動車牽引傳動試驗系統

尤勇

（株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南株洲 412001）

0.引言

動車作為目前乃至未來鐵路事業的重要交通工具，其牽引傳動系統是動車快速運行、穩定運行和安全運行的保障。原牽引傳動試驗系統主要是針對機車的牽引傳動系統試驗，已遠遠不能滿足動車牽引傳動系統試驗指標[1]。

1.原牽引試驗系統存在的問題

原牽引試驗系統存在以下不足：

（1）轉向架滾動試驗速度偏低。最高試驗速度為348km/h，且試驗時間較短，無法滿足動車牽引傳動系統450km/h左右的最高試驗速度。

（2）較小的試驗電源容量。原牽引試驗系統單相工頻電源（模擬接觸網）容量約有2500kVA，無法滿足單個轉向架功率試驗高達4800kW的動車牽引傳動系統的電牽引試驗和電制動試驗需求。

（3）變流器中間直流電壓偏低。原牽引試驗系統為DC2100V左右，無法達到2600V的要求，對于中間電壓為3500V的高壓IGBT變流器更無法達到指標。

2.試驗系統工作原理及基本結構

2.1 工作原理

試驗系統采用背靠背（Back-to-Back）試驗系統原理，即互饋式交流傳動試驗系統原理[2]。系統通過耦合電能和機械能來實現能量的循環，對牽引系統的功能和性能進行檢驗，其原理框圖如圖1所示。

圖1中的“變流器1—異步電機M1”和“變流器2—異步電機M2”通過聯軸器實現背靠背連接。變流器1通過頻率控制使異步電機M1工作于電動機狀態，實現電能到機械能的轉換；并通過聯軸器將機械能傳遞給異步電機M2，此時異步電機M2工作于發電機狀態，經變流器2實現機械能到電能的轉換，并回饋到供電網（試驗電源），此為背靠背試驗系統內部能量流動過程。“變流器1—異步電機M1”和“變流器2—異步電機M2”這2套相同的試驗裝置可互視為陪試對象和被試對象，異步電機的工作狀態決定內部能量流動方向，實現機械能和電能的互饋[3]。

圖1 背靠背試驗系圖統原理框

2.2 基本結構

試驗系統基本結構框圖如圖2所示。主要包括電氣傳動子系統、機械傳動子系統、控制子系統、測試子系統、輔助子系統和安防監控子系統。

圖2 試驗系統基本結構框圖

試驗系統包含6個子系統，其中電氣傳動子系統實現供電網的電能提取，主要包括高壓開關柜、牽引變壓器、濾波電抗器、高壓接線柜和牽引變流器[4]。機械傳動子系統是將電氣傳動子系統提取的電能轉換成機械能，并輸向被試動車牽引傳動系統。機械傳動子系統主要由陪試電機、聯軸器、同步齒輪箱、變速箱和轉矩轉速傳感器組成。輔助子系統實現試驗系統輔助功能，如輔助供電、水冷和風冷等，主要由配電柜、輔助變壓器柜、輔助變流器柜、控制單元電源柜、測試單元電源柜、水冷電氣柜和通風機控制柜組成。控制子系統完成試驗系統的控制；測試子系統完成試驗系統的所有數據測試，安防監控子系統完成試驗系統的安全防護工作，各子系統之間可實現相互通信和數據傳輸。

3.試驗系統硬件設計

試驗系統具體電路原理圖如圖3所示。

圖3 試驗系統電路原理圖

能量流向如下：

（1）牽引工況（以被試變流器工作模式為準）。牽引工況下[5]，系統首先從AC25kV電源母線取出電能，后經斷路器121QF1傳給陪試牽引變壓器TM36，電能由TM36次邊經控制柜AR147～AR149和控制柜AR154～AR155傳給測量柜CJX241～CJX242，電能通過測量柜CJX241～CJX242再傳給被試變流器UC43，被試變流器UC43輸出電能經過測量柜CJX243～CJX244使被試電機M35～M38轉動，陪試電機將電能轉換為機械能，機械能經過機械傳動單元（包括轉矩轉速傳感器MN35～MN38、變速箱GB35～GB38和同步齒輪箱SYN-GB31～SYN-GB34）傳給陪試電機G39～G42，陪試電機又將機械能轉換為電能，此時電能經過接線柜JX203傳給陪試變流器UC33，再由陪試變流器UC33將電能傳給陪試反饋變壓器TM33，最后經斷路器125QF1返回AC25kV電源母線[6-7]。

（2）制動工況（以被試變流器工作模式為準）。制動工況下，能量流動方向與牽引工況恰恰相反，具體為：系統首先從AC25kV電源母線取出電能，后經斷路器125QF1傳給陪試反饋變壓器TM33，電能由TM33傳給陪試變流器UC33，經UC33處理后由接線柜JX203連接陪試電機G39～G42，帶動陪試電機。此時陪試電機將電能轉換為機械能，機械能經過機械傳動單元（包括同步齒輪箱SYNGB31～SYN-GB34、變速箱GB35～GB38和轉矩轉速傳感器MN35～MN38），傳給被試電機M35～M38，被試電機又將機械能轉換為電能。此時電能先后經過測量柜CJX243～CJX244傳給被試變流器UC43，再由被試變流器UC43經測量柜CJX241～CJX242和控制柜AR147～AR149及控制柜AR154～AR155傳給陪試牽引變壓器TM36，最后經斷路器121QF1返回AC25kV電源母線。

4.試驗系統軟件部分

試驗系統軟件部分體現為控制子系統軟件設計和測試子系統軟件設計。原理框圖如圖4所示。

圖4 試驗系統軟件部分原理框圖

整個動車牽引傳動試驗系統軟件設計，主要實現高壓可控開關125QF1、陪試反饋變壓器TM33、陪試變流器UC33、陪試機械傳動單元、高壓可控開關121QF1、陪試牽引變壓器TM36、電抗器36L1、電抗器36L2等組成部分的控制及測試。并實現控制子系統的控制信號和測試子系統的測試數據實時交互，達到試驗系統的動態實時要求。

4.1 控制子系統

控制子系統相關聯的部分有電源系統、水冷系統、風冷系統、稀油系統、輔助供電系統、機械傳動系統、陪試變流器DCU和測試子系統，其軟件設計原理框圖如圖5所示。

圖5 控制子系統軟件設計原理框圖

控制子系統軟件設計原理為由PC上位機通過LabVIEW進行控制程序編寫，控制程序經工業以太網交換機向S7-400下位機PLC發送控制指令，控制指令經PROFIBUS總線由智能從站或分布式I/O從站對電源系統、水冷系統、風冷系統、稀油系統和輔助供電系統，并機械傳動系統采集陪試變流器和溫度巡檢儀信號作為控制子系統控制參考信號，同時實時的與測試子系統進行數據交互。

4.2 測試子系統

測試子系統軟件結構設計原理框圖如圖6所示，測試子系統完成測量的信號有：變壓器TM36（網側）輸入電壓、電流信號，被試變流器1#輸入電壓、電流信號，被試變流器2#輸入電壓、電流信號，被試電機5#、6#、7#、8#電壓、電流信號，變流器輔助輸出電壓、電流信號，交流、直流供電電源電壓、電流信號，被試電機5#、6#、7#、8#轉矩、轉速信號，被試電機5#、6#、7#、8#溫度信號，風冷系統風量、風壓信號，水冷系統流量、濕度、壓力、壓差數據。

圖6 測試子系統軟件設計原理框圖

測試系統采用LabVIEW軟件平臺和PXI硬件平臺構成，實現動車牽引傳動系統各中組合試驗。

5.性能測試

試驗系統以被試品“中國標準動車組牽引傳動系統”為被試對象，完成中國標準動車組牽引系統組合試驗，完成試驗項目有“滿檔牽引試驗”“滿檔再生制動試驗”和“全速度范圍掃頻試驗”。

5.1 滿檔牽引試驗

滿檔牽引試驗曲線如圖7所示。

圖7 滿檔牽引特性曲線圖

5.2 滿檔再生制動試驗

滿檔再生制動試驗曲線如圖8所示。

圖8 滿檔再生制動特性曲線圖

5.3 全速度范圍掃頻試驗

全速度范圍掃頻試驗在8min（480s）內速度上升到350km/h，掃頻曲線如圖9所示。

圖9 全速范圍掃頻曲線圖

6.結語

動車牽引傳動試驗系統完成后，根據“中國標準動車組組合試驗大綱”，以被試品“中國標準動車組牽引傳動系統”為被試對象，完成中國標準動車組牽引系統組合試驗，試驗結果證明試驗系統性能可靠，滿足設計要求。