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        基于飛輪-發(fā)電機(jī)組慣量模擬系統(tǒng)研究

        2021-09-10 07:22:44楊韜
        交通科技與管理 2021年14期
        關(guān)鍵詞:飛輪發(fā)電機(jī)組

        楊韜

        摘 要:隨著鐵路交通的蓬勃發(fā)展,如何對(duì)機(jī)車(chē)的性能進(jìn)行完整而高效的測(cè)試是目前提高鐵路運(yùn)能所面對(duì)的重要問(wèn)題。運(yùn)用機(jī)車(chē)滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)是一種高效的整車(chē)測(cè)試方法,能減少機(jī)車(chē)的線路測(cè)試時(shí)間,大幅度提高測(cè)試效率。在運(yùn)用機(jī)車(chē)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(duì)機(jī)車(chē)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(guò)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(duì)機(jī)車(chē)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(chē)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)時(shí),其對(duì)制動(dòng)過(guò)程的模擬是能否測(cè)試出機(jī)車(chē)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(chē)進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)時(shí),不進(jìn)行慣量模擬,機(jī)車(chē)停車(chē)角速度曲線將嚴(yán)重偏離實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中角速度曲線[1]。

        常見(jiàn)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(guó)內(nèi)外關(guān)于機(jī)車(chē)慣量模擬的參考文獻(xiàn)極少,機(jī)車(chē)作為大功率多軸驅(qū)動(dòng)制動(dòng)車(chē)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(lài)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(chē)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(lái)源,將機(jī)車(chē)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(zhuān)門(mén)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(duì)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(kāi),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(chē)開(kāi)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(chē)輪對(duì)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(chē)。

        1.2 系統(tǒng)模型建立

        整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程分為兩步:空載牽引試驗(yàn)過(guò)程與制動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程??蛰d牽引試驗(yàn)是將機(jī)車(chē)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(chē)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(duì)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(duì)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(duì)數(shù),為拖動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)差率。

        由式(3)可看出,通過(guò)調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)M0的頻率能實(shí)現(xiàn)對(duì)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(chē)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(shì)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(shì)由勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)和電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)合成。當(dāng)勵(lì)磁電流改變時(shí),勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)就會(huì)改變,那么合成氣隙磁動(dòng)勢(shì)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(guò)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的大小,來(lái)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(guò)程

        拖動(dòng)電機(jī)組通過(guò)軌道輪帶動(dòng)機(jī)車(chē)輪對(duì)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(guò)程中,令機(jī)車(chē)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(chē)運(yùn)行速度為v,質(zhì)量為m,停車(chē)時(shí)間為T(mén),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(chē)時(shí)間為T(mén),則根據(jù)能量守恒定律有:

        由以上推導(dǎo)過(guò)程可以看出,機(jī)車(chē)的動(dòng)能、停車(chē)時(shí)間T、飛輪的慣量、制動(dòng)力之間存在相互關(guān)系,通過(guò)機(jī)車(chē)動(dòng)能與制動(dòng)力大小,可以推算出機(jī)車(chē)停車(chē)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(guò)程。

        3 試驗(yàn)結(jié)果分析

        通過(guò)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(duì)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(chē)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(guò)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(chē)。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(chē)。

        4 結(jié)束語(yǔ)

        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(guò)程的能量來(lái)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(chǎng)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(chē)制動(dòng)試驗(yàn)與牽引試驗(yàn)分開(kāi)獨(dú)立控制,減小了牽引變流器控制難度。

        參考文獻(xiàn):

        [1]張水文.CRH1型動(dòng)車(chē)慣量模擬縮比系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].中南大學(xué),2010.

        [2]莫志勇,張為公,吉同舟.汽車(chē)機(jī)械慣量電模擬技術(shù)[J]. 中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào),2009,17(1):123-126.

        [3]周洪旋.制動(dòng)器試驗(yàn)臺(tái)電慣量系統(tǒng)控制方法研究[D].吉林大學(xué),2005.

        [4]宗許寧.G-M拖動(dòng)系統(tǒng)起動(dòng)與調(diào)速的研究及應(yīng)用[D].同濟(jì)大學(xué),2013.

        [5]李曉尚.交流牽引異步電機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)研究[D].北京交通大學(xué),2010.

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