基于可調電源的電軸整步研究

王 維，周文祥，郭成磊

（西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，四川成都 610031）

0 引言

滾動振動試驗臺用于提供鐵道機車車輛線路運行試驗所需的模擬定置條件，研究機車組裝完成后的牽引/制動、動力學性能及各系統的功能驗證[1]。機車牽引試驗要求滾動試驗臺軌道輪精確同步旋轉[2]，實現滾輪同步旋轉的方法有兩種：一種是機械上同步，簡稱機械同步；另一種是通過電路控制實現同步，簡稱電氣同步[3]。由于電氣同步在調節軸距、結構設計、維修等方面占有明顯優勢，現西南交大滾動振動試驗臺改造中采用電氣同步的方式，而在電氣同步控制中，整步是一項關鍵的問題。傳統的整步方式是采用單相整步[4]或者兩相整步，傳統的整步方法操作復雜，線路開關多，噪聲振動大，結合滾動試驗臺改造的特點，現提出一種新的整步方法，可調電源整步方法。

1 電軸系統工作原理

圖1 為鐵道車輛電氣牽引傳動系統試驗臺的一根軸上的機械構造，圖2 為電軸系統原理圖，由于各繞線式異步電機定子繞組并聯到電網，氣隙中產生旋轉磁場，如果各電機轉子的三相對稱繞組旋轉位置相同，則產生的感應電勢大小相等相互抵消，轉子繞組回路不產生平衡電流，不產生同步調節轉矩。如某一電機軸系的動力轉矩增加或負載轉矩減少，相對其余的電機，轉子產生超前轉角θ，合成電勢不為零，轉子繞組回路產生平衡電流，形成的同步調節轉矩將使該電機減速，其余電機加速，最終建立新的平衡，使各電機軸的轉速相同。因此，簡單有效地保證了各軌道輪對的同步旋轉。電軸系統用于轉速同步，還可以用于功率回流。

圖1 鐵道車輛電氣牽引傳動系統試驗臺第一軸機械構造）

圖2 試驗臺中電軸系統圖

2 電軸的整步

電軸系統起動時，必須先使兩輔機整步。這是因為系統在上一次停車時，由于兩軸的慣性可能不一致，以及兩軸制動的時間和轉矩不一致原因，造成兩軸的位置不一致，兩輔機轉子之間在起動時將會存在一個位差角。如不整步時，當位差角較大時，在轉子電路中將會流過太大的起動電流，還可能導致系統失步[5]。在電軸系統中，電軸系統中的平衡作用決定于兩輔機的轉矩之差，把這個轉矩差稱為平衡轉矩ΔT：

其中：T1為輔助電機1的電磁轉矩；T2為輔助電機2 的電磁轉矩；X2、R2為轉子每相電抗、阻抗；s 為轉差率；θ 為位角差。

由上式可見，位差角θ 一定時，ΔT 隨s 的增大而增大，一般在穩定狀態下的位差角不超過30°，要得到足夠的平衡轉矩，輔機必須逆著磁場旋轉，使s足夠大。

圖3為轉矩對位角差的特性曲線圖，由圖3可知，造成系統失步在于轉矩對位角差的曲線對于橫坐標是不對稱的。

如圖3 中曲線可知，當電軸系統定子側直接接入三相電網時，當電軸電機位角差不大時，T1為正值，T2為負值，則經過一連串的振蕩之后，位角差將減少到0 使兩軸保持一致。但當位角差較大時，在轉子電路中將會流過太大的起動電流，還可能導致系統失步。

在本滾動驅動試驗臺中，電軸系統必須進行整步，以前常用的是單相線路法電軸整步，這種整步振動噪音大，轉子有沖擊電流，且需要用人工進行盤車，比較麻煩，并且整步效果不是很好，如今改用可調電源整步，其可調電源整步有兩種方法。

（1）采用低頻低壓，即變頻器采用V/f 控制，頻率緩慢上升，這樣系統在頻率逐漸上升的階段，系統平穩過渡，不會出現較大電流。

（2）采用低壓恒頻，即變頻器采用恒頻調壓方式進行調節，在緩慢的調節電壓，系統也能很好的整步，并且電流也不會較大。

圖3 轉矩與位角差

圖4 25 Hz和50 Hz下的轉矩關系

圖5 在30度下頻率與轉矩的關系

圖6 3種整步原理圖

圖7 單相整步波形

變頻整步不同于單線法和兩相法，其整步方法屬于三相整步，只是采用V/f控制，由仿真圖4可知，假設剛開始位角差為30°，隨著頻率的增加，轉矩T1和T2逐漸增加，由于T1和T2相向旋轉，位角差減少，位角差的減少又促使轉矩T1和T2的減少，這樣在逐步增大電壓的幅值和頻率的時候，機械相位差的消除平滑、無振蕩，而不會產生沖擊電流和沖擊轉矩。

3 實驗

圖8 調壓器整步波形

圖9 變頻整步波形

在該實驗中繞線電機參數為：M1 和M2 繞線式異步電機型號為YZK160M.1-6，其功率為Pn=5.5 kW，定子額定電壓為U1=380 V，定子額定電流為I1=15 A，轉子額定電壓為U2=135 V，其轉子額定電流為I2=29 A，運行的額定頻率為f=50 Hz，額定轉速nN=930 r/min，轉動慣量Jm=0.12 kg.m2，變頻器容量為11 kW，額定電流16 A，變頻器選用臺達C2000，M3和M4是型號相同的直流電動機。

圖6為三種整步的原理圖。

3.1 單相整步波形

單相整步波形如圖7所示。

3.2 調壓器整步波形

調壓器整步波形如圖8所示。

3.3 變頻整步波形

通過變頻器調節參數，圖9 為f=20 Hz，I=15.01 A 時變頻整步波形。其中，波形③代表繞線電機轉子電流，波形①代表繞線電機定子側電流。在變頻整步中還做了f=30 Hz，f=50 Hz的實驗。

三種整步方式的特點如表1所示。

表1 三種整步方式的特點

4 結論

通過對5.5 kW 電機和臺達C2000 小功率變頻器進行試驗驗證，其整步空載電流小于變頻器額定電流，并且不會產生沖擊電流，所以采用變頻器勵磁整步將會達到很好的效果，沒有大的沖擊電流產生，系統平穩過渡。結合試驗以及滾動振動臺工程的實際情況，可以采用變頻器整步取代以前傳統的單相整步法，而變頻器可以采用遠動控制，采用人機界面，節約人力，實現信息自動化。

［1］阮思維，熊頡.六軸機車滾動功率試驗臺機械傳動系統［J］.電力機車與城軌車輛，2005，28 （4）：42-44.

［2］周文祥，連級三，郭育華.滾動振動試驗臺電氣傳動系統研制［J］.西南交通大學學報，1994 （3）：41-46.

［3］蘇燾.淺析兩種交流同步控制技術［J］.機電工程技術，2010（6）：20-24.

［4］方世鼎.電軸同步系統［J］.人民長江，1985（6）：24-27.

［5］顧繩谷.電機及拖動基礎［M］.北京：機械工業出版社，2004.