董世昌 宋彩云 王儉樸 屈 敏 毛 元

(1.南京工程學(xué)院汽車與軌道交通學(xué)院,211167,南京; 2.蘭州交通大學(xué)機(jī)電技術(shù)研究所,730070,蘭州;3.正德職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與機(jī)電工程系,211106,南京; 4.曼谷北部大學(xué)中文國(guó)際學(xué)院,10220,曼谷;5.國(guó)網(wǎng)南京市江北新區(qū)供電公司,211899,南京∥第一作者,博士研究生)

關(guān)于電機(jī)對(duì)拖試驗(yàn)平臺(tái)的研究論文很多。有的論文根據(jù)現(xiàn)有公司開發(fā)的工具,建立了可視化的電機(jī)對(duì)拖試驗(yàn)平臺(tái),該平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)開環(huán)和閉環(huán)2種不同的控制方式,也可通過改變串聯(lián)到負(fù)載電機(jī)上的負(fù)載電阻值來調(diào)節(jié)負(fù)載的大小[2]。有的論文通過圖形化編程LabVIEW軟件的可視化輸出結(jié)果,分析永磁同步電機(jī)的振動(dòng)和波形[3]。

本文搭建的城軌列車牽引制動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)采用三相交流電機(jī)對(duì)拖和公共直流母線技術(shù),結(jié)合LabVIEW軟件,模擬城軌列車的運(yùn)行狀態(tài),并展示從牽引到制動(dòng)全過程牽引電機(jī)和直流母線各個(gè)參數(shù)的變化情況。

1 試驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)成及基本原理

本文搭建的城軌列車牽引制動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)由公共直流母線系統(tǒng)和測(cè)試控制(以下簡(jiǎn)稱“測(cè)控”)系統(tǒng)2個(gè)部分組成,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中:公共直流母線系統(tǒng)由若干個(gè)子系統(tǒng)組成,主要包括公共直流母線驅(qū)動(dòng)型變頻器、制動(dòng)電阻單元、牽引電機(jī)、負(fù)載電機(jī)及2個(gè)對(duì)拖電機(jī)的變頻控制器[4];測(cè)控系統(tǒng)的硬件主要采用扭矩儀,通過阿爾泰數(shù)據(jù)采集卡(型號(hào)為USB2831)完成數(shù)據(jù)采集并將數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī),最后通過LabVIEW軟件完成數(shù)據(jù)采集的可視化。測(cè)控系統(tǒng)不僅能夠完成電機(jī)對(duì)拖系統(tǒng)的遠(yuǎn)程啟動(dòng),對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)定,還能通過變頻器通信機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)在計(jì)算機(jī)上的實(shí)時(shí)顯示。在此基礎(chǔ)上,測(cè)控系統(tǒng)利用對(duì)牽引電機(jī)和負(fù)載電機(jī)的控制,實(shí)現(xiàn)了對(duì)列車起動(dòng)加速到勻速行駛再到電制動(dòng)等工況的模擬,并繪制相應(yīng)的參數(shù)圖形。

圖1 城軌列車牽引制動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

2 公共直流母線系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 公共直流母線系統(tǒng)的技術(shù)選型

公共直流母線技術(shù)目前大部分應(yīng)用于多電機(jī)交流調(diào)速,即使用1臺(tái)單獨(dú)的整流、回饋裝置(如公共直流母線驅(qū)動(dòng)型變頻器)為電機(jī)系統(tǒng)提供一定功率的直流電壓。由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的逆變器(變頻器)輸入端直接與公共直流母線相連,所以直流電經(jīng)過逆變器(變頻器)后即可驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)工作。若逆變器(變頻器)所驅(qū)動(dòng)的交流電機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài),則能量通過逆變器(變頻器)傳輸至直流母線上,此時(shí)連接在直流母線上的回饋裝置能夠在一定條件下將能量回收至電網(wǎng)。

目前我國(guó)除了北京地鐵1號(hào)線列車采用直流電機(jī)牽引外,其他城市軌道交通線路的列車均采用交流電機(jī)牽引。這是因?yàn)橄噍^于使用直流傳動(dòng)技術(shù),交流傳動(dòng)在能量使用效率和能量輸出功率上均具有明顯優(yōu)勢(shì)。此外,公共直流母線系統(tǒng)將所有的整流裝置集中在1個(gè)裝置內(nèi),該方式也使得公共直流母線系統(tǒng)相較于其他傳統(tǒng)的交流傳動(dòng)系統(tǒng)具有明顯的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。公共直流母線系統(tǒng)中,所有直流母線上掛載的逆變器(變頻器)輸入電壓均相同,且直流母線具有一定的儲(chǔ)能功能,所以采用直流傳動(dòng)技術(shù)的交流調(diào)速系統(tǒng)在性能上更為穩(wěn)定。

公共直流母線系統(tǒng)按能量是否有回饋進(jìn)行分類,可分為回饋型和無回饋型2個(gè)類別。其中:回饋型公共直流母線系統(tǒng)的前端單元能夠?qū)㈦娔芑仞佒岭娋W(wǎng)中,適合城軌列車頻繁起動(dòng)與制動(dòng)的應(yīng)用場(chǎng)景;無回饋型公共直流母線系統(tǒng)不能將電能反饋回電網(wǎng),列車電制動(dòng)時(shí)需要先將列車的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能。無回饋型公共直流母線系統(tǒng)一般將制動(dòng)能量通過電阻散熱的方式消耗掉,這不僅浪費(fèi)了能源,還需增加系統(tǒng)設(shè)備及列車負(fù)載。因此,本文搭建的城軌列車牽引制動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)采用回饋型公共直流母線系統(tǒng)。

2.2 公共直流母線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2為城軌列車牽引制動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)公共直流母線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。如圖2所示,公共直流母線系統(tǒng)以1臺(tái)VACON公司生產(chǎn)的NXP0165系列變頻器作為其驅(qū)動(dòng)單元,以2臺(tái)VACON公司生產(chǎn)的NX0125系列變頻器作為輔助。此外,該系統(tǒng)還結(jié)合了2臺(tái)ABB系列的三相異步電機(jī)(分別用作牽引電機(jī)和負(fù)載電機(jī)),以及制動(dòng)電阻單元、正弦濾波器、直流母線預(yù)充單元、扭矩儀、交流接觸器、熱繼電器及風(fēng)冷電機(jī)等電氣元件。

圖2 城軌列車牽引制動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)公共直流母線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

由圖2可知:牽引電機(jī)、負(fù)載電機(jī)經(jīng)由聯(lián)軸器直接同軸相連,二者均由變頻器驅(qū)動(dòng)。牽引電機(jī)變頻器與負(fù)載電機(jī)變頻器均工作在PID(比例、積分、微分)應(yīng)用模式下,牽引電機(jī)的控制方法為速度閉環(huán)控制,負(fù)載電機(jī)的控制方法為轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制。本文搭建的列車牽引制動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)中,牽引電機(jī)的調(diào)速控制設(shè)計(jì)選用回饋型公共直流母線形式。

從接受學(xué)的角度，我們可以讓學(xué)生在閱讀的基礎(chǔ)上思考安特萊夫的《默》和《齒痛》，屠格涅夫的《做臟活的工人和白手的人》與五四時(shí)期的中國(guó)文化氣候和文學(xué)思潮是否存在某種關(guān)聯(lián)？具體到魯迅，他接受了這些小說中哪些要素？又揚(yáng)棄了這些小說中的什么？為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的接受情形？

2.3 公共直流母線系統(tǒng)的硬件選擇

與常規(guī)干線鐵路不同,城市軌道交通線路最主要的特點(diǎn)是站間距較短(0.8～3.0 km/站)、列車旅行速度較高(35～40 km/h),這就使得城軌列車需要頻繁地起動(dòng)和制動(dòng),進(jìn)而要求城軌列車的牽引電機(jī)及其控制器均需具備優(yōu)良的性能?；谀暇┑罔F1號(hào)線在役列車上的牽引電機(jī),結(jié)合現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室的條件,本文搭建的城軌列車牽引制動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)選用的電機(jī)型號(hào)為ABB系列變頻調(diào)速三相異步電機(jī),其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 所選ABB系列變頻調(diào)速三相異步電機(jī)的技術(shù)參數(shù)

由于本文搭建的城軌列車牽引制動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)采用了公共直流母線技術(shù),所以試驗(yàn)系統(tǒng)中需要選用2種類型的變頻器(共計(jì)3臺(tái)),即:將1臺(tái)VACON公司公共直流母線型驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品NXP0165系列變頻器作為主變頻器,將2臺(tái)VACON公司生產(chǎn)的NX0125系列變頻器作為副變頻器,用以控制牽引電機(jī)和負(fù)載電機(jī)。

圖3為本文搭建的城軌列車牽引制動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)圖,圖中包含了對(duì)拖交流電機(jī)的控制器,以及與電機(jī)相連的各種傳感器。交流電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)經(jīng)由對(duì)應(yīng)的傳感器測(cè)出,然后將數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)采集卡,最后將數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)。數(shù)據(jù)經(jīng)過LabVIEW軟件進(jìn)行濾波、分析及擬合后,其結(jié)果可在上位機(jī)的面板上顯示出來。

本文以實(shí)際測(cè)得的南京地鐵1號(hào)線列車運(yùn)行數(shù)據(jù)為依據(jù),所測(cè)數(shù)據(jù)主要包括不同站間的列車運(yùn)行時(shí)間、牽引加速度、不同站間列車勻速行駛時(shí)間及速度、制動(dòng)減速度等,設(shè)計(jì)出貼合列車運(yùn)行實(shí)際狀態(tài)的試驗(yàn)仿真程序。通過選擇接入負(fù)載電機(jī)的電阻值來實(shí)現(xiàn)載客量大小的設(shè)定,列車滿載時(shí)的電阻值最小,列車空載時(shí)的電阻值最大。由圖3還可以明顯看出,本試驗(yàn)采用牽引電機(jī)的體積要小于實(shí)際使用的列車牽引電機(jī)的體積。

3 試驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試結(jié)果分析

3.1 參數(shù)設(shè)定

本試驗(yàn)平臺(tái)主要利用USB2831板卡來實(shí)現(xiàn)LabVIEW軟件對(duì)電機(jī)及變頻器的控制和監(jiān)測(cè)。本文以再生制動(dòng)試驗(yàn)為例,介紹LabVIEW軟件的應(yīng)用。圖4是城市軌道交通列車再生制動(dòng)試驗(yàn)程序的主界面截圖,界面的左邊是控制和顯示按鈕,右邊是圖像繪制及顯示窗口。

圖4 城市軌道交通列車再生制動(dòng)試驗(yàn)程序主界面截圖

圖4界面左上角的區(qū)間曲線選擇選項(xiàng)中設(shè)了3條經(jīng)典曲線以供選擇,這3條曲線均為南京地鐵某2個(gè)車站之間列車的實(shí)際運(yùn)行曲線。不同公司生產(chǎn)的城市軌道交通列車有不同的阻力計(jì)算公式,本試驗(yàn)平臺(tái)共有7個(gè)不同的阻力計(jì)算公式以供選擇?？瓦\(yùn)量可以選擇空載、輕載、滿載和過載4種情況。動(dòng)車數(shù)和拖車數(shù)有2種模式可供選擇,分別為中國(guó)南車股份有限公司生產(chǎn)車輛的“4動(dòng)2拖”模式和中國(guó)北車股份有限公司生產(chǎn)車輛的“3動(dòng)3拖”模式。左下角的3個(gè)控制選項(xiàng)卡中:給定參數(shù)選項(xiàng)用以讀取南京地鐵某2個(gè)車站間列車運(yùn)行的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩參數(shù);列車參數(shù)選項(xiàng)用以顯示列車單節(jié)車廂的動(dòng)車質(zhì)量和拖車質(zhì)量;設(shè)備手動(dòng)控制按鈕用以在程序運(yùn)行過程中啟動(dòng)/關(guān)閉程序。

圖4界面右側(cè)有4個(gè)圖像輸出窗口,其中:直流母線電壓窗口為傳感器實(shí)際測(cè)得的直流母線電壓波形;電流(含回路電流和母線電流)窗口分別為傳感器實(shí)際測(cè)得的制動(dòng)電阻回路電流波形和母線電流波形;輸出轉(zhuǎn)速窗口為電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速波形;輸出轉(zhuǎn)矩窗口為電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩波形。再以輸出轉(zhuǎn)矩窗口為例進(jìn)一步說明圖像輸出的具體含義,其縱坐標(biāo)是轉(zhuǎn)矩(單位是Nm),橫坐標(biāo)是時(shí)間(單位是0.1 s),右上角顯示框內(nèi)數(shù)字顯示實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩值。

3.2 輸出測(cè)試結(jié)果

設(shè)定好參數(shù)后,運(yùn)行試驗(yàn)設(shè)備,可得到牽引電機(jī)和直流母線的實(shí)測(cè)參數(shù)結(jié)果,如圖5所示。

圖5 牽引電機(jī)和直流母線的實(shí)測(cè)參數(shù)結(jié)果

由圖5可知:

1)t1—t5為列車完整的牽引、勻速行駛、制動(dòng)過程耗時(shí),此過程中直流母線電壓為恒定值。

2)t1—t3區(qū)段為列車的牽引起動(dòng)過程。其中:t1—t2區(qū)段為轉(zhuǎn)矩迅速上升至恒定值的過程(又稱為恒轉(zhuǎn)矩加速過程),該時(shí)段轉(zhuǎn)速勻加速增大,直流母線電流快速增大到最大值;t2—t3區(qū)段為轉(zhuǎn)矩以圓弧形式下降的過程(又稱為恒功率加速過程),該時(shí)段電機(jī)轉(zhuǎn)速仍在增大,但加速度開始逐漸減小,直流母線電流變化不大。

3)t3—t4區(qū)段為轉(zhuǎn)矩以近似為0的正值運(yùn)行的勻速過程。該時(shí)段電機(jī)轉(zhuǎn)速以近似恒定值運(yùn)行,直流母線電流保持稍大于0的值。

4)t4—t5區(qū)段為轉(zhuǎn)矩為負(fù)的恒定值的反向制動(dòng)過程。該時(shí)段電機(jī)轉(zhuǎn)速勻速減小,直流母線電流絕對(duì)值逐漸減小。

3.3 平臺(tái)應(yīng)用效果分析

由上文可知:通過該試驗(yàn)平臺(tái)可模擬城軌列車在空載和不同負(fù)載下的牽引力和制動(dòng)力的變化情況,也可模擬列車不同運(yùn)行區(qū)間下的運(yùn)行狀態(tài)。該平臺(tái)基于LabVIEW軟件對(duì)直流母線電流、制動(dòng)電阻電流、直流母線電壓、交流電機(jī)轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,將采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,生成轉(zhuǎn)速特性曲線及轉(zhuǎn)矩特性曲線,并以圖形化形式展現(xiàn)在上位機(jī)上。展示的圖形貼近城軌列車實(shí)際的牽引制動(dòng)工況,能夠清晰地展示列車加速、勻速和減速的過程。

4 結(jié)語

本文基于LabVIEW圖形化編程軟件、交流電機(jī)對(duì)拖技術(shù)和公共直流母線技術(shù),根據(jù)列車的實(shí)際運(yùn)行參數(shù),搭建了低成本的城軌列車牽引制動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái),建立了試驗(yàn)所需的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)基本參數(shù)的采集、記錄和圖形化展示等功能。

通過熟悉和使用該試驗(yàn)平臺(tái),可以使城市軌道交通相關(guān)專業(yè)的學(xué)生加深對(duì)列車牽引傳動(dòng)和控制技術(shù)等理論知識(shí)的理解程度。城軌列車牽引制動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)沒有采用實(shí)際列車上使用的電機(jī),該做法可避免采購(gòu)大型調(diào)壓設(shè)備和各類控制柜,節(jié)省了實(shí)驗(yàn)室空間,但能夠取得預(yù)想的應(yīng)用效果。