高速動車組牽引測試技術研究

梁志超

（長春軌道客車股份有限公司技術中心，長春 130062）

高速動車組牽引測試技術研究

梁志超

（長春軌道客車股份有限公司技術中心，長春 130062）

針對高速動車組牽引系統，設計了一套能夠對其性能進行測試的測試系統。通過數據采集系統采集數據，利用電流傳感器和電壓傳感器測量動車組牽引系統電流和電壓，利用軟件進行后續數據處理，能夠對高速動車組牽引系統的輸入和輸出電參數進行測試。

高速動車 組牽引 系統測試 技術數據 采集系統

引言

針對高速鐵路和城市軌道交通的迅速發展的形式，軌道車輛的研發和制造技術尤為重要。同時，作為高速動車組重點技術之一的牽引控制技術也日益凸顯其重要性，本文旨在對高速動車組的牽引控制技術進行系統的試驗，實現能夠對其輸入輸出參數進行測試和分析的目的，并且實現能夠獨立的、符合標準的進行試驗的目的，同時在充分掌握其性能的基礎上對其進行后續的優化設計提供數據支持。通過對高速動車組牽引系統進行理論分析和整車試驗，掌握高速動車組牽引系統主要零部件（牽引變壓器、牽引變流器和牽引電機等）的在各種工況下（牽引、電制動、惰行、過分項區等）的實際工作情況（電流、電壓、諧波含量、有功功率、無功功率、總功率以及功率因數等），實現分析、測試和試驗的目的，進而提高高速動車組的可利用性、穩定性、安全性和可維護性等指標[1]。

1 動車組牽引系統工作原理

圖1 動車組牽引系統主電路圖

主要工作過程如下：

（1）受電弓接收接觸網傳遞過來的單向AC 25KV的電壓。

（2）牽引變壓器將AC 25KV降壓為單向AC電壓（電壓等級因動車組車型而異）。

（3）牽引變流器接收牽引變壓器副邊的電壓，同時利用內部交-直-交控制原理輸出電壓和頻率都可變的信號。

（4）牽引電機利用變流器的輸出信號來驅動列車的運行。

其中，目前國際上最常用的動車組牽引電機控制技術有兩種：矢量控制和直接轉矩控制，我國的動車組普遍采用的是矢量控制。矢量控制的主要思想是將牽引電機的定子電流變換到以轉子磁場定向的軸系中，經過力矩調節后，將控制量反變換到三相系統，經逆變器調節電機的定子電流和頻率，實現對磁場電流和轉矩電流的獨立控制[2-3]。

2 測試標準和內容

高速動車組牽引性能測試系統能夠根據以下標準進行牽引系統的試驗：

（1）IEC61133-2006鐵路應用-鐵道車輛-制造完成后和投入運營前鐵道車輛的測試；

（2）鐵運2008-28高速動車組整車試驗規范；

具體試驗內容有：

牽引特性試驗：完成車輛牽引狀態下車輛運行時間、速度和牽引變流器輸出電壓、電流的測量，用以計算加速度和繪制“牽引力—速度”特性曲線；

電制動性能試驗：完成車輛電制動狀態下車輛運行速度、時間、網壓、網流和牽引變流器輸出電壓、電流的測量，用以計算減速度和繪制“電制動力—速度”特性曲線；

調速系統性能試驗：完成車輛在定速運行過程中和牽引、惰行、電制動轉換時速度、時間、網壓、網流、牽引變流器輸出電壓、電流的測量，用以計算沖動和繪制“功率—速度”曲線；

典型運行圖和能耗試驗：根據牽引仿真計算文件要求，主要完成車輛在全線運行過程中速度、時間、網壓、網流、牽引變流器輸出電壓、電流的測量，用以計算平均旅行速度、消耗能量和反饋能量；

3 測試系統的硬件組成

根據以上的測試內容，本系統主要由數據采集系統部分、傳感器和測速系統部分、控制和牽引性能試驗計算軟件部分和其他輔助部分組成，如圖2。主要測試參數見表1。

圖2 牽引性能測試系統結構簡圖

表1 牽引性能測試主要測試參數

3.1 測試系統的軟件組成和要求

（1）可完成多種實時分析，如：FFT、數字濾波、微積分、統計計算、比較運算、邏輯運算，實時壓縮記錄、建立虛擬通道。

（2）具有多種觸發能力，包括多種事件觸發，依靠虛擬通道觸發，網絡變量觸發等高級的觸發方式。

（3）試驗數據采集軟件能通過網絡實行遠程控制，進行測試條件的設定和測試過程的監控。

（4）離線信號分析處理軟件應達到如下要求:數據回放、算術運算、測量結果統計計算；試驗數據的編輯處理，如頻譜分析、數字濾波等。

3.2 牽引特性試驗的試驗數據處理

在獲得試驗數據后，為了獲取牽引力-加速度曲線，利用如下方法進行數據后處理：

在電機效率和齒輪傳動效率已知的情況下，根據電參數計算輪周牽引力計算方法如下：

式中，F為輪周牽引力，kN；Pi為牽引電機i有功功率，kW；v為動車組速度，km/h；ηm為v對應的電機效率；ηg為機械傳動效率；N為被測牽引電機數量。

其中牽引電機i輸入有功功率：

3.3 電制動特性試驗的試驗數據處理

在獲得試驗數據后，為了獲取牽引力-加速度曲線，利用如下方法進行數據后處理：

瞬時電制動力B計算方法如下：

式中，Pi為電機有功功率，kW；v為動車組速度，km/h；ηm為v對應的電機效率；ηg為機械傳動效率；N為被測牽引電機數量。

3.4 高速動車組牽引系統性能測試系統的設計和實施

高速動車組牽引性能測試系統要求準確、快速地測試動車組牽引系統主要輸入和輸出參數，并將以上信息實時存儲，對系統的實時性、同步性能要求較高，因此選用高精度數據采集系統（即數據采集系統部分）+高精度傳感器（傳感器和測速系統部分）+PC（控制和牽引性能試驗計算軟件部分）組成測試與分析系統，達到了檢測系統性能要求。

詳細指標如下：

（1）硬件主要指標。模擬信號采集通道數：16個；數字信號采集通道數：4個；電壓信號采集范圍：±4000V，AC/DC；電流信號采集范圍：±2000A，AC/DC。

（2）軟件主要指標為。能夠根據試驗數據繪制牽引力-速度曲線、電制動力-速度曲線、能耗曲線等，對動車組的牽引系統能力進行計算和分析經測試。

4 主要測試數據和結果

（1）牽引特性試驗（如圖3）。

（2）牽引特性試驗（如圖4）。

（3）調速系統性能試驗（如圖5）。

（4）典型運行圖和能耗試驗（如圖6）。

圖3 高速動車組牽引力-速度特性曲線

圖4 高速動車組電制動力-速度特性曲線

圖5 高速動車組調速系統性能試驗曲線

圖6 高速動車組典型運行圖和能耗試驗曲線

5 主要技術特點和創新點

通過搭建了一套完整的高速動車組牽引性能測試系統，能夠完成對牽引系統輸入和輸出參數的測試，了解牽引系統的動態行為，進而掌握牽引系統控制技術，能夠為后續車型的設計以及既有車輛的故障排查提供數據支持，該系統的主要技術特點和創新點如下：

（1）設計開發的牽引性能測試系統采用分布式測試的理念，既可以將多個數據采集模塊利用路由器連接在一起實現同步的測試和采集，滿足了大通道、海量數據的采集要求，也可以利用單獨的數據采集模塊獨立進行采集，滿足了小通道、高精度的采集要求；

（2）利用大量程、高精度的電流和電壓傳感器，在滿足了既有高速的動車組的測試需求的同時，也充分的考慮了未來車型的測試需求；

（3）既可以利用PC實現有人值守的數據采集要求，也可以使用數據采集系統進行無人值守的數據采集要求。

[1]李群湛等.高速鐵路電氣化工程.成都：西南交通大學出版社[M]，2006.

[2]Bimal K.Bose.現代電力電子學與交流傳動.北京：機械工業出版社[M]，2005.

[3]陸陽等.高速動車組牽引控制優化技術研究[J]，鐵道機車車輛.2013，2（11）：9-10+118.

Research of Measuring and Test Technology for EMU Traction

LIANG Zhichao
（Changchun Railway Vehicle Co.,Ltd.,R&D Center,Changchun 130062）

Aiming at the traction system of high speed EMU,a set of testing system is designed to test their performance.Data is collected through data acquisition system through the data,the current sensor and voltage sensor for the measurement of EMU traction system of current and voltage are used, subsequent data is processed bysoftware, and input and output electrical parameters of the system ofhigh speed EMU traction is tested.

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