動(dòng)車牽引傳動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)

尤勇

（株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司，湖南株洲 412001）

0.引言

動(dòng)車作為目前乃至未來鐵路事業(yè)的重要交通工具，其牽引傳動(dòng)系統(tǒng)是動(dòng)車快速運(yùn)行、穩(wěn)定運(yùn)行和安全運(yùn)行的保障。原牽引傳動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)主要是針對(duì)機(jī)車的牽引傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足動(dòng)車牽引傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)指標(biāo)[1]。

1.原牽引試驗(yàn)系統(tǒng)存在的問題

原牽引試驗(yàn)系統(tǒng)存在以下不足：

（1）轉(zhuǎn)向架滾動(dòng)試驗(yàn)速度偏低。最高試驗(yàn)速度為348km/h，且試驗(yàn)時(shí)間較短，無法滿足動(dòng)車牽引傳動(dòng)系統(tǒng)450km/h左右的最高試驗(yàn)速度。

（2）較小的試驗(yàn)電源容量。原牽引試驗(yàn)系統(tǒng)單相工頻電源（模擬接觸網(wǎng)）容量約有2500kVA，無法滿足單個(gè)轉(zhuǎn)向架功率試驗(yàn)高達(dá)4800kW的動(dòng)車牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的電牽引試驗(yàn)和電制動(dòng)試驗(yàn)需求。

（3）變流器中間直流電壓偏低。原牽引試驗(yàn)系統(tǒng)為DC2100V左右，無法達(dá)到2600V的要求，對(duì)于中間電壓為3500V的高壓IGBT變流器更無法達(dá)到指標(biāo)。

2.試驗(yàn)系統(tǒng)工作原理及基本結(jié)構(gòu)

2.1 工作原理

試驗(yàn)系統(tǒng)采用背靠背（Back-to-Back）試驗(yàn)系統(tǒng)原理，即互饋式交流傳動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)原理[2]。系統(tǒng)通過耦合電能和機(jī)械能來實(shí)現(xiàn)能量的循環(huán)，對(duì)牽引系統(tǒng)的功能和性能進(jìn)行檢驗(yàn)，其原理框圖如圖1所示。

圖1中的“變流器1—異步電機(jī)M1”和“變流器2—異步電機(jī)M2”通過聯(lián)軸器實(shí)現(xiàn)背靠背連接。變流器1通過頻率控制使異步電機(jī)M1工作于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換；并通過聯(lián)軸器將機(jī)械能傳遞給異步電機(jī)M2，此時(shí)異步電機(jī)M2工作于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，經(jīng)變流器2實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換，并回饋到供電網(wǎng)（試驗(yàn)電源），此為背靠背試驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)部能量流動(dòng)過程?！白兞髌?—異步電機(jī)M1”和“變流器2—異步電機(jī)M2”這2套相同的試驗(yàn)裝置可互視為陪試對(duì)象和被試對(duì)象，異步電機(jī)的工作狀態(tài)決定內(nèi)部能量流動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能和電能的互饋[3]。

圖1 背靠背試驗(yàn)系圖統(tǒng)原理框

2.2 基本結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。主要包括電氣傳動(dòng)子系統(tǒng)、機(jī)械傳動(dòng)子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)、測試子系統(tǒng)、輔助子系統(tǒng)和安防監(jiān)控子系統(tǒng)。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)框圖

試驗(yàn)系統(tǒng)包含6個(gè)子系統(tǒng)，其中電氣傳動(dòng)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)供電網(wǎng)的電能提取，主要包括高壓開關(guān)柜、牽引變壓器、濾波電抗器、高壓接線柜和牽引變流器[4]。機(jī)械傳動(dòng)子系統(tǒng)是將電氣傳動(dòng)子系統(tǒng)提取的電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，并輸向被試動(dòng)車牽引傳動(dòng)系統(tǒng)。機(jī)械傳動(dòng)子系統(tǒng)主要由陪試電機(jī)、聯(lián)軸器、同步齒輪箱、變速箱和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器組成。輔助子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)系統(tǒng)輔助功能，如輔助供電、水冷和風(fēng)冷等，主要由配電柜、輔助變壓器柜、輔助變流器柜、控制單元電源柜、測試單元電源柜、水冷電氣柜和通風(fēng)機(jī)控制柜組成?？刂谱酉到y(tǒng)完成試驗(yàn)系統(tǒng)的控制；測試子系統(tǒng)完成試驗(yàn)系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)測試，安防監(jiān)控子系統(tǒng)完成試驗(yàn)系統(tǒng)的安全防護(hù)工作，各子系統(tǒng)之間可實(shí)現(xiàn)相互通信和數(shù)據(jù)傳輸。

3.試驗(yàn)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)系統(tǒng)具體電路原理圖如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)系統(tǒng)電路原理圖

能量流向如下：

（1）牽引工況（以被試變流器工作模式為準(zhǔn)）。牽引工況下[5]，系統(tǒng)首先從AC25kV電源母線取出電能，后經(jīng)斷路器121QF1傳給陪試牽引變壓器TM36，電能由TM36次邊經(jīng)控制柜AR147～AR149和控制柜AR154～AR155傳給測量柜CJX241～CJX242，電能通過測量柜CJX241～CJX242再傳給被試變流器UC43，被試變流器UC43輸出電能經(jīng)過測量柜CJX243～CJX244使被試電機(jī)M35～M38轉(zhuǎn)動(dòng)，陪試電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，機(jī)械能經(jīng)過機(jī)械傳動(dòng)單元（包括轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器MN35～MN38、變速箱GB35～GB38和同步齒輪箱SYN-GB31～SYN-GB34）傳給陪試電機(jī)G39～G42，陪試電機(jī)又將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，此時(shí)電能經(jīng)過接線柜JX203傳給陪試變流器UC33，再由陪試變流器UC33將電能傳給陪試反饋?zhàn)儔浩鱐M33，最后經(jīng)斷路器125QF1返回AC25kV電源母線[6-7]。

（2）制動(dòng)工況（以被試變流器工作模式為準(zhǔn)）。制動(dòng)工況下，能量流動(dòng)方向與牽引工況恰恰相反，具體為：系統(tǒng)首先從AC25kV電源母線取出電能，后經(jīng)斷路器125QF1傳給陪試反饋?zhàn)儔浩鱐M33，電能由TM33傳給陪試變流器UC33，經(jīng)UC33處理后由接線柜JX203連接陪試電機(jī)G39～G42，帶動(dòng)陪試電機(jī)。此時(shí)陪試電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，機(jī)械能經(jīng)過機(jī)械傳動(dòng)單元（包括同步齒輪箱SYNGB31～SYN-GB34、變速箱GB35～GB38和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器MN35～MN38），傳給被試電機(jī)M35～M38，被試電機(jī)又將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。此時(shí)電能先后經(jīng)過測量柜CJX243～CJX244傳給被試變流器UC43，再由被試變流器UC43經(jīng)測量柜CJX241～CJX242和控制柜AR147～AR149及控制柜AR154～AR155傳給陪試牽引變壓器TM36，最后經(jīng)斷路器121QF1返回AC25kV電源母線。

4.試驗(yàn)系統(tǒng)軟件部分

試驗(yàn)系統(tǒng)軟件部分體現(xiàn)為控制子系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和測試子系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。原理框圖如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)系統(tǒng)軟件部分原理框圖

整個(gè)動(dòng)車牽引傳動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，主要實(shí)現(xiàn)高壓可控開關(guān)125QF1、陪試反饋?zhàn)儔浩鱐M33、陪試變流器UC33、陪試機(jī)械傳動(dòng)單元、高壓可控開關(guān)121QF1、陪試牽引變壓器TM36、電抗器36L1、電抗器36L2等組成部分的控制及測試。并實(shí)現(xiàn)控制子系統(tǒng)的控制信號(hào)和測試子系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互，達(dá)到試驗(yàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)要求。

4.1 控制子系統(tǒng)

控制子系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的部分有電源系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、風(fēng)冷系統(tǒng)、稀油系統(tǒng)、輔助供電系統(tǒng)、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、陪試變流器DCU和測試子系統(tǒng)，其軟件設(shè)計(jì)原理框圖如圖5所示。

圖5 控制子系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)原理框圖

控制子系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)原理為由PC上位機(jī)通過LabVIEW進(jìn)行控制程序編寫，控制程序經(jīng)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)向S7-400下位機(jī)PLC發(fā)送控制指令，控制指令經(jīng)PROFIBUS總線由智能從站或分布式I/O從站對(duì)電源系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、風(fēng)冷系統(tǒng)、稀油系統(tǒng)和輔助供電系統(tǒng)，并機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)采集陪試變流器和溫度巡檢儀信號(hào)作為控制子系統(tǒng)控制參考信號(hào)，同時(shí)實(shí)時(shí)的與測試子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

4.2 測試子系統(tǒng)

測試子系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理框圖如圖6所示，測試子系統(tǒng)完成測量的信號(hào)有：變壓器TM36（網(wǎng)側(cè)）輸入電壓、電流信號(hào)，被試變流器1#輸入電壓、電流信號(hào)，被試變流器2#輸入電壓、電流信號(hào)，被試電機(jī)5#、6#、7#、8#電壓、電流信號(hào)，變流器輔助輸出電壓、電流信號(hào)，交流、直流供電電源電壓、電流信號(hào)，被試電機(jī)5#、6#、7#、8#轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速信號(hào)，被試電機(jī)5#、6#、7#、8#溫度信號(hào)，風(fēng)冷系統(tǒng)風(fēng)量、風(fēng)壓信號(hào)，水冷系統(tǒng)流量、濕度、壓力、壓差數(shù)據(jù)。

圖6 測試子系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)原理框圖

測試系統(tǒng)采用LabVIEW軟件平臺(tái)和PXI硬件平臺(tái)構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)動(dòng)車牽引傳動(dòng)系統(tǒng)各中組合試驗(yàn)。

5.性能測試

試驗(yàn)系統(tǒng)以被試品“中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)”為被試對(duì)象，完成中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組牽引系統(tǒng)組合試驗(yàn)，完成試驗(yàn)項(xiàng)目有“滿檔牽引試驗(yàn)”“滿檔再生制動(dòng)試驗(yàn)”和“全速度范圍掃頻試驗(yàn)”。

5.1 滿檔牽引試驗(yàn)

滿檔牽引試驗(yàn)曲線如圖7所示。

圖7 滿檔牽引特性曲線圖

5.2 滿檔再生制動(dòng)試驗(yàn)

滿檔再生制動(dòng)試驗(yàn)曲線如圖8所示。

圖8 滿檔再生制動(dòng)特性曲線圖

5.3 全速度范圍掃頻試驗(yàn)

全速度范圍掃頻試驗(yàn)在8min（480s）內(nèi)速度上升到350km/h，掃頻曲線如圖9所示。

圖9 全速范圍掃頻曲線圖

6.結(jié)語

動(dòng)車牽引傳動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)完成后，根據(jù)“中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組組合試驗(yàn)大綱”，以被試品“中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)”為被試對(duì)象，完成中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組牽引系統(tǒng)組合試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果證明試驗(yàn)系統(tǒng)性能可靠，滿足設(shè)計(jì)要求。