王儉樸

（南京工程學(xué)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(xué)技術(shù)和城市化的發(fā)展，大運(yùn)量的城市軌道交通在現(xiàn)代大城市中的重要作用尤顯突出。交流傳動(dòng)技術(shù)的優(yōu)越性使得牽引動(dòng)力交流化成為大功率牽引領(lǐng)域的主要方向之一，在我國(guó)，交流傳動(dòng)機(jī)車將全面取代直流傳動(dòng)機(jī)車。為了研制和生產(chǎn)符合我國(guó)國(guó)情的交流傳動(dòng)系統(tǒng)，必須加強(qiáng)對(duì)大功率交流傳動(dòng)系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)，國(guó)內(nèi)也有類似的試驗(yàn)臺(tái)，如永濟(jì)電機(jī)廠的城市軌道交通電傳動(dòng)系統(tǒng)模擬聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)站，但它采用的是飛輪負(fù)載，占地空間大，造價(jià)高，建設(shè)周期較長(zhǎng)。本文研究的城市軌道車輛交流傳動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)由兩套“逆變器—電機(jī)”連軸背靠背組成，兩臺(tái)電機(jī)能量互饋，電能在兩臺(tái)電機(jī)之間反饋，或是將電能反饋給儲(chǔ)能變流裝置?？梢怨?jié)約大量電能，所消耗的僅是兩臺(tái)電機(jī)之間的機(jī)械損耗。具有能量利用率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制靈活、提高輸入側(cè)和輸出側(cè)的功率因數(shù)、能有效地對(duì)控制策略的特性進(jìn)行比較等優(yōu)點(diǎn)。該試驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)具備牽引特性和牽引控制試驗(yàn)，制動(dòng)特性和制動(dòng)控制試驗(yàn)，逆變器工作特性試驗(yàn)，進(jìn)行電力牽引及電制動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的功能。

1 城市軌道車輛交流傳動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)的原理及組成

城市軌道車輛交流傳動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)采用一臺(tái)功率較大的整流裝置給兩臺(tái)逆變裝置供電，組成兩個(gè)逆變器并聯(lián)在一起的共直流母線系統(tǒng)。調(diào)壓器和三相全橋整流濾波電路的組合是將三相380V電網(wǎng)交流電變流為500～900V的直流電來(lái)模擬750V直流供電網(wǎng)。系統(tǒng)采用交流異步電動(dòng)機(jī)作為模擬負(fù)載，不但節(jié)省空間，而且大大降低了成本。由兩臺(tái)牽引逆變器分別控制2臺(tái)75kW的交流異步電機(jī)，牽引電機(jī)M1與模擬負(fù)載的電機(jī)M2分別采用力矩和速度兩種不同的控制方式，電機(jī)可在控制電路和牽引逆變器的共同作用下實(shí)現(xiàn)在牽引工況、再生制動(dòng)工況和電阻制動(dòng)工況之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)通訊模式采用串口RS485總線實(shí)現(xiàn)工控機(jī)與系統(tǒng)之間的通訊。由圖1可見(jiàn)，牽引電機(jī)M1與模擬負(fù)載的電機(jī)M2通過(guò)直流側(cè)實(shí)現(xiàn)能量互饋，電網(wǎng)只提供試驗(yàn)損耗的能量，當(dāng)城市軌道車輛交流傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)在電制動(dòng)工況下，能量可以從直流側(cè)通過(guò)儲(chǔ)能制動(dòng)變流器來(lái)實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容儲(chǔ)能再生制動(dòng)和電阻制動(dòng)，在牽引工況下，可以將超級(jí)電容器在制動(dòng)工況下存儲(chǔ)的電能輸送給牽引系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)列車制動(dòng)時(shí)動(dòng)能的再生利用。

圖1 城市軌道車輛交流傳動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)

此系統(tǒng)可進(jìn)行牽引特性和牽引控制試驗(yàn)，制動(dòng)特性和制動(dòng)控制試驗(yàn)，逆變器工作特性試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)模擬負(fù)載以速度方式控制，可以在沒(méi)有飛輪負(fù)載的情況下，模擬列車在預(yù)定線路預(yù)定載荷及司機(jī)手柄位控制下的運(yùn)行情況。該系統(tǒng)采用TMS320F240芯片作為核心器件構(gòu)成整個(gè)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(qū)動(dòng)、保護(hù)等電路集成在一起，使主回路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、工作更加可靠。

2 城市軌道車輛交流傳動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)的主要工作電路

試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該具備的功能是能夠進(jìn)行模擬試驗(yàn)，設(shè)計(jì)試驗(yàn)系統(tǒng)的工作電路能實(shí)現(xiàn)這些功能。城市軌道車輛交流傳動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)的主要工作電路包括：主電路、電源系統(tǒng)、調(diào)壓整流電路、工況電路、工況轉(zhuǎn)換控制電路和儲(chǔ)能制動(dòng)變流器等。對(duì)工作電路的各個(gè)組成環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，對(duì)它們的工作原理進(jìn)行闡述說(shuō)明，確保滿足試驗(yàn)系統(tǒng)的要求。這里主要介紹主電路和儲(chǔ)能變流裝置的設(shè)計(jì)。

2.1 主電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主電路采用典型的交—直—交電壓型變頻結(jié)構(gòu)。由調(diào)壓器、整流濾波、逆變器和電動(dòng)機(jī)4部分組成。系統(tǒng)要求模擬750V直流接觸網(wǎng)供電，并在500～900 V之間可調(diào)。由于試驗(yàn)系統(tǒng)采用的調(diào)壓器體積龐大，不適于直接手動(dòng)控制，所以配有一臺(tái)電動(dòng)機(jī)及蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，通過(guò)點(diǎn)動(dòng)開(kāi)關(guān)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來(lái)進(jìn)行調(diào)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(gòu)成突波吸收器，有效濾除整流環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的高次諧波，防止電網(wǎng)和負(fù)載之間的相互干擾。電容濾波給后級(jí)的逆變器提供相對(duì)恒定的直流電壓。使用時(shí)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(huì)產(chǎn)生很大的電流而燒壞整流器件，不使用主電路時(shí)要給濾波電容放電，否則因電容兩端的放電作用而發(fā)生事故。另外，若后級(jí)逆變器輸出電流太大或出現(xiàn)故障，要及時(shí)給后級(jí)逆變器斷電并增大前級(jí)電路的電阻，以減小電流。逆變電路選用IPM。

2.2 儲(chǔ)能變流裝置設(shè)計(jì)

儲(chǔ)能變流裝置主要與供電系統(tǒng)相連。該系統(tǒng)中儲(chǔ)能制動(dòng)變流裝置的高壓端直接并聯(lián)在牽引逆變器的支撐電容CF上，CF兼作儲(chǔ)能制動(dòng)變流裝置的高壓輸出電容。超級(jí)電容作為儲(chǔ)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(lái)儲(chǔ)存，直接向直流電網(wǎng)進(jìn)行能量的釋放和吸收，無(wú)需轉(zhuǎn)換能量的形式，從而使得該裝置可以快速的與直流電網(wǎng)進(jìn)行能量的交換，具有很高的效率。儲(chǔ)能變流裝置的優(yōu)點(diǎn)是高能量密度、負(fù)載循環(huán)使用周期長(zhǎng)，具體表現(xiàn)為可以減少直流母線中的能量損耗。儲(chǔ)能變流裝置不僅能夠降低地面制動(dòng)電阻的額定功率以及散熱的額定容量，同時(shí)可以很大程度的改善電機(jī)的啟動(dòng)性能。

2.2.1 儲(chǔ)能變流裝置的電路拓?fù)浼肮ぷ髟?/p>

儲(chǔ)能變流裝置在其控制系統(tǒng)控制之下工作于3種狀態(tài)：充電狀態(tài)（儲(chǔ)能再生制動(dòng)）、放電狀態(tài)（儲(chǔ)能電容器釋放電能）及保持狀態(tài)（電阻制動(dòng)），為滿足這一要求，儲(chǔ)能制動(dòng)變流裝置的主電路拓?fù)淙鐖D2（a）所示。

（1）充電狀態(tài)

牽引電機(jī)處于制動(dòng)工況時(shí)，系統(tǒng)將電機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋４藭r(shí)若中間直流環(huán)節(jié)的電壓Ud高于其允許值，且超級(jí)電容器電壓UC低于其最高允許電壓值，則儲(chǔ)能變流裝置為超級(jí)電容C充電；在儲(chǔ)能變流裝置控制系統(tǒng)控制下，圖2（a）中T2、TRZ均關(guān)閉，用PWM 方式控制開(kāi)關(guān)管T1，此時(shí)雙向DC-DC變換器工作在Buck電路狀態(tài)，則系統(tǒng)通過(guò)T1、LN、C、D2組成的降壓電路為超級(jí)電容器C充電，將電制動(dòng)產(chǎn)生的電能存儲(chǔ)于超級(jí)電容器中，實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能制動(dòng)。儲(chǔ)能再生制動(dòng)的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2（b）所示。

圖2 儲(chǔ)能制動(dòng)變流器的電路拓?fù)?/p>

（2）保持狀態(tài)

牽引電機(jī)處于制動(dòng)工況時(shí)，若在充電過(guò)程中，超級(jí)電容器電壓UC高于其最高允許電壓且中間直流環(huán)節(jié)的電壓Ud高于其允許值，則系統(tǒng)在儲(chǔ)能變流裝置控制系統(tǒng)的控制之下轉(zhuǎn)入保持狀態(tài)（電阻制動(dòng)工況）。電阻制動(dòng)的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2（c）所示。在儲(chǔ)能變流裝置控制系統(tǒng)控制下，用PWM方式控制開(kāi)關(guān)管TRZ，此時(shí)變換器工作在Buck電路狀態(tài)，則電制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的電能消耗于制動(dòng)電阻RZ上，實(shí)現(xiàn)電阻制動(dòng)。

（3）放電狀態(tài)

牽引電機(jī)處于牽引工況時(shí)，若超級(jí)電容器電壓UC高于超級(jí)電容器工作電壓下限，儲(chǔ)能變流裝置將超級(jí)電容C與牽引逆變器的支撐電容CF并聯(lián)為牽引逆變器供電，從而使得再生制動(dòng)的能量被再次利用，直至超級(jí)電容器電壓低于超級(jí)電容器工作電壓下限。儲(chǔ)能變流裝置在放電狀態(tài)下的電路拓?fù)淙鐖D2（d）所示。在儲(chǔ)能變流裝置控制系統(tǒng)的控制下，用PWM方式控制開(kāi)關(guān)管T2，此時(shí)雙向DC-DC變換器工作在Boost電路狀態(tài)，則超級(jí)電容器中儲(chǔ)存的電能經(jīng)由D1、LN、UC、T2構(gòu)成的升壓電路向直流環(huán)節(jié)釋放電能，儲(chǔ)能變流裝置工作在放電狀態(tài)。

2.2.2 儲(chǔ)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(huán)節(jié)母線電壓升高，提出將再生能量通過(guò)儲(chǔ)能變流裝置存儲(chǔ)起來(lái)，試驗(yàn)系統(tǒng)需要時(shí)再回送給系統(tǒng)，試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)檢測(cè)中間直流環(huán)節(jié)母線和超級(jí)電容器的電壓，預(yù)先設(shè)定它們充放電的電壓閾值，采用基于“能量法”的控制策略實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，完成能量的存儲(chǔ)與釋放。儲(chǔ)能變流裝置的控制策略及其控制流程如圖3所示。

圖3 儲(chǔ)能變流裝置的控制策略及其控制流程圖

2.2.3 超級(jí)電容器容量的確定

超級(jí)電容器容量C應(yīng)保證當(dāng)其電壓由UCmin變化到UCmax時(shí)足以存儲(chǔ)牽引電機(jī)處于制動(dòng)工況時(shí)系統(tǒng)所具有的機(jī)械能Wr，C應(yīng)滿足下式要求：

η為系統(tǒng)電能變換效率，取η=0.85

本系統(tǒng)中，雙向DC-DC變換器的最低電壓為300V，超級(jí)電容器組的工作電壓范圍設(shè)定在300～450V，根據(jù)牽引計(jì)算結(jié)果，電機(jī)的牽引能量最大為1 319.32kJ，由式（2）可得，存儲(chǔ)再生制動(dòng)能量所需超級(jí)電容的總?cè)萘緾≥19.94F，則超級(jí)電容器的基本參數(shù)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(dòng)試驗(yàn)功能

城市軌道車輛交流傳動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)可以模擬列車進(jìn)行牽引特性試驗(yàn)、模擬列車制動(dòng)特性試驗(yàn)以及逆變器的開(kāi)發(fā)試驗(yàn)等。

3.1 模擬列車牽引特性試驗(yàn)

通過(guò)輸入牽引特性的控制指令，使試驗(yàn)系統(tǒng)處于模擬列車牽引工況的狀態(tài)。其中牽引電機(jī)由力矩控制，負(fù)載電機(jī)由轉(zhuǎn)速控制。牽引工況時(shí)，牽引電動(dòng)機(jī)的力矩由牽引控制系統(tǒng)根據(jù)司機(jī)手柄位以及電機(jī)的速度實(shí)時(shí)控制。在牽引力矩的作用下，負(fù)載電機(jī)的速度逐漸增加。通過(guò)城市軌道車輛交流傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試系統(tǒng)，得到試驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，然后由這些速度值和對(duì)應(yīng)牽引力矩下的牽引力可得到牽引力與速度的關(guān)系曲線。設(shè)置另一牽引手柄位，則又可以得到牽引力與速度的關(guān)系曲線。通過(guò)城市軌道車輛交流傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試系統(tǒng)，還可得到試驗(yàn)過(guò)程中系統(tǒng)的工作電流和工作電壓。試驗(yàn)系統(tǒng)還可以設(shè)置不同牽引手柄位來(lái)模擬列車不同的牽引特性曲線，同時(shí)檢測(cè)列車在牽引工況時(shí)的速度、工作電流和工作電壓。

3.2 模擬列車制動(dòng)特性試驗(yàn)

通過(guò)控制電路使試驗(yàn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換至制動(dòng)工況，通過(guò)運(yùn)行測(cè)控系統(tǒng)向通信接口輸入電制動(dòng)特性控制指令，使試驗(yàn)系統(tǒng)處于模擬列車電制動(dòng)工況的狀態(tài)：包括電阻制動(dòng)工況和再生制動(dòng)工況。模擬列車制動(dòng)特性試驗(yàn)的原理和模擬列車牽引試驗(yàn)的原理基本一致，這里就不再贅述。

3.3 模擬逆變器的開(kāi)發(fā)試驗(yàn)

模擬列車上負(fù)載逆變器或牽引逆變器的直流變交流逆變過(guò)程的功能。不同功率等級(jí)的逆變器可為不同功率等級(jí)的電機(jī)工作。逆變器提供工作電流、工作負(fù)載以及控制接口，逆變器處于不同的工作狀態(tài)能夠接受速度控制或力矩控制，從而可進(jìn)行逆變器的開(kāi)發(fā)試驗(yàn)。此試驗(yàn)系統(tǒng)可以檢測(cè)逆變器工作所能承受的功率、電流和電壓。同時(shí)牽引逆變器和模擬負(fù)載逆變器都應(yīng)具備通信接口，以便接受計(jì)算機(jī)的通信信號(hào)，執(zhí)行計(jì)算機(jī)的操作指令。

4 城市軌道車輛交流傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)

城市軌道車輛交流傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信息的采集和顯示功能。測(cè)試系統(tǒng)是城市軌道車輛交流傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的一個(gè)重要組成部分，也是系統(tǒng)和被測(cè)對(duì)象的接口部分，所以需要有足夠的測(cè)量精度，測(cè)試系統(tǒng)的準(zhǔn)確與否，直接關(guān)系到城市軌道車輛交流傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)能否滿足可靠性和實(shí)時(shí)性要求。其主要功能是試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和分析處理，主要任務(wù)是把在不同試驗(yàn)下各種狀態(tài)的參數(shù)真實(shí)地反映給系統(tǒng)。測(cè)試系統(tǒng)主要由3大部分組成：工業(yè)儀表或傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和工業(yè)控制機(jī)。電流、電壓和速度檢測(cè)分別采用霍爾傳感器和2 000脈沖／轉(zhuǎn)的光電脈沖發(fā)生器。城市軌道車輛交流傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4。

數(shù)據(jù)分析處理功能包括：實(shí)時(shí)測(cè)量和顯示各種參數(shù)及其波形、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)回放、數(shù)據(jù)后處理和圖形報(bào)表生成等。

圖4 測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)城市軌道交通的發(fā)展，交流傳動(dòng)技術(shù)也將逐步發(fā)展成熟，有必要建立一個(gè)性能優(yōu)良的試驗(yàn)平臺(tái)以便對(duì)交流傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行研究、開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證。本文提出了一種能量互饋式城市軌道車輛交流傳動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)方案，該交流傳動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性好、可靠性高的特點(diǎn)，完全適應(yīng)我國(guó)城市軌道交通發(fā)展的需求。此系統(tǒng)可進(jìn)行牽引特性和牽引控制試驗(yàn)，制動(dòng)特性和制動(dòng)控制試驗(yàn)，逆變器工作特性試驗(yàn)，列車在預(yù)定線路預(yù)定載荷及司機(jī)手柄位控制下運(yùn)行的實(shí)時(shí)模擬試驗(yàn)。另外，還可以進(jìn)行軌道車輛電力牽引及電制動(dòng)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。系統(tǒng)具有節(jié)能、工作可靠，精度高等特點(diǎn)。

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