交流電傳動(dòng)軌道車牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李勇斌，李博韜，李國(guó)鋒，周秀芳，黃堅(jiān)

（1.中車永濟(jì)電機(jī)有限公司，陜西 西安 710015；2.上海電機(jī)學(xué)院電子信息學(xué)院，上海 201306；3.江蘇今創(chuàng)車輛有限公司，江蘇 常州 213012）

隨著高鐵運(yùn)營(yíng)里程的快速發(fā)展，鐵總提出確保在窗口時(shí)間內(nèi)完成百公里2.5%～3.5%長(zhǎng)大坡道高鐵線路檢修需求，而現(xiàn)有鐵路檢修用重型軌道車牽引系統(tǒng)多為機(jī)械、液力或直流傳動(dòng)，持續(xù)牽引力小且無(wú)電阻制動(dòng)功能。長(zhǎng)大坡道牽引力不足會(huì)導(dǎo)致無(wú)法在窗口時(shí)間內(nèi)完成牽引作業(yè)任務(wù)，在空氣制動(dòng)長(zhǎng)時(shí)投入工況閘瓦和輪對(duì)踏面產(chǎn)生的高溫和劇烈磨損會(huì)帶來輪對(duì)弛緩和制動(dòng)過溫失效危險(xiǎn)。為滿足高鐵線路安全檢修需求，文獻(xiàn)[1]研制完成一種新型交流牽引系統(tǒng)并應(yīng)用在功率1 040 kW、最高運(yùn)行速度120 km/h的鐵路重型軌道車上，通過5 000 km線路運(yùn)行考核測(cè)試，具備長(zhǎng)大坡道持續(xù)大牽引力爬坡和持續(xù)大轉(zhuǎn)矩電阻制動(dòng)下坡能力，滿足高鐵線路檢修需求。交流電傳動(dòng)系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱電傳動(dòng)系統(tǒng)）由柴油機(jī)、主輔發(fā)電機(jī)組、牽引變流器系統(tǒng)、軌道車控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)組成。交流牽引系統(tǒng)與傳統(tǒng)直流系統(tǒng)相比具有牽引制動(dòng)功率大、恒功率速度范圍寬、啟動(dòng)牽引力大、黏著利用率高、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。交流傳動(dòng)軌道車屬國(guó)內(nèi)首次研制，牽引計(jì)算暫無(wú)明確標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，本文借鑒干線交流機(jī)車牽引計(jì)算規(guī)程[2]，闡述了軌道車交流牽引系統(tǒng)計(jì)算方法，并通過半實(shí)物仿真測(cè)試和整車臺(tái)架滾動(dòng)驗(yàn)證了計(jì)算的符合性。

1 牽引系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

整車設(shè)計(jì)輸入技術(shù)指標(biāo)如下：柴油機(jī)輸出功率P=1 040 kW；控制方式軸控；軸式B0-B0；整車裝備質(zhì)量（黏著重量）Pμ=80 t；軸重20 t；牽引整流輸出直流母線電壓Udc=1 800 V；半磨耗輪徑Dk=880 mm；齒輪傳動(dòng)比μc=94/23；最高運(yùn)行速度vmax=120 km/h；啟動(dòng)牽引力Fqmax≥200 kN；持續(xù)牽引力Fc≥150 kN；全轉(zhuǎn)速范圍轉(zhuǎn)矩精度偏差≤5%。

1.1 主電路方案

借鑒文獻(xiàn)[3]中EMD-HXN3型干線內(nèi)燃機(jī)車牽引系統(tǒng)主電路方案，牽引逆變器架控模式改進(jìn)為軸控方式[4]，牽引電機(jī)故障損失冗余能力由50%提升到25%，相比架控單軸電機(jī)的控制也更為精準(zhǔn)。電傳動(dòng)系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 電傳動(dòng)系統(tǒng)原理圖Fig.1 Diagram of electric traction system

依據(jù)主電路方案和整車設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)，計(jì)算出圖1電傳動(dòng)系統(tǒng)原理圖中主發(fā)電機(jī)、牽引電機(jī)關(guān)鍵參數(shù)作為主發(fā)電機(jī)、整流裝置、牽引逆變器和牽引電機(jī)及制動(dòng)電阻柜設(shè)計(jì)依據(jù)，并依據(jù)干線機(jī)車的牽引制動(dòng)特性經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出軌道車的牽引和制動(dòng)特性參數(shù)曲線，并通過牽引逆變器軟件控制算法實(shí)現(xiàn)軌道車牽引制動(dòng)輸出特性。

1.2 系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算

1）輪軸標(biāo)稱功率（Pz）。標(biāo)稱功率作為軌道車4臺(tái)牽引電機(jī)的額定輸出功率初步計(jì)算依據(jù)，由公式：

式中：Pz為軌道車輪軸標(biāo)稱功率，kW；P為軌道車柴油機(jī)功率，kW；Pf為軌道車輔助功率，kW，一般取P×10%計(jì)算[2]；η為軌道車電傳動(dòng)系統(tǒng)效率，內(nèi)燃機(jī)車η通常取0.84。

計(jì)算出輪軸標(biāo)稱功率Pz結(jié)果為

則1/4輪軸標(biāo)稱功率即計(jì)算得到牽引電機(jī)額定功率Pm為

2）持續(xù)速度（vc）。持續(xù)速度是考核機(jī)車最大牽引力所能持續(xù)運(yùn)行的最低速度，通常作為牽引特性恒轉(zhuǎn)矩和恒功曲線拐點(diǎn)，是機(jī)車牽引特性設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)之一，由計(jì)算公式：

推導(dǎo)出：

式中：Fc為持續(xù)牽引力，取150 kN；vc為持續(xù)速度，km/h。

3）黏著牽引力（Fμ）。黏著牽引力是機(jī)車滿載牽引工況，輪對(duì)不破壞軌道黏著發(fā)生空轉(zhuǎn)所能產(chǎn)生的最大臨界牽引力，做為機(jī)車最大啟動(dòng)牽引力設(shè)計(jì)指標(biāo)參考。

根據(jù)計(jì)算公式：

當(dāng)v=0時(shí)，經(jīng)計(jì)算得到啟動(dòng)黏著牽引力為

式中：Fμ為黏著牽引力，kN；Pμ為軌道車黏著重量，取值80 t；μ為黏著系數(shù)；v為軌道車速度，km/h。

4）啟動(dòng)牽引力（Fqmax）。啟動(dòng)牽引力是機(jī)車可發(fā)揮的最佳啟動(dòng)牽引性能指標(biāo)，也是牽引特性設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)之一，由計(jì)算公式：

式中：Fqmax為啟動(dòng)牽引力，kN；λ為牽引力系數(shù)，為使軌道車在既滿足Fqmax≥200 kN又不破壞黏著基礎(chǔ)上能發(fā)揮最佳啟動(dòng)牽引能力，選取λ=0.86。則啟動(dòng)牽引力Fqmax計(jì)算結(jié)果為

5）主發(fā)電機(jī)額定輸出功率（Pe）[4]。額定輸出功率是發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)主要參數(shù)之一，由公式：

式中：Pe為主發(fā)額定輸出功率，kW；P為柴油機(jī)輸出功率，kW；ηe為主發(fā)電機(jī)效率，取0.93。得到主發(fā)電機(jī)額定輸出功率Pe計(jì)算結(jié)果為

6）主發(fā)電機(jī)額定輸出電壓（Ue）。額定輸出電壓是發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)，由公式：

得到主發(fā)電機(jī)額定輸出電壓Ue計(jì)算結(jié)果為

式中：Ue為額定輸出電壓，V；Udc為牽引整流輸出直流母線電壓，V。

7）牽引電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩（Tq）。根據(jù)計(jì)算公式：

推導(dǎo)出牽引電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算值為

式中：μc為齒輪傳動(dòng)比；Z為牽引電機(jī)臺(tái)數(shù)，取值4；Tq為牽引電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，N ?m；ηg為齒輪箱效率，取0.975.

8）牽引電機(jī)額定轉(zhuǎn)速（n）。由計(jì)算公式：

推導(dǎo)出牽引電機(jī)額定轉(zhuǎn)速計(jì)算結(jié)果為

9）牽引電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩（Mn）。額定轉(zhuǎn)矩是電機(jī)設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)之一，由計(jì)算公式：

式中：Mn為牽引電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩。

取Fc=150 kN，牽引電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩計(jì)算結(jié)果為

10）牽引電機(jī)恒功最高轉(zhuǎn)速（npmax）。由計(jì)算公式：

推導(dǎo)出牽引電機(jī)恒功最高轉(zhuǎn)速計(jì)算結(jié)果為

11）牽引電機(jī)額定功率（Pm）。由公式：

推導(dǎo)出牽引電機(jī)額定功率Pm計(jì)算結(jié)果為

1.3 牽引制動(dòng)特性

牽引制動(dòng)特性代表軌道車的牽引和制動(dòng)性能，同時(shí)也是軌道車控制軟件計(jì)算的依據(jù)。

1.3.1 牽引特性

牽引特性由啟動(dòng)牽引力曲線、持續(xù)牽引力曲線和恒功牽引力曲線三部分組成，如下式：

式中：Fq1為軌道車啟動(dòng)牽引力；Fq2為軌道車持續(xù)牽引力；Fq3為恒功牽引力。

則牽引力Fq為

根據(jù)式（13）、式（14），可以得到0～120 km/h軌道車牽引力Fq的曲線數(shù)據(jù)。

1.3.2 能耗制動(dòng)特性

能耗制動(dòng)特性由最大制動(dòng)力曲線、恒力矩制動(dòng)曲線和恒功率制動(dòng)力曲線組成，如下式：

式中：Fz1為恒力距制動(dòng)力；Fz2為輪周最大制動(dòng)力；Fz3為持續(xù)輪周制動(dòng)力。

則制動(dòng)力Fz為

根據(jù)式（15）、式（16），可以得到120～5 km/h區(qū)間軌道車制動(dòng)力Fz曲線數(shù)據(jù)，且v＜5 km/h區(qū)間制動(dòng)力線性歸零。

上述計(jì)算結(jié)果形成表1牽引計(jì)算數(shù)據(jù)和表2能耗制動(dòng)數(shù)據(jù)。

表1 牽引計(jì)算數(shù)據(jù)Tab.1 Traction calculation data

表2 能耗制動(dòng)計(jì)算數(shù)據(jù)Tab.2 Dynamic braking calculation data

1.3.3 牽引/制動(dòng)特性曲線

根據(jù)表1、表2計(jì)算數(shù)據(jù)，繪制出牽引制動(dòng)特性曲線如圖2所示。

圖2 牽引/制動(dòng)特性Fig.2 Traction/braking characteristics

圖2中，軌道車啟動(dòng)牽引力Fqmax=220 kN，恒功率持續(xù)速度vc=18 km/h，恒功率速度點(diǎn)牽引力Fc=200 kN，恒制動(dòng)力Fz1=150 kN，5～20 km/h為恒制動(dòng)力區(qū)，20 km/h以上為恒功制動(dòng)力區(qū)。

通過以上計(jì)算，我們得到了整車牽引系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)。并將其作為牽引系統(tǒng)大部件電氣設(shè)計(jì)依據(jù)。

2 牽引系統(tǒng)控制

將圖2的牽引制動(dòng)特性曲線算法植入軌道車牽引控制器內(nèi)部，通過軟件控制牽引逆變器驅(qū)動(dòng)牽引電機(jī)，讓軌道車按照設(shè)計(jì)好的特性曲線運(yùn)行。

牽引控制包含牽引和能耗制動(dòng)兩種特性工況。在牽引工況時(shí)，文獻(xiàn)[5]控制器保證各檔位控制軌道車按牽引特性運(yùn)行，圖3為牽引工況控制框圖。在能耗制動(dòng)工況時(shí)，控制器保證軌道車按照能耗制動(dòng)特性曲線運(yùn)行，圖4為制動(dòng)工況控制框圖。

圖3 牽引工況控制框圖Fig.3 Diagram of traction control mode

圖4 制動(dòng)工況控制框圖Fig.4 Diagram of dynamic braking control mode

牽引逆變器全速度范圍內(nèi)采用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的間接矢量控制，分段矢量控制的控制框圖如圖5所示，電機(jī)在整個(gè)速度范圍分為低速區(qū)L、中速區(qū)M和高速區(qū)H，不同速度區(qū)段的劃分如圖6所示。

控制算法和調(diào)制算法相互獨(dú)立，實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁電流給定單元、轉(zhuǎn)矩指令給定單元、復(fù)矢量電流控制、電壓重構(gòu)、磁鏈觀測(cè)器、弱磁控制策略、磁場(chǎng)定向校正策略、相角控制器和二次脈動(dòng)抑制等，具有優(yōu)良的動(dòng)、靜態(tài)性能。

圖5 矢量控制原理圖Fig.5 Schematic diagram of the vector control

圖6 電機(jī)全速度范圍內(nèi)的控制策略Fig.6 Full speed range control strategy of motor

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

3.1 牽引系統(tǒng)HiGale半實(shí)物仿真

1）牽引檔位切換特性。測(cè)試工況：牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速固定200 r/min，由LCU控制輸出0→8檔，檔位間切換對(duì)應(yīng)不同的轉(zhuǎn)矩值，半實(shí)物仿真監(jiān)控界面觀測(cè)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩和時(shí)間波形如圖7所示。表3中數(shù)據(jù)為1～8檔時(shí)刻的仿真牽引轉(zhuǎn)矩測(cè)試數(shù)據(jù)。

表3 仿真牽引轉(zhuǎn)矩測(cè)試數(shù)據(jù)表Tab.3 Simulation of traction torque test data

圖7 牽引特性Fig.7 Traction characteristics

2）牽引掃頻特性。測(cè)試工況：固定8檔位，轉(zhuǎn)速掃頻上升和下降過程為5 km/h→120 km/h→5 km/h，半實(shí)物仿真監(jiān)控界面觀測(cè)的電機(jī)電流波形如圖8所示。

圖8 5 km/h→120 km/h→5 km/h速度掃描仿真試驗(yàn)波形Fig.8 Speed＆current for 5 km/h→120 km/h→5 km/h of speed scanning

3）制動(dòng)檔位切換特性。測(cè)試條件：母線電壓Udc=1 200 V；制動(dòng)工況，牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速保持在200 r/min，由LCU控制輸出0檔→4檔→0檔，檔位間切換對(duì)應(yīng)不同的轉(zhuǎn)矩值，半實(shí)物仿真監(jiān)控界面觀測(cè)的轉(zhuǎn)矩波形如圖9所示。表4中數(shù)據(jù)為1～4檔位能耗制動(dòng)仿真測(cè)試數(shù)據(jù)。

圖9 給定轉(zhuǎn)速為200 r/mim能耗制動(dòng)仿真波形Fig.9 Speed＆torque for 200 r/min of dynamic braking

表4 仿真能耗制動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)表Tab.4 Simulation of Dynamic Braking test data

4）制動(dòng)掃頻特性。測(cè)試工況：制動(dòng)工況，檔位固定4檔，轉(zhuǎn)速掃頻上升和下降過程為5 km/h→120 km/h→5 km/h，半實(shí)物仿真監(jiān)控界面觀測(cè)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩波形如圖10所示。

圖10 5 km/h→120 km/h→5 km/h速度掃頻制動(dòng)仿真波形Fig.10 Speed＆torque for 5 km/h→120 km/h→5 km/h of dynamic Braking

仿真結(jié)論：1）波形數(shù)據(jù)顯示，軌道車全轉(zhuǎn)速范圍牽引電機(jī)電流和轉(zhuǎn)矩波形平滑穩(wěn)定；牽引電機(jī)轉(zhuǎn)矩和功率與設(shè)計(jì)值偏差＜1%；2）牽引滿手柄8檔位，能耗制動(dòng)滿手柄4檔位，速度掃描波形和數(shù)據(jù)顯示，波形平滑，速度切換點(diǎn)穩(wěn)定無(wú)沖擊。

3.2 臺(tái)架滾動(dòng)試驗(yàn)

軌道車整車通過地面滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)[6]牽引運(yùn)行試驗(yàn)，全面驗(yàn)證電傳系統(tǒng)牽引和制動(dòng)功率特性設(shè)計(jì)符合性。

1）牽引檔位切換特性。圖11為不同轉(zhuǎn)速下牽引電機(jī)轉(zhuǎn)矩、電流波形。測(cè)試工況：軌道車運(yùn)行速度固定在5 km/h，50 km/h，65 km/h和70 km/h，司機(jī)控制器輸出1檔→8檔，檔位間切換對(duì)應(yīng)不同的轉(zhuǎn)矩值，采用DL850波形記錄儀觀測(cè)電機(jī)電流波形。表5中數(shù)據(jù)為軌道車各運(yùn)行速度下8檔時(shí)刻的牽引轉(zhuǎn)矩實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

圖11 不同轉(zhuǎn)速下牽引電機(jī)轉(zhuǎn)矩、電流波形Fig.11 Current＆torque for different speeds

表5 牽引轉(zhuǎn)矩測(cè)試數(shù)據(jù)表Tab.5 Traction torque test date

2）牽引掃頻特性。測(cè)試工況：檔位固定8檔，轉(zhuǎn)速掃頻上升和下降過程為120 km/h→50 km/h→120 km/h，DL850波形記錄儀實(shí)測(cè)的電機(jī)電流、轉(zhuǎn)矩波形如圖12所示。

圖12 牽引滿功率掃頻試驗(yàn)波形Fig.12 Torque＆current for full power traction of speed scanning mode

3）制動(dòng)檔位切換特性。制動(dòng)工況：5 km/h→30 km/h→120 km/h制動(dòng)加載波形，檔位間切換對(duì)應(yīng)不同的轉(zhuǎn)矩值，DL850波形記錄儀觀測(cè)的電機(jī)電流、轉(zhuǎn)矩波形如圖13所示。表6中數(shù)據(jù)為4檔位能耗制動(dòng)實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)。

圖13 滿功率能耗制動(dòng)試驗(yàn)波形Fig.13 Torque＆current for full power dynamic braking

表6 能耗制動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)表Tab.6 Dynamic braking test date

4）制動(dòng)速度掃頻特性。測(cè)試工況：制動(dòng)工況，檔位固定4檔，轉(zhuǎn)速掃頻的上升和下降過程為40 km/h→120 km/h→40 km/h，DL850波形記錄儀實(shí)測(cè)的電機(jī)電流、轉(zhuǎn)矩、速度波形。速度掃描恒功特性如圖14所示。

圖14 40 km/h→120 km/h→40 km/h能耗制動(dòng)掃頻Fig.14 Torque，current＆speed for 40 km/h→120 km/h→40 km/h of dynamic braking speed scanning mode

綜合以上，得出整車臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)論如下：①波形數(shù)據(jù)顯示，軌道車持續(xù)速度點(diǎn)牽引電機(jī)電流和轉(zhuǎn)矩波形平滑穩(wěn)定；牽引電機(jī)轉(zhuǎn)矩和功率與設(shè)計(jì)值偏差＜5%。②牽引滿手柄8檔位，能耗制動(dòng)滿手柄4檔位，速度掃描波形和數(shù)據(jù)顯示，波形平滑，速度切換點(diǎn)穩(wěn)定無(wú)沖擊。③恒功區(qū)內(nèi)速度平穩(wěn)，功率波動(dòng)范圍＜2.5%。

4 結(jié)論

通過對(duì)比牽引計(jì)算數(shù)據(jù)和仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)及整車臺(tái)架測(cè)試真實(shí)數(shù)據(jù)，軌道車牽引和制動(dòng)工況各檔位切換在7～18 km/h速度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)，偏差＜5%；18～120 km/h恒功率區(qū)牽引轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)，電流穩(wěn)定，波動(dòng)范圍＜2.5%。牽引和能耗制動(dòng)滿手柄位掃頻過程電流穩(wěn)定、轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)。

一種新型交流傳動(dòng)重型軌道車牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試滿足設(shè)計(jì)要求。