基于LabVIEW軟件的城市軌道交通列車牽引制動試驗平臺的搭建及應(yīng)用*

董世昌 宋彩云 王儉樸 屈 敏 毛 元

(1.南京工程學(xué)院汽車與軌道交通學(xué)院,211167,南京; 2.蘭州交通大學(xué)機電技術(shù)研究所,730070,蘭州;3.正德職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與機電工程系,211106,南京; 4.曼谷北部大學(xué)中文國際學(xué)院,10220,曼谷;5.國網(wǎng)南京市江北新區(qū)供電公司,211899,南京∥第一作者,博士研究生)

關(guān)于電機對拖試驗平臺的研究論文很多。有的論文根據(jù)現(xiàn)有公司開發(fā)的工具,建立了可視化的電機對拖試驗平臺,該平臺可以實現(xiàn)開環(huán)和閉環(huán)2種不同的控制方式,也可通過改變串聯(lián)到負(fù)載電機上的負(fù)載電阻值來調(diào)節(jié)負(fù)載的大小[2]。有的論文通過圖形化編程LabVIEW軟件的可視化輸出結(jié)果,分析永磁同步電機的振動和波形[3]。

本文搭建的城軌列車牽引制動試驗平臺采用三相交流電機對拖和公共直流母線技術(shù),結(jié)合LabVIEW軟件,模擬城軌列車的運行狀態(tài),并展示從牽引到制動全過程牽引電機和直流母線各個參數(shù)的變化情況。

1 試驗平臺的構(gòu)成及基本原理

本文搭建的城軌列車牽引制動試驗平臺由公共直流母線系統(tǒng)和測試控制(以下簡稱“測控”)系統(tǒng)2個部分組成,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中:公共直流母線系統(tǒng)由若干個子系統(tǒng)組成,主要包括公共直流母線驅(qū)動型變頻器、制動電阻單元、牽引電機、負(fù)載電機及2個對拖電機的變頻控制器[4];測控系統(tǒng)的硬件主要采用扭矩儀,通過阿爾泰數(shù)據(jù)采集卡(型號為USB2831)完成數(shù)據(jù)采集并將數(shù)據(jù)傳輸給計算機,最后通過LabVIEW軟件完成數(shù)據(jù)采集的可視化。測控系統(tǒng)不僅能夠完成電機對拖系統(tǒng)的遠(yuǎn)程啟動,對該系統(tǒng)進行參數(shù)設(shè)定,還能通過變頻器通信機和數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)在計算機上的實時顯示。在此基礎(chǔ)上,測控系統(tǒng)利用對牽引電機和負(fù)載電機的控制,實現(xiàn)了對列車起動加速到勻速行駛再到電制動等工況的模擬,并繪制相應(yīng)的參數(shù)圖形。

圖1 城軌列車牽引制動試驗平臺結(jié)構(gòu)示意圖

2 公共直流母線系統(tǒng)設(shè)計

2.1 公共直流母線系統(tǒng)的技術(shù)選型

公共直流母線技術(shù)目前大部分應(yīng)用于多電機交流調(diào)速,即使用1臺單獨的整流、回饋裝置(如公共直流母線驅(qū)動型變頻器)為電機系統(tǒng)提供一定功率的直流電壓。由于驅(qū)動電機的逆變器(變頻器)輸入端直接與公共直流母線相連,所以直流電經(jīng)過逆變器(變頻器)后即可驅(qū)動交流電機工作。若逆變器(變頻器)所驅(qū)動的交流電機工作在電動狀態(tài),則能量通過逆變器(變頻器)傳輸至直流母線上,此時連接在直流母線上的回饋裝置能夠在一定條件下將能量回收至電網(wǎng)。

目前我國除了北京地鐵1號線列車采用直流電機牽引外,其他城市軌道交通線路的列車均采用交流電機牽引。這是因為相較于使用直流傳動技術(shù),交流傳動在能量使用效率和能量輸出功率上均具有明顯優(yōu)勢。此外,公共直流母線系統(tǒng)將所有的整流裝置集中在1個裝置內(nèi),該方式也使得公共直流母線系統(tǒng)相較于其他傳統(tǒng)的交流傳動系統(tǒng)具有明顯的節(jié)能優(yōu)勢。公共直流母線系統(tǒng)中,所有直流母線上掛載的逆變器(變頻器)輸入電壓均相同,且直流母線具有一定的儲能功能,所以采用直流傳動技術(shù)的交流調(diào)速系統(tǒng)在性能上更為穩(wěn)定。

公共直流母線系統(tǒng)按能量是否有回饋進行分類,可分為回饋型和無回饋型2個類別。其中:回饋型公共直流母線系統(tǒng)的前端單元能夠?qū)㈦娔芑仞佒岭娋W(wǎng)中,適合城軌列車頻繁起動與制動的應(yīng)用場景;無回饋型公共直流母線系統(tǒng)不能將電能反饋回電網(wǎng),列車電制動時需要先將列車的動能轉(zhuǎn)換為電能。無回饋型公共直流母線系統(tǒng)一般將制動能量通過電阻散熱的方式消耗掉,這不僅浪費了能源,還需增加系統(tǒng)設(shè)備及列車負(fù)載。因此,本文搭建的城軌列車牽引制動試驗平臺采用回饋型公共直流母線系統(tǒng)。

2.2 公共直流母線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖2為城軌列車牽引制動試驗平臺公共直流母線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。如圖2所示,公共直流母線系統(tǒng)以1臺VACON公司生產(chǎn)的NXP0165系列變頻器作為其驅(qū)動單元,以2臺VACON公司生產(chǎn)的NX0125系列變頻器作為輔助。此外,該系統(tǒng)還結(jié)合了2臺ABB系列的三相異步電機(分別用作牽引電機和負(fù)載電機),以及制動電阻單元、正弦濾波器、直流母線預(yù)充單元、扭矩儀、交流接觸器、熱繼電器及風(fēng)冷電機等電氣元件。

圖2 城軌列車牽引制動試驗平臺公共直流母線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

由圖2可知:牽引電機、負(fù)載電機經(jīng)由聯(lián)軸器直接同軸相連,二者均由變頻器驅(qū)動。牽引電機變頻器與負(fù)載電機變頻器均工作在PID(比例、積分、微分)應(yīng)用模式下,牽引電機的控制方法為速度閉環(huán)控制,負(fù)載電機的控制方法為轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制。本文搭建的列車牽引制動試驗系統(tǒng)中,牽引電機的調(diào)速控制設(shè)計選用回饋型公共直流母線形式。

從接受學(xué)的角度，我們可以讓學(xué)生在閱讀的基礎(chǔ)上思考安特萊夫的《默》和《齒痛》，屠格涅夫的《做臟活的工人和白手的人》與五四時期的中國文化氣候和文學(xué)思潮是否存在某種關(guān)聯(lián)？具體到魯迅，他接受了這些小說中哪些要素？又揚棄了這些小說中的什么？為什么會出現(xiàn)這樣的接受情形？

2.3 公共直流母線系統(tǒng)的硬件選擇

與常規(guī)干線鐵路不同,城市軌道交通線路最主要的特點是站間距較短(0.8～3.0 km/站)、列車旅行速度較高(35～40 km/h),這就使得城軌列車需要頻繁地起動和制動,進而要求城軌列車的牽引電機及其控制器均需具備優(yōu)良的性能?；谀暇┑罔F1號線在役列車上的牽引電機,結(jié)合現(xiàn)有實驗室的條件,本文搭建的城軌列車牽引制動試驗平臺選用的電機型號為ABB系列變頻調(diào)速三相異步電機,其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 所選ABB系列變頻調(diào)速三相異步電機的技術(shù)參數(shù)

由于本文搭建的城軌列車牽引制動試驗平臺采用了公共直流母線技術(shù),所以試驗系統(tǒng)中需要選用2種類型的變頻器(共計3臺),即:將1臺VACON公司公共直流母線型驅(qū)動產(chǎn)品NXP0165系列變頻器作為主變頻器,將2臺VACON公司生產(chǎn)的NX0125系列變頻器作為副變頻器,用以控制牽引電機和負(fù)載電機。

圖3為本文搭建的城軌列車牽引制動試驗平臺現(xiàn)場圖,圖中包含了對拖交流電機的控制器,以及與電機相連的各種傳感器。交流電機的各項參數(shù)經(jīng)由對應(yīng)的傳感器測出,然后將數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)采集卡,最后將數(shù)據(jù)傳送至上位機。數(shù)據(jù)經(jīng)過LabVIEW軟件進行濾波、分析及擬合后,其結(jié)果可在上位機的面板上顯示出來。

本文以實際測得的南京地鐵1號線列車運行數(shù)據(jù)為依據(jù),所測數(shù)據(jù)主要包括不同站間的列車運行時間、牽引加速度、不同站間列車勻速行駛時間及速度、制動減速度等,設(shè)計出貼合列車運行實際狀態(tài)的試驗仿真程序。通過選擇接入負(fù)載電機的電阻值來實現(xiàn)載客量大小的設(shè)定,列車滿載時的電阻值最小,列車空載時的電阻值最大。由圖3還可以明顯看出,本試驗采用牽引電機的體積要小于實際使用的列車牽引電機的體積。

3 試驗平臺測試結(jié)果分析

3.1 參數(shù)設(shè)定

本試驗平臺主要利用USB2831板卡來實現(xiàn)LabVIEW軟件對電機及變頻器的控制和監(jiān)測。本文以再生制動試驗為例,介紹LabVIEW軟件的應(yīng)用。圖4是城市軌道交通列車再生制動試驗程序的主界面截圖,界面的左邊是控制和顯示按鈕,右邊是圖像繪制及顯示窗口。

圖4 城市軌道交通列車再生制動試驗程序主界面截圖

圖4界面左上角的區(qū)間曲線選擇選項中設(shè)了3條經(jīng)典曲線以供選擇,這3條曲線均為南京地鐵某2個車站之間列車的實際運行曲線。不同公司生產(chǎn)的城市軌道交通列車有不同的阻力計算公式,本試驗平臺共有7個不同的阻力計算公式以供選擇?？瓦\量可以選擇空載、輕載、滿載和過載4種情況。動車數(shù)和拖車數(shù)有2種模式可供選擇,分別為中國南車股份有限公司生產(chǎn)車輛的“4動2拖”模式和中國北車股份有限公司生產(chǎn)車輛的“3動3拖”模式。左下角的3個控制選項卡中:給定參數(shù)選項用以讀取南京地鐵某2個車站間列車運行的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩參數(shù);列車參數(shù)選項用以顯示列車單節(jié)車廂的動車質(zhì)量和拖車質(zhì)量;設(shè)備手動控制按鈕用以在程序運行過程中啟動/關(guān)閉程序。

圖4界面右側(cè)有4個圖像輸出窗口,其中:直流母線電壓窗口為傳感器實際測得的直流母線電壓波形;電流(含回路電流和母線電流)窗口分別為傳感器實際測得的制動電阻回路電流波形和母線電流波形;輸出轉(zhuǎn)速窗口為電機的實際轉(zhuǎn)速波形;輸出轉(zhuǎn)矩窗口為電機的實際轉(zhuǎn)矩波形。再以輸出轉(zhuǎn)矩窗口為例進一步說明圖像輸出的具體含義,其縱坐標(biāo)是轉(zhuǎn)矩(單位是Nm),橫坐標(biāo)是時間(單位是0.1 s),右上角顯示框內(nèi)數(shù)字顯示實時轉(zhuǎn)矩值。

3.2 輸出測試結(jié)果

設(shè)定好參數(shù)后,運行試驗設(shè)備,可得到牽引電機和直流母線的實測參數(shù)結(jié)果,如圖5所示。

圖5 牽引電機和直流母線的實測參數(shù)結(jié)果

由圖5可知:

1)t1—t5為列車完整的牽引、勻速行駛、制動過程耗時,此過程中直流母線電壓為恒定值。

2)t1—t3區(qū)段為列車的牽引起動過程。其中:t1—t2區(qū)段為轉(zhuǎn)矩迅速上升至恒定值的過程(又稱為恒轉(zhuǎn)矩加速過程),該時段轉(zhuǎn)速勻加速增大,直流母線電流快速增大到最大值;t2—t3區(qū)段為轉(zhuǎn)矩以圓弧形式下降的過程(又稱為恒功率加速過程),該時段電機轉(zhuǎn)速仍在增大,但加速度開始逐漸減小,直流母線電流變化不大。

3)t3—t4區(qū)段為轉(zhuǎn)矩以近似為0的正值運行的勻速過程。該時段電機轉(zhuǎn)速以近似恒定值運行,直流母線電流保持稍大于0的值。

4)t4—t5區(qū)段為轉(zhuǎn)矩為負(fù)的恒定值的反向制動過程。該時段電機轉(zhuǎn)速勻速減小,直流母線電流絕對值逐漸減小。

3.3 平臺應(yīng)用效果分析

由上文可知:通過該試驗平臺可模擬城軌列車在空載和不同負(fù)載下的牽引力和制動力的變化情況,也可模擬列車不同運行區(qū)間下的運行狀態(tài)。該平臺基于LabVIEW軟件對直流母線電流、制動電阻電流、直流母線電壓、交流電機轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)進行采集,將采集得到的數(shù)據(jù)進行擬合,生成轉(zhuǎn)速特性曲線及轉(zhuǎn)矩特性曲線,并以圖形化形式展現(xiàn)在上位機上。展示的圖形貼近城軌列車實際的牽引制動工況,能夠清晰地展示列車加速、勻速和減速的過程。

4 結(jié)語

本文基于LabVIEW圖形化編程軟件、交流電機對拖技術(shù)和公共直流母線技術(shù),根據(jù)列車的實際運行參數(shù),搭建了低成本的城軌列車牽引制動試驗平臺,建立了試驗所需的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),實現(xiàn)了對電機基本參數(shù)的采集、記錄和圖形化展示等功能。

通過熟悉和使用該試驗平臺,可以使城市軌道交通相關(guān)專業(yè)的學(xué)生加深對列車牽引傳動和控制技術(shù)等理論知識的理解程度。城軌列車牽引制動試驗平臺沒有采用實際列車上使用的電機,該做法可避免采購大型調(diào)壓設(shè)備和各類控制柜,節(jié)省了實驗室空間,但能夠取得預(yù)想的應(yīng)用效果。