楊 健
(中國(guó)鐵路北京局集團(tuán)有限公司設(shè)備監(jiān)造部天津電力機(jī)車(chē)監(jiān)造項(xiàng)目部,天津30000)
和諧型大功率交流傳動(dòng)機(jī)車(chē)具備牽引性能優(yōu)越、節(jié)能減排好、可靠性高等諸多特點(diǎn)。目前,在我國(guó)鐵路干線(xiàn)上,和諧型大功率電力機(jī)車(chē)已成為載人載物運(yùn)輸交通的重要組成部分,保障了國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平的高速提升對(duì)應(yīng)的重載貨物運(yùn)輸需求。相較于傳統(tǒng)的直流供電方式,和諧型電力機(jī)車(chē)交流傳動(dòng)系統(tǒng)利用脈寬調(diào)制技術(shù),通過(guò)大功率VVVF 變流裝置的應(yīng)用,保障了異步牽引電動(dòng)機(jī)變流驅(qū)動(dòng)調(diào)速功能的優(yōu)越性能。接觸網(wǎng)輸入的工頻交流電壓通過(guò)受電弓,經(jīng)過(guò)牽引變壓器和四象限變流器轉(zhuǎn)化為直流電壓,再經(jīng)負(fù)載側(cè)三相逆變器VVVF 控制供給到異步電動(dòng)機(jī),形成和諧型電力機(jī)車(chē)的交—直—交傳動(dòng)系統(tǒng)。
交—直—交的傳動(dòng)形式被廣泛應(yīng)用在和諧型電力機(jī)車(chē),各高壓電器、主變壓器、牽引變流裝置、牽引電機(jī)等牽引設(shè)備布置及相應(yīng)的控制系統(tǒng)等為其正常應(yīng)用提供了設(shè)備基礎(chǔ)。網(wǎng)側(cè)電路、四象限整流器電路、中間直流電路、逆變電路、牽引電機(jī)電路和庫(kù)內(nèi)動(dòng)車(chē)電路等是機(jī)車(chē)交流牽引電路的主要部分,如圖1 所示。
圖1 電力牽引交流傳動(dòng)系統(tǒng)組成圖
機(jī)車(chē)內(nèi)部電源為受電弓將接觸網(wǎng)輸入的單相高壓交流電源引入,通過(guò)主變壓器對(duì)其降壓后供給牽引變流裝置,由傳動(dòng)控制單元通過(guò)四象限脈沖整流器作用,整流為直流電,通過(guò)中間直流環(huán)節(jié)對(duì)其濾波處理,轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼮榉€(wěn)定的直流電,提供給逆變器。而后直流電通過(guò)逆變器的處理,轉(zhuǎn)化為頻率和電壓可調(diào)節(jié)的VVVF 三相交流電,變頻變壓三相交流電傳導(dǎo)到異步牽引電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的控制。
機(jī)車(chē)牽引時(shí),電能從網(wǎng)壓接觸轉(zhuǎn)為可使用的交流電,傳導(dǎo)向異步電機(jī)。機(jī)車(chē)運(yùn)行牽引力所需機(jī)械能即經(jīng)此途徑通過(guò)電能轉(zhuǎn)化而成。
機(jī)車(chē)制動(dòng)時(shí),列車(chē)蘊(yùn)含的慣性機(jī)械能量,經(jīng)變流器轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗嘟涣麟?,?jīng)過(guò)主變升壓返回接觸網(wǎng)。其工作過(guò)程如圖2 所示。
圖2 電力機(jī)車(chē)交流傳動(dòng)系統(tǒng)工作過(guò)程示意圖
1.3.1 網(wǎng)側(cè)電路
網(wǎng)側(cè)電路包括受電弓、高壓隔離開(kāi)關(guān)、高壓電壓互感器、高壓電流互感器、主斷路器、高壓接地開(kāi)關(guān)、低壓電流互感器和回流裝置等作為其主要組成設(shè)備裝置。
高壓電壓互感器的原邊與受電弓連接,檢測(cè)機(jī)車(chē)當(dāng)前位置接觸網(wǎng)電壓,其次邊通過(guò)保護(hù)自動(dòng)開(kāi)關(guān),將電壓信號(hào)傳遞到牽引變流器,為其提供變流器控制所需的同步信號(hào),并作為操縱臺(tái)上的網(wǎng)壓表和電度表所需原邊網(wǎng)壓信號(hào)的輸入來(lái)源,提示機(jī)車(chē)網(wǎng)壓情況。
高壓隔離開(kāi)關(guān)的控制方式采用電空控制。當(dāng)一端受電弓故障時(shí),可通過(guò)TCMS 系統(tǒng)控制電空閥,實(shí)現(xiàn)切除單端受電弓的操作。
1.3.2 四象限整流器電路
變壓器牽引繞組直接向四象限整流器供電,經(jīng)過(guò)交直變化后,中間直流支撐電容進(jìn)行充電工作,在充電過(guò)程完全完成后,逆變器會(huì)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。
機(jī)車(chē)處于再生制動(dòng)工況狀態(tài)下,逆變器處于整流狀態(tài),四象限整流器處于逆變狀態(tài),將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能返回受電弓。
四象限整流器采用PWM 脈寬調(diào)制技術(shù),其主要工作方式為通過(guò)調(diào)節(jié)電壓脈寬和相位,來(lái)改變導(dǎo)入牽引變流器的交流電流波形和相位,以達(dá)到其波形盡可能接近正弦,降低諧波電流分量的目的。為了能夠抵消特定次諧波,機(jī)車(chē)的各組整流器設(shè)置為調(diào)制波相位相同,載波相位依次相差30°。
1.3.3 中間直流電路
和諧型電力機(jī)車(chē)能夠有效抑制二次諧波導(dǎo)致的電機(jī)轉(zhuǎn)矩不規(guī)則脈動(dòng),這要?dú)w功于其設(shè)計(jì)將此前常采用的二次濾波電路更改為電壓式逆變器,電壓式逆變器的優(yōu)勢(shì)在于可以把整流電路和逆變電路產(chǎn)生的高次諧波進(jìn)行濾波。與此同時(shí),逆變器輸出電壓正負(fù)周期的電壓時(shí)間乘積也可以通過(guò)對(duì)逆變器的網(wǎng)絡(luò)控制來(lái)達(dá)到近乎相同的狀態(tài)。
中間直流電路的主要作用在于:作用于網(wǎng)側(cè)整流器和電機(jī)側(cè)逆變器之間,以保證兩者之間的功率瞬時(shí)平衡;牽引電動(dòng)機(jī)所需的基波無(wú)功功率和高次諧波的通路由其中的儲(chǔ)能電容提供;逆變器的調(diào)制電壓質(zhì)量很大程度上由中間電路電壓的平衡程度決定,同時(shí)中間電路電壓也是變流器的換流能力的決定性因素;若機(jī)車(chē)主回路產(chǎn)生接地故障,其負(fù)責(zé)信號(hào)傳遞的完成,以實(shí)現(xiàn)對(duì)接地保護(hù)的隔離,降低接地故障電流,保證機(jī)車(chē)行車(chē)安全。
1.3.4 逆變和牽引電機(jī)電路
和諧型電力機(jī)車(chē)采用矢量控制技術(shù),將異步牽引電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁分量和輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行調(diào)節(jié),使其達(dá)到既定目標(biāo)值,以保障機(jī)車(chē)的黏著系數(shù)以及機(jī)車(chē)防空轉(zhuǎn)能力。和 諧型電力機(jī)車(chē)對(duì)電機(jī)采用的單獨(dú)控制的制動(dòng)方式。這樣的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)車(chē)出現(xiàn)如單軸故障報(bào)警、單軸的軸重轉(zhuǎn)移或空轉(zhuǎn)等導(dǎo)致負(fù)載分配超差等情況時(shí),可以對(duì)牽引電機(jī)進(jìn)行逐個(gè)控制,最大程度的保障機(jī)車(chē)牽引性能。
1.3.5 庫(kù)內(nèi)動(dòng)車(chē)電路
和諧型電力機(jī)車(chē)具備庫(kù)內(nèi)動(dòng)車(chē)功能,單相插座將電源輸送到二、五位電機(jī)的牽引變流器,完成庫(kù)內(nèi)機(jī)車(chē)運(yùn)行。
與既有機(jī)車(chē)采用的交—直傳動(dòng)系統(tǒng)相較而言,交—直—交電力傳動(dòng)系統(tǒng)具有諸多優(yōu)越性。
三相鼠籠式異步牽引電動(dòng)機(jī)在交—直—交系統(tǒng)被廣泛采用,在所有機(jī)車(chē)電機(jī)中結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單,為滾抱式構(gòu)造,強(qiáng)迫外通風(fēng)設(shè)計(jì),應(yīng)用無(wú)專(zhuān)門(mén)機(jī)座的輕量化結(jié)構(gòu),在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上保證了最少的機(jī)械接觸,在同樣的外部供電條件下,可大幅提升電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。
異步電動(dòng)機(jī)的速度過(guò)渡愈加平滑。異步電動(dòng)機(jī)獨(dú)特的機(jī)械性能對(duì)輪對(duì)空轉(zhuǎn)狀態(tài)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩有極大改善:在產(chǎn)生空轉(zhuǎn)時(shí),電機(jī)轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速的快速攀升而迅速下降,速度變化點(diǎn)的變化幅度相對(duì)較?。黄浯?,異步電動(dòng)機(jī)通過(guò)交—直—交的外部電壓轉(zhuǎn)化,使逆變器輸出的頻率及電壓得以迅速調(diào)節(jié),達(dá)到其最佳的作業(yè)點(diǎn),使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速平滑調(diào)節(jié),不會(huì)導(dǎo)致黏著中斷現(xiàn)象;第三,交—直—交系統(tǒng)還可以對(duì)各軸實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制,起到診斷和檢查的作用。
一般直流電動(dòng)機(jī)的功率大多被結(jié)構(gòu)和原理等因素限制,約600KW/軸,而和諧型電力機(jī)車(chē)采用的異步電動(dòng)機(jī)額定功率可達(dá)到1250KW 及以上。在相同的外部環(huán)境和空間交件下,異步電動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的功率提升了兩倍作用,能夠發(fā)揮出更強(qiáng)的牽引能力。
異步電動(dòng)機(jī)只在軸承部位存在機(jī)械接觸,沒(méi)有換向器及電刷結(jié)構(gòu),所有電氣部件均采用絕緣材料,具備良好的絕緣性能和耐熱性能。交—直—交傳動(dòng)系統(tǒng)在控制上進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì),驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制過(guò)程的電氣部件都是通過(guò)無(wú)觸點(diǎn)電氣元件進(jìn)行連接,大大降低了傳統(tǒng)傳動(dòng)系統(tǒng)經(jīng)常產(chǎn)生的接觸不良、機(jī)械磨耗等現(xiàn)象,安全性能得到極大提升。
在提高機(jī)車(chē)運(yùn)行安全性方面,和諧型電力機(jī)車(chē)還具有微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)以及故障診斷系統(tǒng),能夠隨時(shí)檢測(cè)和監(jiān)控系統(tǒng)的狀態(tài),發(fā)現(xiàn)故障,及時(shí)診斷并報(bào)警。