城市轨道牵引整流机组仿真系统的设计与研发.pdf
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1、第29卷第4期江 苏 理 工 学 院 学 报JOURNAL OF JIANGSU UNIVERSITY OF TECHNOLOGYVol.29,No.4Aug.,20232023年8月我国的城市轨道交通在近十年来得到了快速发展,城市轨道交通专业的人才培养在高等学校也越来越受到重视;但是,在实际教学过程中,仍面临课程设计不合理和局部教育资源短缺等挑战1。城市轨道交通供电系统是电力驱动车辆的运输系统,它起着缓解交通堵塞、节约电力资源等作用2。近年来,一些研究人员对城市轨道牵引整流机组进行了研究和分析:董海燕等人3分析了24脉波整流机组的原理,利用SIMULINK工具箱搭建了24脉波整流机组仿真模型
2、,通过仿真分析了电网侧和直流侧谐波电流;王恒等人4为了抑制谐波对电力系统产生的影响,提出一种新型24脉波整流方式,仿真结果表明了该模型应用于轨道交通中的适用性;方芳等人5分析了圆形变压器应用于24脉波整流的原理,在磁动势平衡原理的基础上,对电网侧电流的谐波成分进行了研究。以上对于24脉波整流的研究虽然很多,但对48脉波整流以及将几种整流方式综合比较的研究并不多见;因此,本文采用MATLAB GUI和Simulink仿真软件,设计了城市轨道牵引整流机组仿真系统。首先,利用Simulink搭建24脉波、12脉波、48脉波整流机组主电路仿真模型;然后,利用MAT-LAB图形用户界面功能搭建控制界面,
3、使用户可以选择不同的电压和整流机组仿真模型进行实验;最后,以35 kV、50 Hz的输入电压为例,进行24脉波和12脉波整流机组仿真实验,比较两种整流机组的波形,并对实验结果进行谐波分析。1城市轨道牵引整流机组的原理整流机组是城市轨道交通供电系统中的重要设备之一6。一套整流机组主要由一台整流变压器、一台整流器以及若干辅助配件共同组成7-8。整流机组的工作原理为:交流电通过整流变压器城市轨道牵引整流机组仿真系统的设计与研发卢 昊1,李广军1,李可扬2(1.江苏理工学院 汽车与交通工程学院,江苏 常州 213001;2.江苏理工学院 国际教育学院,江苏 常州 213001)摘要:结合城市轨道交通供
4、电系统课程的教学需要,基于MATLAB GUI和Simulink设计了城市轨道牵引整流机组仿真系统。通过GUI设计人机交互界面,利用Simulink搭建了包括24脉波整流机组、12脉波整流机组和48脉波整流机组的底层仿真模型。用户可以通过人机交互界面,选择输入电压和不同类型的整流机组仿真模型进行仿真实验。最后,以35 kV、50 Hz的输入电压为例,进行24脉波和12脉波整流机组仿真实验,比较两种整流机组的整流结果,并对实验结果进行谐波分析。仿真实验结果表明:系统操作简单直观,能够帮助学生更好地理解城市轨道牵引整流机组的工作原理。关键词:MATLAB GUI;Simulink;城市轨道牵引;整
5、流机组;人机交互界面中图分类号:TM922.3文献标识码:A文章编号:2095-7394(2023)04-0087-07收稿日期:2022-08-25基金项目:教育部产学合作协同育人创新项目“轨道交通信号与控制课程资源建设”(201801205003)作者简介:卢昊,硕士研究生,主要研究方向为车辆智能控制、智能信息处理;李可扬,本科生,主要研究方向为软件工程。通讯作者:李广军,副教授,博士,主要研究方向为轨道车辆工程、智能信息处理。完成降压,再经过整流器将降压后的交流电整流成城轨可以使用的直流电。我国直流牵引供电系统多以24脉波和12脉波整流机组为主,也有一些企业研发了48脉波整流技术9。本文
6、设计的仿真系统包含以上三种整流方式。1 1.1 11212脉波和脉波和2424脉波整流机组的原理脉波整流机组的原理如图1所示,24脉波整流机组一般由2套12脉波整流机组并联构成,每套整流机组主要包括1台轴向双分裂式牵引整流变压器和2组全波整流桥10-11。2套12脉波整流机组变压器的网侧绕组采用三角形接线,各自移相+7.5和-7.5,移相后,线电压相量互差15。2套12脉波整流机组的阀侧绕组是“d,y”接法,线电压形成30相差。经过全波整流器整流后,实现24脉波整流。每套整流机组单独工作时,都可以输出12脉波的直流电源,构成相互独立的12脉波整流系统。1 1.2 24848脉波整流机组的原理脉
7、波整流机组的原理48脉波整流机组在未来将逐步成为城市轨道交通整流机组的主流12。从理论上分析,48脉波整流能够有效减少谐波的产生,从而提高电网的电能质量。同样,48脉波整流机组从结构上可以看成2套并联运行的24脉波整流机组。与24脉波不同的是,整流变压器一次侧绕组移相角分别为+3.75、-11.25、-3.75和+11.25,变压器二次侧的绕组接法是星接和角接。为了实现48脉波整流,低压侧星接和角接的绕组还要连接4组并联运行的全波整流桥。2底层仿真模型的搭建2 2.1 11212脉波整流机组的建模脉波整流机组的建模如图2所示,为根据城市轨道牵引整流机组原理,利用Simulink仿真技术构建的模
8、型。该仿真模型主要由三相交流电源模块、桥式整流器模块和示波器等组成。变压器连接绕组的方式为/Y-,两组桥式整流器并联运行。三相交流电源幅值由用户选定,频率为 50 Hz,电阻R为200。2 2.2 22424脉波整流机组的建模脉波整流机组的建模如图3所示,在12脉波整流机组仿真模型的基础上构建24脉波整流机组仿真模型。该仿真模 型 主 要 由 移 相 变 压 器 模 块(Zigzag Phase-Shifting Transformer)、电阻、桥式整流器模块、示波器和三相电源模块构成。移相变压器模块移相+7.5和-7.5,使变压器低压侧绕组线电压相量互差15,4组桥式整流器并联运行。三相交流
9、电源幅值由用户选定,频率为 50 Hz,电阻R为200。图124脉波整流机组结构图图212脉波整流机组仿真模型江 苏 理 工 学 院 学 报88第29卷图324脉波整流机组仿真模型2 2.3 34848脉波整流机组的建模脉波整流机组的建模如图4所示,依照48脉波整流机组的工作原理,在图3仿真模型的基础上设计48脉波整流机组仿真模型。该仿真模型主要由移相变压器模块、电阻、桥式整流器模块、示波器、三相电源模块等构成。设置4个移相变压器模块,数值分别为+3.75、-11.25、-3.75、+11.25。三相交流电源幅值由用户选定,频率为 50 Hz,电阻R为200。2套24脉波整流机组并联构成48脉
10、波整流机组。图448脉波整流机组仿真模型卢 昊,等:城市轨道牵引整流机组仿真系统的设计与研发第4期893GUI仿真系统界面的设计目前,基于GUI和Simulink搭建的人机交互界面得到了广泛应用13-15。在搭建GUI界面的过程中,目标文件夹会生成fig和m两个文件。在fig文件中,存储的是界面编辑过程的图像数据,如弹出式菜单按钮位置的数据和波形图规格等。在m文件中,存储的是界面控件的回调函数和调用Simu-link模型的程序代码16,用户可以通过修改m文件中的回调函数和调用的仿真模型,实现人机交互界面功能的转变。在基于GUI和Simulink设计的城市轨道牵引整流机组仿真系统中,用户可以通过
11、界面设置选择输入电压的参数,并调用实验要求的整流机组仿真模型。仿真结果的波形图将显示在界面上,界面友好,操作简单。本文设计的仿真系统通过GUI和Simulink进行联合仿真。在编写回调函数时,首先,需要获得Simulink 模 型 中 输 入 电 压 模 块 的 参 数 名,由get_param函数得到相应模块的参数名,具体的命令语句是:get_param(Simulink仿真模型名/模块名,ObjectParameters)。其次,通过MATLAB提供的set_param函数,可以实现跨界面设置Simu-link 仿真模型中的参数,具体的命令语句是:set_param(Simulink仿真模
12、型名/模块名,参数名,参数值)。最后,运行MATLAB软件,在窗口中运行guide命令,即可进入GUI编辑界面。将按钮、静态文本、弹出式菜单、面板、坐标区等组件拖入到设计编辑界面中。打开界面控件的属性检查器,给定界面控件Tag的值,并对界面控件的规格进行调整,以便于编写界面控件的回调函数(Callback函数),保存文件时将文件命名为jiemi-an.fig。在完成交互界面设计的草图后,对各个界面控件进行回调函数编写。如图5所示,为具体的系统设计流程图。图5系统设计流程图在完成界面布局的设计后,对各个整流机组按钮进行回调函数的编写。如图6所示,为人机交互界面。通过对各个整流机组按钮回调函数的编
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