一種交流傳動內燃機車牽引系統試驗平臺

曲 強， 張廣遠， 吳志友

(中車大連電力牽引研發中心有限公司 電氣產品開發部， 遼寧大連 116052)

隨著鐵路關鍵技術的不斷提升，交流傳動牽引系統已逐步成為內燃機車的主要發展方向。交流傳動內燃機車牽引系統是一套極為龐大而又復雜的系統，要想能夠較為快速而又深入的理解它，對于一名學生或者初學者來說，僅憑幾份圖紙以及教科書上的理論知識是遠遠不夠的。然而，考慮到柴油機作為能量來源具有高能耗、高污染、結構復雜、對試驗環境要求高等特點，要想搭建一套交流傳動內燃機車牽引調試系統十分困難。因此，設計并搭建一套可以方便相關試驗研究人員進行調試的交流傳動內燃機車牽引系統具有十分重要的意義。

主要介紹了一種具有節能環保特點的交流傳動內燃機車牽引系統試驗平臺，并對其系統的結構組成及工作原理、控制原理以及一些相關的技術特點進行了介紹。

1 交流傳動內燃機車牽引系統試驗平臺結構及工作原理

該試驗平臺由兩部分組成，一部分是試驗平臺主電路系統，另一部分是試驗平臺的上位機操控臺。

1.1 試驗平臺主電路系統介紹

由一組帶有單相四象限脈沖整流器的交直交變頻器2、一組帶有不控整流器的交直交變頻器1、由拖動電機和無刷同步發電機構成的主發電機組、一個集成牽引和輔助控制單元于一體的牽引變流柜、牽引電機、陪試電機、制動電阻柜、輔助電阻負載或輔助風機負載、控制供電系統等部分組成。

如圖1所示，本試驗平臺提供了一套與交流傳動內燃機車電傳動系統相同的變流器平臺。其工作原理是主發電機組通過變頻器2、以及電機間的機械能量轉換將工業電網的電能傳輸到牽引變流柜中，從而使牽引變流柜帶動牽引電機運行；而同時工業電網也為陪試變頻器1供電，從而拖動陪試電機作為牽引電機的負載運行。另外，試驗平臺中的散熱風機系統以及充電機也由牽引變流柜所提供能量；勵磁系統則由充電機供電；變頻器1和變頻器2由同一個配電柜的電源供電，并且通過網絡信號由操控臺遠程控制電源的輸出。

圖1 內燃機車牽引系統試驗平臺

當牽引電機運行在牽引工況時，變頻器1帶動主發電機組發電向外輸出能量，帶動牽引運行；陪試電機作為負載制動運行，其制動狀態所產生的能量則通過變頻器2回饋到電網中。而同時輔助控制單元可以利用在牽引工況下，試驗臺所配套的試驗設備(制動電阻柜、牽引電機冷卻風機、陪試電機冷卻風機)進行負載試驗。

當牽引電機運行在制動工況時，變頻器2通過電網向外輸出能量，帶動陪試電機牽引運行。此時，牽引電機制動狀態所產生的能量由牽引控制單元通過公共母線傳遞給輔助控制單元，而同時變頻器1帶動的主發電機可以停止工作，以達到節省能量的目的。輔助控制單元在此種工況下，可以利用牽引控制單元提供的能量和配套設備(牽引電機冷卻風機、陪試電機冷卻風機)進行負載試驗。另外，制動電阻柜可以作為牽引控制單元剩余能量的釋放提供回路。

1.2 上位機操控臺介紹

根據試驗系統中設備的特點、工作原理，設計開發出一個上位機操控臺，將整個系統中各部分設備的控制、監控、試驗數據的記錄整理集中在該操控平臺上，便于試驗調試人員在遠距離通過網絡信號傳輸就能夠對高壓電氣設備進行實時集中操作，簡化系統的操作流程，上位機操控臺結構框圖如圖2所示。

圖2 上位機操控臺

圖中試驗設備主要通過兩種方式與控制臺進行連接。第1種為硬線連接模式，主要完成對高速斷路器、交直流接觸器等高壓電氣設備的操作。第2種為網絡連接模式，主要是通過MVB網絡、以太網、CAN通訊網絡、串口通訊等來控制指令的實施、數據監控、記錄運行過程中的各試驗參數和數據。另外，操控臺與主電路系統的電氣設備通過TCMS系統進行一些簡單的網絡信號轉和邏輯處理。

具體表現為：

(1)操控臺通過TCMS系統可以對電網供電系統、變頻器1、變頻器2、風機系統、牽引變流柜系統、充電機和勵磁控制系統進行硬線控制連接，這樣可以通過控制接觸器來隨時切斷或投放設備到整個系統當中。操控臺還可以對接觸器進行互鎖邏輯處理和操作失誤報警提示，來降低人為操作失誤導致的重大損失。

(2)操控臺通過網絡通信進行系統各設備調節。主要包括：通過串口網絡對變頻器1、變頻器2進行轉速調節、通過以太網對牽引變流柜、充電機和勵磁控制單元運行提供指示信號。通過網絡通訊將這些設備運行的關鍵試驗數據(如母線電壓、牽引電機轉矩、電流、轉速控制電源電壓、勵磁電壓、勵磁電流等)傳輸到操控臺的上位機中，便于分析和監控設備及試驗數據是否正常。

(3)操控臺預留了牽引變流柜調試程序下載和監控接口，以及調試檢測設備接口(如示波器、轉矩儀，功率分析儀、溫度巡檢儀等)。這些檢測設備的數據信號通過硬線或網絡信號傳輸到操控臺中，以方便調試人員對這些數據進行記錄、下載、分析等工作。

(4)操控臺的上位機中考慮到設備安全設置了設備急停控制按鈕，能夠隨時切斷各設備輸入輸出；同時在試驗區關鍵部位安裝監控攝像頭，便于調試和試驗人員遠程監控設備的運行狀態。

該試驗平臺不僅通過采用通用變頻器替換柴油機發電的方式將內燃機車的機電系統轉換為純電氣系統，同時還為了便于操作和控制，針對該系統搭建了一套遠程操控臺，并根據不同試驗要求來控制不同設備的切換運行，這使得整個系統的靈活性、安全性和可靠性得到了極大提升。

2 牽引試驗系統主要控制策略

交流傳動內燃機車牽引試驗平臺的系統組成部分較多，結構龐大。其主要控制環節包括：勵磁系統控制、脈沖整流器控制、陪試逆變器控制、牽引制動特性控制等。

2.1 勵磁控制策略

勵磁控制系統作為主發電機的一個重要組成部分，主要用于調節主發電機的勵磁電流，控制主發電機的輸出電壓、電流以及功率，最終達到主發電機輸出功率恒定的目的。其控制原理框圖如圖3所示。

當司控器手柄位于某一級位下時，其級位信號分別通過電壓、電流和功率給定值計算環節的換算得到各自的基準值，然后再經過加載率控制器得到限壓、限流和恒功率控制信號。接著這3個控制信號分別與電壓、電流及功率的實際采集的反饋信號相比較，得到誤差信號再經過各自的PID調節器處理得出電壓、電流和功率的輸出信號，而后經過最小值比較器的比較，將最小值送入到勵磁控制驅動單元中，作為勵磁驅動器的輸入信號，該信號最后經驅動器的放大來控制主發電機的勵磁輸出，從而控制主發電機的輸出功率，保證主發電機在各個級位的轉速點上可以恒功率運行，為牽引變流柜提供能量。

2.2 四象限脈沖整流器控制策略

采用四象限脈沖整流器的主要目的是，一方面需要為中間直流母線提供平直穩定的直流電壓，另一方面是盡可能降低其在吸收電網有功能量時所造成的污染。根據其輸入回路的等效電路圖可以得到其電壓基波分量的相量平衡方程式：

圖3 勵磁控制系統原理框圖

圖4 相量關系圖

2.3 陪試變頻器逆變單元控制策略

陪試變頻器在整個牽引系統試驗平臺試驗系統中起到至關重要的作用，其主要為陪試電機提供能量保證了系統中負載的穩定運行。對于陪試變頻器逆變單元來說，轉差頻率矢量控制是一種性能優越并普遍應用的控制算法，當陪試變頻器逆變單元處于牽引控制時(牽引電機運行在制動工況下)采用圖5所示的速度閉環型轉差頻率矢量控制策略，速度信號給定值ω*來自司機操縱臺的旋鈕級位信號，根據不同旋鈕級位的給定值來進行調速，速度控制由PI轉速調節器實現，計算得出需要的頻率ist*。而當陪試變頻器逆變單元處于制動控制時(此時牽引電機處于牽引工況下)，采用圖6所示的轉矩型轉差頻率矢量控制算法，轉矩給定值同樣來自于司機操縱臺的旋鈕級位信號，通過不同旋鈕級位下的力矩指令所換算的電流值，達到調節陪試電機轉矩輸出的作用。

另外，為了解決傳統試驗臺由于采用轉差頻率控制算法而導致低頻狀態下轉矩控制不精確的問題，本試驗臺的陪試變頻器通過采用磁鏈開環控制策略，合理設置磁鏈曲線和估算磁鏈電感值；并利用轉差校正系數直接對轉差頻率進行補償，從而保證陪試變頻器在低頻狀態下轉矩發揮的準確性。

圖5 速度閉環轉差頻率矢量控制算法

圖6 轉矩型轉差頻率矢量控制算法

2.4 牽引、制動特性控制策略

在牽引工況下，TCMS應保證主發電機組在恒功率運行情況下，控制牽引系統按內燃機車牽引特性運行，圖7為牽引工況控制框圖。司控器級位信號Ne為基本給定量，經發電機輸出功率限制輸出函數得到最大功率輸出值Pe，此功率減去牽引系統中輔助功率Pf即得到牽引系統中牽引功率給定值Pg；此給定值Pg與實際牽引功率反饋值Pd相比較，其差值經PI調節器運算后產生牽引電機牽引力給定值F1。

同時司控器級位信號Ne和由牽引電機轉速換算出的機車速度v經牽引特性曲線換算后得到當前速度下機車牽引電機牽引力給定值F2，此給定值F2與上述恒功率環節產生的牽引力給定值F1兩者中取較小者作為牽引電機牽引力給定值F，經網絡信號傳給牽引逆變器控制單元，由牽引逆變器完成對牽引電機力矩的控制。通過控制牽引電機的轉矩來調節中間直流環節的功率，并最終使柴油機以恒功率運行。

牽引工況根據司控器信號可以分為8個檔位，每一個檔位對應相應的牽引力。

圖7 機車牽引特性框圖

在制動工況下，應保證在不超過最大制動功率情況下，控制牽引系統按內燃機車制動特性運行，圖8為制動工況控制框圖。

圖8 機車制動特性框圖

在制動工況，主發電機組保持在較低轉速范圍，此時主發電機僅產生很小的電壓，中間直流回路依靠這個電壓提供牽引電機(此時牽引電機作為發電機工作)所需要的初始勵磁電壓。一旦牽引電機在這個初始勵磁電壓下開始工作，則中間直流回路的電壓依靠牽引電動機制動時反饋的能量來迅速達到中間電壓允許的最大值。這時，主發電機組不再向中間直流回路和制動電阻提供能量。通過斬波器的通斷，可以維持中間直流電壓保持在恒定值不變。制動工況分為3個工作區：恒制動功率區、恒制動力區和降制動力區。系統運行在制動工況時，制動級位信號為0～74 V的模擬量信號，司控器信號的模擬量劃分為8個檔位，每一個檔位對應相應的制動力。根據該模擬信號的大小和制動特性曲線確定牽引電機輸出牽引力。

3 系統試驗平臺的測試方法及測試結果

該試驗平臺在設備運行時由于各組成部分間可以進行能量回饋，因此不需要額外負載，這提高了整個系統的設備利用率，達到了環保節能的效果。

該試驗平臺具體測試方式為：

首先閉合工業供電系統開關，啟動變頻器1和變頻器2，通過操控臺控制變頻器1進而使拖動電機帶動主發電機的轉速運行在所需試驗轉速范圍；接著操控臺控制牽引變流柜內的主接觸器閉合，啟動勵磁控制系統運行，并將主發電機輸出的三相交流電輸入到柜內；待柜內母線電壓達到預定值后，根據試驗要求通過操控臺切換來進行各種工況下的負載試驗。該系統主要完成電機牽引特性調試；電機制動特性調試；電阻、風機負載調試等工作。

電機牽引特性調試試驗：啟動變頻器2將陪試電機運行到一定轉速下，然后啟動牽引變流柜內的牽引變流器工作，進行電機牽引特性調試試驗。

電機制動特性調試試驗：啟動變頻器2將陪試電機運行到一定轉速下，然后啟動牽引變流柜內的牽引變流器工作，進行電機制動特性調試試驗。待母線電壓穩定在制動控制設定值時，變頻器1和勵磁控制系統可以停止工作。

電阻、風機負載調試：根據操控臺的控制指示投放不同的電阻負載或風機設備，然后啟動牽引變流柜內輔助變流器進行試驗。

試驗過程中牽引變流柜的電氣測量數據及波形由測量設備通過網絡傳輸到操控臺的設備監控區，所監控的數據主要包含三相輸入電壓和電流、母線電壓、電機輸出電壓和電流、電機轉速、轉矩等。根據需要這些電器測量數據和波形可以實時在操控臺上查看和保存，便于后期分析試驗情況和編寫試驗報告。

圖9為試驗過程中的測試波形。

圖9 牽引特性試驗波形

圖9為牽引變流柜帶動1臺電機在牽引工況下與陪試電機滿功率對拖運行時，母線電壓、電機電壓和電流的輸出波形，從圖中可以看出牽引變流柜的電壓電流輸出波形正弦性良好，從而保證了牽引電機穩定的運行。

圖10為牽引變流柜帶動1臺牽引電機在制動工況下與陪試電機對拖運行所測得的電壓、電流波形圖。從圖中可以看出牽引系統運行穩定。

輔助變流負載試驗：

圖11為輔助變流器帶電阻負載輸出波形圖，從圖中可以看出，輔助變流器的電壓電流輸出波形較為穩定，正弦性良好。

圖10 制動特性試驗波形

圖11 電阻負載輔助系統輸出波形

4 結束語

交流傳動內燃機車牽引系統試驗平臺通過現有技術手段，在試驗車間模擬了一套完整的交流傳動內燃機車牽引系統調試平臺。在借助先進的網絡控制技術的基礎上，相關技術人員不僅可以快速掌握內燃機車牽引系統結構組成和工作原理，還可以便捷可靠地進行先進的牽引控制算法的開發與驗證，達到了讓其對系統充分學習與研究的目的。另外本試驗平臺在設計完成后，通過牽引與制動工況以及輔助系統試驗的長時間的穩定性考核，證明了該方案的可行性。