李勇斌，李博韜，李國鋒，周秀芳，黃堅

（1.中車永濟電機有限公司，陜西 西安 710015；2.上海電機學(xué)院電子信息學(xué)院，上海 201306；3.江蘇今創(chuàng)車輛有限公司，江蘇 常州 213012）

隨著高鐵運營里程的快速發(fā)展，鐵總提出確保在窗口時間內(nèi)完成百公里2.5%～3.5%長大坡道高鐵線路檢修需求，而現(xiàn)有鐵路檢修用重型軌道車牽引系統(tǒng)多為機械、液力或直流傳動，持續(xù)牽引力小且無電阻制動功能。長大坡道牽引力不足會導(dǎo)致無法在窗口時間內(nèi)完成牽引作業(yè)任務(wù)，在空氣制動長時投入工況閘瓦和輪對踏面產(chǎn)生的高溫和劇烈磨損會帶來輪對弛緩和制動過溫失效危險。為滿足高鐵線路安全檢修需求，文獻[1]研制完成一種新型交流牽引系統(tǒng)并應(yīng)用在功率1 040 kW、最高運行速度120 km/h的鐵路重型軌道車上，通過5 000 km線路運行考核測試，具備長大坡道持續(xù)大牽引力爬坡和持續(xù)大轉(zhuǎn)矩電阻制動下坡能力，滿足高鐵線路檢修需求。交流電傳動系統(tǒng)（以下簡稱電傳動系統(tǒng)）由柴油機、主輔發(fā)電機組、牽引變流器系統(tǒng)、軌道車控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)組成。交流牽引系統(tǒng)與傳統(tǒng)直流系統(tǒng)相比具有牽引制動功率大、恒功率速度范圍寬、啟動牽引力大、黏著利用率高、維護方便等優(yōu)點。交流傳動軌道車屬國內(nèi)首次研制，牽引計算暫無明確標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，本文借鑒干線交流機車牽引計算規(guī)程[2]，闡述了軌道車交流牽引系統(tǒng)計算方法，并通過半實物仿真測試和整車臺架滾動驗證了計算的符合性。

1 牽引系統(tǒng)方案設(shè)計

整車設(shè)計輸入技術(shù)指標(biāo)如下：柴油機輸出功率P=1 040 kW；控制方式軸控；軸式B0-B0；整車裝備質(zhì)量（黏著重量）Pμ=80 t；軸重20 t；牽引整流輸出直流母線電壓Udc=1 800 V；半磨耗輪徑Dk=880 mm；齒輪傳動比μc=94/23；最高運行速度vmax=120 km/h；啟動牽引力Fqmax≥200 kN；持續(xù)牽引力Fc≥150 kN；全轉(zhuǎn)速范圍轉(zhuǎn)矩精度偏差≤5%。

1.1 主電路方案

借鑒文獻[3]中EMD-HXN3型干線內(nèi)燃機車牽引系統(tǒng)主電路方案，牽引逆變器架控模式改進為軸控方式[4]，牽引電機故障損失冗余能力由50%提升到25%，相比架控單軸電機的控制也更為精準(zhǔn)。電傳動系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 電傳動系統(tǒng)原理圖Fig.1 Diagram of electric traction system

依據(jù)主電路方案和整車設(shè)計輸入?yún)?shù)，計算出圖1電傳動系統(tǒng)原理圖中主發(fā)電機、牽引電機關(guān)鍵參數(shù)作為主發(fā)電機、整流裝置、牽引逆變器和牽引電機及制動電阻柜設(shè)計依據(jù)，并依據(jù)干線機車的牽引制動特性經(jīng)驗公式計算出軌道車的牽引和制動特性參數(shù)曲線，并通過牽引逆變器軟件控制算法實現(xiàn)軌道車牽引制動輸出特性。

1.2 系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)計算

1）輪軸標(biāo)稱功率（Pz）。標(biāo)稱功率作為軌道車4臺牽引電機的額定輸出功率初步計算依據(jù)，由公式：

式中：Pz為軌道車輪軸標(biāo)稱功率，kW；P為軌道車柴油機功率，kW；Pf為軌道車輔助功率，kW，一般取P×10%計算[2]；η為軌道車電傳動系統(tǒng)效率，內(nèi)燃機車η通常取0.84。

計算出輪軸標(biāo)稱功率Pz結(jié)果為

則1/4輪軸標(biāo)稱功率即計算得到牽引電機額定功率Pm為

2）持續(xù)速度（vc）。持續(xù)速度是考核機車最大牽引力所能持續(xù)運行的最低速度，通常作為牽引特性恒轉(zhuǎn)矩和恒功曲線拐點，是機車牽引特性設(shè)計關(guān)鍵參數(shù)之一，由計算公式：

推導(dǎo)出：

式中：Fc為持續(xù)牽引力，取150 kN；vc為持續(xù)速度，km/h。

3）黏著牽引力（Fμ）。黏著牽引力是機車滿載牽引工況，輪對不破壞軌道黏著發(fā)生空轉(zhuǎn)所能產(chǎn)生的最大臨界牽引力，做為機車最大啟動牽引力設(shè)計指標(biāo)參考。

根據(jù)計算公式：

當(dāng)v=0時，經(jīng)計算得到啟動黏著牽引力為

式中：Fμ為黏著牽引力，kN；Pμ為軌道車黏著重量，取值80 t；μ為黏著系數(shù)；v為軌道車速度，km/h。

4）啟動牽引力（Fqmax）。啟動牽引力是機車可發(fā)揮的最佳啟動牽引性能指標(biāo)，也是牽引特性設(shè)計關(guān)鍵參數(shù)之一，由計算公式：

式中：Fqmax為啟動牽引力，kN；λ為牽引力系數(shù)，為使軌道車在既滿足Fqmax≥200 kN又不破壞黏著基礎(chǔ)上能發(fā)揮最佳啟動牽引能力，選取λ=0.86。則啟動牽引力Fqmax計算結(jié)果為

5）主發(fā)電機額定輸出功率（Pe）[4]。額定輸出功率是發(fā)電機設(shè)計主要參數(shù)之一，由公式：

式中：Pe為主發(fā)額定輸出功率，kW；P為柴油機輸出功率，kW；ηe為主發(fā)電機效率，取0.93。得到主發(fā)電機額定輸出功率Pe計算結(jié)果為

6）主發(fā)電機額定輸出電壓（Ue）。額定輸出電壓是發(fā)電機設(shè)計關(guān)鍵參數(shù)，由公式：

得到主發(fā)電機額定輸出電壓Ue計算結(jié)果為

式中：Ue為額定輸出電壓，V；Udc為牽引整流輸出直流母線電壓，V。

7）牽引電機啟動轉(zhuǎn)矩（Tq）。根據(jù)計算公式：

推導(dǎo)出牽引電機啟動轉(zhuǎn)矩計算值為

式中：μc為齒輪傳動比；Z為牽引電機臺數(shù)，取值4；Tq為牽引電機啟動轉(zhuǎn)矩，N ?m；ηg為齒輪箱效率，取0.975.

8）牽引電機額定轉(zhuǎn)速（n）。由計算公式：

推導(dǎo)出牽引電機額定轉(zhuǎn)速計算結(jié)果為

9）牽引電機額定轉(zhuǎn)矩（Mn）。額定轉(zhuǎn)矩是電機設(shè)計關(guān)鍵參數(shù)之一，由計算公式：

式中：Mn為牽引電機額定轉(zhuǎn)矩。

取Fc=150 kN，牽引電機額定轉(zhuǎn)矩計算結(jié)果為

10）牽引電機恒功最高轉(zhuǎn)速（npmax）。由計算公式：

推導(dǎo)出牽引電機恒功最高轉(zhuǎn)速計算結(jié)果為

11）牽引電機額定功率（Pm）。由公式：

推導(dǎo)出牽引電機額定功率Pm計算結(jié)果為

1.3 牽引制動特性

牽引制動特性代表軌道車的牽引和制動性能，同時也是軌道車控制軟件計算的依據(jù)。

1.3.1 牽引特性

牽引特性由啟動牽引力曲線、持續(xù)牽引力曲線和恒功牽引力曲線三部分組成，如下式：

式中：Fq1為軌道車啟動牽引力；Fq2為軌道車持續(xù)牽引力；Fq3為恒功牽引力。

則牽引力Fq為

根據(jù)式（13）、式（14），可以得到0～120 km/h軌道車牽引力Fq的曲線數(shù)據(jù)。

1.3.2 能耗制動特性

能耗制動特性由最大制動力曲線、恒力矩制動曲線和恒功率制動力曲線組成，如下式：

式中：Fz1為恒力距制動力；Fz2為輪周最大制動力；Fz3為持續(xù)輪周制動力。

則制動力Fz為

根據(jù)式（15）、式（16），可以得到120～5 km/h區(qū)間軌道車制動力Fz曲線數(shù)據(jù)，且v＜5 km/h區(qū)間制動力線性歸零。

上述計算結(jié)果形成表1牽引計算數(shù)據(jù)和表2能耗制動數(shù)據(jù)。

表1 牽引計算數(shù)據(jù)Tab.1 Traction calculation data

表2 能耗制動計算數(shù)據(jù)Tab.2 Dynamic braking calculation data

1.3.3 牽引/制動特性曲線

根據(jù)表1、表2計算數(shù)據(jù)，繪制出牽引制動特性曲線如圖2所示。

圖2 牽引/制動特性Fig.2 Traction/braking characteristics

圖2中，軌道車啟動牽引力Fqmax=220 kN，恒功率持續(xù)速度vc=18 km/h，恒功率速度點牽引力Fc=200 kN，恒制動力Fz1=150 kN，5～20 km/h為恒制動力區(qū)，20 km/h以上為恒功制動力區(qū)。

通過以上計算，我們得到了整車牽引系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)。并將其作為牽引系統(tǒng)大部件電氣設(shè)計依據(jù)。

2 牽引系統(tǒng)控制

將圖2的牽引制動特性曲線算法植入軌道車牽引控制器內(nèi)部，通過軟件控制牽引逆變器驅(qū)動牽引電機，讓軌道車按照設(shè)計好的特性曲線運行。

牽引控制包含牽引和能耗制動兩種特性工況。在牽引工況時，文獻[5]控制器保證各檔位控制軌道車按牽引特性運行，圖3為牽引工況控制框圖。在能耗制動工況時，控制器保證軌道車按照能耗制動特性曲線運行，圖4為制動工況控制框圖。

圖3 牽引工況控制框圖Fig.3 Diagram of traction control mode

圖4 制動工況控制框圖Fig.4 Diagram of dynamic braking control mode

牽引逆變器全速度范圍內(nèi)采用轉(zhuǎn)子磁場定向的間接矢量控制，分段矢量控制的控制框圖如圖5所示，電機在整個速度范圍分為低速區(qū)L、中速區(qū)M和高速區(qū)H，不同速度區(qū)段的劃分如圖6所示。

控制算法和調(diào)制算法相互獨立，實現(xiàn)勵磁電流給定單元、轉(zhuǎn)矩指令給定單元、復(fù)矢量電流控制、電壓重構(gòu)、磁鏈觀測器、弱磁控制策略、磁場定向校正策略、相角控制器和二次脈動抑制等，具有優(yōu)良的動、靜態(tài)性能。

圖5 矢量控制原理圖Fig.5 Schematic diagram of the vector control

圖6 電機全速度范圍內(nèi)的控制策略Fig.6 Full speed range control strategy of motor

3 試驗數(shù)據(jù)及分析

3.1 牽引系統(tǒng)HiGale半實物仿真

1）牽引檔位切換特性。測試工況：牽引電機轉(zhuǎn)速固定200 r/min，由LCU控制輸出0→8檔，檔位間切換對應(yīng)不同的轉(zhuǎn)矩值，半實物仿真監(jiān)控界面觀測的電機轉(zhuǎn)矩和時間波形如圖7所示。表3中數(shù)據(jù)為1～8檔時刻的仿真牽引轉(zhuǎn)矩測試數(shù)據(jù)。

表3 仿真牽引轉(zhuǎn)矩測試數(shù)據(jù)表Tab.3 Simulation of traction torque test data

圖7 牽引特性Fig.7 Traction characteristics

2）牽引掃頻特性。測試工況：固定8檔位，轉(zhuǎn)速掃頻上升和下降過程為5 km/h→120 km/h→5 km/h，半實物仿真監(jiān)控界面觀測的電機電流波形如圖8所示。

圖8 5 km/h→120 km/h→5 km/h速度掃描仿真試驗波形Fig.8 Speed＆current for 5 km/h→120 km/h→5 km/h of speed scanning

3）制動檔位切換特性。測試條件：母線電壓Udc=1 200 V；制動工況，牽引電機轉(zhuǎn)速保持在200 r/min，由LCU控制輸出0檔→4檔→0檔，檔位間切換對應(yīng)不同的轉(zhuǎn)矩值，半實物仿真監(jiān)控界面觀測的轉(zhuǎn)矩波形如圖9所示。表4中數(shù)據(jù)為1～4檔位能耗制動仿真測試數(shù)據(jù)。

圖9 給定轉(zhuǎn)速為200 r/mim能耗制動仿真波形Fig.9 Speed＆torque for 200 r/min of dynamic braking

表4 仿真能耗制動測試數(shù)據(jù)表Tab.4 Simulation of Dynamic Braking test data

4）制動掃頻特性。測試工況：制動工況，檔位固定4檔，轉(zhuǎn)速掃頻上升和下降過程為5 km/h→120 km/h→5 km/h，半實物仿真監(jiān)控界面觀測的電機轉(zhuǎn)矩波形如圖10所示。

圖10 5 km/h→120 km/h→5 km/h速度掃頻制動仿真波形Fig.10 Speed＆torque for 5 km/h→120 km/h→5 km/h of dynamic Braking

仿真結(jié)論：1）波形數(shù)據(jù)顯示，軌道車全轉(zhuǎn)速范圍牽引電機電流和轉(zhuǎn)矩波形平滑穩(wěn)定；牽引電機轉(zhuǎn)矩和功率與設(shè)計值偏差＜1%；2）牽引滿手柄8檔位，能耗制動滿手柄4檔位，速度掃描波形和數(shù)據(jù)顯示，波形平滑，速度切換點穩(wěn)定無沖擊。

3.2 臺架滾動試驗

軌道車整車通過地面滾動試驗臺[6]牽引運行試驗，全面驗證電傳系統(tǒng)牽引和制動功率特性設(shè)計符合性。

1）牽引檔位切換特性。圖11為不同轉(zhuǎn)速下牽引電機轉(zhuǎn)矩、電流波形。測試工況：軌道車運行速度固定在5 km/h，50 km/h，65 km/h和70 km/h，司機控制器輸出1檔→8檔，檔位間切換對應(yīng)不同的轉(zhuǎn)矩值，采用DL850波形記錄儀觀測電機電流波形。表5中數(shù)據(jù)為軌道車各運行速度下8檔時刻的牽引轉(zhuǎn)矩實測數(shù)據(jù)。

圖11 不同轉(zhuǎn)速下牽引電機轉(zhuǎn)矩、電流波形Fig.11 Current＆torque for different speeds

表5 牽引轉(zhuǎn)矩測試數(shù)據(jù)表Tab.5 Traction torque test date

2）牽引掃頻特性。測試工況：檔位固定8檔，轉(zhuǎn)速掃頻上升和下降過程為120 km/h→50 km/h→120 km/h，DL850波形記錄儀實測的電機電流、轉(zhuǎn)矩波形如圖12所示。

圖12 牽引滿功率掃頻試驗波形Fig.12 Torque＆current for full power traction of speed scanning mode

3）制動檔位切換特性。制動工況：5 km/h→30 km/h→120 km/h制動加載波形，檔位間切換對應(yīng)不同的轉(zhuǎn)矩值，DL850波形記錄儀觀測的電機電流、轉(zhuǎn)矩波形如圖13所示。表6中數(shù)據(jù)為4檔位能耗制動實際測試數(shù)據(jù)。

圖13 滿功率能耗制動試驗波形Fig.13 Torque＆current for full power dynamic braking

表6 能耗制動測試數(shù)據(jù)表Tab.6 Dynamic braking test date

4）制動速度掃頻特性。測試工況：制動工況，檔位固定4檔，轉(zhuǎn)速掃頻的上升和下降過程為40 km/h→120 km/h→40 km/h，DL850波形記錄儀實測的電機電流、轉(zhuǎn)矩、速度波形。速度掃描恒功特性如圖14所示。

圖14 40 km/h→120 km/h→40 km/h能耗制動掃頻Fig.14 Torque，current＆speed for 40 km/h→120 km/h→40 km/h of dynamic braking speed scanning mode

綜合以上，得出整車臺架試驗結(jié)論如下：①波形數(shù)據(jù)顯示，軌道車持續(xù)速度點牽引電機電流和轉(zhuǎn)矩波形平滑穩(wěn)定；牽引電機轉(zhuǎn)矩和功率與設(shè)計值偏差＜5%。②牽引滿手柄8檔位，能耗制動滿手柄4檔位，速度掃描波形和數(shù)據(jù)顯示，波形平滑，速度切換點穩(wěn)定無沖擊。③恒功區(qū)內(nèi)速度平穩(wěn)，功率波動范圍＜2.5%。

4 結(jié)論

通過對比牽引計算數(shù)據(jù)和仿真試驗數(shù)據(jù)及整車臺架測試真實數(shù)據(jù)，軌道車牽引和制動工況各檔位切換在7～18 km/h速度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)，偏差＜5%；18～120 km/h恒功率區(qū)牽引轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)，電流穩(wěn)定，波動范圍＜2.5%。牽引和能耗制動滿手柄位掃頻過程電流穩(wěn)定、轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)。

一種新型交流傳動重型軌道車牽引系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)，通過試驗數(shù)據(jù)測試滿足設(shè)計要求。