城市軌道車輛交流傳動試驗(yàn)系統(tǒng)研究＊

王儉樸

（南京工程學(xué)院 車輛工程系，江蘇南京211167）

城市軌道交通車輛都采用的是電力牽引，隨著科學(xué)技術(shù)和城市化的發(fā)展，大運(yùn)量的城市軌道交通在現(xiàn)代大城市中的重要作用尤顯突出。交流傳動技術(shù)的優(yōu)越性使得牽引動力交流化成為大功率牽引領(lǐng)域的主要方向之一，在我國，交流傳動機(jī)車將全面取代直流傳動機(jī)車。為了研制和生產(chǎn)符合我國國情的交流傳動系統(tǒng)，必須加強(qiáng)對大功率交流傳動系統(tǒng)的研究和開發(fā)，國內(nèi)也有類似的試驗(yàn)臺，如永濟(jì)電機(jī)廠的城市軌道交通電傳動系統(tǒng)模擬聯(lián)動試驗(yàn)站，但它采用的是飛輪負(fù)載，占地空間大，造價高，建設(shè)周期較長。本文研究的城市軌道車輛交流傳動試驗(yàn)系統(tǒng)由兩套“逆變器—電機(jī)”連軸背靠背組成，兩臺電機(jī)能量互饋，電能在兩臺電機(jī)之間反饋，或是將電能反饋給儲能變流裝置。可以節(jié)約大量電能，所消耗的僅是兩臺電機(jī)之間的機(jī)械損耗。具有能量利用率高、結(jié)構(gòu)簡單、控制靈活、提高輸入側(cè)和輸出側(cè)的功率因數(shù)、能有效地對控制策略的特性進(jìn)行比較等優(yōu)點(diǎn)。該試驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)具備牽引特性和牽引控制試驗(yàn)，制動特性和制動控制試驗(yàn)，逆變器工作特性試驗(yàn)，進(jìn)行電力牽引及電制動系統(tǒng)開發(fā)的功能。

1 城市軌道車輛交流傳動試驗(yàn)系統(tǒng)的原理及組成

城市軌道車輛交流傳動試驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)采用一臺功率較大的整流裝置給兩臺逆變裝置供電，組成兩個逆變器并聯(lián)在一起的共直流母線系統(tǒng)。調(diào)壓器和三相全橋整流濾波電路的組合是將三相380V電網(wǎng)交流電變流為500～900V的直流電來模擬750V直流供電網(wǎng)。系統(tǒng)采用交流異步電動機(jī)作為模擬負(fù)載，不但節(jié)省空間，而且大大降低了成本。由兩臺牽引逆變器分別控制2臺75kW的交流異步電機(jī)，牽引電機(jī)M1與模擬負(fù)載的電機(jī)M2分別采用力矩和速度兩種不同的控制方式，電機(jī)可在控制電路和牽引逆變器的共同作用下實(shí)現(xiàn)在牽引工況、再生制動工況和電阻制動工況之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)通訊模式采用串口RS485總線實(shí)現(xiàn)工控機(jī)與系統(tǒng)之間的通訊。由圖1可見，牽引電機(jī)M1與模擬負(fù)載的電機(jī)M2通過直流側(cè)實(shí)現(xiàn)能量互饋，電網(wǎng)只提供試驗(yàn)損耗的能量，當(dāng)城市軌道車輛交流傳動試驗(yàn)臺在電制動工況下，能量可以從直流側(cè)通過儲能制動變流器來實(shí)現(xiàn)超級電容儲能再生制動和電阻制動，在牽引工況下，可以將超級電容器在制動工況下存儲的電能輸送給牽引系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)列車制動時動能的再生利用。

圖1 城市軌道車輛交流傳動試驗(yàn)系統(tǒng)

此系統(tǒng)可進(jìn)行牽引特性和牽引控制試驗(yàn)，制動特性和制動控制試驗(yàn)，逆變器工作特性試驗(yàn)，通過對模擬負(fù)載以速度方式控制，可以在沒有飛輪負(fù)載的情況下，模擬列車在預(yù)定線路預(yù)定載荷及司機(jī)手柄位控制下的運(yùn)行情況。該系統(tǒng)采用TMS320F240芯片作為核心器件構(gòu)成整個控制回路。逆變部分采用智能功率模塊（IPM）將功率管IGBT及其驅(qū)動、保護(hù)等電路集成在一起，使主回路設(shè)計(jì)簡單、工作更加可靠。

2 城市軌道車輛交流傳動試驗(yàn)平臺的主要工作電路

試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該具備的功能是能夠進(jìn)行模擬試驗(yàn)，設(shè)計(jì)試驗(yàn)系統(tǒng)的工作電路能實(shí)現(xiàn)這些功能。城市軌道車輛交流傳動試驗(yàn)平臺的主要工作電路包括：主電路、電源系統(tǒng)、調(diào)壓整流電路、工況電路、工況轉(zhuǎn)換控制電路和儲能制動變流器等。對工作電路的各個組成環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，對它們的工作原理進(jìn)行闡述說明，確保滿足試驗(yàn)系統(tǒng)的要求。這里主要介紹主電路和儲能變流裝置的設(shè)計(jì)。

2.1 主電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主電路采用典型的交—直—交電壓型變頻結(jié)構(gòu)。由調(diào)壓器、整流濾波、逆變器和電動機(jī)4部分組成。系統(tǒng)要求模擬750V直流接觸網(wǎng)供電，并在500～900 V之間可調(diào)。由于試驗(yàn)系統(tǒng)采用的調(diào)壓器體積龐大，不適于直接手動控制，所以配有一臺電動機(jī)及蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，通過點(diǎn)動開關(guān)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來進(jìn)行調(diào)壓。采用三相橋式不可控整流電路，整流電路和逆變電路之間采用大電容構(gòu)成突波吸收器，有效濾除整流環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的高次諧波，防止電網(wǎng)和負(fù)載之間的相互干擾。電容濾波給后級的逆變器提供相對恒定的直流電壓。使用時需先給電容充電，待充滿后才能直接接到不控全橋整流的輸出端。否則會產(chǎn)生很大的電流而燒壞整流器件，不使用主電路時要給濾波電容放電，否則因電容兩端的放電作用而發(fā)生事故。另外，若后級逆變器輸出電流太大或出現(xiàn)故障，要及時給后級逆變器斷電并增大前級電路的電阻，以減小電流。逆變電路選用IPM。

2.2 儲能變流裝置設(shè)計(jì)

儲能變流裝置主要與供電系統(tǒng)相連。該系統(tǒng)中儲能制動變流裝置的高壓端直接并聯(lián)在牽引逆變器的支撐電容CF上，CF兼作儲能制動變流裝置的高壓輸出電容。超級電容作為儲能變流裝置的核心部件，主要是依靠電容極板將能量以電能的形式來儲存，直接向直流電網(wǎng)進(jìn)行能量的釋放和吸收，無需轉(zhuǎn)換能量的形式，從而使得該裝置可以快速的與直流電網(wǎng)進(jìn)行能量的交換，具有很高的效率。儲能變流裝置的優(yōu)點(diǎn)是高能量密度、負(fù)載循環(huán)使用周期長，具體表現(xiàn)為可以減少直流母線中的能量損耗。儲能變流裝置不僅能夠降低地面制動電阻的額定功率以及散熱的額定容量，同時可以很大程度的改善電機(jī)的啟動性能。

2.2.1 儲能變流裝置的電路拓?fù)浼肮ぷ髟?/p>

儲能變流裝置在其控制系統(tǒng)控制之下工作于3種狀態(tài)：充電狀態(tài)（儲能再生制動）、放電狀態(tài)（儲能電容器釋放電能）及保持狀態(tài)（電阻制動），為滿足這一要求，儲能制動變流裝置的主電路拓?fù)淙鐖D2（a）所示。

（1）充電狀態(tài)

牽引電機(jī)處于制動工況時，系統(tǒng)將電機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋４藭r若中間直流環(huán)節(jié)的電壓Ud高于其允許值，且超級電容器電壓UC低于其最高允許電壓值，則儲能變流裝置為超級電容C充電；在儲能變流裝置控制系統(tǒng)控制下，圖2（a）中T2、TRZ均關(guān)閉，用PWM 方式控制開關(guān)管T1，此時雙向DC-DC變換器工作在Buck電路狀態(tài)，則系統(tǒng)通過T1、LN、C、D2組成的降壓電路為超級電容器C充電，將電制動產(chǎn)生的電能存儲于超級電容器中，實(shí)現(xiàn)了儲能制動。儲能再生制動的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2（b）所示。

圖2 儲能制動變流器的電路拓?fù)?/p>

（2）保持狀態(tài)

牽引電機(jī)處于制動工況時，若在充電過程中，超級電容器電壓UC高于其最高允許電壓且中間直流環(huán)節(jié)的電壓Ud高于其允許值，則系統(tǒng)在儲能變流裝置控制系統(tǒng)的控制之下轉(zhuǎn)入保持狀態(tài)（電阻制動工況）。電阻制動的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2（c）所示。在儲能變流裝置控制系統(tǒng)控制下，用PWM方式控制開關(guān)管TRZ，此時變換器工作在Buck電路狀態(tài)，則電制動過程中產(chǎn)生的電能消耗于制動電阻RZ上，實(shí)現(xiàn)電阻制動。

（3）放電狀態(tài)

牽引電機(jī)處于牽引工況時，若超級電容器電壓UC高于超級電容器工作電壓下限，儲能變流裝置將超級電容C與牽引逆變器的支撐電容CF并聯(lián)為牽引逆變器供電，從而使得再生制動的能量被再次利用，直至超級電容器電壓低于超級電容器工作電壓下限。儲能變流裝置在放電狀態(tài)下的電路拓?fù)淙鐖D2（d）所示。在儲能變流裝置控制系統(tǒng)的控制下，用PWM方式控制開關(guān)管T2，此時雙向DC-DC變換器工作在Boost電路狀態(tài)，則超級電容器中儲存的電能經(jīng)由D1、LN、UC、T2構(gòu)成的升壓電路向直流環(huán)節(jié)釋放電能，儲能變流裝置工作在放電狀態(tài)。

2.2.2 儲能變流裝置的控制策略及其控制流程

為了避免中間直流環(huán)節(jié)母線電壓升高，提出將再生能量通過儲能變流裝置存儲起來，試驗(yàn)系統(tǒng)需要時再回送給系統(tǒng)，試驗(yàn)過程中通過檢測中間直流環(huán)節(jié)母線和超級電容器的電壓，預(yù)先設(shè)定它們充放電的電壓閾值，采用基于“能量法”的控制策略實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動，完成能量的存儲與釋放。儲能變流裝置的控制策略及其控制流程如圖3所示。

圖3 儲能變流裝置的控制策略及其控制流程圖

2.2.3 超級電容器容量的確定

超級電容器容量C應(yīng)保證當(dāng)其電壓由UCmin變化到UCmax時足以存儲牽引電機(jī)處于制動工況時系統(tǒng)所具有的機(jī)械能Wr，C應(yīng)滿足下式要求：

η為系統(tǒng)電能變換效率，取η=0.85

本系統(tǒng)中，雙向DC-DC變換器的最低電壓為300V，超級電容器組的工作電壓范圍設(shè)定在300～450V，根據(jù)牽引計(jì)算結(jié)果，電機(jī)的牽引能量最大為1 319.32kJ，由式（2）可得，存儲再生制動能量所需超級電容的總?cè)萘緾≥19.94F，則超級電容器的基本參數(shù)為20F、480V，最大允許電流不低于1 000A。

3 城市軌道車輛交流傳動試驗(yàn)功能

城市軌道車輛交流傳動試驗(yàn)平臺可以模擬列車進(jìn)行牽引特性試驗(yàn)、模擬列車制動特性試驗(yàn)以及逆變器的開發(fā)試驗(yàn)等。

3.1 模擬列車牽引特性試驗(yàn)

通過輸入牽引特性的控制指令，使試驗(yàn)系統(tǒng)處于模擬列車牽引工況的狀態(tài)。其中牽引電機(jī)由力矩控制，負(fù)載電機(jī)由轉(zhuǎn)速控制。牽引工況時，牽引電動機(jī)的力矩由牽引控制系統(tǒng)根據(jù)司機(jī)手柄位以及電機(jī)的速度實(shí)時控制。在牽引力矩的作用下，負(fù)載電機(jī)的速度逐漸增加。通過城市軌道車輛交流傳動試驗(yàn)臺的測試系統(tǒng)，得到試驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，然后由這些速度值和對應(yīng)牽引力矩下的牽引力可得到牽引力與速度的關(guān)系曲線。設(shè)置另一牽引手柄位，則又可以得到牽引力與速度的關(guān)系曲線。通過城市軌道車輛交流傳動試驗(yàn)臺的測試系統(tǒng)，還可得到試驗(yàn)過程中系統(tǒng)的工作電流和工作電壓。試驗(yàn)系統(tǒng)還可以設(shè)置不同牽引手柄位來模擬列車不同的牽引特性曲線，同時檢測列車在牽引工況時的速度、工作電流和工作電壓。

3.2 模擬列車制動特性試驗(yàn)

通過控制電路使試驗(yàn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換至制動工況，通過運(yùn)行測控系統(tǒng)向通信接口輸入電制動特性控制指令，使試驗(yàn)系統(tǒng)處于模擬列車電制動工況的狀態(tài)：包括電阻制動工況和再生制動工況。模擬列車制動特性試驗(yàn)的原理和模擬列車牽引試驗(yàn)的原理基本一致，這里就不再贅述。

3.3 模擬逆變器的開發(fā)試驗(yàn)

模擬列車上負(fù)載逆變器或牽引逆變器的直流變交流逆變過程的功能。不同功率等級的逆變器可為不同功率等級的電機(jī)工作。逆變器提供工作電流、工作負(fù)載以及控制接口，逆變器處于不同的工作狀態(tài)能夠接受速度控制或力矩控制，從而可進(jìn)行逆變器的開發(fā)試驗(yàn)。此試驗(yàn)系統(tǒng)可以檢測逆變器工作所能承受的功率、電流和電壓。同時牽引逆變器和模擬負(fù)載逆變器都應(yīng)具備通信接口，以便接受計(jì)算機(jī)的通信信號，執(zhí)行計(jì)算機(jī)的操作指令。

4 城市軌道車輛交流傳動試驗(yàn)臺測試系統(tǒng)

城市軌道車輛交流傳動試驗(yàn)臺測試系統(tǒng)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信息的采集和顯示功能。測試系統(tǒng)是城市軌道車輛交流傳動試驗(yàn)臺的一個重要組成部分，也是系統(tǒng)和被測對象的接口部分，所以需要有足夠的測量精度，測試系統(tǒng)的準(zhǔn)確與否，直接關(guān)系到城市軌道車輛交流傳動試驗(yàn)臺能否滿足可靠性和實(shí)時性要求。其主要功能是試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和分析處理，主要任務(wù)是把在不同試驗(yàn)下各種狀態(tài)的參數(shù)真實(shí)地反映給系統(tǒng)。測試系統(tǒng)主要由3大部分組成：工業(yè)儀表或傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和工業(yè)控制機(jī)。電流、電壓和速度檢測分別采用霍爾傳感器和2 000脈沖／轉(zhuǎn)的光電脈沖發(fā)生器。城市軌道車輛交流傳動試驗(yàn)臺測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4。

數(shù)據(jù)分析處理功能包括：實(shí)時測量和顯示各種參數(shù)及其波形、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)回放、數(shù)據(jù)后處理和圖形報(bào)表生成等。

圖4 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

5 結(jié)束語

隨著我國城市軌道交通的發(fā)展，交流傳動技術(shù)也將逐步發(fā)展成熟，有必要建立一個性能優(yōu)良的試驗(yàn)平臺以便對交流傳動系統(tǒng)進(jìn)行研究、開發(fā)和驗(yàn)證。本文提出了一種能量互饋式城市軌道車輛交流傳動試驗(yàn)系統(tǒng)方案，該交流傳動試驗(yàn)系統(tǒng)具有實(shí)時性好、可靠性高的特點(diǎn)，完全適應(yīng)我國城市軌道交通發(fā)展的需求。此系統(tǒng)可進(jìn)行牽引特性和牽引控制試驗(yàn)，制動特性和制動控制試驗(yàn)，逆變器工作特性試驗(yàn)，列車在預(yù)定線路預(yù)定載荷及司機(jī)手柄位控制下運(yùn)行的實(shí)時模擬試驗(yàn)。另外，還可以進(jìn)行軌道車輛電力牽引及電制動系統(tǒng)的開發(fā)。系統(tǒng)具有節(jié)能、工作可靠，精度高等特點(diǎn)。

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