電力機(jī)車低電壓下的庫內(nèi)牽車功能實現(xiàn)

單俊強(qiáng)

應(yīng)用研究

電力機(jī)車低電壓下的庫內(nèi)牽車功能實現(xiàn)

單俊強(qiáng)

（國能包神鐵路集團(tuán)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古包頭 014000）

為解決低電壓下大功率機(jī)車庫內(nèi)牽車功能不穩(wěn)定、適用性差的問題，本文提出一種基于低電壓下的電機(jī)特性擬合以及目標(biāo)轉(zhuǎn)差動態(tài)設(shè)定方案，實現(xiàn)了大功率機(jī)車在小容量庫內(nèi)電源供電條件下的庫內(nèi)牽引移動功能。試驗表明，該方法移車效果平穩(wěn)，適用于多軸重聯(lián)下的長編組機(jī)車。

低電壓 庫內(nèi)牽車 異步電機(jī) 力矩顛覆

0 引言

庫內(nèi)牽車電源具有容量小、電壓等級低等特點，低電壓下大功率異步牽引電機(jī)特性受電機(jī)參數(shù)的影響難以準(zhǔn)確評估，且受直流庫內(nèi)牽車電源容量的影響，供電電壓會被大幅度拉低，容易導(dǎo)致牽引電機(jī)發(fā)生力矩顛覆。

庫內(nèi)牽車是在車庫內(nèi)與牽引供電網(wǎng)之間的無電區(qū)將機(jī)車牽引至庫外接觸網(wǎng)的一種短距離移車需求，通常庫內(nèi)都會配備相應(yīng)的庫內(nèi)電源以匹配車型需要。通用的大功率軌道移車設(shè)備主要采用直接將庫內(nèi)牽車直流電源轉(zhuǎn)換為穩(wěn)頻的正弦波交流電源，并直接供給任意主軸牽引三相交流電機(jī)上，然而這種只適用于前期有匹配性接口設(shè)計的機(jī)車車型，通適性相對較差，屬于固定恒轉(zhuǎn)差率的控制方案。目前有一種更靈活的方式是將庫內(nèi)牽車直流電源直接接入機(jī)車直流環(huán)節(jié)，利用機(jī)車自帶的變流模塊，既減少了接線端口，也實現(xiàn)了牽車調(diào)控的自主靈活。

神華12軸機(jī)車采用了利用機(jī)車自帶變流模塊控制的移車方案，然而受庫內(nèi)電源容量?。ā?5 kVA）、供電電壓等級低，空載供電電壓65 V，以及移車給電需要人為點觸斷續(xù)供電等情況，導(dǎo)致機(jī)車原有的變流控制方案無法適用。極低直流供電電壓下大功率牽引異步電機(jī)牽引特性具有不確定性，且受電機(jī)參數(shù)影響較大[1]，計算誤差相對較大，參考性受限；同時，低電壓下如何實現(xiàn)在力矩不顛覆且保留較大力矩輸出確保足夠的牽引力也是需要考慮的問題，文獻(xiàn)[2]通過建立低電壓下的轉(zhuǎn)矩最大優(yōu)化模型，分別針對線性模型和非線性模型進(jìn)行深入分析，最終采用單谷函數(shù)進(jìn)行求解，方法相對復(fù)雜。

本文重點針對低電壓下大功率牽引電機(jī)移車功能的實現(xiàn)進(jìn)行分析，結(jié)合牽引電機(jī)特性與測試數(shù)據(jù)對極低電壓下的牽引特性曲線進(jìn)行擬合，同時結(jié)核移車各速度階段的控制需要，通過對目標(biāo)轉(zhuǎn)差率的調(diào)控實現(xiàn)對數(shù)據(jù)力矩的調(diào)節(jié)，構(gòu)建了滿足神華12軸車庫內(nèi)移車需求的牽車方案。

1 庫內(nèi)牽車主電路與電源特性

神華十二軸機(jī)車庫內(nèi)牽車功能的主回路如圖1所示，前端接觸網(wǎng)不供電，庫內(nèi)牽車電源直接接在變流器四象限輸入端，此時整流器不工作，通過不控整流方式給主回路中間直流側(cè)供電，當(dāng)庫內(nèi)牽車模式有效時，直接啟動逆變器按照正常行車方式進(jìn)行牽車作業(yè)。

神華庫內(nèi)牽車電源具有容量小、電壓等級低且在牽車供電過程中需要人為點觸供電點進(jìn)行供電，供電電源電壓特性如圖2所示，空載電壓維持在60 V左右，當(dāng)接入負(fù)載后由于供電電源容量有限，中間電壓被逐步拉低，最低可達(dá)35 V。

圖1 庫內(nèi)牽車主電路

圖2 庫內(nèi)牽車電源特性

2 牽引電機(jī)低電壓下的特性評估

對于大功率牽引電機(jī)，極低供電電壓條件下的電機(jī)牽引特性難以評估，且在庫內(nèi)牽車過程中，由于庫內(nèi)電源容量較小，中間電壓容易被拉低，極易引發(fā)力矩顛覆導(dǎo)致故障。因此，為滿足低電壓下的庫內(nèi)牽車牽引力需求，需要對低電壓下的牽引電機(jī)特性評估，考慮當(dāng)前供電電壓條件下所能發(fā)揮的最大力矩，并在留有一定裕量的條件下，設(shè)定匹配牽車功能需求的特性力曲線。

由異步牽引電機(jī)電磁關(guān)系，可得到電磁轉(zhuǎn)矩與相關(guān)參數(shù)表達(dá)式[3]，如下式(1)

式中：1為電磁轉(zhuǎn)矩系數(shù)；為電機(jī)極對數(shù)；12為線電壓；為供電電源頻率；1、2’為電機(jī)定轉(zhuǎn)子電阻；1、2’為定轉(zhuǎn)子漏感，為轉(zhuǎn)差率；

基于該車型的經(jīng)驗單位阻力公式，如下

結(jié)合上式，考慮一定的坡道系數(shù)，可得到該車型庫內(nèi)啟動理論所需最小牽引力矩參考值為1146 N?m，同時考慮到庫內(nèi)牽車運(yùn)行速度很低，因此低電壓下電機(jī)擬合特性的額定頻率應(yīng)合理設(shè)定。

由電磁力矩關(guān)系式可知，電磁轉(zhuǎn)矩em與線電壓12成正比，與供電電源頻率成反比，即可得

基于此，考慮庫內(nèi)電源供電電壓、啟動牽引力并結(jié)合電機(jī)額定特性，可評估得到低電壓下的牽引電機(jī)特性曲線如圖3所示。低電壓下的特性曲線中，設(shè)定的額定力矩為1200 N?m，額定頻率為0.5 Hz。

3 庫內(nèi)牽車控制方案

圖4 庫內(nèi)牽車控制總體框圖

庫內(nèi)牽車控制的總體方案如圖4所示，以擬合65V供電低電壓下的牽引特性作為基準(zhǔn)特性，并根據(jù)庫內(nèi)電源供電下的實時中間電壓成比例調(diào)整獲得目標(biāo)力矩值，隨后將目標(biāo)力矩值轉(zhuǎn)化為動態(tài)目標(biāo)轉(zhuǎn)差率作為控制環(huán)節(jié)的輸入量，最終實現(xiàn)牽引力矩的輸出。

4 試驗結(jié)果

圖5 測試波形

基于前述章節(jié)所擬合的低電壓下的牽引特性以及庫內(nèi)牽車控制方案，將其應(yīng)用于神華12軸機(jī)車并進(jìn)行庫內(nèi)牽車測試試驗，試驗結(jié)果如圖5所示。圖中牽引力為0時庫內(nèi)電源供電電壓為55 V左右，隨后司機(jī)逐步推牽引手柄，隨著牽引力的增大中間電壓逐漸被拉低，當(dāng)牽引力達(dá)到1100 N·m時，牽引力克服啟動阻力，機(jī)車開始逐漸加速，此過程中牽引力也隨特性逐步降低。從圖中可以看出極低電壓下的庫內(nèi)牽車過程牽引力能夠平穩(wěn)發(fā)揮，移車運(yùn)行速度平順，能很好地滿足庫內(nèi)低容量電源短距離移車需求。

5 結(jié)語

本文描述了一種低電壓下的庫內(nèi)牽車功能實現(xiàn)方法，通過對低電壓下的牽引特性評估提供了匹配的特性曲線，避免因中間電壓過低而引發(fā)力矩顛覆，同時考慮中間電壓因負(fù)載被拉低的情況，通過動態(tài)調(diào)整目標(biāo)轉(zhuǎn)差率實現(xiàn)匹配的牽引力矩輸出，最終方案通過實車驗證表明適用于庫內(nèi)牽車功能的實現(xiàn)。

[1] 李益豐, 高培慶. 逆變器供電的異步牽引電機(jī)特性曲線的計算[J]. 機(jī)車電傳動, 1997(6):8-11.

[2] 劉慶, 劉和平, 劉平,等. 電動汽車用異步電動機(jī)低速轉(zhuǎn)矩最大化[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2017, 032(24):30-41.

[3] 王曉敏. 電機(jī)拖動與控制[M]. 電子工業(yè)出版社, 2012.

Realization of traction function in the depot of electric locomotive under low voltage

Shan Junqiang

（Baoshen Railway Group Co. Ltd, Baotou City 014000, Inner Mongolia, China）

TM32

A

1003-4862（2023）02-0035-03

2022-08-13

單俊強(qiáng)（1975-），男，高級工程師，研究方向：貨運(yùn)機(jī)車檢修，技術(shù)管理。E-mail：11253328@ceic.com