軸功率1 600 kW交流傳動(dòng)電力牽引系統(tǒng)的性能試驗(yàn)

姜悅禮

(中國北車集團(tuán) 大連電力牽引研發(fā)中心,遼寧大連116022)

中國北車集團(tuán)統(tǒng)籌規(guī)劃,實(shí)施了“大功率電力機(jī)車交流牽引傳動(dòng)系統(tǒng)”研究項(xiàng)目,并先后完成了電氣系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)、交流牽引傳動(dòng)系統(tǒng)、輔助傳動(dòng)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)的突破和產(chǎn)品研制,完成了牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的地面聯(lián)調(diào)試驗(yàn),借助試驗(yàn)樣車技術(shù)平臺(tái),開展了試驗(yàn)調(diào)試等研究工作。2009年10月單軸功率1 600 kW的牽引系統(tǒng)在大連電力牽引研發(fā)中心試驗(yàn)站順利地完成了地面聯(lián)調(diào)試驗(yàn)。2009年12月單軸功率1 600 kW的牽引系統(tǒng)順利地通過了由中國北車集團(tuán)公司組織的專家評審。

1 試驗(yàn)依據(jù)

本性能試驗(yàn)主要依據(jù)為IEC 61377-3《軌道交通機(jī)車車輛組合試驗(yàn) 第3部分:間接變流器供電的交流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的組合試驗(yàn)》

IEC 61377-1～3是針對軌道交通機(jī)車車輛電傳動(dòng)系統(tǒng)的組合試驗(yàn)制定的國際電氣工程標(biāo)準(zhǔn)。世界各國的機(jī)車車輛主要廠家,龐巴迪、西門子和阿爾斯通等也是依據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)。TB/T 3117-2005《鐵路應(yīng)用機(jī)車車輛逆變器供電的交流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的綜合試驗(yàn)》等同采用IEC 61377標(biāo)準(zhǔn)。

在IEC 61377-3中對交流傳動(dòng)系統(tǒng)的雙變流器—異步電機(jī)組能量互饋試驗(yàn)方案進(jìn)行了重點(diǎn)推薦。該試驗(yàn)系統(tǒng)具有能耗少、可試范圍廣、試驗(yàn)?zāi)芰?qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。與同步發(fā)電機(jī)組負(fù)載相比,雙變流器—電機(jī)能量互饋試驗(yàn)系統(tǒng)具有設(shè)備投入少、占地面積小、運(yùn)行噪聲低、后期維護(hù)工作量少、應(yīng)用范圍廣和低頻段適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢。

2 試驗(yàn)線路和設(shè)備

2.1 試驗(yàn)線路

雙變流器—電機(jī)能量互饋試驗(yàn)系統(tǒng)在國外應(yīng)用較早,主要應(yīng)用方式是采用兩套相同的逆變器—異步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng),通過中間直流環(huán)節(jié)傳遞能量進(jìn)行試驗(yàn),如龐巴迪、西門子、芬蘭瓦薩等國外大公司對交流傳動(dòng)系統(tǒng)的試驗(yàn)都采用了這種試驗(yàn)方案。而本試驗(yàn)按照國際標(biāo)準(zhǔn),采用先進(jìn)的雙變流器-異步電機(jī)組能量互饋試驗(yàn)線路,由于機(jī)車采用軸控技術(shù),機(jī)車共有兩臺(tái)牽引變流器,每臺(tái)牽引變流器內(nèi)有兩個(gè)變流功率單元和控制單元,采用控制單元單獨(dú)控制的方式,可以分別使變流器功率單元1或單元2方便地運(yùn)行在牽引或制動(dòng)工況。因此,本試驗(yàn)系統(tǒng)的互饋方式采用牽引變壓器次邊的耦合方式。試驗(yàn)線路圖如圖1所示。

圖1 電傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)主電路連接圖

試驗(yàn)的基本原則是將牽引變流器功率單元1作為被試對象,而將功率單元2作為陪試設(shè)備。

試驗(yàn)的基本原理:

(1)在進(jìn)行牽引特性試驗(yàn)時(shí),電能由牽引變壓器次邊到牽引變流器的功率單元1,經(jīng)牽引變流器的功率單元1變換為電壓、頻率可調(diào)的三相交流電供給牽引電機(jī)M1,牽引電機(jī)M1拖動(dòng)同軸連接的牽引電機(jī)M2運(yùn)行。牽引電機(jī)M2發(fā)出的三相交流電經(jīng)牽引變流器的功率單元2后返回牽引變壓器次邊。

(2)在進(jìn)行制動(dòng)特性試驗(yàn)時(shí),牽引變流器的功率單元2將電能變換為電壓、頻率可調(diào)的三相交流電供給牽引電機(jī) M2,牽引電機(jī) M2拖動(dòng)同軸連接的牽引電機(jī)M1,這時(shí)被試牽引電機(jī)M1作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行,所發(fā)出的三相交流電經(jīng)牽引變流器的功率單元1返回牽引變壓器次邊。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

采用的試驗(yàn)和測試設(shè)備主要有:

(1)所需試驗(yàn)設(shè)備:陪試單相升壓調(diào)壓器1臺(tái)、機(jī)車牽引變壓器1臺(tái)、機(jī)車牽引變流器1臺(tái)、機(jī)車牽引電機(jī)2臺(tái),數(shù)據(jù)測量轉(zhuǎn)接柜1臺(tái)。

(2)所需測試設(shè)備:LEM測試儀1套、在線數(shù)據(jù)測試記錄儀1臺(tái)、電能質(zhì)量分析儀1臺(tái)、示波器1臺(tái)。

2.2.1 陪試單相升壓調(diào)壓器TM1

額定容量:1 500 kVA;額定輸入電壓:6 300 V;額定輸入電流:238 A;輸出電壓:17～31 kV連續(xù)可調(diào);相數(shù):單相;額定頻率:50 Hz。

2.2.2 牽引變壓器TM2

牽引變壓器TM2采用機(jī)車牽引變壓器,牽引變壓器由1個(gè)網(wǎng)側(cè)繞組、4個(gè)牽引繞組、2個(gè)供電繞組、2個(gè)輔助繞組組成。另外,為了方便冷卻和使用,將4組2次濾波電抗器、2組輔助電抗器等也安裝在牽引變壓器油箱中。牽引變壓器主要電氣參數(shù)如表1。

表1 牽引變壓器主要電氣參數(shù)

2.2.3 牽引變流器U

額定輸入電壓:2 100 V;額定輸入電流:911 A;輸入頻率:50±1 Hz;中間電壓:DC 3 775 V;最高運(yùn)用中間電壓:DC 4 200 V;支撐電容:3×1 mF;2次濾波電容:3×1.33 mF;額定輸出電壓:3 AC 2 945 V。

2.2.4 交流電機(jī) M1、M2

交流電機(jī)M1、M2采用機(jī)車用牽引電動(dòng)機(jī)。

額定功率:1 640 kW;額定電壓:2 945 V;額定電流:382 A;功率因數(shù):0.88;額定轉(zhuǎn)速:1 911 r/min;轉(zhuǎn)差率:1%;額定頻率:96.5 Hz;額定轉(zhuǎn)矩:8 193 N?m;最高轉(zhuǎn)速:3 483 r/min;額定效率:95.6%;絕緣等級:200;極數(shù):6。

2.2.5 轉(zhuǎn)接柜A

內(nèi)含數(shù)據(jù)采集電流、電壓傳感器等。

2.2.6 2次濾波電抗器L1、L2

2次濾波電抗器采用配套的機(jī)車2次濾波電抗器,該2次濾波電抗器設(shè)置在牽引變壓器油箱中。

電感值:0.633 mH±2%;均方根電流:460 A(額定398 A 、最大490 A);數(shù)量:2。

2.2.7 扭矩傳感器T

測量轉(zhuǎn)矩范圍0～15 000 N?m,測量轉(zhuǎn)速范圍0～3 000 r/min(可以達(dá)到最高4 000 r/min),供電電壓±15 V,轉(zhuǎn)矩輸出信號(hào)4～20 mA,轉(zhuǎn)速輸出信號(hào)為頻率方波信號(hào),可以同轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀相連接。

2.2.8 同步變壓器TV1、TV2

同步變壓器用于牽引變流器用的控制同步信號(hào)。

輸入電壓:340 V;輸出電壓:5 V;容量:20 VA;數(shù)量:2。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 牽引特性試驗(yàn)

在進(jìn)行牽引特性試驗(yàn)時(shí),按照以上控制原理,將牽引變流器功率單元1及交流電機(jī)M1設(shè)定在牽引狀態(tài)運(yùn)行。借助控制單元1的通信接口,通過模擬司機(jī)控制指令實(shí)現(xiàn)不同速度點(diǎn)的運(yùn)行。記錄下交流電機(jī)1的軸輸出轉(zhuǎn)矩,與目標(biāo)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行對比。牽引特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)(見表2)。試驗(yàn)曲線見圖2。

表2 牽引特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖2 牽引特性試驗(yàn)曲線

3.2 制動(dòng)特性試驗(yàn)

在進(jìn)行制動(dòng)特性試驗(yàn)時(shí),按照以上控制原理,將牽引變流器功率單元1及交流電機(jī)M1設(shè)定在制動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行。借助控制單元2的通信接口,通過模擬司機(jī)控制指令實(shí)現(xiàn)不同速度點(diǎn)的運(yùn)行。記錄下交流電機(jī)1的軸輸出轉(zhuǎn)矩,與目標(biāo)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行對比。制動(dòng)特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3,試驗(yàn)曲線見圖3。

4 結(jié)束語

本次試驗(yàn),采用了基于牽引變壓器次邊耦合的雙變流器—異步電機(jī)組能量互饋方法,將這一試驗(yàn)方法應(yīng)用到大功率交流傳動(dòng)系統(tǒng)的試驗(yàn),在國內(nèi)尚屬首次。通過試驗(yàn),對交流傳動(dòng)電力機(jī)車牽引系統(tǒng)的一些控制參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整;同時(shí),也驗(yàn)證了基于牽引變壓器次邊耦合的雙變流器—異步電機(jī)組能量互饋方法滿足試驗(yàn)要求,達(dá)到試驗(yàn)?zāi)繕?biāo),試驗(yàn)方法有效、可行;證明了大連電力牽引研發(fā)中心綜合試驗(yàn)站的交流傳動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)已具備了進(jìn)行大型試驗(yàn)的能力。

表3 制動(dòng)特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖3 制動(dòng)特性試驗(yàn)曲線

[1] 戴碧君,張中央,姜 濤.雙變流器—電機(jī)能量互饋式試驗(yàn)平臺(tái)控制系統(tǒng)[J].機(jī)車電傳動(dòng),2007,(1):53-56.

[2] 霍連文,郭建斌.采用雙變流器—電機(jī)能量互饋的交流傳動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)[J].機(jī)車電傳動(dòng),2004,(4):53-56,64.

[3] IEC 61377-3鐵路應(yīng)用——機(jī)車車輛——第 3部分:間接變流器供電的交流電機(jī)及其控制系統(tǒng)的綜合試驗(yàn)[S].