劉三帥，侯小剛，王西強(qiáng)，師海峰

（1.株洲中車(chē)時(shí)代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001；2.寶雞中車(chē)時(shí)代工程機(jī)械有限公司，陜西 寶雞 721003）

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)高速鐵路快速建設(shè)并投入運(yùn)營(yíng)，高鐵線路接觸網(wǎng)性能、隧道參數(shù)、軌旁設(shè)備及新增設(shè)備維保的需求日益增加，既有綜合檢測(cè)車(chē)、接觸網(wǎng)檢測(cè)車(chē)、軌道檢測(cè)車(chē)和電務(wù)檢測(cè)車(chē)的不足日顯突出，以及鐵路部門(mén)工電供聯(lián)合作業(yè)要求，原有低速巡檢車(chē)很難滿(mǎn)足新形勢(shì)下高鐵客運(yùn)專(zhuān)線的維保發(fā)展需要，高速、節(jié)能以及集高速鐵路工務(wù)、電務(wù)、供電關(guān)鍵設(shè)備設(shè)施和沿線環(huán)境檢測(cè)監(jiān)測(cè)的綜合巡檢車(chē)[1]（簡(jiǎn)稱(chēng)巡檢車(chē)）成為鐵路維保系統(tǒng)的新需求。同時(shí)，在鐵路干線內(nèi)燃、電力機(jī)車(chē)及動(dòng)車(chē)組上，交流電傳動(dòng)牽引技術(shù)已經(jīng)得到了成熟的運(yùn)用，且交流電傳動(dòng)技術(shù)在起動(dòng)牽引力、牽引/制動(dòng)性能、黏著性能及效率等方面都有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)[2]。ZXJ-160型綜合巡檢車(chē)依托國(guó)鐵集團(tuán)科研課題《基于160 km/h軌道車(chē)的高鐵設(shè)備綜合檢測(cè)監(jiān)測(cè)分析及運(yùn)營(yíng)維護(hù)決策系統(tǒng)研究》，因此本文目標(biāo)為設(shè)計(jì)一套能夠滿(mǎn)足ZXJ-160型綜合巡檢車(chē)的內(nèi)燃交流電傳動(dòng)牽引系統(tǒng)。

1 主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)ZXJ-160型綜合巡檢車(chē)總體技術(shù)條件[1-2]要求，整車(chē)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。巡檢車(chē)牽引制動(dòng)特性曲線如圖1所示。

圖1 牽引/電制動(dòng)特性曲線Fig.1 Traction/electric braking characteristic curve

表1 主要性能參數(shù)Tab.1 Main performance parameters

2 牽引系統(tǒng)

巡檢車(chē)電氣牽引系統(tǒng)[2]主要目標(biāo)為將柴油發(fā)電機(jī)組的輸出能量傳遞到異步牽引電機(jī)和輪軸，以及在電阻制動(dòng)時(shí)將巡檢車(chē)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能并消耗在制動(dòng)電阻上，從而實(shí)現(xiàn)巡檢車(chē)的牽引及電阻制動(dòng)功能。同時(shí)微機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)整車(chē)的牽引邏輯控制、柴油機(jī)調(diào)速、柴油機(jī)恒功控制和整車(chē)故障診斷及保護(hù)功能。如圖2所示，電傳動(dòng)牽引系統(tǒng)包括主傳動(dòng)、輔助傳動(dòng)系統(tǒng)及微機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。

2.1 主傳動(dòng)系統(tǒng)

如圖2所示，巡檢車(chē)主傳動(dòng)系統(tǒng)主要由兩臺(tái)柴油主發(fā)電機(jī)、1臺(tái)牽引整流柜（含2個(gè)整流模塊）、1臺(tái)牽引變流柜（含2個(gè)逆變模塊）、4臺(tái)異步牽引電動(dòng)機(jī)、2臺(tái)制動(dòng)電阻裝置、1臺(tái)輔助濾波柜組成，每個(gè)主回路對(duì)應(yīng)1臺(tái)轉(zhuǎn)向架的2臺(tái)牽引電機(jī)，主回路相互獨(dú)立。

圖2 牽引系統(tǒng)組成示意圖Fig.2 Composition of electric drive system

通過(guò)主電路的“交直交”變換功能將柴油發(fā)電機(jī)的輸出功率通過(guò)牽引變流器、牽引電機(jī)傳遞到巡檢車(chē)的輪周，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的牽引，通過(guò)牽引變流器的斬波功能將輪軸的制動(dòng)能量傳遞給制動(dòng)電阻，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的電阻制動(dòng)。

根據(jù)巡檢車(chē)的牽引/電制動(dòng)特性及牽引發(fā)電機(jī)組輸出特性，并基于時(shí)代電氣既有的、成熟的牽引變流器產(chǎn)品平臺(tái)，確定主回路中間直流環(huán)節(jié)額定電壓值Ud為DC1500 V。

牽引逆變器主要電氣參數(shù)如表2所示。

表2 牽引變流器參數(shù)Tab.2 Traction converter main parameters

2.2 輔助交流系統(tǒng)

輔助交流系統(tǒng)包括牽引逆變柜中2個(gè)輔助逆變單元及其切換電路和輔助濾波柜（包括隔離變壓器及濾波電容）。2個(gè)輔助逆變單元分別從兩架的中間主回路取電，采用雙路冷備份控制，保證了牽引負(fù)載供電可靠性，通過(guò)2個(gè)輔助逆變單元及其切換電路，將其轉(zhuǎn)換為一路CVCF三相交流電，再經(jīng)輔助濾波柜輸出工頻380 V額定容量40 kVA，給2個(gè)柴油機(jī)水冷散熱風(fēng)機(jī)、2個(gè)柴油機(jī)中冷散熱風(fēng)機(jī)、2個(gè)牽引通風(fēng)機(jī)提供電源，每個(gè)散熱電機(jī)功率4 kW，共24 kW。

2.3 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

2.3.1主要組成

如圖2所示，MVB網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要由2套成熟運(yùn)用于內(nèi)燃機(jī)車(chē)的cPCI微機(jī)控制機(jī)箱（CCU）、1套牽引控制單元（DCU）、2個(gè)網(wǎng)關(guān)模塊（GWMe，其中1個(gè)熱備份）、1個(gè)事件記錄儀模塊（ERMe）及2個(gè)顯示器（IDU）組成；基于分布式網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，集控制、通信、監(jiān)視及診斷功能于一體，各部件之間MVB通信符合IEC61375標(biāo)準(zhǔn)。

CCU承擔(dān)整車(chē)邏輯控制與保護(hù)[2]，如圖3所示，根據(jù)司控器級(jí)位對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n和主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，來(lái)獲得需要的中間環(huán)節(jié)直流電壓；同時(shí)將當(dāng)前車(chē)速期望的輪軸牽引/制動(dòng)力矩傳遞給DCU。CCU同時(shí)負(fù)責(zé)牽引輔助負(fù)載的管理與驅(qū)動(dòng)控制。

圖3 CCU控制原理Fig.3 CCU control principle diagram

DCU承擔(dān)整車(chē)牽引傳動(dòng)級(jí)邏輯控制與保護(hù)[2][5]，如圖4所示，DCU接收CCU傳遞的牽引/制動(dòng)力矩，并對(duì)主回路中間直流環(huán)節(jié)電壓、變流器輸出電流等參數(shù)采集，同時(shí)結(jié)合牽引電機(jī)的特性及最大黏著力來(lái)控制逆變橋臂IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷，使?fàn)恳兞髌鬏敵銎谕淖冾l變壓（VVVF）三相交流電，最終實(shí)現(xiàn)巡檢車(chē)的最大牽引/電制動(dòng)特性控制。

圖4 DCU控制原理Fig.4 DCU control principle diagram

IDU的主要功能為實(shí)現(xiàn)巡檢車(chē)的人機(jī)通信與人機(jī)交互顯示功能。

GWMe實(shí)現(xiàn)對(duì)MVB網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換與管理[3]。整車(chē)配備了兩個(gè)完全相同的GWMe模塊，熱備份冗余，當(dāng)一個(gè)GWMe模塊故障時(shí)，另外一個(gè)GWMe模塊可直接接替其工作。

ERMe用于系統(tǒng)的運(yùn)行及故障事件記錄。

2.3.2牽引工況

牽引工況[2]下，CCU根據(jù)司控器擋位、當(dāng)前車(chē)速，以及該擋位下的牽引曲線、最大輪周功率等條件計(jì)算得到目標(biāo)輪軸牽引力，并將該輪軸牽引力轉(zhuǎn)換為目標(biāo)力矩發(fā)送給DCU。DCU根據(jù)CCU給定的目標(biāo)力矩，并綜合牽引電機(jī)牽引特性曲線限制、粘著力曲線限制等因素來(lái)控制逆變橋臂IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷，使?fàn)恳孀兤鬏敵鎏囟ǚ岛皖l率的交流電給牽引電機(jī)，電機(jī)產(chǎn)生期望的輪周牽引力實(shí)施車(chē)輛牽引。

2.3.3電制動(dòng)工況

電阻制動(dòng)功能減少了機(jī)械閘瓦磨損，增加了巡檢車(chē)的制動(dòng)系統(tǒng)安全性。進(jìn)行電阻制動(dòng)[2]時(shí)，CCU根據(jù)司控器擋位、當(dāng)前車(chē)速，以及該擋位下的電制動(dòng)特性曲線、最大制動(dòng)輪周功率等條件計(jì)算得到目標(biāo)輪軸制動(dòng)力，并將該輪軸制動(dòng)力轉(zhuǎn)換為目標(biāo)力矩發(fā)送給DCU。DCU根據(jù)CCU給定的目標(biāo)力矩，并綜合牽引電機(jī)制動(dòng)特性曲線限制、粘著力曲線限制等因素來(lái)控制逆變橋臂IGBT及斬波橋臂IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷，來(lái)產(chǎn)生期望的輪周制動(dòng)力實(shí)施電阻制動(dòng)。

3 調(diào)試與分析

3.1 怠速時(shí)輔逆無(wú)法啟動(dòng)

ZXJ-160型內(nèi)燃交流電傳動(dòng)巡檢車(chē)在裝車(chē)試驗(yàn)過(guò)程中，遇到空擋怠速工況下輔逆無(wú)法啟動(dòng)的問(wèn)題，從而無(wú)法啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)散熱風(fēng)機(jī)，經(jīng)分析原因是空檔怠速工況下柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為750 r/min，輔逆模塊的啟動(dòng)電壓最低要求為950 V，滿(mǎn)勵(lì)磁時(shí)中間電壓也未能達(dá)到輔逆啟動(dòng)最低電壓要求。

為解決該問(wèn)題，也考慮到節(jié)能，嘗試將柴油機(jī)怠速轉(zhuǎn)速升為850 r/min，將中間電壓[3]目標(biāo)值設(shè)為1000 V，輔逆搭載在二架上，如圖5所示，此時(shí)柴油機(jī)和中間電壓均能保持穩(wěn)定。在輔逆啟動(dòng)并且4個(gè)冷卻風(fēng)機(jī)一起工作的情況下，占空比為70%并能保持穩(wěn)定。

圖5 提高轉(zhuǎn)速效果Fig.5 Effect of increasing rotating speed

經(jīng)多次反復(fù)驗(yàn)證，通過(guò)將柴油機(jī)轉(zhuǎn)速由750 r/min調(diào)整為850 r/min，能使中間直流電壓在惰轉(zhuǎn)工況達(dá)到輔逆啟動(dòng)的電壓要求，惰轉(zhuǎn)狀態(tài)依然能保證柴油機(jī)散熱及經(jīng)濟(jì)性原則，滿(mǎn)足整車(chē)系統(tǒng)技術(shù)要求。

3.2 中間直流電壓振蕩

鐵路專(zhuān)用線試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)牽引工況下8擋目標(biāo)中間電壓DC1500 V時(shí)存在中間直流電壓振蕩現(xiàn)象，偏離目標(biāo)電壓最大幅度達(dá)200 V，影響了車(chē)輛的牽引性能，如圖6所示。

圖6 中間直流電壓振蕩Fig.6 Intermediate DC voltage oscillation

在問(wèn)題排除及試驗(yàn)過(guò)程中，首先排除由發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)引起的中間直流電壓震蕩問(wèn)題；其次從主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制[2]的角度查找問(wèn)題，對(duì)勵(lì)磁調(diào)節(jié)PWM頻率、勵(lì)磁限流電阻、PI控制參數(shù)等方面的數(shù)據(jù)進(jìn)行了改變與驗(yàn)證，從實(shí)際驗(yàn)證效果來(lái)看，8擋時(shí)中間直流電壓振蕩是無(wú)法消除的。

結(jié)合多次試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析為主發(fā)電機(jī)在1800轉(zhuǎn)時(shí)輸出時(shí)中間回路直流電壓選擇不合理，經(jīng)評(píng)估牽引變流器中間環(huán)節(jié)可在額定DC1600 V時(shí)正常工作，嘗試將其中一架8擋時(shí)中間直流目標(biāo)電壓調(diào)整為1600 V，實(shí)際多次驗(yàn)證結(jié)果如圖7所示，1架中間直流電壓波動(dòng)范圍在±50 V，而2架中間直流電壓波動(dòng)范圍在±150 V。

圖7 兩架直流電壓對(duì)比Fig7 Comparison of two DC voltages

再次同時(shí)將兩架8擋時(shí)中間直流目標(biāo)電壓調(diào)整為DC1600 V進(jìn)行多次反復(fù)驗(yàn)證，從多次反復(fù)驗(yàn)證結(jié)果可以看出（圖8），中間直流電壓振蕩問(wèn)題基本解決，滿(mǎn)足巡檢車(chē)電氣引系統(tǒng)控制要求，因此在第2.1節(jié)中間環(huán)節(jié)直流電壓選擇時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際調(diào)試情況調(diào)整額定中間直流電壓為DC1600 V。

圖8 兩架直流電壓穩(wěn)定Fig.8 Stability of two DC voltages

4 結(jié)束語(yǔ)

ZXJ-160型綜合巡檢車(chē)為國(guó)內(nèi)160 km/h運(yùn)行速度等級(jí)的內(nèi)燃電傳動(dòng)綜合巡檢車(chē)。在對(duì)內(nèi)燃電傳動(dòng)牽引系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試過(guò)程中，出現(xiàn)中間直流環(huán)節(jié)電壓振蕩的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)充分分析、逐漸改進(jìn)和多次驗(yàn)證，問(wèn)題得到了有效的解決。

2018年12 月電傳動(dòng)電氣牽引系統(tǒng)完成裝車(chē)調(diào)試及整車(chē)出廠例行試驗(yàn)，2019年順利通過(guò)鐵道科學(xué)研究院組織的整車(chē)型式試驗(yàn)，2020年7月至今在上海鐵路局進(jìn)行運(yùn)行考核。電傳動(dòng)牽引系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)表現(xiàn)良好。相比傳統(tǒng)液力傳動(dòng)巡檢車(chē)，該電傳動(dòng)綜合巡檢車(chē)速度等級(jí)高，運(yùn)行平穩(wěn)，安全可靠，下坡電阻制動(dòng)不涉及制動(dòng)閘瓦磨損，加之可前、后行駛，大大提高了維修天窗作業(yè)效率。型式試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用結(jié)果表明，電傳動(dòng)控制系統(tǒng)具有優(yōu)良的控制性能。必然會(huì)成為軌道巡檢車(chē)牽引系統(tǒng)升級(jí)換代的發(fā)展方向。