何世伟
中车唐山机车车辆有限公司，河北省唐山市，064000
摘要：牵引变流器是保证高速动车组动力性的关键设备。转化器的温升直接影响电动车组的运行可靠性和转化器的使用寿命。分析了变流器的功率损耗，建立了冷却系统条件下的温升模型，并以 CRH3型高速动车组为例设计了升温模拟软体。该软件对电动车组运行过程中牵引变流器主要部件的温度进行监测，为动力配置和温升特性提供了科学依据。
关键词：动车组高压牵引系统 散热装置 热保护故障
引言
随着我国高速铁路的快速发展和恒速加速，列车的可靠性越来越受到人们的关注。牵引变流器是电动车组的重要电气设备，对保证高速动车组的动力性起着重要作用。列车的温升特性直接关系到列车的可靠运行，因此在列车运行过程中必须对牵引变流器主要部件的温升进行实时监测。
温升的主要来源是 IGBT 和二极管的功率损耗，可以用开关损耗和导通损耗的总和来计算。电力损耗产生的热量通过冷却系统扩散，从而导致温度上升。本文从牵引变流器的损耗分析入手，通过详细的公式推导，建立了牵引变流器温升的稳态和瞬态模型。同时，在此基础上，设计了转炉温升实时监测模拟软体。
一．动车组牵引系统散热装置概述
随着动车组于2007年4月18日在中国铁路上投入运营，这标志着动车组的引进取得了成功。2004年以来，我国铁道部相继推出了电气化动车组，包括 CRH1、 CRH2、 CRH3。CRH1是从加拿大的庞巴迪公司引进的。CRH2是从日本建议重工业公司引进的。CRH3是从德国西门子引进的，CRH5是从法国阿尔斯通引进的。从那时起，我国通过吸收和利用国外先进技术和创新，在电动车组方面取得了巨大的成就。CRH380系列和 CRH6系列具有自主知识产权。牵引变流器和网络控制等关键技术仍然是研究的热点，具有很大的推广空间。研究了整流器、逆变器、电机等单台设备的配置或控制策略。
动车组的电力系统要求非常高的可靠性。在操作时，系统可能会出现一些异常情况，或者可能会产生一些麻烦的问题，这可能对设备有害。有些情况是人类无法控制的，是无法避免的。因此，需要一个实时算法来检测这种故障情况，并立即作出反应，以尽量减少对设备的损害，这是由智能电子装置，即所谓的保护继电器，有效地执行，不断监测电网参数，并在故障情况下切换适当的装置。在适当的机械和电气设计预防措施下，这些继电器为电力系统组件提供高度可靠和先进的保护。大多数数据处理是在数字领域完成的，因此被称为数字保护继电器。
现代设计的趋势是前进的目标，使更紧凑和效率更高的电机。玻璃纤维和硅树脂等绝缘材料的使用提高了电机的绝缘性能，但有些材料容易受到过度加热。保持电动机热状态跟踪的一个重要问题是对电动机加热能力的过高估计，这可能导致电动机停转，造成成本高昂的过程中断。这些陈述证明了精确的发动机热估计的重要性。
本文通过研制数字化保护继电器，探讨了一种先进的电动机热建模技术。损坏也可能发生由于电气故障，如过电流，接地故障，过电压和欠电压。建议是利用数字/数字技术全面设计保护装置，即所有处理阶段，如信号监测、滤波、保护和控制功能，都将通过数字信号处理来实现。这里使用的算法基本上是基于快速傅立叶变换(FFT) ，它需要2位数字信号控制器。当发生故障时，继电器会根据用户设定的参数阈值设置报警并启动跳闸电路，以尽量减少对电机的损害。发光二极管将显示故障的发生，图形显示描述各种测量参数和相量图。此外，还将维护一个故障录音，这将有助于进一步的故障分析。
二．动车组高压牵引系统散热装置热保护故障处理技术研究现状
自一百多年前系统保护问世以来，继电保护在工业和公用电力系统中已经有了巨大的发展。机电式(EM)继电器实际上是针对个别负载的基本保护功能的保护装置，但对于复杂系统来说并不理想。20世纪70年代后期，固态静态继电器取代了电磁继电器，电磁继电器包括电流/电压检测电路，而不是线圈和磁铁。在检测到输入信号后，比较器确定过载条件。但是，在静态继电器的设计过程中，出现了许多问题。基于微处理器的数字继电器在开发新算法方面带来了创新，并开始在单个继电器封装中结合多种保护功能。模拟电路的主要区别在于使用了模数转换器(ADC)。
数字电机保护继电器配备了强大的数字信号处理器，更可靠的表面贴装结构，新的和改进的算法和保护元件。这些发展为继电保护工程师提供了新的保护方案，推动了对更可靠、安全和可靠运行的追求。这些继电器也有内置的测试例程，一个“看门狗” ，信号报警输出，用户知道何时继电器失败。电动机保护继电器热图像建模的传统方法是在定子和转子上安装温度传感器。然而，由于技术原因、可靠性和成本等方面的原因，在转子上安装温度传感器是不可行的。传统的电阻式温度检测器(RTD)反应时间相对较慢，不能适应电机加速过程中的高速加热，是放弃热防护温度传感器的另一个原因。定子 RTDs 提供现实的结果，在平衡电机条件下监测温度，但不适合监测快速热瞬态。
利用三相电机电流进行热模拟是解决这一问题的有效方法。最合理的方法是实时测量电流并将其与电动机热损伤相关联。施加在电动机上的电能被部分地转化为储存在电机中的热能。因此，热量是电流和时间的函数。本文进一步讨论了这一事实，以开发一个基于当前的热模型。
三．系统设计方法与实践
3.1 硬件系统的设计
整个系统分为三个阶段: 信号调理和模数转换，对所有信号进行快速傅里叶变换，并利用 FFT 输出量进行保护算法。继电器在电力系统水平上采样三相量。电流和电压互感器将系统电流和电压降低到适当的值以便进一步处理。变压器在模拟输入变量和内部电路之间提供电气和静电隔离。对于1A/2mA 和5A/10mA 两种结构的电流互感器，期望保护范围的输入电流范围是额定值的5%-4000% ，即50mA-200A。同样，对于63.5 v/591mV VT，量程为额定值的5% 至200% ，即3V 至127V。该输出应用于信号调理器或模拟输入子系统。信号调理将真实世界的信号带入数字化仪。这个模块有一个高精度的仪表放大器，用于在存在大共模电压和直流电位的情况下调节小信号，还有一个非反相放大器，以提高可调增益。表显示了在不同的测试点，假设注入电流为5A，注入电压为63.5V，在所有的相位测量的两个部分的电压。
模拟电信号经过 ADC 的采样和量化后，用特定时刻采集的样本的离散值来表示。在计算 ADC 的全量程时，考虑额定值的5%-4000% ，所需 ADC 量程为0.135 mV-9V。因此，我们可以选择模拟输入范围为 ± 5V，将模数转换器的 RANGE 引脚设置为低。同时，通过数字输入子系统将断路器的状态信息反馈给 ADC。数字输入允许 DSC 检测逻辑状态。来自 ADC 的输出被反馈给数字信号控制器。由德州仪器公司生产的 TMS320x 系列 Delfino 处理器是一种高度集成的、高性能的解决方案，用于苛刻的控制应用。它是一个32位的 CPU 与单精度浮点单元(FPU) ，并增强控制外围设备。它可以在高达150mhz 的频率下工作，数字信号控制器通过合并继电保护算法，使用数值方法处理离散数字形式的信号。处理获取的信息的算法是软件的一部分。该算法使用了快速傅立叶变换(FFT)技术来估计基波电压和频率相量的实部和虚部。这是现有方法中最快的一种，通过这种方法我们可以实现 DFT 。
计算量与预定义的阈值进行比较，以确定系统是否正在经历故障。如果发生故障，继电器会发出报警信号，或者向断路器发出跳闸指令，以隔离电力系统的故障区域。跳闸输出通过数字输出子系统传输到电力系统。数字输出允许 DSC 输出逻辑状态。了解事件、故障的发生、类型和发生的时间非常重要。这是由实时时钟通过给定期间隔时间戳来完成的。铁电随机存取存储器(FRAM)用于存储决定设备运行的故障记录和继电器设置。提供了一个图形显示器，以查看继电器的特点，系统电压，电流相角值和各种设置。键盘是用来配置继电器的参数从前人机界面。
3.2 软件系统设计
电动机保护继电器的软件智能化是以 Code Composer Studio (CCSv5.4) r 为开发工具，采用嵌入式 c 语言开发的。Texas Instruments 的 CCS 是一个基于 eclipse 的集成开发环境(IDE) ，用于在各种 dsp 上开发例程。在 CCS 中，编辑、代码生成和调试工具集成到一个统一的环境中。应用程序是基于项目的概念开发的，项目中的信息决定了使用什么源代码以及如何处理源代码。用于 C2000TM 微控制器的 controlsuitem 是一个软件、硬件和技术资源的集合体，旨在最小化系统开发时间。
对于系统的过电流保护模块，过电流是指通过导体产生比预期大的电流，导致设备损坏的情况。过流保护用于防止重过载和短路故障。这种保护功能测量的基本频率分量的相电流。该保护对三相电流的最高值敏感。每当这个值超过用户定义的设置值时，该阶段就会出现并生成一个告警信号。如果故障持续时间超过预计的跳闸时间，则会发出一个跳闸信号。其次，接地故障是一种接地故障，它是由于电动机绕组故障或在一个或多个导体与接地之间提供电缆绝缘所引起的。接地故障保护功能对3Io 的基频分量很敏感，基频分量是所有相电流、 IR、 IY 和 IB 的总和，称为剩余电流。在正常情况下，剩余电流为零。但是当发生接地故障时，剩余电流是非零的。当这个值超过用户设定的值时，这个阶段就会提取并生成警报信号。如果故障持续时间超过继电器中配置的估计跳闸时间，则发出跳闸信号。热过载是指定子或转子的温升超过设计标准。这通常是由于启动失败，过度负荷，或失败的电机冷却系统(高环境温度和阻塞通风)。过热的电机有两种主要的热风险: 定子绝缘可能降低和/或转子导体可能降低它们抵抗弯曲(变形)力或甚至熔化的能力。热过载保护的目的是保护电机绝缘过热应力。它确保机器的热承受不超过，同时允许充分利用电机的热能力。
四．小结
智能保护继电器在现代工业生产中的应用越来越广泛。为了避免灾难性故障，这些继电器必须采用高速电子器件。像电机保护这样的应用需要生动的技术和输入/输出能力。电动机保护继电器的主要元件是热模型，它必须在被保护机器运行的任何阶段产生电动机热状况的准确图像。基于这种应用，我们对这种类型的电子保护系统的设计进行了系统的研究。理论上的考虑证实，基于时间常数模型和过载曲线的简化热模型可以提供足够的保护，其精度达到这类应用所希望的水平。可以确定，如果过载曲率的模糊热常数与运行电机的显式冷却常数相匹配，则继电器算法可以计算出电机在循环负荷下的正确热图像。因此，充分的电机保护不仅可以防止损坏电机，而且还可以确保最佳的工艺效率和最小的中断。因此，通过延长电动机的寿命、防止电动机回卷和减少处理停机时间，实现了保护的成本回收。
参考文献：
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