王 鑫 孫開意 孫樹鑫 吳 江 張國宏

(中車唐山機(jī)車車輛有限公司 河北 唐山 063035)

出口安哥拉米軌內(nèi)燃動車組為動力分散式電傳動內(nèi)燃動車組，其設(shè)計速度為100 km/h，最高運行速度為80 km/h。標(biāo)準(zhǔn)編組方式為四輛編組，頭車為動車，中間車為拖車，可實現(xiàn)三列重聯(lián)運行。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)組成

該內(nèi)燃動車組采用先進(jìn)的動力總成技術(shù)，每輛動車車下設(shè)置有一臺柴油發(fā)電機(jī)組，為動車組牽引、輔助供電提供能源。牽引系統(tǒng)采用交-直-交方式，為DC750 V電壓等級系統(tǒng)，主要由主發(fā)電機(jī)、牽引變流器、牽引電機(jī)和制動電阻組成。

動車組采用架控方式，由兩個相對獨立的牽引單元組成，每個牽引單元包括1臺主發(fā)電機(jī)、1臺牽引變流器、4臺牽引電機(jī)和1臺制動電阻，主發(fā)電機(jī)發(fā)出的三相交流電經(jīng)整流器整流，輸出直流電經(jīng)逆變器逆變出電壓和頻率可變的電源給牽引電機(jī)供電，牽引電機(jī)通過齒輪箱等機(jī)械傳動裝置驅(qū)動動車組運行，牽引單元系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 牽引單元系統(tǒng)框圖

1.2 牽引特性

在無風(fēng)、平直道、AW1載重條件下，牽引特性曲線如圖2所示。

圖2 牽引特性曲線

1.3 主要參數(shù)

1.3.1主發(fā)電機(jī)

主發(fā)電機(jī)采用三相無刷勵磁同步發(fā)電機(jī)，自通風(fēng)冷卻。通過調(diào)整柴油機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速和勵磁控制器勵磁電流，實現(xiàn)控制主發(fā)電機(jī)輸出三相交流電壓和中間直流電壓的目的。主發(fā)電機(jī)主要參數(shù)如下：額定容量，332 kVA；額定電壓，650 V；額定電流，295 A；額定轉(zhuǎn)速，1 800 r/min；額定頻率，90 Hz。

1.3.2整流器

整流器安裝在牽引變流器內(nèi)部，采用三相全波橋式不控整流，同時配置有電壓和電路傳感器，用于三相交流電壓和電流檢測。主要參數(shù)如下：額定輸入電壓，3AC650 V；輸入電壓范圍，3AC430 V～3AC650 V；額定輸出電壓，DC750 V；輸出電壓范圍，DC500 V～DC900 V；額定功率，320 kW。

1.3.3牽引逆變器

牽引逆變單元由電壓電流傳感器、接地檢測裝置、支撐電容、電阻、功率模塊等元器件組成，功率模塊采用IGBT功率元件。牽引控制單元采用高速微機(jī)控制，具有牽引控制、故障記錄和自診斷功能。主要參數(shù)如下：額定輸入電壓，DC750 V；額定輸出功率，2×150 kW；輸出電壓范圍，3AC0～550 Vrms；輸出頻率范圍，0～200 Hz。

1.3.4牽引電機(jī)

牽引電機(jī)采用三相鼠籠式異步電動機(jī)，全封閉自冷卻，適用于由電壓源逆變器供電，采用變頻變壓(VVVF)調(diào)速。每個動車設(shè)有2個動力轉(zhuǎn)向架，每個動力轉(zhuǎn)向架設(shè)有2個牽引電機(jī)，牽引電機(jī)上裝有速度傳感器和溫度傳感器。主要參數(shù)如下：額定功率，60 kW；額定電壓，475 V；額定電流，95 A；額定轉(zhuǎn)速，1 217 r/min；額定頻率，41 Hz；絕緣等級，200級。

1.3.5制動電阻

制動電阻將車輛電制動時的能量轉(zhuǎn)化為熱能，安裝于車頂部，采用自然冷卻方式。主要參數(shù)如下：電阻阻值(20 ℃)，2.665 Ω(+7%,-5%)；最大功率，280 kW；額定電壓，DC 750 V；最高工作溫度，550 ℃。

1.4 控制原理

安哥拉米軌內(nèi)燃動車組在牽引控制方面采用功率控制方式實現(xiàn)。司機(jī)控制器按照需求劃分不同擋位，每個擋位對應(yīng)柴油機(jī)不同轉(zhuǎn)速，根據(jù)柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)特性曲線確定不同轉(zhuǎn)速下可使用的輸出功率。司機(jī)控制器擋位信號通過硬線和網(wǎng)絡(luò)傳輸給柴油機(jī)控制器、勵磁控制器和牽引控制單元。

勵磁控制裝置主控制器采用數(shù)字式勵磁控制系統(tǒng)，其主要是通過改變或控制發(fā)電機(jī)的勵磁電流大小從而控制同步發(fā)電機(jī)的輸出電壓。其工作原理為：將采樣得到的發(fā)電機(jī)電壓反饋值與電壓給定值進(jìn)行比較后得到差值，經(jīng)PID調(diào)節(jié)器后輸出PWM脈沖信號來控制功率驅(qū)動器件的輸出電壓，從而調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵磁電流，保持發(fā)電機(jī)輸出電壓在整個功率范圍內(nèi)滿足要求，如圖3所示。

圖3 勵磁控制原理圖

逆變器控制采用轉(zhuǎn)差型矢量控制方法，進(jìn)行轉(zhuǎn)矩和磁通的解耦控制，使得系統(tǒng)動態(tài)性能近似于直流電機(jī)的調(diào)速性能，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)好，控制精度高，保證列車運行時系統(tǒng)響應(yīng)快速、運行平穩(wěn)。牽引變流器采集司控器級位指令，計算出對應(yīng)給定級位的指令轉(zhuǎn)矩，通過反饋的車速信號得到指令磁鏈，轉(zhuǎn)矩與磁鏈的實際值與指令值的差分別作為PI調(diào)節(jié)的輸入，得到指令勵磁電流與指令轉(zhuǎn)矩電流，再與經(jīng)過坐標(biāo)變換后的實際勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流相減進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，得到參考電壓，經(jīng)過坐標(biāo)變換作為空間矢量調(diào)制(SVPWM)模塊的輸入，將其進(jìn)行基于統(tǒng)一電壓調(diào)制技術(shù)的空間矢量調(diào)制，即可得到控制逆變器的IGBT脈沖信號，由此實現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩和磁鏈的解耦控制，如圖4所示。

圖4 逆變器控制原理圖

2 系統(tǒng)的故障保護(hù)

2.1 勵磁控制器

勵磁控制裝置具有自診斷、自保護(hù)功能，通過外部信號判斷當(dāng)前主發(fā)電機(jī)的運行狀態(tài)進(jìn)行勵磁保護(hù)，出現(xiàn)故障時，勵磁控制裝置能自動判斷和動作。勵磁保護(hù)可實現(xiàn)三相交流輸出過壓保護(hù)、三相交流輸出過流保護(hù)、過載保護(hù)、缺相保護(hù)、欠壓保護(hù)等。

當(dāng)勵磁控制器判斷上述任何故障產(chǎn)生后，與之對應(yīng)的故障信號繼電器動作，輸出相應(yīng)的故障信號。

2.2 牽引控制單元

牽引系統(tǒng)在運行過程中 TCU 實時監(jiān)控逆變器及其自身的各種狀態(tài)信息，在發(fā)生異常時，根據(jù)故障嚴(yán)重程度的不同，將故障進(jìn)行分級，依據(jù)故障等級判斷故障并作出相應(yīng)的保護(hù)動作。主要包括中間電壓過壓、中間電壓欠壓、中間直流過流、逆變器輸出過流、逆變器輸出缺相、斬波電流過流、接地故障、傳感器故障、驅(qū)動故障、冷卻故障、通訊故障、牽引電機(jī)傳感器故障、牽引電機(jī)過溫等等。

2.3 冗余設(shè)計

為保證列車安全可靠的運行，動車組動力牽引系統(tǒng)采用冗余設(shè)計，當(dāng)其中某一個設(shè)備出現(xiàn)故障時，會降低動車組性能，如表1所示。

表1 動車組冗余性

3 試驗驗證

3.1 地面試驗

牽引系統(tǒng)地面組合試驗針對安哥拉內(nèi)燃動車組牽引系統(tǒng)性能進(jìn)行驗證，包括不同擋位設(shè)置下的勵磁發(fā)電試驗、牽引電機(jī)牽引轉(zhuǎn)矩特性試驗和電制動轉(zhuǎn)矩特性試驗、滿轉(zhuǎn)矩掃描等。

3.1.1勵磁發(fā)電試驗

安哥拉內(nèi)燃動車組在發(fā)電工況下劃分為8個擋位，包含怠速位和7擋牽引位，怠速時發(fā)電機(jī)輸出能夠滿足整車輔助供電負(fù)載供電需求，牽引擋位根據(jù)柴油機(jī)特性劃分為7個擋位，最高擋位滿足圖2所示的牽引特性，發(fā)揮最大牽引能力。發(fā)電機(jī)發(fā)電時勵磁電流要求不超過10 A，表2所示為地面試驗測試結(jié)果，能夠滿足設(shè)計要求。

表2 不同擋位下勵磁發(fā)電數(shù)據(jù)

3.1.2轉(zhuǎn)矩特性試驗

地面組合試驗時測得不同擋位下的電機(jī)熱態(tài)時牽引轉(zhuǎn)矩特性和電制動轉(zhuǎn)矩特性曲線。

3.1.3滿轉(zhuǎn)矩掃描試驗

以轉(zhuǎn)矩最大值作為參考，在牽引和電制動兩種工況下，電機(jī)速度從低速點開始到最大轉(zhuǎn)速后，再到制動檢測整個速度范圍內(nèi)變化的轉(zhuǎn)矩特性波形。

3.2 裝車試驗

牽引系統(tǒng)裝車后，在靜態(tài)和動態(tài)情況下進(jìn)行了試驗驗證。靜態(tài)試驗主要是方向識別、牽引和電制動擋位識別、牽引使能指令接收等。動態(tài)試驗用于驗證整車牽引性能，主要包括列車加速度測試、防滑防空轉(zhuǎn)試驗。

3.2.1平均加速度試驗

動車組在平直道上從V1加速到V2，所用時間為Δt，則從V1到V2的平均加速度按下式計算：

式中：a為平均加速度，m/s2；V2、V1為列車運行速度，km/h；Δt為列車從V1加速到V2所用的時間，s。

0～20 km/h起動平均加速度計算時，V2=20 km/h，V1=0。

3.2.2防空轉(zhuǎn)滑行試驗

列車停在試驗線路一端，將司機(jī)控制器手柄快速推到牽引最高擋啟動列車，使列車速度迅速提升。到達(dá)目標(biāo)速度后，將牽引手柄拉回至電制動最高擋位，施加最大電制動直至停車。

施加牽引力和電制動力的同時，在動車組前進(jìn)方向的車輪踏面和鋼軌前噴灑減摩液，使輪軌間形成低黏著狀態(tài)。

采集動車組運行速度、動車組前進(jìn)方向的第一軸的軸速、動車組前進(jìn)方向的第一軸牽引電機(jī)某一相的相電流。

牽引工況下動軸發(fā)生空轉(zhuǎn)時，系統(tǒng)能對空轉(zhuǎn)進(jìn)行有效抑制；當(dāng)空轉(zhuǎn)消失時，動車組能夠盡快恢復(fù)牽引力。電制動工況下動軸發(fā)生滑行時，系統(tǒng)能對滑行進(jìn)行有效抑制；當(dāng)滑行消失時，動車組能夠盡快恢復(fù)制動力。

4 總結(jié)

安哥拉米軌內(nèi)燃動車組通過地面聯(lián)調(diào)、現(xiàn)場調(diào)試、試驗與線路運行，牽引系統(tǒng)能夠滿足設(shè)計要求，并且關(guān)鍵設(shè)備能夠可靠運行，冗余設(shè)計提高了動車組的安全系數(shù)，為以后內(nèi)燃動車牽引系統(tǒng)設(shè)計提供參考。