低损耗,提高电机和系统效率, 减少转矩脉动。电机侧VVVF逆变器采用直接力矩控制，通过检测定子电压和电流,借助异步电机的瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和力矩，实现磁链和力矩的直接控制，使定子的磁链轨迹近似为圆形，并可得到良好的速度和力矩控制的动态性能。 在系统电路图中,速度调节器根据速度偏差信号产生力矩给定值，函数发生器根据转速信 号给出定子磁链给定值，电机模型将依据电机电流，中间电压和PWM触发模式进行运算，求 得定子磁链和电机转矩的实际值。 磁链调节器和力矩调节器均为两点式调节器，根据磁链和力矩的

10、实际偏差，通过开关状态控制发出逆变器触发信号，输出相应的电压空间矢量，从而控制电机的定子磁链轨迹近似为圆形，并实现电机转矩的直接控制。 中间直流电路(滤波电容器)滤波电容器分割搭载，脉冲整流器电源设备2 台，逆变器电源设备3 台，合计容量8 000 F。滤波电容器与预备充电电路相连，起动时通过内置充电电阻的充电变压器从辅助电路进行初期充电，以防止K 接通时产生过大的冲击电流。在牵引工况下发生空转，或在再生制动时发生跳弓，均会引起中间电压的急剧上升，四象限变流器动态响应没有这么快，这就有可能损坏开关元件，因此在中间回路设有中间电压限制器，起到辅助稳压和保护作用。Ud1是设定的中间电压保护值，当U

11、d大于该值，将发出故障封锁信号，封锁四象限变流器及逆变器 的触发脉冲。无触点控制电路（DCU） 在交流电传动技术中，传动控制是其核心技术之一。交流传动控制系统（或称传动控制单元，简称DCU（DriveControl Unit）的核心任务是，根据司机指令完成对四象限整流器的实时控制、逆变器暨交流异步牵引电动机的实时控制和粘着控制，同时具备完整的故障保护功能、模块级的故障自诊断功能和轻微故障的自复位功能。 图2 系统主电路图脉冲整流器的主要技术参数：输入 1 285 kVA ( 单相交流1 500 V, 857 A,50Hz) ;输出 1 296 kW ( 直流3 000 V, 432 A) ;效

12、率 9715%以上( 牵引电机额定条件下) ;功率因数 ：97%以上( 在额定负载条件下, 除辅助电路和控制电路外) ;载波频率 1 250Hz。逆变器的主要参数：输入 1 296 kW ( 直流3 000 V, 432 A) ;输出 1 475 kVA ( 三相交流2 300 V, 424 A,0 220Hz) ;效率 9715% 以上( 牵引电机额定条件下) ;功率因数 97%以上( 在额定载荷条件下, 除辅助电路和控制电路外) ;载波频率 1 000Hz。 2.2牵引变流器中支撑电容器研究 支撑电容器是直交牵引逆变器、交直交牵引变流器( 以下简称牵引变流器) 中不可或缺的重要部件之一,

13、其主要作用是稳定中间直流电压, 提供瞬时能量交换, 与电源及负载交换无功, 对于IGBT( IPM) 牵引变流器, 支撑电容器通过低感母排与IGBT ( IPM) 并联, 还可省掉元件两端的过电压吸收电路, 使电路更加简洁。从储能效果出发, 即稳定中间直流电压的能力方面来看, 支撑电容器电容值取得越大越好, 然而从成本与体积方面考虑, 则希望电容值能取得尽可能小些, 此外,支撑电容器盲目增大, 将引起直流回路短路时能量释放巨大, 增加了故障时的破坏力, 降低了设备的安全性。因此, 为使系统达到最优的性价比, 支撑电容器电容值的选择成了变流器设计中一个重要环节。 2.2.1 支撑电容器的主要技术

14、参数 支撑电容器的选型首先应确定电容器的种类, 牵引变流器一般选择金属化薄膜电容器, 因此仅按该方案进行考虑; 然后根据具体的应用条件计算、仿真或凭经验确定电容器的各项主要技术参数; 再根据技术参数去选购或定制合适的产品。支撑电容器主要技术参数包括直流额定电压UN DC 、额定电流I N ( 有效值, 连续) 、电容值、等效串联电感值、耐压、损耗角、工作温度, 其定义与解释参见机车车辆设备电力电容器标准 。支撑电容器的工作电压为变流器直流电路的工作电压, 因此设计选型时额定工作电压一般选直流回路的最高工作电压即可; 耐压与工作温度可由牵引变流器系统应用条件确定; 电感值与损耗角由电容器本身的结

15、构决定, 设计选型时只需确定该两项参数能满足使用要求即可。因此, 对支撑电容器的选型而言, 重点是确定支撑电容器的额定工作电流与电容值。 2.2.2 脉冲整流器中支撑电容器的选型设计 为了将支撑电容器的参数选择原理描述清楚, 首先以交直交牵引变流器中的单相四象限脉冲整流器( 以下简称脉冲整流器) 为例进行详细说明。支撑电容器工作电流的计算 脉冲整流器主电路如下图所示, UN 为输入电源电压; 电感L N 为等值电感, 起传递和储存能量、抑制高次谐波的作用; RN 为电路的杂散等效电阻, 通常情况下很小, 下面分析中将其忽略; 牵引变流器的输入电源一般为牵引变压器输出, 电感LN 为牵引变压器的

16、短路阻抗。V1 V4 为全控型开关器件, 图1 中为IGBT , 也可采用GT O等器件, D1 D4 为续流二极管( 集成在IGBT 内部) 。Cd 为支撑电容器; 电感L 2 和电容C2 构成2 次串联谐振电路, 用于滤除变流器输出的二次谐波电流。如引言所述, 2 次谐振电路也可不加, 但支撑电容器的参数选择方法有所不同, 将分别进行介绍。 图3 脉冲整流器主电路图脉冲整流器输出电流计算脉冲整流器的工作原理见参考文献 2, 3 , 假设uN ( t) = 2UN sinXN t , 因iN 与uN 同相, 则有: i n( t) =2Insin Xnt 。因直流侧电压变化不大, 可将其看作

17、恒定值, udc( t ) = Ud 。 根据变流器交流侧与直流侧瞬时功率相等的原理,可得式( 1) :idc ( t) =Uab I N/Ud =P/Ud = (1)式中 , 为脉冲整流器的输入电压; A=tan, 为电感归算后的短路阻抗; P = UN IN , 为电源输入的有功功率; M =2Uab/Ud, 为脉冲整流器的调制比。可见, 脉冲整流器输出电流i dc( t ) 包含了两个重要的分量, 一个直流分量I dc 与一个2 倍于供电频率的交流分量idc2 , 简称二次谐波电流, 分别为:I dc =.co s（2）i dc2 = -MI N2cos( 2WN t - )(3)式(

18、1) 表示的idc ( t ) 的计算是将uab ( t) 简单看成纯正弦波得出的结论, 实际工作中uab ( t ) 是幅值为? Udc 的SPWM波, 因此i dc( t ) 除了包含直流分量与2 次分量外,还包含许多其他谐波分量, 现进一步对其波形进行分析。图2 是图1 的简化图, 其仿真结果如图3 所示, 为了与式( 1) 中的idc ( t ) ( 未包含高次谐波) 进行区别, 这里将整流器的输出电流定义为i Z( t ) 。图4 整流器简化图图5 仿真波形图假设整流器每个开关管的开关频率为f S , 则uab 的脉冲频率为2f S , 即uab 在T U =TS2内输出一个uab=

19、 udc或uab= - udc脉冲。因此, 在第i 个uab的脉冲周期内, i Z的表达式可写成:i Z = iN ( ti ) ( uab = udc) ,或i Z = - iN ( ti ) ( uab = - udc)i Z = 0( uab = 0) ( 4)式中tONi 区段表示整流器的交流侧与直流侧存在能量交换; t OFFi 区段表示整流器的交流侧与直流侧不存在能量交换。包含2 次谐振电路时支撑电容器工作电流的计算假设直流回路包含图2 中的2 次谐振电路, 则根据基尔霍夫电流定律有:iCd = iZ - i fL - i RL式中i Cd 为支撑电容器上的电流; ifL 为2 次

20、谐振回路上的电流; iRL 为负载电流, 波形参见图3。假设2 次谐振电路的滤波参数精确, 则所有的2 次谐波电流全部流经该支路, 且电感L 2 较大, 该支路中其他高次谐波电流很小, 因此ifL = idc2 ; 假设直流电压比较平稳, 则负载电流iRL 可看作纯直流, 即iRL = I dc, 因此i Z 除直流分量与2次分量外的谐波电流全部由支撑电容器承担, 且3 支路上的电流分量次数不重叠, 根据电流有效值公式可得:式中I Cd为支撑电容器上的电流有效值, I dc2 为整流器输出iCd的谐波成分主要为2f S 次谐波, 选择电容器时可按此频率为参考。不包含2 次谐振电路时支撑电容器工

21、作电流的计算图2 中不接2 次谐振电路时的系统仿真波形如图所示。因支撑电容器对2 次谐波电流的阻抗比负载小很多, 可近似看为所有谐波电流( 包括2 次谐波电流)都流经支撑电容器, 负载上的电流仍近似为纯直流I dc ,根据电流有效值公式可得:（12）iCd的谐波成分主要为2 次及2f S 次谐波电流2.2.3支撑电容器电容值的计算包含2 次谐振电路时支撑电容器电容值的计算如引言所述, 支撑电容器电容值越大对直流回路的纹波电压抑制能力越强, 但过大将增加系统的体积与成本, 同时还会带来一些负面影响, 如变流器开关桥臂短路时故障的危险程度也增大, 因此支撑电容器的取值需控制在合适的范围之内。对脉冲

22、整流器而言, 如果直流侧包含2 次谐振电路, 则支撑电容器主要由网侧漏感储能的变化决定。由能量守恒定律可知, 交流侧开关周期内电流脉动能量最大值等于支撑电容器上的脉动能量最大值, 假设$i Nm 为网侧最大输入电流波动峰峰值,$Udcm为直流电压udc 纹波电压的最大峰峰值, 则有:2.2.4牵引变流器中支撑电容器常用参数选择方法从脉冲整流器工作原理的分析出发, 详细推导了支撑电容器的参数选取原理, 因脉冲整流器还只是其交直交牵引变流器中交直整流部分的一种, 实际设计中尤其对拓扑比较复杂的牵引变流器, 几乎无法再用上述介绍的方法来进行选型( 为了与后述方法进行区别,将该方法定义为电路分析计算法

23、) , 往往采用的是其他简便方法, 目前主要有仿真法、估算法、能量计算法、试验验证法。电路分析计算法实际的牵引变流器往往比较复杂, 由多个整流器与多个逆变器通过直流回路连接在一起, 如图所示图6 整流逆变系统图( 1) 工作电流的计算此时再采用计算的方法分析电容器Cd 上的工作电流将比较复杂, 但如果需要计算, 则可用同样的方法: 先根据整流器原边波形与逆变器输出侧波形及其调制方式计算出直流侧输入与输出的电流i CN1 , i CN 2 , , i CN n ,i IN 1 , i IN2 , , i INn , 如果有2 次谐振电路, 则按照式( 3) 计算2 次谐波电流i dc2 , if

24、L = id c2。因iCN1 , iCN2 , , i CN n ,i IN 1 , i IN2 , , i INn中的谐波次数存在相同的情形, 故不能再采用式( 10) 类似方法来计算I cd , 只能根据基尔霍夫电流定律得出下式:iCd = iCN1 + iCN2 + ,+ i CN n - i IN 1 - i IN2 - ,- i INn - i fL( 2) 电容器电容值的确定电容器电容值的确定因支撑电容器的谐波阻抗为其谐波角频率Wn 越大, 谐波阻抗越小, 滤波效果越好, 故计算电容器电容值时可主要考虑直流回路中低次谐波的影响。先根据公式( 21) 确定支撑电容器的电流, 假设其

25、主要的低次纹波为iCdi , 则可用下列公式估算支撑电容器的电容值:（15） 如果变流器的整流器为不可控整流器( 二极管整流) 或相控整流器, 因逆变器侧的谐波次数较高, 则直流回路的纹波电压主要由整流器的输出纹波决定, 是三相不控整流器输出的直流电压波形 , 此时可根据电容器在t4 时刻电压不超过直流电压的波动范围来计算电容器Cd 的值。能量计算法 以上所有支撑电容器的设计方法都是基于滤除实际工作中的谐波电流, 使其直流纹波电压控制在? Udc之内, 但有的系统中除直流电压的纹波系数外, 还有一些特殊的要求, 如要求系统的供电电源掉电多长时间以内还能正常工作, 如果系统有如此或类似要求, 则

26、支撑电容器的主要设计目标应满足系统的储能要求, 使之在发生掉电等非正常工作状态下变流器还能维持一定时间的正常输出或运行。试验验证法 因支撑电容器的电路分析计算非常难, 实际设计中往往采用仿真法、估算法等其他方法进行参数选择, 即使是仿真法, 因其模型不一定完全准确, 且模拟工况也未必与实际工况完全符合, 故选型的结果很可能不是最优, 甚至未必能满足系统要求, 因此对设计结果可采取试验的方法进一步验证, 试验时可检测电容器上的实际工作电流、工作电压与电容器上的温升来衡量电容器的选取设计效果。2.3牵引变流机组设计中的几个问题GTO作为牵引变流器主电路的开关元件，与其他功率半导体器件相比，具有工作

27、电压高、电流大，我们选 用的GTO元件为东芝公司生产的4 500 V/3 000 A。GTO元件应用的关键是:吸收电路及散热;吸收电路分为 开通吸收及关断吸收电路，以限制GTO元件的di/dt及dv/dt，过大的di/dt及dv/dt将造成CTO元件的烧损3，吸收电路的选择直接影响到GTO元件性能的发挥，开关损耗的大小及变流机组的效率等。由于GTO 元件工作于高压、大电流的开关状态，开关损耗很大，散热也是GTO元件应用需要注意的问题。西南交通大学课程设计 第11页图7 型吸收电路GTO元件的吸收电路根据我们多年的应用经验，我们选用A型吸收电路(见图2)，图3为A型吸收电路在GTO关断时阳极电

28、压波形，关断电流/WZ2000A。这种电路的优点是采用元件较少，结构简单，吸收效果优越,开关损耗小。GTO元件吸收电路的结构设计GTO相构件是牵引变流器的核心部件，每个相构件包括正负组两只GTO元件，因为GTO元件 工作时,电压、电流、di/dt及<dv/dt都很大，电路中杂散电感4的影响对电路 的影响不能忽略，为了减小杂 散电感对电路的影响，应尽量缩短元件之间的相互连结。在GTO相构件结构设计中，以GTO元件为中心，吸 取了以往相构件设计的经验，将GTO元件、反并联二极管、开通及关断二极管作为一个整体，设计了新的 GTO相构件的压装结构，经试验验证，满足电气性能的要求。 因为GTO元件

29、的开关损耗很大，元件的散热是一个很重要的问题，在“200 km/h电动车组牵引变流器的 研制”课题中，我们研制了专用的油冷散热器该散热器有两个作用:一是散热，二是导电。冷 却油先通过散热器，然后冲刷GTO元件的表面，将GTO元件的热量带走，冷却油进人油箱后,再冷却其他元件。应用这种散热器结构，我们成功地完成了1000 kW地面机组的试验。牵引变流器机柜的设计 牵引变器机柜的设计为框架式结构，在整 体结构布置上，以GTO模块和支撑电容器为中 心，尽量满足GTO模块的引线要求:从方便维护 的角度出发，GTO模块由机柜正面开门处可插 入机柜，同时完成电路及油路的连接，使得更换 GTO模块方便;GTO

30、元件的控制器位于机组正 面,便于测量及更换插板;而对于一些不容易损 坏的器件，如支撑电容、二次谐振电容、油管、限压电阻、放电接触器、放电开关等器件采用固定方式安装。为了方便、快速地将GTO模块的安装，研制了两端开闭式快速油接头，以便快速将GTX)模块与变流机柜 分离，便于现场更换。GTO模块与柜体的电气连接采用新设计的电连接器。四象限变流器与逆变器的相构 件模块可以互换;总之，在GTO相构件设计中，采用了许多新的设计结构，使得机柜结构、布线更加合理。全新设计的门控单元(包括门控电源)安装在GTO模块的正面，有效地缩短了 GTO门控触发电缆，且便于安装、调试。2.4牵引变流器控制系统研制 2O0

31、 km /h 动力分散电动车组牵引变流器由两相两重四象限变流器、中间直流环节和V V V F 逆变器组成, 其控制系统由四象限变流器、中间电压限制斩波器、电机逆变器及G T O 元件触发等部分组成。在结构上又分为传动控制单元(D CU ) 和G T O 控制单元(G C U ) 两部分, 每部分均采用一个通用的6 U 标准的插件箱, 其中传动控制单元(D CU ) 与牵引控制单元(T C U ) 同置于车上电子控制柜中, 而G T O 控制单元(G C U ) 则放在车下牵引变流器机柜的控制箱内。图8 牵引变流器控制系统图2.4.1传动控制单元的基本功能:电网侧变流器一四象限变流器控制(LC

32、C ) :电机逆变器控制(MC C) ;与牵引控制单元(T Cu ) 通信;控制信号处理。G T O 控制单元(G T U ) 的基本功能有:G T O 控制信号处理;G T O 逻辑保护;光/ 电、电/ 光信号转换;中间电压限制斩波器控制;牵引变流器保护。 控制策略 四象限变流器控制 四象限变流器的功能四象限变流器作为交直交传动系统的电源侧变流器, 其基本功能是实现牵引电网与中间直流环节之间的双向能量传递, 通过采用电压矢量PWM 控制方法, 做到:(1) 稳定中间回路直流电压, 保证电机侧V V V F 电压型逆变器的正常工作。(2) 实现牵引与再生制动工况之间快速且平滑转换, 满足动车牵

33、引/ 制动要求。(3) 保证牵引电网电流基波的相位与网压相位相同(牵引工况时) 或相反(制动工况时), 使电网功率因数接近于1 或一1; 同时使牵引电网电流波形接近于正弦形, 有效降低高次谐波含量, 改善对牵引电网的影响。2.4.2 四象限变流器的控制原理如下图所示为四象限变流器输人回路等效电路图, 由下图可得四象限变流器输人回路矢量方程为Un= z jwL In1 + R In1+ Us l (l)其中In1 , 为In1 的基波分量;U s l 为u s 的基波分量。图9 四象限逆变器输入等效电路图由式(1 ) 可画出图3 所示=0 时输入回路矢量图( 因为R 很小, 为简化分析将其忽略)

34、 。由图3 可以看出, 无论4Q S 工作在何种工况下, 只要Usl 的端点始终在直线BCD 上, 就可以保证相位一致()。其中c 点是4 Q S 牵引/ 再生工况的转换点。同时由于CD 边和CB 边的长度分别代表着牵引和再生工况下 的大小, 即代表着牵引电网提供和吸收能量的大小, 所以通过控制u s , 与u N 的夹角儿来调节CO边或CD边的长度, 即可调节4QS 从牵引电网吸收或向牵引电网反馈能量的大小, 从而保证Ud的稳定。 在电压闭环中, 将经电压调节器的输出作为电网电流的给定值 。 分别与输人回路电阻R 和电抗滋相乘, 得所需电阻压降和电感压降幅值。根据式(2 ) 和式(3) 计算

35、出此工况下us1, 的幅值。 在相位闭环中, 相位调节器仅起校正作用。将经相位调节器输出作为 的校正量, 以补偿实时计算及四象限变流器运行过程中系统参数的变化所产生的误差,保证电网电流和电网电压的实际相位差为零。图10 四象限变流器控制框图。 2.5 CRH2 型牵引变流器故障分析及处理2.5.1牵引变流器智能故障诊断系统的功能结构牵引变流器智能故障诊断系统主要是对牵引变流器自身故障进行外部诊断。根据牵引变流器电路的特点和建立专家系统的要求，对牵引变流器故障诊断专家系统原型开发结构进行了设计，主要由数据采集及处理模块、知识获取模块、知识库推理机、综合数据库、人机交互界面等部分组成。图11 牵引

36、变流器智能故障诊断系统图数据采集及处理模块：实现牵引变流器的状态信号实时采集和处理，为专家系统故障诊断提供必要的基础数据，也可将处理后的数据信号导入综合数据库中。知识获取模块：实现对牵引变流器诊断中的经验性知识和故障形成机理知识的获取和加工，将知识转化为专家系统的诊断规则。本系统知识获取模块采用了自动生成和人工优化相结合的策略，知识获取模块的实现是牵引变流器故障诊断专家系统的重要步骤，涉及到了大量的工作量。知识库：存储和管理专家系统的知I识。知识库存放故障诊断时需要的知识单元，供推理机求解问题时使用。知识库可对知识进行存取、增加、删除和修改等操作。本系统采用简单易懂、清晰准确的故障树模型知识表

37、达方法和独立的知识组织结构建立知识库。知识库中包含三种知识: 事实性知识、诊断性知识、映射性知识。知识库中包含三种知识: 事实性知识、诊断性知识、映射性知识。知识表示是专家系统中的重要问题, 方法有5 种: 谓词逻辑表示法、产生式表示法、框架表示法、语义网络表示法和面向对象表示法。每种表示方法都有自身的特点, 怎样选择取决于所设计专家系统的特性及需要。此系统选用了谓词逻辑表示法和面向对象表示法, 来适用于不同的应用场合和需要, 发挥各自的优点。1) 事实性知识: 事实性知识反映电子柜故障现象与可能导致此故障的电子柜模块单元集。其一般形式为Situation ( PH E , Ut1, Ut2,

38、 , Utn )其中PH E 表示故障编号, Ut1, Ut2, , Utn 则表示可能引起故障的模块单元集。单元集顺序根据故障可能性权值大小排序, 而影响可能性大小的因素有两个: 专家经验知识和测试统计。( 2) 诊断性知识: 诊断性知识描述电子柜模块单元与模块测试程序之间的关系, 其一般形式为： Str ucture / / 对象的数据结构Method/ / 对象的操作方法定义Restraint/ / 限制条件模块测试程序一般包含有若干的子模块程序, 由( MTPi, sub1, sub2, ,subn ) 表示。其中MTPi 表示模块测试程序, sub1, sub2, , ,subn 表

39、示各个子模块程序。测试程序执行完后, 若所测试模块单元发现故障, 将产生对应于该模块单元的问题号。( 3) 映射性知识: 映射性知识描述问题号与具体故障之间的对应关系。其一般形式为：Map ( Ut i, QNum, Descr iptio n )其中参数Uti 是电子柜模块单元, QNum 表示问题号,Description 则表示对具体故障的描述 。推理机： 协调控制整个系统，决定如何选用知识库中的有关知识，对人机界而中用户提供的证据信息进 推理，以做出最终的答复。通过调用知识库中的规则和数据库中待测对象的状态信息，实现故障原因的推理搜索。本系统采用基于数据的正向推理，深度优先搜索策略的推

40、理机制。推理机是专家系统的核心, 它结合知识库和测试程序进行推理。系统推理策略分为两种: 数据驱动正向推理策略、目标驱动反向推理策略6 。电力机车在运行期间, 定期会对其进行检修, 包括机车上的各类电子控制设备等, 以保证电力机车运行在良好的工作状态。针对这种情况, 系统设计了全面测试模式。此测试模式采用正向推理策略, 即将牵引变流器按功能、结构分为若干模块, 依次全面地进行测试。牵引变流器信号多, 且之间联系复杂, 这决定了牵引变流器测试方法可以有多种组合性, 同时考虑到一些用户的测试习惯, 全面测试又分为自动测试和手动测试。自动测试时, 系统按照设计的程序输入信号至牵引变流器, 并采集输出

41、信号, 进行判断。手动测试时, 测试人员可以自行选择输入信号及其参数, 并通过系统显示的输出信号作为诊断依据。此外, 更常用的是针对具体故障现象而设计的故障测试模式。它采用反向推理策略, 即依据已知的故障现象测试对应的牵引变流器模块单元。这种以目标驱动的测试模式针对性强, 大大提高了故障诊断效率。 机车运行时, 牵引变流器与电力机车上的一些传感器, 如速度传感器、电机电流传感器等构成闭环系统对电力机车进行控制, 闭环系统的主要环节是处在牵引变流器转向架控制板的几PI调解器。因此, 系统为全面测试模式的自动和手动测试以及故障测试模式均设定了开环测试和闭环测试, 从不同的状态对牵引变流器进行测试。

42、开环测试时, 系统给定输入信号至牵引变流器, 同时采集牵引变流器的输出信号, 根据已知的输入输出关系进行判断。闭环测试时, 系统除了给出所需的各种输入信号, 同时检测牵引变流器输出的触发脉冲信号并测量整流桥各晶闸管的导通角, 然后通过预先建立的数学模型计算出此时的电机电压和电机电流等值, 作为反馈信号输入至牵引变流器, 使牵引变流器工作在闭环状态, 在此过程中, 通过对牵引变流器整体和局部所建立的数学模型来对进行测试。综合数据库： 主要存放数据采集处理模块获得的牵引变流器工作状态信号、来自人机交互模块的外部输入和推理过程的中间信息。综合数据库的内容在系统运行过程中是不断变化的，能够动态反映要处

43、理问题的主要状态和特征。人机交互界面： 是与用户、专家和知识工程师交互的接口，主要将故障现象、诊断知识、故障数据等传送到推理机、综合数据库和知识库；将诊断结果输出到终端，供用户检修时查询。人机接口( Inter face) 是系统与用户进行对话的界面。用户通过人机接口输入必要的数据, 提出问题和获得推理结果及系统做出的解释; 系统通过人机接口要求用户回答系统的询问, 回答用户的问题和解释。界面用C + + 编写, 友好直观,功能强大。包括：( 1) 显示功能: 如显示测试类型, 各类知识等。( 2) 解释功能: 系统提供对测试过程及结果的充分解释说明。( 3) 知识编辑功能: 系统允许用户对各

44、类知识进行编辑,如知识的增加、删除、修改等。故障测试模式推理过程分为3 步：( 1) 故障模块单元推理: 系统根据故障编号和事实性知识进行推理, 找出牵引变流器上可能引起该故障的一组模块单元。( 2) 故障模块单元测试: 系统根据故障模块单元与诊断性知识推出并运行测试程序, 获取错误号。( 3) 故障点推理: 系统根据错误号与映射性知识推出具体的故障物理位置。2.5.2基于故障树的专家系统实现 故障诊断是专家系统技术的一个重要应用领域。基于专家系统的故障诊断将人们长期的实践经验和大量的故障信息知识归纳成计算机能够利用的知识提供给知识库, 并采集被诊断系统的实时数据, 通过处理对象内部各部件的功

45、能及其相互之间的关系, 来检测和查找可能的故障2 。随着现代工业系统越来越趋向大型化、复杂化和智能化, 其故障表现形式十分复杂,难以用简单的数学模型来表达, 而在这方面专家系统的丰富人类专家经验知识就显出了其优势。 运用可视化的应用程序开发工具开发专家系统的操作界面；用专家系统开发工具实现专家系统的内部推理机制。在产生式专家系统中，知识库存贮大量规则，模拟人类的长期记忆区；数据库包含了输入的问题事实和从规则触发推出的事实，模拟人类的短期记忆区；推理机将关于问题的事实与知识库中的规则相匹配，推理出新的信息，模拟人类的推理过程.推理机的实现推理机是整个专家系统处理问题的核心模块，它根据用户提供的故

46、障征兆，利用知识库中存贮的知识，按一定的推理策略逐步求解问题。本系统推理机的运行是基于模式匹配算法，为了将事实和规则中的模式相匹配，以确定哪些规则满足了它们的条件。推理循环可分为4个阶段：模式匹配：从知识库中第一条规则开始，依次扫描知识库中所有规则，把规则的事件与数据库中的当前事实相匹配，以搜索满足条件的规则。 冲突消解：在发生冲突，即多条规则同时被匹配时，根据预先确定的冲突消解策略，确定触发规则。激活规则：调用匹配所触发规则的所有子目标的事实。动作：把所触发规则的结论添加到数据库，并向人机界面发送信息。知识维护系统在实践过程中, 可能会发现原来存储的知识不够用,或设想与实际有些偏差, 因此有

47、必要对知识进行维护。知识维护包括两种方式: 统计排序和知识扩充。前面提到, 在可能引起故障现象的牵引变流器模块单元的测试过程中, 测试的顺序是按其故障可能性权值大小排列的。而实际的故障出现率可能和最初设定的有偏差, 针对这个问题, 专家系统引入了统计排序方式, 即对每次的测试结果进行统计,然后结合统计结果与初始权值共同作用对各模块单元进行排序。知识扩充的对象包括知识库和测试程序库。若系统不能从故障现象诊断出问题, 那么就需要进行知识扩充。知识扩充可以通过全面测试模式结合解释文件获取所需扩充的知识, 并将所需添加的知识分类扩充至各种知识类型中。系统特点( 1) 系统完全模拟机车运行环境, 使得测

48、试完全可在地面完成, 大大缩短了调试周期, 提高效率, 节约成本。( 2) 选用了谓词逻辑表示与面向对象表示两种知识表示方法, 知识表示独立性强、结构清晰, 并易于对知识进行管理。( 3) 采用正向推理和反向推理两种推理策略, 提高了系统诊断的灵活性和通用性。( 4) 系统选用了可视化面向对象的程序设计方法, 程序高度模块化, 界面友好, 可靠性高, 易于移植。( 5) 知识库内容十分丰富, 包含了大量专家经验知识, 为牵引变流器故障诊断提供了依据。( 6) 知识的可维护性使系统更具科学性和开放性。( 7) 系统包括详细的解释文件, 用户可以充分了解测试全过程。 2.5.3CRH2 型牵引变流

49、器故障的分类 CRH2 型动车组具有较完善的故障诊断、报警和应急处理系统。能对牵引变流器发生的大部分故障 进行诊断、记录和报警, 并采取相应的保护措施。不同的故障, 采取的保护措施也不相同, 发生一般故障会有故障显示、声音报警, 并会断开交流接触器K, 发生严重故障时会有故障显示、声音报警、断开交流接触器K 以及主断路器VCB。与牵引变流器相关的故障见表1。2.5.4保护措施及应急措施 根据故障统计分析, 牵引变流器故障的原因主要有两个: 程序出现紊乱或器件故障。对于程序出现紊乱而引起牵引变流器故障报警的, 动车随车机械师或司机一般通过以下步骤予以解决:( 1 ) 按下操纵台复位RS 按钮2

50、3 次, 进行系统小复位。观察牵引变流器故障提示画面, 确认牵引变流器故障是否恢复正常。( 2) 若还没有恢复, 随车机械师进行第2 步操作,在故障车运行配电盘先断开牵引变流器CICN1 断路器,2 3 s 后重新投入, 再次确认牵引变流器故障是否恢复正常。( 3) 若随车机械师采用了上述两个步骤后还没有解决问题, 在运行途中则只有切除相应的动力单元维持运行, 等动车到达下一车站后可以进行第3 步操作,在日常运行中通常称为大复位, 就是断电降弓后再重新升弓投入主控制器。( 4) 若故障还不能恢复则只有切除相应的动力单元或牵引变流器维持运行, 等到回动车所检修。 在途中，若牵引变流器故障无法恢复，一般都是牵引变流器本身的器件或由于本身器件导致其他器件的故障引起的，则只有切除相应的动力单元或牵引变流器维持运行，待回库后检修。库内检修中，可采用以下方法查找和解决故障：(1) 对故障车辆进行检查。如检查车下牵引电机各部状态是否良好；检查02 车变流器速度传感器插头