技术领域
[0001] 本
发明涉及电
力电子设备领域，尤其涉及一种辅助变流器半实物仿真试验台及其仿真方法。
背景技术
[0002] 目前，以300千米每小时(km/h)的中国高速
铁路(China Railways High-speed；简称为：CRH)即CRH3为代表的300km/h等级的高速动车组在铁路客运中得到越来越广泛的应用。在CRH3型高速动车组的地板下安装有辅助变流器，通常每列8辆短编组的CRH3高速动车组安装有两台双单元辅变流器(简称“双辅变流器”)和两台单单元辅助变流器(简称“单辅变流器”)，每列16辆长编组的CRH3高速动车组安装有四台双辅变流器和四台单辅变流器。
[0003] 高速动车组上的辅助变流器是将牵引变流器中间环节的3000伏(V)直流电逆变为3相440V、60赫兹(Hz)的交流电并向高速动车组上的三相负载和充
电机等供电的电力电子设备。辅助变流器是高速动车组上的主要电力电子设备，关系着高速动车组的运行性能，因此对辅助变流器的工作特性的分析和监控辅助变流器的工作状态变得非常重要。其中，对辅助变流器工作特性的分析以及对其工作状态的监控主要是指对辅助变流器的
控制器的工作特性的分析和测试。
[0004] 但是，由于辅助变流器的工作条件是高
电压大
电流，无法对辅助变流器上所有器件进行测试和分析。另外，在高电压大电流的环境下对辅助变流器进行分析和测试，对测试人员和测试设备等也存在较高的危险。再者，外部条件不一定能够满足分析和测试要求，例如外部供电电源的供电范围、负载的大小、功率因数等不满足分析或测试要求等。由上述可见，目前对辅助变流器工作特性的分析和其工作状态的监控比较难于实现。
发明内容
[0005] 本发明提供一种辅助变流器半实物仿真试验台及其仿真方法，用以对辅助变流器的工作过程进行仿真，实现对辅助变流器工作特性的分析和工作状态的监控。
[0006] 本发明提供一种辅助变流器半实物仿真试验台，包括：第一工控机和外围
电路；
[0007] 所述第一工控机，用于构建模拟辅助变流器控制下的工作主回路的仿真主回路，根据所述辅助变流器的控制器发出的控制
信号控制控制所述仿真主回路，并将所述仿真主回路的反馈信号提供给所述控制器，以调整所述控制器的控制逻辑；
[0008] 所述外围电路包括：用以模拟所述辅助变流器的
接触器的工作状态的接触器模拟子电路、用以模拟所述辅助变流器的熔断器的工作状态的熔断器模拟子电路、用以模拟所述辅助变流器的
风扇的工作状态的风扇模拟子电路、用以模拟所述辅助变流器的
变压器超温保护电路的工作状态的超温保护模拟子电路、用以对所述辅助变流器的模拟输入通道的所述反馈信号的进行调整的信号调整子电路、用以模拟对所述辅助变流的
绝缘栅双极晶体管IGBT工作状态的反相子电路、用以模拟所述辅助变流器的功率模
块温度的温度模拟子电路和用以调节所述辅助变流器的风扇转速的调速子电路；所述外围电路中的每个子电路分别与所述辅助变流器的相应插头连接；
[0009] 所述第一工控机分别与所述接触器模拟子电路和所述反相子电路连接，用以采集所述辅助变流器的控制器发出的
控制信号；所述第一工控机与所述信号调整子电路连接，用以将所述反馈信号提供给所述控制器。
[0010] 本发明提供一种使用本发明提供的辅助变流器半实物仿真平台实现的辅助变流器半实物仿真方法，包括：
[0011] 将所述接触器模拟子电路、所述熔断器模拟子电路、所述风扇模拟子电路闭合；
[0012] 当所述辅助变流器的控制器发送绝缘栅双极晶体管IGBT控制信号时，所述反相子电路接收所述IGBT控制信号，将所述IGBT控制信号发送给所述第一工控机，并将所述IGBT控制信号取反后发送给所述控制器；所述第一工控机将所述IGBT控制信号送入所述仿真主回路，以控制所述仿真主回路动作，并将所述仿真主回路的反馈信号发送给所述信号调整子电路；所述信号调整子电路对所述反馈信号的幅值进行调整后通过所述辅助变流器的模拟输入通道送入所述控制器；
[0013] 当所述辅助变流器的控制器发送接触器控制信号时，所述接触器模拟子电路接收所述接触器控制信号，将所述接触器控制信号发送给所述第一工控机，并向所述控制器返回响应信号；所述第一工控机将所述接触器控制信号送入所述仿真主回路，以控制所述仿真主回路动作，并将所述仿真主回路的反馈信号发送给所述信号调整子电路；所述信号调整子电路对所述反馈信号的幅值进行调整后通过所述辅助变流器的模拟输入通道送入所述控制器。
[0014] 本发明的辅助变流器半实物仿真试验台及其仿真方法，通过工控机构建模拟辅助变流器控制下的工作主回路的仿真主回路，通过外围电路模拟控制器的工作环境，通过工控机、外围电路与辅助变流器的控制器的相互配置实现对辅助变流器工作流程的仿真，根据仿真过程对辅助变流器的工作特性进行分析和对监控辅助变流器的工作状态进行监控，不再受高电压大电流工作条件的限制、不再受外部条件的限制，解决了
现有技术所存在的对辅助变流器工作特性的分析和其工作状态的监控比较难于实现的问题。
附图说明
[0015] 为了更清楚地说明本发明
实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0016] 图1为本发明一实施例提供的辅助变流器半实物仿真试验台的结构示意图；
[0017] 图2为本发明一实施例提供的辅助变流器半实物仿真试验台的结构示意图；
[0018] 图3为本发明一实施例提供的仿真主回路结构示意图；
[0019] 图4为本发明一实施例提供的辅助变流器半实物仿真方法的
流程图。
具体实施方式
[0020] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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作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。
[0021] 图1为本发明一实施例提供的辅助变流器半实物仿真试验台的结构示意图。如图1所示，本实施例的系统包括：第一工控机10和外围电路20。
[0022] 第一工控机10，用于构建模拟辅助变流器控制下的工作主回路的仿真主回路，并根据辅助变流器的控制器30发出的控制信号控制仿真主回路，并将仿真主回路的反馈信号提供给控制器30，以调整控制器30的控制逻辑。
[0023] 外围电路20包括多个子电路，其中每个子电路分别与辅助变流器的相应插头相连接。整个外围电路20用于构建控制器30的工作环境。
[0024] 在本实施例中，外围电路20包括：用以模拟辅助变流器的接触器的工作状态的接触器模拟子电路21、用以模拟辅助变流器的熔断器的工作状态的熔断器模拟子电路22、用以辅助变流器的风扇的工作状态的风扇模拟子电路23、用以模拟辅助变流器的变压器超温保护电路的工作状态的超温保护模拟子电路24、用以对输入辅助变流器的模拟输入通道的反馈信号的幅值进行调整的信号调整子电路25、用以模拟辅助变流器的绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor；简称为：IGBT)工作状态的反相子电路26、用以测量辅助变流器的功率模块温度的温度测量子电路27和用以调节辅助变流器的风扇转速的调速子电路28。
[0025] 其中，接触器模拟子电路21与控制器30输出接触器控制信号的插头X082连接，用于接收接触器控制信号，并且接触器模拟子电路21还与控制器30接收接触器响应信号(又称接触器反馈信号)的插头X080连接，用于向控制器30返回接触器响应信号。较为优选的，接触器模拟子电路21可以为一电磁继电器，连接于插头X082与插头X080之间，即用电磁继电器来模拟接触器。当控制器30发出控制接触器闭合或断开的控制信号时，电磁继电器相应的断开或闭合，并通过辅助触点将响应信号返回给控制器30。另外，第一工控机10还与接触器模拟子电路21连接，用于采集控制器30输出的接触器控制信号。
[0026] 其中，在辅助变流器正常工作时，熔断器、风扇、变压器超温保护电路都应该是正常的，也就说与插头X081连接的熔断器、风扇以及变压器超温保护电路上会有正常工作信号输入。在本实施例中，分别通过将熔断器模拟子电路22、风扇模拟子电路23和超温保护模拟子电路24连接于插头X081，来模拟熔断器、风扇以及变压器超温保护电路的正常工作信号。较为优选的，熔断器模拟子电路22、风扇模拟子电路23和超温保护模拟子电路24分别为一常闭按钮
开关，常闭按钮开关的两端分别连接于插头X081的两端。用常闭按钮开关处于关闭状态模拟正常工作状态，用常闭按钮开关处于断开状态来模拟熔断器、风扇和变压器超温保护电路的故障状态。
[0027] 信号调整子电路25用于将第一工控机10输出的反馈信号送入辅助变流器的模拟输入通道即插头X371和/或X372。由于第一工控机输出的信号幅度通常在0-5V之间，而辅助变流器所能接受的信号幅度范围为-5V到+5V，故本实施例通过信号调整子电路25对反馈信号的幅度进行调整，调整为辅助变流器能够识别的范围，然后再送入模拟输入通道。该信号调整子电路25的输入端与第一工控机10连接，用于接收反馈信号，其输出端与模拟输入通道连接，用于输出幅值调整后的反馈信号。本实施例的信号调整子电路25除了对反馈信号的幅度进行调整外，还会为保证部分输入通道的电流满足大于50毫安(mA)的条件而对反馈信号进行调整。
[0028] 其中，IGBT一般工作在高频开关模式，IGBT的开通和关断是由外部加在IGBT
门极上的电压控制的。IGBT是电力电子设备进行转换的关键器件，电力电子设备在工作过程中必须实施监控IGBT工作是否正常，一旦出现异常必须立即关闭设备，这就要求必须实时监控IGBT的反馈。在辅助变流器正常工作时，控制器30会发出IGBT控制信号，即辅助变流器的插头X252上会有IGBT控制信号输出，以控制IGBT的导通与关断；同时，IGBT还会通过插头X254向控制器30返回其状态信号。其中，IGBT控制信号与IGBT返回的状态信号两者是相反的关系，例如：当IGBT控制信号是高电平时，状态信号就是低电平；当IGBT控制信号是低电平时，状态信号就是高电平，故本实施例通过反相子电路26用来模拟IGBT，并对IGBT控制信号取反后送给控制器，那么控制器就认为IGBT是正常的，才能继续保持工作状态。通常IGBT是由辅助变流器的功率模块来实现的，故本实施例的反相子电路26也相当于模拟功率模块。具体的，反相子电路26分别连接于插头X252和插头X254之间，用于接收IGBT控制信号和返回取反后的IGBT控制信号(即状态信号)给控制器30。另外，在本实施例中，第一工控机10还与反相子电路26连接，用于采集控制器30输出的IGBT控制信号。
[0029] 为了测量功率模块的温度，本实施例通过将温度测量子电路27连接到与功率模块对应的插头X251上实现对功率模块温度的测量。其中，温度测量子电路27可由安装在功率模块的进风口和出风口的两个PT100温度
传感器来实现。每个PT100温度传感器是一个阻值会随着温度的变化而变化的
电阻，则可以通过测量两个可调电阻的阻值并根据电阻阻值随温度变化的特性获取功率模块的温度。
[0030] 另外，本实施例通过调速子电路28来模拟对风扇转速的调整。在实际应用中，风扇的调速是由控制器30发出电流信号，电流信号经安装在A7安装板上的电阻转换为电压信号后送给风扇，通过调节电流信号的大小来实现对风扇转速的调节的。故在本实施例中通过在控制器30输出电流信号的插头X093的两端连接调速子电路28实现对风扇的调速控制。其中，调速子电路28模拟实际工作过程中的电路；则较为优选的，本实施例的调速子电路28可为一连接于插头X093两端的电阻。
[0031] 进一步，第一工控机10通过数字输入
数据采集卡分别与接触器模拟子电路21和反相子电路26连接，用以通过数字输入数据采集卡采集控制器30发送的接触器控制信号和IGBT控制信号。第一工控机10通过模拟输出数据采集卡与信号调整子电路25连接，用以通过模拟输出数据采集卡将反馈信号发送给信号调整子电路25。其中，本实施例的第一工控机10具有允许数字输入采集卡或模拟输出数据采集卡插入的
接口，例如外围部件互连标准(Peripheral Component Interconnect；简称为：PCI)接口、工业标准构造(Industry Standard Architecture；简称为：ISA)接口等。
[0032] 本实施例的辅助变流器半实物仿真试验台，通过外围电路20来模拟辅助变流器的工作环境，而通过第一工控机构建辅助变流器控制下的工作主回路的仿真主回路，实现对辅助变流器以及其控制下的工作主回路的工作流程的仿真，在仿真过程中对辅助变流器的工作特性进行分析并实现监控其工作状态的目的，不再受实际工作环境中高电压大电流的限制，不再受外部条件的限制。例如：在测定辅助变流器的输入
电压保护值测定过程中，需要一个4280V以上持续时间准确控制在20ms的外部供电电压，这种要求的电源是很难实现的，而在半实物仿真试验台的
软件上增加一个持续20ms的脉冲就可以实现对4280V以上持续时间准确控制在20ms的外部供电电压的模拟。再者，本实施例的辅助变流器半实物试验系统还可以模拟不同负载工况下辅助变流器的工作特性，而如果没有本实施例的辅助变流器半实物试验系统，就必须准备各种各样的负载并将各种各样的负载分别连接在真实的辅助变流器上进行试验，增加了研究成本和危险性。
[0033] 图2为本发明一实施例提供的辅助变流器半实物仿真试验台的结构示意图。本实施例基于图1所示实施例实现，如图2所示，本实施例的系统还包括：第二工控机40。
[0034] 第二工控机40分别与接触器模拟子电路21和反相子电路26连接，用于接收控制器30发出的控制信号并予以存储和显示。其中，第二工控机40也具有允许数字输入数据采集卡和模拟输入数据采集卡插入的接口，例如PCI接口、ISA接口等。具体的，第二工控机40通过数字输入数据采集卡与接触器模拟子电路21连接，用于通过数字输入数据采集卡和接触器模拟子电路21接收控制器30发送的接触器控制信号，并实时显示接触器控制信号，同时将接触器控制信号存储起来为日后查询以及分析辅助变流器的工作特性打下
基础。第二工控机40通过数字输入数据采集卡与反相子电路26的输出端相连接，用于通过数字输入数据采集卡和反相子电路26接收控制器30发送的IGBT控制信号，并实时显示IGBT控制信号，同时将IGBT控制信号存储起来为日后查询以及分析辅助变流器的工作特性打下基础。另外，第二工控机40还与信号调整子电路25连接，具体通过模拟输入数字采集卡与信号调整子电路25的输出端连接，用于通过模拟输入数据采集卡接收经幅度调整后的反馈信号并予以存储和显示。
[0035] 在本发明实施例中，模拟输入数据采集卡可以以75KHz
频率采集数据，采用异步直接内存存取(Direct Memory Access；简称为：DMA)方式从其上设置的用户缓存区(buffer)中读取数据。其中，模拟输入数据采集卡上可设置有200K的用户缓存区。同理，数字输入数据采集卡可以以2MHz频率采集数据，采用异步DMA方式从其上设置的用户缓存区中读取数据。其中，数字输入数据采集卡上可设置有20K的用户缓存区。
[0036] 例如：在第二工控机40上的显示界面部分主要包括：
波形显示区、功能按钮区、辅助变流器主电路示意图区等。波形显示区类似于示波器的显示窗口，可以显示由数字输入数据采集卡和/或模拟输入数据采集卡的每个通道读取上来的数据波形。在本实施例中，该显示窗口显示6路IGBT高频脉冲，分别为IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT6和IGBT6，3路开关状态量，分别为Q21、Q22/23和Q30，11路模拟量，分别为T21-T23、T30-T32、T33、T34、T10、T11、T12。在本实施例中，第二工控机40可以通过向
绘图软件Visual Basic中的绘图(Picture)控件中连续画线段的方式来实现。这种方法比较适用于显示数据量较小、显示实时性要求不高的场合。对于高速采集到的大量数据，而且实时性要求较高的系统，本实施例的第二工控机40通过调用Windows应用程序接口(Application Programming Interface；简称为：API)函数使用双显示缓存的方式大大改善了闪烁问题。双显示缓存的显示思想是设置两块显示区，第一显示区是作为缓显(用户看不到)，第二显示区作为界面显示。首先将数据画在第一块显示区上，当画完第一块显示区后再将第一块显示区上的所有数据复制到第二块显示区上，显示给操作用户，通过延长刷新间隔，缓解了频繁闪烁的现象。
[0037] 另外，本实施例的第二工控机40还可以提供波形回放的功能。具体的，第二工控机40通过设置了一块和显示缓存一样大小的回放缓存，将数据直接复制到回放缓存即可。
[0038] 另外，除了显示波形之外，本实施例的第二工控机40还可以显示采集到的数据。但是由于需要显示数据数量的不确定性，显示的速率总是快于或者慢于数字输入数据采集卡和/或模拟输入数据采集卡的采集速度。为解决这一问题，本实施例的第二工控机40上设置一个较大的显示缓存，显示缓存的存储量为显示窗口最大能显示的数据量，并通过数字输入数据采集卡和/或模拟输入数据采集卡的采集程序不断刷新显示缓存以保证显示缓存里存储的是连续采集到的数据，保证了所显示的数据波形的
稳定性。
[0039] 功能按钮区是人机操作的平台，用户可以根据相应的操作功能，达到预期的目的。例如：
水平调整区可以调整波形显示区横坐标的时基，可以对显示波形进行水平缩放。垂直调整区可以使显示波形上下移动，显示在垂直不同的区域，便于波形的观察。
[0040] 辅助变流器主电路示意图区显示主电路的原理图，Q21，Q22/23，Q30开关的状态可以在图中直观的显示出来。另外，原理图中还标识出了每个需要显示波形所在图中的
位置。
[0041] 为了便于后期对采集到的数据进行分析，数据的存储是必不可少。本实施例的第二工控机40还具有存储数据的功能，并且能够在存储数据的同时保证数据的完整性和实时性。其中，为了保证数据的完整性和实时性，本实施例的第二工控机40采用读写文本文件的方式高速、可靠地将数据存入到微软办公软件(Microsoft Office)的Excel 2003工作表中。
[0042] 本实施例的辅助变流器半实物仿真试验台，通过第二工控机采集仿真过程中控制器发出的控制信号和仿真主回路返回的反馈信号，并实时显示，为分析辅助变流器的工作特性提供了方便，同时可以更为直观的查看辅助变流器的工作过程，更为直观的监控辅助变流器的工作流程。
[0043] 在此说明，本实施例通过不同于第一工控机的第二工控机来显示控制信号和反馈信号，但并不限于此。例如：第一工控机和第二工控机可以为同一工控机，即第一工控机在构建仿真主回路进行仿真的过程中还可以同时显示和存储仿真过程中的控制信号和反馈信号。
[0044] 在上述各实施例中，第一工控机10通过矩阵实验室(Matrix Laboratory；简称为：MATLAB)仿真软件中的仿真(Simulink)工具箱来构建仿真主回路，所构建的仿真主回路包括用以接收控制信号的输入接口和用以输出反馈信号的输出接口。其中，图3所示为本发明一实施例提供的仿真主回路结构示意图。如图3所示，本实施例的仿真主回路包括：输入接口31、输出接口32、主回路部分33和外部电源部分34。
[0045] 其中，输入接口31，用以接收接触器控制信号或IGBT控制信号。输出接口32，用以输出反馈信号。
[0046] 如图3所示，主回路部分33主要包括由6个IGBT模块构成模拟辅助变流器中的IGBT电路的子部分；由T21、T22、T23、T30、T31、T32、T33、T34、T10、T11、T12等11个模块等构成的模拟辅助变流器中的传感器的子部分；由DC0和DC1模块构成的模拟辅助变流器的直流电源的子部分、由增益G1-G11等11个模块构成的模拟辅助变流器中的幅值调节器的子部分；以及由Q21、Q22/Q23、Q30等3个模块构成的模拟辅助变流器中的接触器的子部分等。
[0047] 由于CRH3型车辅助变流器是并网运行的，也就是说正常工作时，所有辅助变流器的通过全列贯通的交流
母线连接到一起同时工作。在本实施例中设置外部电源部分34是为了模拟其它的辅助变流器，即假定其它辅助变流器已经正常工作并已输出了三相电源。外部电源部分34主要包括SS模块模拟的外部交流电源，电压传感器t30、t31、t32，以及调整信号幅值的增益G7、G8、G9等。
[0048] 在此说明，本实施例的仿真主回路并不限于上述各部分，根据实际应用场景和测试的目的还可以增加新的仿真回路或者删减其中的部分回路。
[0049] 本实施例的仿真主回路使用Simulink中的现有模块实现，具有实现简单，通过仿真主回路模拟工作主回路，避开了真实工作环境中的高电压大电流的限制。
[0050] 图4为本发明一实施例提供的辅助变流器半实物仿真方法的流程图。本实施例的方法基于上述实施例提供的辅助变流器半实物仿真试验台实现，如图4所示，本实施例的方法包括：
[0051] 步骤400、将接触器模拟子电路、熔断器模拟子电路、风扇模拟子电路闭合。
[0052] 该步骤400用于保证辅助变流器处于正常工作状态。
[0053] 步骤401a、当辅助变流器的控制器发送IGBT控制信号时，反相子电路接收IGBT控制信号，将IGBT控制信号发送给第一工控机，并将IGBT控制信号取反后发送给控制器。
[0054] 步骤401b、第一工控机将IGBT控制信号送入仿真主回路，以控制仿真主回路动作，并将仿真主回路的反馈信号发送给信号调整子电路。
[0055] 步骤401c、信号调整子电路对反馈信号的幅值进行调整后通辅助变流器的模拟输入通道送入控制器。
[0056] 步骤402a、当辅助变流器的控制器发送接触器控制信号时，接触器模拟子电路接收接触器控制信号，将接触器控制信号发送给第一工控机，并向控制器返回响应信号。
[0057] 步骤402b、第一工控机将接触器控制信号送入仿真主回路，以控制仿真主回路动作，并将仿真主回路的反馈信号发送给信号调整子电路。
[0058] 步骤402c、信号调整子电路对反馈信号的幅值进行调整后通过辅助变流器的模拟输入通道送入控制器。
[0059] 本实施例的辅助变流器半实物仿真方法，通过使用辅助变流器半实物仿真试验台，模拟辅助变流器的控制流程，实现对辅助变流器的工作过程的仿真，从而实现对辅助变流器的工作特性的分析和对辅助变流器的工作状态的监控。
[0060] 本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的
硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0061] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行
修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
