楊韜

摘 要：隨著鐵路交通的蓬勃發(fā)展，如何對機(jī)車的性能進(jìn)行完整而高效的測試是目前提高鐵路運(yùn)能所面對的重要問題。運(yùn)用機(jī)車滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)是一種高效的整車測試方法，能減少機(jī)車的線路測試時(shí)間，大幅度提高測試效率。在運(yùn)用機(jī)車滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)制動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，必須對機(jī)車運(yùn)行慣量進(jìn)行模擬，以盡量確保動(dòng)態(tài)試驗(yàn)制動(dòng)過程工況與實(shí)際線路上運(yùn)行時(shí)制動(dòng)工況的一致性。本文提出了一種基于飛輪-發(fā)電機(jī)組的慣量模擬方式對機(jī)車制動(dòng)特性進(jìn)行模擬試驗(yàn)研究，并搭建了小功率慣量模擬試驗(yàn)臺(tái)，取得了較好的試驗(yàn)研究成果。

關(guān)鍵詞：滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái);飛輪;發(fā)電機(jī)組;慣量模擬

0 引言

運(yùn)用滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行機(jī)車動(dòng)態(tài)試驗(yàn)時(shí)，其對制動(dòng)過程的模擬是能否測試出機(jī)車各方面性能參數(shù)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。從圖1中可以看出，如果機(jī)車進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)時(shí)，不進(jìn)行慣量模擬，機(jī)車停車角速度曲線將嚴(yán)重偏離實(shí)際運(yùn)行過程中角速度曲線[1]。

常見的慣量模擬的方式有：機(jī)械慣量模擬、電慣量模擬以及機(jī)電混合模擬[2-3]。國內(nèi)外關(guān)于機(jī)車慣量模擬的參考文獻(xiàn)極少，機(jī)車作為大功率多軸驅(qū)動(dòng)制動(dòng)車型，運(yùn)行慣量大且分散，傳統(tǒng)機(jī)械慣量模擬存在占地面積大、軸距調(diào)整困難、慣量調(diào)節(jié)操作麻煩。另外，電慣量模擬需要依賴牽引變流器的控制，受各種摩擦力、風(fēng)阻、傳動(dòng)單元慣量不確定等非線性因素，機(jī)車制動(dòng)模型難以精準(zhǔn)建立。

本文提出了一種基于飛輪-發(fā)電機(jī)組的慣量模擬方式，該方式仍采用飛輪作為制動(dòng)能量來源，將機(jī)車各軸慣量模擬所需的飛輪片進(jìn)行集中管理，單獨(dú)設(shè)置專門的飛輪慣量模擬室，解決了傳統(tǒng)機(jī)械慣量模擬的弊端;同時(shí)相對電慣量模擬方式，能夠?qū)崿F(xiàn)牽引與制動(dòng)試驗(yàn)相互分開，減小牽引變流器的制動(dòng)實(shí)驗(yàn)控制難度。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)主要由變頻器、原動(dòng)機(jī)、飛輪組、同步發(fā)電機(jī)及勵(lì)磁裝置、機(jī)械聯(lián)接部件等組成，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。制動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，變頻器驅(qū)動(dòng)原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)及發(fā)電機(jī)發(fā)電，發(fā)電機(jī)輸出至拖動(dòng)電機(jī)組。當(dāng)拖動(dòng)電機(jī)組到達(dá)所需制動(dòng)速度時(shí)，機(jī)車開始進(jìn)行制動(dòng)（空氣制動(dòng)、電制動(dòng)），同時(shí)切掉變頻器，此時(shí)，由于飛輪已存儲(chǔ)相應(yīng)的動(dòng)能，飛輪將釋放存儲(chǔ)的動(dòng)能拖動(dòng)發(fā)電機(jī)繼續(xù)發(fā)電，驅(qū)動(dòng)拖動(dòng)電機(jī)組繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)車輪對在制動(dòng)力與拖動(dòng)電機(jī)的反向驅(qū)動(dòng)力下緩慢停車。

1.2 系統(tǒng)模型建立

整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程分為兩步：空載牽引試驗(yàn)過程與制動(dòng)試驗(yàn)過程。空載牽引試驗(yàn)是將機(jī)車拖動(dòng)至制動(dòng)所需初速度;制動(dòng)試驗(yàn)是實(shí)現(xiàn)機(jī)車在模擬的運(yùn)行慣量下進(jìn)行制動(dòng)試驗(yàn)。

1.2.1 牽引模型

原動(dòng)機(jī)M0轉(zhuǎn)速為：

其中，為M0的定子電壓頻率，為M0極對數(shù)，為M0轉(zhuǎn)差率。

當(dāng)發(fā)電機(jī)以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，發(fā)電機(jī)端電壓頻率為：

其中，為G0極對數(shù)。

設(shè)M1、M2 ... Mn具有相同的電機(jī)參數(shù)，則各拖動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速均為：

其中，為拖動(dòng)電機(jī)極對數(shù)，為拖動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)差率。

由式（3）可看出，通過調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)M0的頻率能實(shí)現(xiàn)對拖動(dòng)電機(jī)組的速度控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)機(jī)車速度控制。

同步發(fā)電機(jī)G0端電壓幅值為[4]：

其中，為磁動(dòng)勢基波的繞組系數(shù)，為同步發(fā)電機(jī)合成氣隙磁通。

當(dāng)同步發(fā)電機(jī)帶電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，由于電樞反應(yīng)，氣隙磁動(dòng)勢由勵(lì)磁磁動(dòng)勢和電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢合成。當(dāng)勵(lì)磁電流改變時(shí)，勵(lì)磁磁動(dòng)勢就會(huì)改變，那么合成氣隙磁動(dòng)勢也必定會(huì)改變，從而合成氣隙磁通也改變，由式（4）可知，合成氣隙磁通改變，在其它條件不變的情況下，同步發(fā)電機(jī)的端電壓也必將改變。故當(dāng)原動(dòng)機(jī)M0的頻率一定時(shí)，可以通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的大小，來調(diào)節(jié)拖動(dòng)電機(jī)組定子電壓的大小。

1.2.2 制動(dòng)過程

拖動(dòng)電機(jī)組通過軌道輪帶動(dòng)機(jī)車輪對穩(wěn)定運(yùn)行后，飛輪儲(chǔ)存的能量為：

式中，表示飛輪的慣量，表示飛輪的角速度，表示飛輪的轉(zhuǎn)速。

制動(dòng)過程中，令機(jī)車各軸施以相同制動(dòng)力進(jìn)行制動(dòng)，且制動(dòng)力恒定，等效到各拖動(dòng)電機(jī)軸的制動(dòng)力矩為。設(shè)機(jī)車運(yùn)行速度為v，質(zhì)量為m，停車時(shí)間為T，忽略整個(gè)系統(tǒng)機(jī)械損耗、各種阻力，由能量守恒定律有：

以拖動(dòng)電機(jī)M1為例進(jìn)行分析，設(shè)拖動(dòng)電機(jī)M1轉(zhuǎn)速為，則：拖動(dòng)電機(jī)M1輸出功率為：

發(fā)電機(jī)輸出至單臺(tái)拖動(dòng)電機(jī)的功率為：

式中，為電機(jī)M1效率。

從而可算出拖動(dòng)電機(jī)M1輸入電流：

式中，為發(fā)電機(jī)輸出電壓，為拖動(dòng)電機(jī)功率因數(shù)。

進(jìn)一步算出同步發(fā)電機(jī)輸出電流：

進(jìn)一步推算出同步發(fā)電機(jī)G0的輸出功率：

式中，為電機(jī)M1效率，為電機(jī)組功率因數(shù)。

同步發(fā)電機(jī)G0的輸入功率為：

設(shè)停車時(shí)間為T，則根據(jù)能量守恒定律有：

由以上推導(dǎo)過程可以看出，機(jī)車的動(dòng)能、停車時(shí)間T、飛輪的慣量、制動(dòng)力之間存在相互關(guān)系，通過機(jī)車動(dòng)能與制動(dòng)力大小，可以推算出機(jī)車停車時(shí)間與飛輪慣量的大小。

2 慣量模擬試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)圖原理圖與實(shí)物圖如圖5所示。機(jī)組M01、M02、M03與機(jī)組M11、M12、M13采用“背靠背”形式聯(lián)接[5]，可靈活地實(shí)現(xiàn)牽引-制動(dòng)過程。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過變頻器控制原動(dòng)機(jī)M00驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)G00發(fā)電，拖動(dòng)電機(jī)組M01、M02、M03轉(zhuǎn)速達(dá)到882 r/min后，變頻器轉(zhuǎn)矩控制對電機(jī)組M11、M12、M13給定相同轉(zhuǎn)矩（90%額定）指令;待系統(tǒng)帶載運(yùn)行穩(wěn)定運(yùn)行后停止驅(qū)動(dòng)M00， M11、M12、M13保持轉(zhuǎn)矩輸出，模擬電制動(dòng)，待機(jī)組轉(zhuǎn)速接近零時(shí)，停止M11、M12、M13轉(zhuǎn)矩輸出。記錄機(jī)組M01、M02、M03停車時(shí)間。

結(jié)果分析：三臺(tái)拖動(dòng)電機(jī)的制動(dòng)曲線基本一致，以拖動(dòng)電機(jī)M01的制動(dòng)曲線做分析，從圖6中可以看出，在制動(dòng)過程中，由于飛輪慣量帶動(dòng)發(fā)電機(jī)繼續(xù)發(fā)電，M01將緩慢停車。且在25 s之前，保持一定減速度勻減速運(yùn)行，25 s之后由于此時(shí)飛輪轉(zhuǎn)速較低，發(fā)電機(jī)發(fā)電不足以驅(qū)動(dòng)拖動(dòng)電機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，故出現(xiàn)速度陡降至完全停車。

4 結(jié)束語

本文提出的基于飛輪-發(fā)電機(jī)組慣量模擬系統(tǒng)，利用飛輪作為制動(dòng)過程的能量來源，根據(jù)飛輪-發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)特性，將各軸的飛輪集中進(jìn)行管理，便于現(xiàn)場安裝，減小了軸距調(diào)整裝置的容量，降低了慣量調(diào)節(jié)增減飛輪片的難度;同時(shí)機(jī)車制動(dòng)試驗(yàn)與牽引試驗(yàn)分開獨(dú)立控制，減小了牽引變流器控制難度。

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