牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)平臺(tái)的研究與搭建

魯曹丹彤， 王　力

（中車(chē)永濟(jì)電機(jī)公司， 山西　永濟(jì)　044500）

引言

當(dāng)前，隨著電力電子器件、數(shù)字信號(hào)處理、數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)仿真和控制等技術(shù)的發(fā)展，交流傳動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)取代直流傳動(dòng)系統(tǒng)成為主要的軌道交通牽引電傳動(dòng)。為了更好地驗(yàn)證變流器硬件設(shè)計(jì)、方便進(jìn)行牽引系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化以及控制算法性能驗(yàn)證，需要搭建聯(lián)調(diào)試驗(yàn)平臺(tái)。本文分析了幾種交流傳動(dòng)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，最終根據(jù)公司現(xiàn)有試驗(yàn)設(shè)備基于互饋型系統(tǒng)搭建了某動(dòng)車(chē)組牽引系統(tǒng)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)平臺(tái)，并驗(yàn)證了平臺(tái)的可行性。

1　牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)平臺(tái)

為測(cè)試各種電機(jī)的性能，國(guó)內(nèi)外研究了各種測(cè)功機(jī)[1]。交流傳動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)基本原理與測(cè)功機(jī)相似，但根本的區(qū)別在于后者更多時(shí)候只是為了測(cè)試電機(jī)，而前者則是要實(shí)現(xiàn)整個(gè)牽引系統(tǒng)包括牽引變壓器、牽引變流器、牽引控制器和牽引電機(jī)的測(cè)試，也就是說(shuō)，試驗(yàn)系統(tǒng)更加復(fù)雜，功能更加完善。為了實(shí)現(xiàn)交流傳動(dòng)系統(tǒng)的試驗(yàn)，各種牽引電傳動(dòng)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)系統(tǒng)相繼出現(xiàn)。目前，國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)的聯(lián)調(diào)試驗(yàn)系統(tǒng)主要有四類(lèi)：能量消耗型、能量反饋型、飛輪負(fù)載型和能量互饋型[2]。

1.1　能量消耗型聯(lián)調(diào)試驗(yàn)系統(tǒng)

能量消耗型試驗(yàn)系統(tǒng)主要分為兩種方式：第一種如圖1-1所示，在牽引電機(jī)軸上直接接一個(gè)可產(chǎn)生阻力矩的阻力設(shè)備，通過(guò)調(diào)節(jié)阻力設(shè)備的參數(shù)，相當(dāng)于調(diào)節(jié)阻力矩大小，從而達(dá)到模擬實(shí)際負(fù)載的目的；第二種如圖1-2所示，負(fù)載系統(tǒng)由一個(gè)直流發(fā)電機(jī)和一個(gè)電阻構(gòu)成，直流發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能通過(guò)電阻消耗，通過(guò)調(diào)節(jié)直流發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流來(lái)調(diào)節(jié)牽引電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

優(yōu)點(diǎn)：一是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；二是直流發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩方便。

缺點(diǎn)：一是阻力設(shè)備只能模擬負(fù)載的穩(wěn)態(tài)過(guò)程，很難準(zhǔn)確模擬負(fù)載的動(dòng)態(tài)過(guò)程；二是牽引電機(jī)輸出動(dòng)能都被摩擦過(guò)程中轉(zhuǎn)變成熱能，造成能量浪費(fèi)。

1.2　能量反饋性聯(lián)調(diào)試驗(yàn)系統(tǒng)

圖1　能耗型聯(lián)調(diào)試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

能量反饋型試驗(yàn)系統(tǒng)由機(jī)組構(gòu)成能量反饋系統(tǒng)，如圖2所示，牽引電機(jī)M1帶動(dòng)直流發(fā)電機(jī)G1，直流發(fā)電機(jī)供電給直流電動(dòng)機(jī)M2，直流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)交流發(fā)電機(jī)G2發(fā)電，反饋給電網(wǎng)[3]。

優(yōu)點(diǎn)：可將部分電能反饋給電網(wǎng)，節(jié)約能量，提高效率。

缺點(diǎn)：一是設(shè)備多，投資大；二是控制難度高，負(fù)載調(diào)控對(duì)象多，調(diào)控復(fù)雜，易出現(xiàn)超調(diào)造成系統(tǒng)振蕩；三是負(fù)載電機(jī)中由于有直流發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)速受換向器的影響，難以測(cè)試牽引電機(jī)的高速階段。

圖2　反饋型聯(lián)調(diào)試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.3　飛輪負(fù)載型聯(lián)調(diào)試驗(yàn)系統(tǒng)

飛輪負(fù)載型聯(lián)調(diào)試驗(yàn)系統(tǒng)原理很簡(jiǎn)單，在牽引電機(jī)軸上對(duì)接一個(gè)飛輪，來(lái)模擬實(shí)際負(fù)載的機(jī)械慣性[4]。

優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)穩(wěn)定性好。

缺點(diǎn)：一是難以進(jìn)行穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)；二是能量消耗大，造成能量浪費(fèi)。

1.4　能量互饋型聯(lián)調(diào)試驗(yàn)系統(tǒng)

能量互饋型聯(lián)調(diào)試驗(yàn)系統(tǒng)主要分為兩種方式：第一種如圖3所示，由雙變頻器和雙電機(jī)構(gòu)成對(duì)拖系統(tǒng)，電機(jī)對(duì)接實(shí)現(xiàn)機(jī)械能傳遞；一套工作在電動(dòng)狀態(tài)，另一套就工作在發(fā)電狀態(tài)，直流互聯(lián)實(shí)現(xiàn)電能傳遞，直流環(huán)節(jié)通過(guò)隔離整流單元與電網(wǎng)隔離[5]。

圖3　互饋型聯(lián)調(diào)試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

優(yōu)點(diǎn)：一是直流側(cè)能量循環(huán)可降低大功率試驗(yàn)對(duì)四象限整流器和電網(wǎng)容量的要求；二是極大地節(jié)省了能量。

缺點(diǎn)：直流側(cè)的調(diào)節(jié)相對(duì)難控制。

第二種互饋型方式如圖4所示，其原理是在牽引電機(jī)輸出軸上對(duì)接一個(gè)交流異步電機(jī)作為負(fù)載電機(jī)，該負(fù)載電機(jī)由負(fù)載變流器控制其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，并將電能通過(guò)一個(gè)負(fù)載變壓器反饋回電網(wǎng)[6-8]。

圖4　互饋型聯(lián)調(diào)試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

優(yōu)點(diǎn)：一是能量直接反饋回電網(wǎng)，節(jié)約了電能；二是牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制簡(jiǎn)單。

缺點(diǎn)：負(fù)載使用設(shè)備多，一次性投資大。

2　動(dòng)車(chē)組系統(tǒng)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)平臺(tái)搭建

針對(duì)工廠現(xiàn)有設(shè)備平臺(tái)，對(duì)系統(tǒng)部件進(jìn)行比較和系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，采用能量互饋型第二種平臺(tái)方式，搭建某動(dòng)車(chē)組系統(tǒng)聯(lián)調(diào)地面試驗(yàn)臺(tái)。

2.1　試驗(yàn)原理

該動(dòng)車(chē)組系統(tǒng)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)原理：額定工況下25 kV單相電源（單相電源范圍17.5～31 kV）經(jīng)過(guò)牽引變壓器給牽引變流器供單相交流電，通過(guò)四象限整流器和逆變器，向牽引電動(dòng)機(jī)提供三相變頻變壓交流電，一組牽引變流器拖動(dòng)4臺(tái)牽引電機(jī)。2臺(tái)牽引電動(dòng)機(jī)通過(guò)齒輪箱帶動(dòng)1臺(tái)負(fù)載電機(jī)，然后通過(guò)載四象限變流器和整流變壓器將能量反饋10 kV電網(wǎng)。牽引集成單元主電路圖如圖5所示。

圖5　牽引集成單元主電路圖

2.2　聯(lián)調(diào)試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該聯(lián)調(diào)試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖6所示，主要分為兩部分：牽引輔助系統(tǒng)和負(fù)載拖動(dòng)系統(tǒng)。

圖6　聯(lián)調(diào)試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

牽引輔助系統(tǒng)：網(wǎng)側(cè)電壓由電網(wǎng)10 kV三相電通過(guò)三變單變壓器和有載調(diào)壓器提供，進(jìn)入牽引變壓器變壓后供給牽引變流器，通過(guò)四象限整流器和逆變器，向牽引電機(jī)提供三相變頻變壓交流電，1套牽引變流器為4臺(tái)牽引電機(jī)供電。試驗(yàn)中的牽引變流器為牽引輔助一體的變流器，輔變由中間直流母線供電，通過(guò)三相逆變、經(jīng)正弦波濾波后輸出三相AC 380 V/50 Hz電壓。

表1　牽引輔助系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

負(fù)載系統(tǒng)：三相交流10 kV網(wǎng)壓經(jīng)降壓變壓器變?yōu)榻涣?90 V，經(jīng)整流模塊整流為直流電壓923～980 V，再經(jīng)逆變器模塊逆變?yōu)榭烧{(diào)的交流電壓和頻率。兩臺(tái)負(fù)載交流異步電機(jī)，每臺(tái)負(fù)載電機(jī)通過(guò)飛輪、齒輪箱（變比為3.3:1）拖住兩臺(tái)牽引電機(jī)，每臺(tái)負(fù)載電機(jī)由兩個(gè)負(fù)載變流器控制，1號(hào)變流器控制負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)速，2號(hào)變流器控制負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)矩。兩臺(tái)變流器存在主、從控制的關(guān)系，主控轉(zhuǎn)速，從控轉(zhuǎn)矩。能量由負(fù)載變流器通過(guò)負(fù)載變壓器反饋到10 kV電網(wǎng)。

表2　負(fù)載系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

通風(fēng)冷卻系統(tǒng)：動(dòng)車(chē)組系統(tǒng)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)平臺(tái)還包含一些通風(fēng)冷卻的輔助設(shè)備，包括牽引變壓器和變流器本體冷卻單元、牽引電機(jī)風(fēng)機(jī)、負(fù)載電機(jī)風(fēng)機(jī)、輔助負(fù)載風(fēng)機(jī)等。

3　平臺(tái)驗(yàn)證

3.1　試驗(yàn)控制臺(tái)主要功能

該聯(lián)調(diào)試驗(yàn)臺(tái)采用部件分體式，即供電電源、顯示器部件不采用控制臺(tái)柜體嵌入方式，各部件全部置于現(xiàn)有辦公操作平臺(tái)上使用。該系統(tǒng)的集成單元模擬量信號(hào)不進(jìn)行直接采集，通過(guò)MVB網(wǎng)絡(luò)、以太網(wǎng)將控制部件采集到的信號(hào)二次傳送即可。TCU和ACU供電、通訊獨(dú)立實(shí)現(xiàn)，保證調(diào)試期間牽引和輔助試驗(yàn)可以獨(dú)立進(jìn)行，為集成單元控制部件及試驗(yàn)臺(tái)分體部件提供不間斷供電功能。

3.2　控制系統(tǒng)

電機(jī)組的運(yùn)行速度或軸轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)方式為：通過(guò)調(diào)節(jié)負(fù)載變流器的速度給定（變比為3.3∶1），調(diào)節(jié)電機(jī)組的運(yùn)行轉(zhuǎn)速；通過(guò)調(diào)節(jié)牽引變流器的轉(zhuǎn)矩給定，調(diào)節(jié)電機(jī)組的轉(zhuǎn)矩。根據(jù)互饋試驗(yàn)系統(tǒng)原理可知，為調(diào)高雙電機(jī)的高性能控制，就必須采用轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制。該聯(lián)調(diào)系統(tǒng)是安裝的速度和轉(zhuǎn)矩傳感器，但實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)傳感器的安裝不僅導(dǎo)致系統(tǒng)成本增加、體積增大、其性能也易受工作環(huán)境的影響，且傳感器是引起系統(tǒng)故障的主要原因之一。因此無(wú)傳感器控制技術(shù)的研究迫在眉睫，無(wú)傳感器控制技術(shù)是采用無(wú)傳感器的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和磁鏈的聯(lián)合觀測(cè)器，利用采集的定子電流、電壓信號(hào)進(jìn)行在線估計(jì)，從而進(jìn)行轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制。

3.3　聯(lián)調(diào)試驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證

系統(tǒng)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)臺(tái)搭建形成后，分別進(jìn)行了牽引輔助變流器型式試驗(yàn)和組合試驗(yàn)。牽引輔助變流器型式試驗(yàn)完成了包括輕載試驗(yàn)、換流試驗(yàn)、負(fù)載突變?cè)囼?yàn)、均流試驗(yàn)、輸出特性試驗(yàn)、啟動(dòng)與重啟動(dòng)試驗(yàn)和短路試驗(yàn)等。組合試驗(yàn)已完成牽引電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性試驗(yàn)、滿轉(zhuǎn)矩掃頻試驗(yàn)、組合系統(tǒng)效率特效試驗(yàn)、牽引供電電壓突變?cè)囼?yàn)以及各種保護(hù)試驗(yàn)等。經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)驗(yàn)證該聯(lián)調(diào)系統(tǒng)可以模擬動(dòng)車(chē)實(shí)際運(yùn)行工況，實(shí)現(xiàn)牽引系統(tǒng)參數(shù)以及控制算法的優(yōu)化，滿足試驗(yàn)要求。

4　結(jié)語(yǔ)

本文在對(duì)比分析現(xiàn)有幾種具有代表性的交流傳動(dòng)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，最終基于互饋型系統(tǒng)搭建了某動(dòng)車(chē)組牽引系統(tǒng)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)平臺(tái)。利用該試驗(yàn)臺(tái)模擬動(dòng)車(chē)運(yùn)行工況完成了包括保護(hù)試驗(yàn)、牽引制動(dòng)特性試驗(yàn)等，結(jié)果證明此聯(lián)調(diào)系統(tǒng)可以方便進(jìn)行牽引系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化以及控制算法性能驗(yàn)證，滿足試驗(yàn)要求。試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題，如牽引變流器逆變器輸出電流偏小或過(guò)流，表明速度閉環(huán)控制有待進(jìn)一步完善；試驗(yàn)中速度傳感器和扭矩儀采集信號(hào)不準(zhǔn)確等。相信這些問(wèn)題在試驗(yàn)站后期完善中能圓滿解決。

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