ZXJ-160型綜合巡檢車牽引系統(tǒng)設計*

劉三帥，侯小剛，王西強，師海峰

（1.株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001；2.寶雞中車時代工程機械有限公司，陜西 寶雞 721003）

0 引言

隨著國內(nèi)高速鐵路快速建設并投入運營，高鐵線路接觸網(wǎng)性能、隧道參數(shù)、軌旁設備及新增設備維保的需求日益增加，既有綜合檢測車、接觸網(wǎng)檢測車、軌道檢測車和電務檢測車的不足日顯突出，以及鐵路部門工電供聯(lián)合作業(yè)要求，原有低速巡檢車很難滿足新形勢下高鐵客運專線的維保發(fā)展需要，高速、節(jié)能以及集高速鐵路工務、電務、供電關(guān)鍵設備設施和沿線環(huán)境檢測監(jiān)測的綜合巡檢車[1]（簡稱巡檢車）成為鐵路維保系統(tǒng)的新需求。同時，在鐵路干線內(nèi)燃、電力機車及動車組上，交流電傳動牽引技術(shù)已經(jīng)得到了成熟的運用，且交流電傳動技術(shù)在起動牽引力、牽引/制動性能、黏著性能及效率等方面都有很強的優(yōu)勢[2]。ZXJ-160型綜合巡檢車依托國鐵集團科研課題《基于160 km/h軌道車的高鐵設備綜合檢測監(jiān)測分析及運營維護決策系統(tǒng)研究》，因此本文目標為設計一套能夠滿足ZXJ-160型綜合巡檢車的內(nèi)燃交流電傳動牽引系統(tǒng)。

1 主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)ZXJ-160型綜合巡檢車總體技術(shù)條件[1-2]要求，整車主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。巡檢車牽引制動特性曲線如圖1所示。

圖1 牽引/電制動特性曲線Fig.1 Traction/electric braking characteristic curve

表1 主要性能參數(shù)Tab.1 Main performance parameters

2 牽引系統(tǒng)

巡檢車電氣牽引系統(tǒng)[2]主要目標為將柴油發(fā)電機組的輸出能量傳遞到異步牽引電機和輪軸，以及在電阻制動時將巡檢車的動能轉(zhuǎn)化為熱能并消耗在制動電阻上，從而實現(xiàn)巡檢車的牽引及電阻制動功能。同時微機網(wǎng)絡系統(tǒng)還實現(xiàn)整車的牽引邏輯控制、柴油機調(diào)速、柴油機恒功控制和整車故障診斷及保護功能。如圖2所示，電傳動牽引系統(tǒng)包括主傳動、輔助傳動系統(tǒng)及微機網(wǎng)絡控制系統(tǒng)。

2.1 主傳動系統(tǒng)

如圖2所示，巡檢車主傳動系統(tǒng)主要由兩臺柴油主發(fā)電機、1臺牽引整流柜（含2個整流模塊）、1臺牽引變流柜（含2個逆變模塊）、4臺異步牽引電動機、2臺制動電阻裝置、1臺輔助濾波柜組成，每個主回路對應1臺轉(zhuǎn)向架的2臺牽引電機，主回路相互獨立。

圖2 牽引系統(tǒng)組成示意圖Fig.2 Composition of electric drive system

通過主電路的“交直交”變換功能將柴油發(fā)電機的輸出功率通過牽引變流器、牽引電機傳遞到巡檢車的輪周，實現(xiàn)車輛的牽引，通過牽引變流器的斬波功能將輪軸的制動能量傳遞給制動電阻，實現(xiàn)車輛的電阻制動。

根據(jù)巡檢車的牽引/電制動特性及牽引發(fā)電機組輸出特性，并基于時代電氣既有的、成熟的牽引變流器產(chǎn)品平臺，確定主回路中間直流環(huán)節(jié)額定電壓值Ud為DC1500 V。

牽引逆變器主要電氣參數(shù)如表2所示。

表2 牽引變流器參數(shù)Tab.2 Traction converter main parameters

2.2 輔助交流系統(tǒng)

輔助交流系統(tǒng)包括牽引逆變柜中2個輔助逆變單元及其切換電路和輔助濾波柜（包括隔離變壓器及濾波電容）。2個輔助逆變單元分別從兩架的中間主回路取電，采用雙路冷備份控制，保證了牽引負載供電可靠性，通過2個輔助逆變單元及其切換電路，將其轉(zhuǎn)換為一路CVCF三相交流電，再經(jīng)輔助濾波柜輸出工頻380 V額定容量40 kVA，給2個柴油機水冷散熱風機、2個柴油機中冷散熱風機、2個牽引通風機提供電源，每個散熱電機功率4 kW，共24 kW。

2.3 網(wǎng)絡控制系統(tǒng)

2.3.1主要組成

如圖2所示，MVB網(wǎng)絡系統(tǒng)主要由2套成熟運用于內(nèi)燃機車的cPCI微機控制機箱（CCU）、1套牽引控制單元（DCU）、2個網(wǎng)關(guān)模塊（GWMe，其中1個熱備份）、1個事件記錄儀模塊（ERMe）及2個顯示器（IDU）組成；基于分布式網(wǎng)絡控制技術(shù)，集控制、通信、監(jiān)視及診斷功能于一體，各部件之間MVB通信符合IEC61375標準。

CCU承擔整車邏輯控制與保護[2]，如圖3所示，根據(jù)司控器級位對發(fā)動機轉(zhuǎn)速n和主發(fā)電機勵磁電流進行調(diào)節(jié)，來獲得需要的中間環(huán)節(jié)直流電壓；同時將當前車速期望的輪軸牽引/制動力矩傳遞給DCU。CCU同時負責牽引輔助負載的管理與驅(qū)動控制。

圖3 CCU控制原理Fig.3 CCU control principle diagram

DCU承擔整車牽引傳動級邏輯控制與保護[2][5]，如圖4所示，DCU接收CCU傳遞的牽引/制動力矩，并對主回路中間直流環(huán)節(jié)電壓、變流器輸出電流等參數(shù)采集，同時結(jié)合牽引電機的特性及最大黏著力來控制逆變橋臂IGBT的導通與關(guān)斷，使牽引變流器輸出期望的變頻變壓（VVVF）三相交流電，最終實現(xiàn)巡檢車的最大牽引/電制動特性控制。

圖4 DCU控制原理Fig.4 DCU control principle diagram

IDU的主要功能為實現(xiàn)巡檢車的人機通信與人機交互顯示功能。

GWMe實現(xiàn)對MVB網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)交換與管理[3]。整車配備了兩個完全相同的GWMe模塊，熱備份冗余，當一個GWMe模塊故障時，另外一個GWMe模塊可直接接替其工作。

ERMe用于系統(tǒng)的運行及故障事件記錄。

2.3.2牽引工況

牽引工況[2]下，CCU根據(jù)司控器擋位、當前車速，以及該擋位下的牽引曲線、最大輪周功率等條件計算得到目標輪軸牽引力，并將該輪軸牽引力轉(zhuǎn)換為目標力矩發(fā)送給DCU。DCU根據(jù)CCU給定的目標力矩，并綜合牽引電機牽引特性曲線限制、粘著力曲線限制等因素來控制逆變橋臂IGBT的導通與關(guān)斷，使牽引逆變器輸出特定幅值和頻率的交流電給牽引電機，電機產(chǎn)生期望的輪周牽引力實施車輛牽引。

2.3.3電制動工況

電阻制動功能減少了機械閘瓦磨損，增加了巡檢車的制動系統(tǒng)安全性。進行電阻制動[2]時，CCU根據(jù)司控器擋位、當前車速，以及該擋位下的電制動特性曲線、最大制動輪周功率等條件計算得到目標輪軸制動力，并將該輪軸制動力轉(zhuǎn)換為目標力矩發(fā)送給DCU。DCU根據(jù)CCU給定的目標力矩，并綜合牽引電機制動特性曲線限制、粘著力曲線限制等因素來控制逆變橋臂IGBT及斬波橋臂IGBT的導通與關(guān)斷，來產(chǎn)生期望的輪周制動力實施電阻制動。

3 調(diào)試與分析

3.1 怠速時輔逆無法啟動

ZXJ-160型內(nèi)燃交流電傳動巡檢車在裝車試驗過程中，遇到空擋怠速工況下輔逆無法啟動的問題，從而無法啟動發(fā)動機散熱風機，經(jīng)分析原因是空檔怠速工況下柴油機轉(zhuǎn)速為750 r/min，輔逆模塊的啟動電壓最低要求為950 V，滿勵磁時中間電壓也未能達到輔逆啟動最低電壓要求。

為解決該問題，也考慮到節(jié)能，嘗試將柴油機怠速轉(zhuǎn)速升為850 r/min，將中間電壓[3]目標值設為1000 V，輔逆搭載在二架上，如圖5所示，此時柴油機和中間電壓均能保持穩(wěn)定。在輔逆啟動并且4個冷卻風機一起工作的情況下，占空比為70%并能保持穩(wěn)定。

圖5 提高轉(zhuǎn)速效果Fig.5 Effect of increasing rotating speed

經(jīng)多次反復驗證，通過將柴油機轉(zhuǎn)速由750 r/min調(diào)整為850 r/min，能使中間直流電壓在惰轉(zhuǎn)工況達到輔逆啟動的電壓要求，惰轉(zhuǎn)狀態(tài)依然能保證柴油機散熱及經(jīng)濟性原則，滿足整車系統(tǒng)技術(shù)要求。

3.2 中間直流電壓振蕩

鐵路專用線試驗過程中發(fā)現(xiàn)牽引工況下8擋目標中間電壓DC1500 V時存在中間直流電壓振蕩現(xiàn)象，偏離目標電壓最大幅度達200 V，影響了車輛的牽引性能，如圖6所示。

圖6 中間直流電壓振蕩Fig.6 Intermediate DC voltage oscillation

在問題排除及試驗過程中，首先排除由發(fā)動機轉(zhuǎn)速不穩(wěn)引起的中間直流電壓震蕩問題；其次從主發(fā)電機勵磁控制[2]的角度查找問題，對勵磁調(diào)節(jié)PWM頻率、勵磁限流電阻、PI控制參數(shù)等方面的數(shù)據(jù)進行了改變與驗證，從實際驗證效果來看，8擋時中間直流電壓振蕩是無法消除的。

結(jié)合多次試驗數(shù)據(jù)，分析為主發(fā)電機在1800轉(zhuǎn)時輸出時中間回路直流電壓選擇不合理，經(jīng)評估牽引變流器中間環(huán)節(jié)可在額定DC1600 V時正常工作，嘗試將其中一架8擋時中間直流目標電壓調(diào)整為1600 V，實際多次驗證結(jié)果如圖7所示，1架中間直流電壓波動范圍在±50 V，而2架中間直流電壓波動范圍在±150 V。

圖7 兩架直流電壓對比Fig7 Comparison of two DC voltages

再次同時將兩架8擋時中間直流目標電壓調(diào)整為DC1600 V進行多次反復驗證，從多次反復驗證結(jié)果可以看出（圖8），中間直流電壓振蕩問題基本解決，滿足巡檢車電氣引系統(tǒng)控制要求，因此在第2.1節(jié)中間環(huán)節(jié)直流電壓選擇時，需要根據(jù)實際調(diào)試情況調(diào)整額定中間直流電壓為DC1600 V。

圖8 兩架直流電壓穩(wěn)定Fig.8 Stability of two DC voltages

4 結(jié)束語

ZXJ-160型綜合巡檢車為國內(nèi)160 km/h運行速度等級的內(nèi)燃電傳動綜合巡檢車。在對內(nèi)燃電傳動牽引系統(tǒng)進行調(diào)試過程中，出現(xiàn)中間直流環(huán)節(jié)電壓振蕩的問題，經(jīng)過充分分析、逐漸改進和多次驗證，問題得到了有效的解決。

2018年12 月電傳動電氣牽引系統(tǒng)完成裝車調(diào)試及整車出廠例行試驗，2019年順利通過鐵道科學研究院組織的整車型式試驗，2020年7月至今在上海鐵路局進行運行考核。電傳動牽引系統(tǒng)各項指標表現(xiàn)良好。相比傳統(tǒng)液力傳動巡檢車，該電傳動綜合巡檢車速度等級高，運行平穩(wěn)，安全可靠，下坡電阻制動不涉及制動閘瓦磨損，加之可前、后行駛，大大提高了維修天窗作業(yè)效率。型式試驗和現(xiàn)場運用結(jié)果表明，電傳動控制系統(tǒng)具有優(yōu)良的控制性能。必然會成為軌道巡檢車牽引系統(tǒng)升級換代的發(fā)展方向。