法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2016-08-17
授权
授权
2014-04-23
实质审查的生效 IPC(主分类):G06F17/50 申请日:20131218
实质审查的生效
2014-03-26
公开
公开
技术领域
本发明属于电力牵引交流传动技术领域,涉及一种电力牵引交流传动变流 器中间直流回路故障建模仿真方法。
背景技术
对于电力电子技术领域的技术开发,通常需要采用仿真的方式先对所设计 的方式方法进行理论层面的分析验证,以避免在开发过程中由于技术理论设计 层面上的缺陷导致的不必要的经济损失。电力牵引变流器中间直流回路主要应 用于交流牵引传动领域,是交直流变换器中间环节的主要设备。当电力牵引变 流器中间直流回路在运行过程中出现故障时,会对整个传动系统的正常运行产 生一定的危害。现今对于传动系统中相应的故障建模以及故障诊断越来越被重 视,但目前为止,对电力牵引变流器中间直流回路相应的故障仿真手段较少。
任何电力电子设备都存在正常工作状态以及故障工作状态,对于电力牵引 变流器中间直流回路而言,其运行工作时存在电路中某个部件故障的可能。电 力牵引变流器中间直流回路中的部件故障时,中间直流回路输出电压必定会产 生波动,影响电力牵引变流器性能。不同部件故障的影响严重程度和表现形式 都会不同,因此,对电力牵引变流器中间直流回路进行建模与仿真,观察研究 不同部件故障对中间直流回路输出电压的影响非常有必要。在目前的仿真技术 中,尚不存在独立的电力牵引变流器中间直流回路仿真模型,更不存在独立的 具有不同部件故障模式的故障仿真模型。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用离线仿真以及在线实时仿真系统的,电力牵 引交流传动变流器中间直流回路故障建模仿真方法,通过该方法建立的电力牵 引交流传动变流器中间直流回路故障仿真模型基于状态方程描述,实现变流器 中间直流回路正常工作状态仿真、不同部件不同故障模式仿真,以及正常工作 状态和不同部件不同故障模式下的切换,弥补现有仿真模型中无故障仿真模型 的技术问题。
为实现上述发明目的,本发明的具体技术手段为:
电力牵引交流传动变流器中间直流回路故障建模仿真方法,在 Matlab/Simulink下进行电力牵引变流器中间直流回路正常工作以及故障模式 下的仿真,包括以下步骤:
(1)、读取电力牵引变流器网侧脉冲整流器的输出电信号Ir,电机侧逆变 器的输入电流信号Ii,短路保护电路控制信号Sx以及过压保护电路开关信号So。
(2)、根据不同故障模式下的电力牵引变流器中间直流回路拓扑计算该故 障下状态方程:
电力牵引交流传动变流器中间直流回路主要有8种故障模式,根据不同故 障模式的拓扑结构可计算得到不同故障模式下的状态方程,每种故障模式下的 状态方程计算如下:
(a)正常工作情况的电力牵引变流器中间直流回路状态方程:
(b)中间直流回路滤波电感开路故障下状态方程:
(c)中间直流回路滤波电感短路故障下状态方程:
(d)中间直流回路滤波电容开路故障下状态方程:
(e)中间直流回路滤波电容短路故障下状态方程:
(f)中间直流回路放电电阻开路故障下状态方程:
(g)中间直流回路放电电阻短路故障下状态方程:
(h)中间直流回路接地检测电阻开路故障下状态方程:
(i)中间直流回路接地检测电阻短路故障下状态方程:
其中Ud为中间直流回路输出电压;Cs、Ls谐波回路中电容、电感;Rs为 谐振回路持续放电电阻;R1、R2、C2为接地故障检测电路电阻、电容;Cd为支 撑电容;Rx为短路保护电路电阻;Ro为限压电路电阻;Ir为整流侧输入电流; Ii为逆变侧输出电流;Sx、So为短路保护电路以及过压保护电路开关信号。状 态变量is、us、U2分别为谐振电感电流、谐振电容电压和接地故障检测电容电 压。
(3)、将(2)所获得仿真值Ud作为模型输出至后续处理单元。
所述后续处理单元可为:模型图显示单元、模型数据保存处理单元。
本发明方法中,电力牵引交流传动变流器中间直流回路的基本电路图(图 1所示),据此可分析电力牵引交流传动变流器中间直流回路正常工作时的基本 原理。
本发明所建立的电力牵引交流传动变流器中间直流回路故障仿真方法可 确定:电力牵引交流传动变流器中间直流回路故障仿真建模时的输入量为:电 力牵引系变流器整流侧输入电流值Ir、逆变侧输出电流值Ii、短路保护电路开 关信号Sx、过压保护电路开关信号So;电力牵引交流传动变流器中间直流回路 故障建模仿真时输出量为中间直流回路输出电压Ud;电力牵引交流传动变流 器中间直流回路故障建模仿真时的需要设定的参变量为谐波回路电感值Ls、谐 波回路电容值Cs、谐振回路持续放电电阻值Rs、接地故障检测电路电阻值R1和R2、接地故障检测电路电容值C2、短路保护电路电阻值Rx、限压电路电阻 值Ro、支撑电容值Cd以及故障模式Mode。其示意图如图2所示。
采用本发明,可实现离线仿真以及在线实时仿真系统中,电力牵引变流器 中间直流回路在正常工作状态下以及不同故障模式下的仿真,并且基于状态方 程的模型可以实现正常工作状态以及不同故障模式下的切换,弥补了现有仿真 模型中无故障仿真模型的技术问题。所建立的电力牵引交流传动变流器中间直 流回路故障建模仿真方法可适用于一切基于计算机实现的对交流传动领域中 电力牵引变流器中间直流回路进行的离线或者实时仿真试验研究。可进行电力 牵引交流传动变流器中间直流回路在正常工作状态下以及不同故障模式下的 仿真,并且基于本发明中的方法可以实现变流器中间直流回路正常仿真与不同 故障模式下仿真的切换。
附图说明:
图1是电力牵引交流传动变流器中间直流回路的基本电路图。
图2是本发明所提出的电力牵引交流传动变流器中间直流回路仿真方法的 原理性输入输出接口定义图。
图3是基于本发明电力牵引交流传动变流器中间直流回路故障建模仿真方 法在Matlab/Simulink环境下做出的一个实施例。
图4是基于本发明电力牵引交流传动变流器中间直流回路故障建模仿真方 法在Matlab/Simulink环境下做出的实施例的参数设置对话框。
图5是基于本发明电力牵引交流传动变流器中间直流回路故障建模仿真方 法在Matlab/Simulink环境下做出的实施例的正常工作情况下仿真结果中的中 间直流电压波形图。
图6是基于本发明电力牵引交流传动变流器中间直流回路故障建模仿真方 法在Matlab/Simulink环境下做出的实施例的中间直流回路滤波电感开路故障 下仿真结果中的中间直流电压波形图。
图7是基于本发明电力牵引交流传动变流器中间直流回路故障建模仿真方 法在Matlab/Simulink环境下做出的实施例的中间直流回路滤波电感短路故障 下仿真结果中的中间直流电压波形图。
图8是基于本发明电力牵引交流传动变流器中间直流回路故障建模仿真方 法在Matlab/Simulink环境下做出的实施例的中间直流回路滤波电容开路故障 下仿真结果中的中间直流电压波形图。
图9是基于本发明电力牵引交流传动变流器中间直流回路故障建模仿真方 法在Matlab/Simulink环境下做出的实施例的中间直流回路滤波电容短路故障 下仿真结果中的中间直流电压波形图。
图10是基于本发明电力牵引交流传动变流器中间直流回路故障建模仿真 方法在Matlab/Simulink环境下做出的实施例的中间直流回路放电电阻开路故 障下仿真结果中的中间直流电压波形图。
图11是基于本发明电力牵引交流传动变流器中间直流回路故障建模仿真 方法在Matlab/Simulink环境下做出的实施例的中间直流回路放电电阻短路故 障下仿真结果中的中间直流电压波形图。
图12是基于本发明电力牵引交流传动变流器中间直流回路故障建模仿真 方法在Matlab/Simulink环境下做出的实施例的中间直流回路接地检测电阻开 路故障下仿真结果中的中间直流电压波形图。
图13是基于本发明电力牵引交流传动变流器中间直流回路故障建模仿真 方法在Matlab/Simulink环境下做出的实施例的中间直流回路接地检测电阻短 路故障下仿真结果中的中间直流电压波形图。
具体实施方式
下面将结合附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述, 显然,所描述的实施例仅是本发明的一个实施例,而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得 的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
作为本发明中一种电力牵引交流传动变流器中间直流回路故障建模仿真 方法的具体实施方法,设定编程环境为Matlab/Simulink,编程语言为 Matlab/Simulink自身的C语言。
实施例
在Matlab/Simulink环境下,运用其用户自定义模块s-function,基于C语 言,可完成电力牵引交流传动变流器中间直流回路故障模型的建立。在建立模 型时s-function的要求,定义模块输入输出接口以及状态变量,设定仿真系统 参数以及初始化之后,按照可按照本发明所叙述方法编写主函数,完成在 Matlab/Simulink环境下对电力牵引交流传动变流器中间直流回路故障模型的 建立。编写主函数时:
第1步:按照本发明所述方法计算电力牵引交流传动变流器中间直流回路 在不同故障下的状态方程。
第2步:按照本发明所述方法输出中间直流侧电压。
在完成电力牵引交流传动变流器中间直流回路故障模型的建立后,通过 Matlab的mex指令对所编写的函数进行编译。并在Matlab/Simulink环境下通 过s-function模块对函数进行封装设置。封装好的模块如图3所示,模块封装 后的参数设置对话框如图4所示。
基于做好的模型在Matlab/Simulink环境下进行仿真,设定仿真参数Cs= 4.56mF,Ls=0.603mH,Rs=193kΩ,R1=99kΩ,R2=33kΩ,C2=220μF,Cd=3mF。 设定仿真环境为电力牵引交流传动变流器方波控制过程,负载为4个牵引电机。
仿真结果中电力牵引交流传动变流器中间直流回路输出电压波形图如图 5~13所示(图5为正常工作情况下的仿真结果,图6为滤波电感开路故障下 的仿真结果,图7为滤波电感短路故障下的仿真结果,图8为滤波电容开路故 障下的仿真结果,图9为滤波电容短路故障下的仿真结果,图10为放电电阻 开路故障下的仿真结果,图11为放电电阻短路故障下的仿真结果,图12为接 地检测电阻开路故障下的仿真结果,图13为接地检测电阻短路故障下的仿真 结果)。
以上所述就是本发明的一种实施方式,基于这种实施方式可在Matlab/Simulink 下进行电力牵引变流器中间直流回路正常工作以及故障模式下的仿真,基于这 种实施方式亦可以在dSPACE或者RT_Lab等类似的实时仿真机中进行电力牵 引变流器中间直流回路正常工作以及故障模式下的仿真,以研究电力牵引变流 器中间直流回路正常工作和故障模式下的控制算法等。应当指出,对于本技术 领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改 进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
机译: 内置直流回路接地故障检测装置和直流回路接地故障检测装置的带通滤波器和同步整流电路的增益调整方法
机译: 直流回路变流器异步电机的调节方法
机译: 反应堆过滤器和转换模块,用于直接交流变流器或交流直接变流器