城市軌道車輛交流傳動試驗系統研究＊

王儉樸

（南京工程學院 車輛工程系，江蘇南京211167）

城市軌道交通車輛都采用的是電力牽引，隨著科學技術和城市化的發展，大運量的城市軌道交通在現代大城市中的重要作用尤顯突出。交流傳動技術的優越性使得牽引動力交流化成為大功率牽引領域的主要方向之一，在我國，交流傳動機車將全面取代直流傳動機車。為了研制和生產符合我國國情的交流傳動系統，必須加強對大功率交流傳動系統的研究和開發，國內也有類似的試驗臺，如永濟電機廠的城市軌道交通電傳動系統模擬聯動試驗站，但它采用的是飛輪負載，占地空間大，造價高，建設周期較長。本文研究的城市軌道車輛交流傳動試驗系統由兩套“逆變器—電機”連軸背靠背組成，兩臺電機能量互饋，電能在兩臺電機之間反饋，或是將電能反饋給儲能變流裝置?？梢怨澕s大量電能，所消耗的僅是兩臺電機之間的機械損耗。具有能量利用率高、結構簡單、控制靈活、提高輸入側和輸出側的功率因數、能有效地對控制策略的特性進行比較等優點。該試驗系統應具備牽引特性和牽引控制試驗，制動特性和制動控制試驗，逆變器工作特性試驗，進行電力牽引及電制動系統開發的功能。

1 城市軌道車輛交流傳動試驗系統的原理及組成

城市軌道車輛交流傳動試驗系統的結構如圖1所示。系統采用一臺功率較大的整流裝置給兩臺逆變裝置供電，組成兩個逆變器并聯在一起的共直流母線系統。調壓器和三相全橋整流濾波電路的組合是將三相380V電網交流電變流為500～900V的直流電來模擬750V直流供電網。系統采用交流異步電動機作為模擬負載，不但節省空間，而且大大降低了成本。由兩臺牽引逆變器分別控制2臺75kW的交流異步電機，牽引電機M1與模擬負載的電機M2分別采用力矩和速度兩種不同的控制方式，電機可在控制電路和牽引逆變器的共同作用下實現在牽引工況、再生制動工況和電阻制動工況之間進行轉換。本系統通訊模式采用串口RS485總線實現工控機與系統之間的通訊。由圖1可見，牽引電機M1與模擬負載的電機M2通過直流側實現能量互饋，電網只提供試驗損耗的能量，當城市軌道車輛交流傳動試驗臺在電制動工況下，能量可以從直流側通過儲能制動變流器來實現超級電容儲能再生制動和電阻制動，在牽引工況下，可以將超級電容器在制動工況下存儲的電能輸送給牽引系統，從而實現列車制動時動能的再生利用。

圖1 城市軌道車輛交流傳動試驗系統

此系統可進行牽引特性和牽引控制試驗，制動特性和制動控制試驗，逆變器工作特性試驗，通過對模擬負載以速度方式控制，可以在沒有飛輪負載的情況下，模擬列車在預定線路預定載荷及司機手柄位控制下的運行情況。該系統采用TMS320F240芯片作為核心器件構成整個控制回路。逆變部分采用智能功率模塊（IPM）將功率管IGBT及其驅動、保護等電路集成在一起，使主回路設計簡單、工作更加可靠。

2 城市軌道車輛交流傳動試驗平臺的主要工作電路

試驗系統的設計應該具備的功能是能夠進行模擬試驗，設計試驗系統的工作電路能實現這些功能。城市軌道車輛交流傳動試驗平臺的主要工作電路包括：主電路、電源系統、調壓整流電路、工況電路、工況轉換控制電路和儲能制動變流器等。對工作電路的各個組成環節進行分析，對它們的工作原理進行闡述說明，確保滿足試驗系統的要求。這里主要介紹主電路和儲能變流裝置的設計。

2.1 主電路設計

系統主電路采用典型的交—直—交電壓型變頻結構。由調壓器、整流濾波、逆變器和電動機4部分組成。系統要求模擬750V直流接觸網供電，并在500～900 V之間可調。由于試驗系統采用的調壓器體積龐大，不適于直接手動控制，所以配有一臺電動機及蝸輪蝸桿機構，通過點動開關控制電機的正反轉來進行調壓。采用三相橋式不可控整流電路，整流電路和逆變電路之間采用大電容構成突波吸收器，有效濾除整流環節所產生的高次諧波，防止電網和負載之間的相互干擾。電容濾波給后級的逆變器提供相對恒定的直流電壓。使用時需先給電容充電，待充滿后才能直接接到不控全橋整流的輸出端。否則會產生很大的電流而燒壞整流器件，不使用主電路時要給濾波電容放電，否則因電容兩端的放電作用而發生事故。另外，若后級逆變器輸出電流太大或出現故障，要及時給后級逆變器斷電并增大前級電路的電阻，以減小電流。逆變電路選用IPM。

2.2 儲能變流裝置設計

儲能變流裝置主要與供電系統相連。該系統中儲能制動變流裝置的高壓端直接并聯在牽引逆變器的支撐電容CF上，CF兼作儲能制動變流裝置的高壓輸出電容。超級電容作為儲能變流裝置的核心部件，主要是依靠電容極板將能量以電能的形式來儲存，直接向直流電網進行能量的釋放和吸收，無需轉換能量的形式，從而使得該裝置可以快速的與直流電網進行能量的交換，具有很高的效率。儲能變流裝置的優點是高能量密度、負載循環使用周期長，具體表現為可以減少直流母線中的能量損耗。儲能變流裝置不僅能夠降低地面制動電阻的額定功率以及散熱的額定容量，同時可以很大程度的改善電機的啟動性能。

2.2.1 儲能變流裝置的電路拓撲及工作原理

儲能變流裝置在其控制系統控制之下工作于3種狀態：充電狀態（儲能再生制動）、放電狀態（儲能電容器釋放電能）及保持狀態（電阻制動），為滿足這一要求，儲能制動變流裝置的主電路拓撲如圖2（a）所示。

（1）充電狀態

牽引電機處于制動工況時，系統將電機的機械能轉變為電能。此時若中間直流環節的電壓Ud高于其允許值，且超級電容器電壓UC低于其最高允許電壓值，則儲能變流裝置為超級電容C充電；在儲能變流裝置控制系統控制下，圖2（a）中T2、TRZ均關閉，用PWM 方式控制開關管T1，此時雙向DC-DC變換器工作在Buck電路狀態，則系統通過T1、LN、C、D2組成的降壓電路為超級電容器C充電，將電制動產生的電能存儲于超級電容器中，實現了儲能制動。儲能再生制動的電路拓撲結構如圖2（b）所示。

圖2 儲能制動變流器的電路拓撲

（2）保持狀態

牽引電機處于制動工況時，若在充電過程中，超級電容器電壓UC高于其最高允許電壓且中間直流環節的電壓Ud高于其允許值，則系統在儲能變流裝置控制系統的控制之下轉入保持狀態（電阻制動工況）。電阻制動的電路拓撲結構如圖2（c）所示。在儲能變流裝置控制系統控制下，用PWM方式控制開關管TRZ，此時變換器工作在Buck電路狀態，則電制動過程中產生的電能消耗于制動電阻RZ上，實現電阻制動。

（3）放電狀態

牽引電機處于牽引工況時，若超級電容器電壓UC高于超級電容器工作電壓下限，儲能變流裝置將超級電容C與牽引逆變器的支撐電容CF并聯為牽引逆變器供電，從而使得再生制動的能量被再次利用，直至超級電容器電壓低于超級電容器工作電壓下限。儲能變流裝置在放電狀態下的電路拓撲如圖2（d）所示。在儲能變流裝置控制系統的控制下，用PWM方式控制開關管T2，此時雙向DC-DC變換器工作在Boost電路狀態，則超級電容器中儲存的電能經由D1、LN、UC、T2構成的升壓電路向直流環節釋放電能，儲能變流裝置工作在放電狀態。

2.2.2 儲能變流裝置的控制策略及其控制流程

為了避免中間直流環節母線電壓升高，提出將再生能量通過儲能變流裝置存儲起來，試驗系統需要時再回送給系統，試驗過程中通過檢測中間直流環節母線和超級電容器的電壓，預先設定它們充放電的電壓閾值，采用基于“能量法”的控制策略實現能量的雙向流動，完成能量的存儲與釋放。儲能變流裝置的控制策略及其控制流程如圖3所示。

圖3 儲能變流裝置的控制策略及其控制流程圖

2.2.3 超級電容器容量的確定

超級電容器容量C應保證當其電壓由UCmin變化到UCmax時足以存儲牽引電機處于制動工況時系統所具有的機械能Wr，C應滿足下式要求：

η為系統電能變換效率，取η=0.85

本系統中，雙向DC-DC變換器的最低電壓為300V，超級電容器組的工作電壓范圍設定在300～450V，根據牽引計算結果，電機的牽引能量最大為1 319.32kJ，由式（2）可得，存儲再生制動能量所需超級電容的總容量C≥19.94F，則超級電容器的基本參數為20F、480V，最大允許電流不低于1 000A。

3 城市軌道車輛交流傳動試驗功能

城市軌道車輛交流傳動試驗平臺可以模擬列車進行牽引特性試驗、模擬列車制動特性試驗以及逆變器的開發試驗等。

3.1 模擬列車牽引特性試驗

通過輸入牽引特性的控制指令，使試驗系統處于模擬列車牽引工況的狀態。其中牽引電機由力矩控制，負載電機由轉速控制。牽引工況時，牽引電動機的力矩由牽引控制系統根據司機手柄位以及電機的速度實時控制。在牽引力矩的作用下，負載電機的速度逐漸增加。通過城市軌道車輛交流傳動試驗臺的測試系統，得到試驗系統的實際轉速，然后由這些速度值和對應牽引力矩下的牽引力可得到牽引力與速度的關系曲線。設置另一牽引手柄位，則又可以得到牽引力與速度的關系曲線。通過城市軌道車輛交流傳動試驗臺的測試系統，還可得到試驗過程中系統的工作電流和工作電壓。試驗系統還可以設置不同牽引手柄位來模擬列車不同的牽引特性曲線，同時檢測列車在牽引工況時的速度、工作電流和工作電壓。

3.2 模擬列車制動特性試驗

通過控制電路使試驗系統轉換至制動工況，通過運行測控系統向通信接口輸入電制動特性控制指令，使試驗系統處于模擬列車電制動工況的狀態：包括電阻制動工況和再生制動工況。模擬列車制動特性試驗的原理和模擬列車牽引試驗的原理基本一致，這里就不再贅述。

3.3 模擬逆變器的開發試驗

模擬列車上負載逆變器或牽引逆變器的直流變交流逆變過程的功能。不同功率等級的逆變器可為不同功率等級的電機工作。逆變器提供工作電流、工作負載以及控制接口，逆變器處于不同的工作狀態能夠接受速度控制或力矩控制，從而可進行逆變器的開發試驗。此試驗系統可以檢測逆變器工作所能承受的功率、電流和電壓。同時牽引逆變器和模擬負載逆變器都應具備通信接口，以便接受計算機的通信信號，執行計算機的操作指令。

4 城市軌道車輛交流傳動試驗臺測試系統

城市軌道車輛交流傳動試驗臺測試系統應能實現電機運行狀態信息的采集和顯示功能。測試系統是城市軌道車輛交流傳動試驗臺的一個重要組成部分，也是系統和被測對象的接口部分，所以需要有足夠的測量精度，測試系統的準確與否，直接關系到城市軌道車輛交流傳動試驗臺能否滿足可靠性和實時性要求。其主要功能是試驗數據的采集和分析處理，主要任務是把在不同試驗下各種狀態的參數真實地反映給系統。測試系統主要由3大部分組成：工業儀表或傳感器、數據采集卡和工業控制機。電流、電壓和速度檢測分別采用霍爾傳感器和2 000脈沖／轉的光電脈沖發生器。城市軌道車輛交流傳動試驗臺測試系統結構如圖4。

數據分析處理功能包括：實時測量和顯示各種參數及其波形、數據存儲、數據回放、數據后處理和圖形報表生成等。

圖4 測試系統結構框圖

5 結束語

隨著我國城市軌道交通的發展，交流傳動技術也將逐步發展成熟，有必要建立一個性能優良的試驗平臺以便對交流傳動系統進行研究、開發和驗證。本文提出了一種能量互饋式城市軌道車輛交流傳動試驗系統方案，該交流傳動試驗系統具有實時性好、可靠性高的特點，完全適應我國城市軌道交通發展的需求。此系統可進行牽引特性和牽引控制試驗，制動特性和制動控制試驗，逆變器工作特性試驗，列車在預定線路預定載荷及司機手柄位控制下運行的實時模擬試驗。另外，還可以進行軌道車輛電力牽引及電制動系統的開發。系統具有節能、工作可靠，精度高等特點。

［1］李 偉，張 黎.交-直-交傳動系統網側變流器預測電流控制方法的計算機仿真及實現［J］.中國鐵道科學，2002，（6）：49-54.

［2］鄭瓊林.交流傳動互饋試驗臺與磁場定向控制和直接轉矩控制的比較［J］.電力電子，2004，2（2）：18-21.

［3］胡繼勝，馬 勇，王 寧.輕軌車儲能再生制動系統電路型式及主要技術參數的確定［J］.大連交通大學學報，2011，32（2）：69-73.

［4］卞永明，蘭 皓，蔣 佳，等.輪邊電力驅動系統再生制動控制技術研究［J］.中國工程機械學報，2011，9（1）：59-62，97.

［5］郭文杰，林 飛，鄭瓊林.交流傳動互饋試驗平臺整流器研究［J］.鐵道學報，2006，28（1）：31-34.

［6］張全柱，鄧永紅，潘玉民.交流牽引傳動能量互饋試驗臺的研究［J］.電氣自動化，2007，26（6）：11-13，16.

［7］劉護林，陳高華，王鵬魁.互饋式交流傳動試驗系統［J］.機車電傳動，2008，（4）：52-56，68.

［8］李繼方，湯天浩，姚 剛.多電機共直流母線交流傳動節能系統結構研究［J］.電氣傳動，2011，41（7）：8-12，29.

［9］陳偉華，李秀英，姚 鵬.電機及其系統節能技術發展綜述［J］.電機與控制應用，2008，35（10）：1-6.

［10］王云飛，楊 耕.通用變頻器-感應電機系統的電機耗能型制動控制方法［J］.電工技術學報，2006，21（1）：87-92.