一種交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車牽引系統(tǒng)試驗(yàn)平臺

曲 強(qiáng)， 張廣遠(yuǎn)， 吳志友

(中車大連電力牽引研發(fā)中心有限公司 電氣產(chǎn)品開發(fā)部， 遼寧大連 116052)

隨著鐵路關(guān)鍵技術(shù)的不斷提升，交流傳動(dòng)牽引系統(tǒng)已逐步成為內(nèi)燃機(jī)車的主要發(fā)展方向。交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車牽引系統(tǒng)是一套極為龐大而又復(fù)雜的系統(tǒng)，要想能夠較為快速而又深入的理解它，對于一名學(xué)生或者初學(xué)者來說，僅憑幾份圖紙以及教科書上的理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。然而，考慮到柴油機(jī)作為能量來源具有高能耗、高污染、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、對試驗(yàn)環(huán)境要求高等特點(diǎn)，要想搭建一套交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車牽引調(diào)試系統(tǒng)十分困難。因此，設(shè)計(jì)并搭建一套可以方便相關(guān)試驗(yàn)研究人員進(jìn)行調(diào)試的交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車牽引系統(tǒng)具有十分重要的意義。

主要介紹了一種具有節(jié)能環(huán)保特點(diǎn)的交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車牽引系統(tǒng)試驗(yàn)平臺，并對其系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及工作原理、控制原理以及一些相關(guān)的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了介紹。

1 交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車牽引系統(tǒng)試驗(yàn)平臺結(jié)構(gòu)及工作原理

該試驗(yàn)平臺由兩部分組成，一部分是試驗(yàn)平臺主電路系統(tǒng)，另一部分是試驗(yàn)平臺的上位機(jī)操控臺。

1.1 試驗(yàn)平臺主電路系統(tǒng)介紹

由一組帶有單相四象限脈沖整流器的交直交變頻器2、一組帶有不控整流器的交直交變頻器1、由拖動(dòng)電機(jī)和無刷同步發(fā)電機(jī)構(gòu)成的主發(fā)電機(jī)組、一個(gè)集成牽引和輔助控制單元于一體的牽引變流柜、牽引電機(jī)、陪試電機(jī)、制動(dòng)電阻柜、輔助電阻負(fù)載或輔助風(fēng)機(jī)負(fù)載、控制供電系統(tǒng)等部分組成。

如圖1所示，本試驗(yàn)平臺提供了一套與交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車電傳動(dòng)系統(tǒng)相同的變流器平臺。其工作原理是主發(fā)電機(jī)組通過變頻器2、以及電機(jī)間的機(jī)械能量轉(zhuǎn)換將工業(yè)電網(wǎng)的電能傳輸?shù)綘恳兞鞴裰?，從而使?fàn)恳兞鞴駧?dòng)牽引電機(jī)運(yùn)行；而同時(shí)工業(yè)電網(wǎng)也為陪試變頻器1供電，從而拖動(dòng)陪試電機(jī)作為牽引電機(jī)的負(fù)載運(yùn)行。另外，試驗(yàn)平臺中的散熱風(fēng)機(jī)系統(tǒng)以及充電機(jī)也由牽引變流柜所提供能量；勵(lì)磁系統(tǒng)則由充電機(jī)供電；變頻器1和變頻器2由同一個(gè)配電柜的電源供電，并且通過網(wǎng)絡(luò)信號由操控臺遠(yuǎn)程控制電源的輸出。

圖1 內(nèi)燃機(jī)車牽引系統(tǒng)試驗(yàn)平臺

當(dāng)牽引電機(jī)運(yùn)行在牽引工況時(shí)，變頻器1帶動(dòng)主發(fā)電機(jī)組發(fā)電向外輸出能量，帶動(dòng)牽引運(yùn)行；陪試電機(jī)作為負(fù)載制動(dòng)運(yùn)行，其制動(dòng)狀態(tài)所產(chǎn)生的能量則通過變頻器2回饋到電網(wǎng)中。而同時(shí)輔助控制單元可以利用在牽引工況下，試驗(yàn)臺所配套的試驗(yàn)設(shè)備(制動(dòng)電阻柜、牽引電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)、陪試電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī))進(jìn)行負(fù)載試驗(yàn)。

當(dāng)牽引電機(jī)運(yùn)行在制動(dòng)工況時(shí)，變頻器2通過電網(wǎng)向外輸出能量，帶動(dòng)陪試電機(jī)牽引運(yùn)行。此時(shí)，牽引電機(jī)制動(dòng)狀態(tài)所產(chǎn)生的能量由牽引控制單元通過公共母線傳遞給輔助控制單元，而同時(shí)變頻器1帶動(dòng)的主發(fā)電機(jī)可以停止工作，以達(dá)到節(jié)省能量的目的。輔助控制單元在此種工況下，可以利用牽引控制單元提供的能量和配套設(shè)備(牽引電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)、陪試電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī))進(jìn)行負(fù)載試驗(yàn)。另外，制動(dòng)電阻柜可以作為牽引控制單元剩余能量的釋放提供回路。

1.2 上位機(jī)操控臺介紹

根據(jù)試驗(yàn)系統(tǒng)中設(shè)備的特點(diǎn)、工作原理，設(shè)計(jì)開發(fā)出一個(gè)上位機(jī)操控臺，將整個(gè)系統(tǒng)中各部分設(shè)備的控制、監(jiān)控、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄整理集中在該操控平臺上，便于試驗(yàn)調(diào)試人員在遠(yuǎn)距離通過網(wǎng)絡(luò)信號傳輸就能夠?qū)Ω邏弘姎庠O(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)集中操作，簡化系統(tǒng)的操作流程，上位機(jī)操控臺結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 上位機(jī)操控臺

圖中試驗(yàn)設(shè)備主要通過兩種方式與控制臺進(jìn)行連接。第1種為硬線連接模式，主要完成對高速斷路器、交直流接觸器等高壓電氣設(shè)備的操作。第2種為網(wǎng)絡(luò)連接模式，主要是通過MVB網(wǎng)絡(luò)、以太網(wǎng)、CAN通訊網(wǎng)絡(luò)、串口通訊等來控制指令的實(shí)施、數(shù)據(jù)監(jiān)控、記錄運(yùn)行過程中的各試驗(yàn)參數(shù)和數(shù)據(jù)。另外，操控臺與主電路系統(tǒng)的電氣設(shè)備通過TCMS系統(tǒng)進(jìn)行一些簡單的網(wǎng)絡(luò)信號轉(zhuǎn)和邏輯處理。

具體表現(xiàn)為：

(1)操控臺通過TCMS系統(tǒng)可以對電網(wǎng)供電系統(tǒng)、變頻器1、變頻器2、風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、牽引變流柜系統(tǒng)、充電機(jī)和勵(lì)磁控制系統(tǒng)進(jìn)行硬線控制連接，這樣可以通過控制接觸器來隨時(shí)切斷或投放設(shè)備到整個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中。操控臺還可以對接觸器進(jìn)行互鎖邏輯處理和操作失誤報(bào)警提示，來降低人為操作失誤導(dǎo)致的重大損失。

(2)操控臺通過網(wǎng)絡(luò)通信進(jìn)行系統(tǒng)各設(shè)備調(diào)節(jié)。主要包括：通過串口網(wǎng)絡(luò)對變頻器1、變頻器2進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、通過以太網(wǎng)對牽引變流柜、充電機(jī)和勵(lì)磁控制單元運(yùn)行提供指示信號。通過網(wǎng)絡(luò)通訊將這些設(shè)備運(yùn)行的關(guān)鍵試驗(yàn)數(shù)據(jù)(如母線電壓、牽引電機(jī)轉(zhuǎn)矩、電流、轉(zhuǎn)速控制電源電壓、勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流等)傳輸?shù)讲倏嘏_的上位機(jī)中，便于分析和監(jiān)控設(shè)備及試驗(yàn)數(shù)據(jù)是否正常。

(3)操控臺預(yù)留了牽引變流柜調(diào)試程序下載和監(jiān)控接口，以及調(diào)試檢測設(shè)備接口(如示波器、轉(zhuǎn)矩儀，功率分析儀、溫度巡檢儀等)。這些檢測設(shè)備的數(shù)據(jù)信號通過硬線或網(wǎng)絡(luò)信號傳輸?shù)讲倏嘏_中，以方便調(diào)試人員對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、下載、分析等工作。

(4)操控臺的上位機(jī)中考慮到設(shè)備安全設(shè)置了設(shè)備急?？刂瓢粹o，能夠隨時(shí)切斷各設(shè)備輸入輸出；同時(shí)在試驗(yàn)區(qū)關(guān)鍵部位安裝監(jiān)控?cái)z像頭，便于調(diào)試和試驗(yàn)人員遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

該試驗(yàn)平臺不僅通過采用通用變頻器替換柴油機(jī)發(fā)電的方式將內(nèi)燃機(jī)車的機(jī)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為純電氣系統(tǒng)，同時(shí)還為了便于操作和控制，針對該系統(tǒng)搭建了一套遠(yuǎn)程操控臺，并根據(jù)不同試驗(yàn)要求來控制不同設(shè)備的切換運(yùn)行，這使得整個(gè)系統(tǒng)的靈活性、安全性和可靠性得到了極大提升。

2 牽引試驗(yàn)系統(tǒng)主要控制策略

交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車牽引試驗(yàn)平臺的系統(tǒng)組成部分較多，結(jié)構(gòu)龐大。其主要控制環(huán)節(jié)包括：勵(lì)磁系統(tǒng)控制、脈沖整流器控制、陪試逆變器控制、牽引制動(dòng)特性控制等。

2.1 勵(lì)磁控制策略

勵(lì)磁控制系統(tǒng)作為主發(fā)電機(jī)的一個(gè)重要組成部分，主要用于調(diào)節(jié)主發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，控制主發(fā)電機(jī)的輸出電壓、電流以及功率，最終達(dá)到主發(fā)電機(jī)輸出功率恒定的目的。其控制原理框圖如圖3所示。

當(dāng)司控器手柄位于某一級位下時(shí)，其級位信號分別通過電壓、電流和功率給定值計(jì)算環(huán)節(jié)的換算得到各自的基準(zhǔn)值，然后再經(jīng)過加載率控制器得到限壓、限流和恒功率控制信號。接著這3個(gè)控制信號分別與電壓、電流及功率的實(shí)際采集的反饋信號相比較，得到誤差信號再經(jīng)過各自的PID調(diào)節(jié)器處理得出電壓、電流和功率的輸出信號，而后經(jīng)過最小值比較器的比較，將最小值送入到勵(lì)磁控制驅(qū)動(dòng)單元中，作為勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)器的輸入信號，該信號最后經(jīng)驅(qū)動(dòng)器的放大來控制主發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁輸出，從而控制主發(fā)電機(jī)的輸出功率，保證主發(fā)電機(jī)在各個(gè)級位的轉(zhuǎn)速點(diǎn)上可以恒功率運(yùn)行，為牽引變流柜提供能量。

2.2 四象限脈沖整流器控制策略

采用四象限脈沖整流器的主要目的是，一方面需要為中間直流母線提供平直穩(wěn)定的直流電壓，另一方面是盡可能降低其在吸收電網(wǎng)有功能量時(shí)所造成的污染。根據(jù)其輸入回路的等效電路圖可以得到其電壓基波分量的相量平衡方程式：

圖3 勵(lì)磁控制系統(tǒng)原理框圖

圖4 相量關(guān)系圖

2.3 陪試變頻器逆變單元控制策略

陪試變頻器在整個(gè)牽引系統(tǒng)試驗(yàn)平臺試驗(yàn)系統(tǒng)中起到至關(guān)重要的作用，其主要為陪試電機(jī)提供能量保證了系統(tǒng)中負(fù)載的穩(wěn)定運(yùn)行。對于陪試變頻器逆變單元來說，轉(zhuǎn)差頻率矢量控制是一種性能優(yōu)越并普遍應(yīng)用的控制算法，當(dāng)陪試變頻器逆變單元處于牽引控制時(shí)(牽引電機(jī)運(yùn)行在制動(dòng)工況下)采用圖5所示的速度閉環(huán)型轉(zhuǎn)差頻率矢量控制策略，速度信號給定值ω*來自司機(jī)操縱臺的旋鈕級位信號，根據(jù)不同旋鈕級位的給定值來進(jìn)行調(diào)速，速度控制由PI轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)，計(jì)算得出需要的頻率ist*。而當(dāng)陪試變頻器逆變單元處于制動(dòng)控制時(shí)(此時(shí)牽引電機(jī)處于牽引工況下)，采用圖6所示的轉(zhuǎn)矩型轉(zhuǎn)差頻率矢量控制算法，轉(zhuǎn)矩給定值同樣來自于司機(jī)操縱臺的旋鈕級位信號，通過不同旋鈕級位下的力矩指令所換算的電流值，達(dá)到調(diào)節(jié)陪試電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出的作用。

另外，為了解決傳統(tǒng)試驗(yàn)臺由于采用轉(zhuǎn)差頻率控制算法而導(dǎo)致低頻狀態(tài)下轉(zhuǎn)矩控制不精確的問題，本試驗(yàn)臺的陪試變頻器通過采用磁鏈開環(huán)控制策略，合理設(shè)置磁鏈曲線和估算磁鏈電感值；并利用轉(zhuǎn)差校正系數(shù)直接對轉(zhuǎn)差頻率進(jìn)行補(bǔ)償，從而保證陪試變頻器在低頻狀態(tài)下轉(zhuǎn)矩發(fā)揮的準(zhǔn)確性。

圖5 速度閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率矢量控制算法

圖6 轉(zhuǎn)矩型轉(zhuǎn)差頻率矢量控制算法

2.4 牽引、制動(dòng)特性控制策略

在牽引工況下，TCMS應(yīng)保證主發(fā)電機(jī)組在恒功率運(yùn)行情況下，控制牽引系統(tǒng)按內(nèi)燃機(jī)車牽引特性運(yùn)行，圖7為牽引工況控制框圖。司控器級位信號Ne為基本給定量，經(jīng)發(fā)電機(jī)輸出功率限制輸出函數(shù)得到最大功率輸出值Pe，此功率減去牽引系統(tǒng)中輔助功率Pf即得到牽引系統(tǒng)中牽引功率給定值Pg；此給定值Pg與實(shí)際牽引功率反饋值Pd相比較，其差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)器運(yùn)算后產(chǎn)生牽引電機(jī)牽引力給定值F1。

同時(shí)司控器級位信號Ne和由牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速換算出的機(jī)車速度v經(jīng)牽引特性曲線換算后得到當(dāng)前速度下機(jī)車牽引電機(jī)牽引力給定值F2，此給定值F2與上述恒功率環(huán)節(jié)產(chǎn)生的牽引力給定值F1兩者中取較小者作為牽引電機(jī)牽引力給定值F，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信號傳給牽引逆變器控制單元，由牽引逆變器完成對牽引電機(jī)力矩的控制。通過控制牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)矩來調(diào)節(jié)中間直流環(huán)節(jié)的功率，并最終使柴油機(jī)以恒功率運(yùn)行。

牽引工況根據(jù)司控器信號可以分為8個(gè)檔位，每一個(gè)檔位對應(yīng)相應(yīng)的牽引力。

圖7 機(jī)車牽引特性框圖

在制動(dòng)工況下，應(yīng)保證在不超過最大制動(dòng)功率情況下，控制牽引系統(tǒng)按內(nèi)燃機(jī)車制動(dòng)特性運(yùn)行，圖8為制動(dòng)工況控制框圖。

圖8 機(jī)車制動(dòng)特性框圖

在制動(dòng)工況，主發(fā)電機(jī)組保持在較低轉(zhuǎn)速范圍，此時(shí)主發(fā)電機(jī)僅產(chǎn)生很小的電壓，中間直流回路依靠這個(gè)電壓提供牽引電機(jī)(此時(shí)牽引電機(jī)作為發(fā)電機(jī)工作)所需要的初始勵(lì)磁電壓。一旦牽引電機(jī)在這個(gè)初始勵(lì)磁電壓下開始工作，則中間直流回路的電壓依靠牽引電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)反饋的能量來迅速達(dá)到中間電壓允許的最大值。這時(shí)，主發(fā)電機(jī)組不再向中間直流回路和制動(dòng)電阻提供能量。通過斬波器的通斷，可以維持中間直流電壓保持在恒定值不變。制動(dòng)工況分為3個(gè)工作區(qū)：恒制動(dòng)功率區(qū)、恒制動(dòng)力區(qū)和降制動(dòng)力區(qū)。系統(tǒng)運(yùn)行在制動(dòng)工況時(shí)，制動(dòng)級位信號為0～74 V的模擬量信號，司控器信號的模擬量劃分為8個(gè)檔位，每一個(gè)檔位對應(yīng)相應(yīng)的制動(dòng)力。根據(jù)該模擬信號的大小和制動(dòng)特性曲線確定牽引電機(jī)輸出牽引力。

3 系統(tǒng)試驗(yàn)平臺的測試方法及測試結(jié)果

該試驗(yàn)平臺在設(shè)備運(yùn)行時(shí)由于各組成部分間可以進(jìn)行能量回饋，因此不需要額外負(fù)載，這提高了整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)備利用率，達(dá)到了環(huán)保節(jié)能的效果。

該試驗(yàn)平臺具體測試方式為：

首先閉合工業(yè)供電系統(tǒng)開關(guān)，啟動(dòng)變頻器1和變頻器2，通過操控臺控制變頻器1進(jìn)而使拖動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)主發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速運(yùn)行在所需試驗(yàn)轉(zhuǎn)速范圍；接著操控臺控制牽引變流柜內(nèi)的主接觸器閉合，啟動(dòng)勵(lì)磁控制系統(tǒng)運(yùn)行，并將主發(fā)電機(jī)輸出的三相交流電輸入到柜內(nèi)；待柜內(nèi)母線電壓達(dá)到預(yù)定值后，根據(jù)試驗(yàn)要求通過操控臺切換來進(jìn)行各種工況下的負(fù)載試驗(yàn)。該系統(tǒng)主要完成電機(jī)牽引特性調(diào)試；電機(jī)制動(dòng)特性調(diào)試；電阻、風(fēng)機(jī)負(fù)載調(diào)試等工作。

電機(jī)牽引特性調(diào)試試驗(yàn)：啟動(dòng)變頻器2將陪試電機(jī)運(yùn)行到一定轉(zhuǎn)速下，然后啟動(dòng)牽引變流柜內(nèi)的牽引變流器工作，進(jìn)行電機(jī)牽引特性調(diào)試試驗(yàn)。

電機(jī)制動(dòng)特性調(diào)試試驗(yàn)：啟動(dòng)變頻器2將陪試電機(jī)運(yùn)行到一定轉(zhuǎn)速下，然后啟動(dòng)牽引變流柜內(nèi)的牽引變流器工作，進(jìn)行電機(jī)制動(dòng)特性調(diào)試試驗(yàn)。待母線電壓穩(wěn)定在制動(dòng)控制設(shè)定值時(shí)，變頻器1和勵(lì)磁控制系統(tǒng)可以停止工作。

電阻、風(fēng)機(jī)負(fù)載調(diào)試：根據(jù)操控臺的控制指示投放不同的電阻負(fù)載或風(fēng)機(jī)設(shè)備，然后啟動(dòng)牽引變流柜內(nèi)輔助變流器進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)過程中牽引變流柜的電氣測量數(shù)據(jù)及波形由測量設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)讲倏嘏_的設(shè)備監(jiān)控區(qū)，所監(jiān)控的數(shù)據(jù)主要包含三相輸入電壓和電流、母線電壓、電機(jī)輸出電壓和電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等。根據(jù)需要這些電器測量數(shù)據(jù)和波形可以實(shí)時(shí)在操控臺上查看和保存，便于后期分析試驗(yàn)情況和編寫試驗(yàn)報(bào)告。

圖9為試驗(yàn)過程中的測試波形。

圖9 牽引特性試驗(yàn)波形

圖9為牽引變流柜帶動(dòng)1臺電機(jī)在牽引工況下與陪試電機(jī)滿功率對拖運(yùn)行時(shí)，母線電壓、電機(jī)電壓和電流的輸出波形，從圖中可以看出牽引變流柜的電壓電流輸出波形正弦性良好，從而保證了牽引電機(jī)穩(wěn)定的運(yùn)行。

圖10為牽引變流柜帶動(dòng)1臺牽引電機(jī)在制動(dòng)工況下與陪試電機(jī)對拖運(yùn)行所測得的電壓、電流波形圖。從圖中可以看出牽引系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

輔助變流負(fù)載試驗(yàn)：

圖11為輔助變流器帶電阻負(fù)載輸出波形圖，從圖中可以看出，輔助變流器的電壓電流輸出波形較為穩(wěn)定，正弦性良好。

圖10 制動(dòng)特性試驗(yàn)波形

圖11 電阻負(fù)載輔助系統(tǒng)輸出波形

4 結(jié)束語

交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車牽引系統(tǒng)試驗(yàn)平臺通過現(xiàn)有技術(shù)手段，在試驗(yàn)車間模擬了一套完整的交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車牽引系統(tǒng)調(diào)試平臺。在借助先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，相關(guān)技術(shù)人員不僅可以快速掌握內(nèi)燃機(jī)車牽引系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成和工作原理，還可以便捷可靠地進(jìn)行先進(jìn)的牽引控制算法的開發(fā)與驗(yàn)證，達(dá)到了讓其對系統(tǒng)充分學(xué)習(xí)與研究的目的。另外本試驗(yàn)平臺在設(shè)計(jì)完成后，通過牽引與制動(dòng)工況以及輔助系統(tǒng)試驗(yàn)的長時(shí)間的穩(wěn)定性考核，證明了該方案的可行性。