轴功率1 600 kW交流传动电力牵引系统的性能试验

2011-05-04姜悦礼

铁道机车车辆 2011年2期

姜悦礼

(中国北车集团大连电力牵引研发中心,辽宁大连116022)

中国北车集团统筹规划,实施了“大功率电力机车交流牵引传动系统”研究项目,并先后完成了电气系统集成设计、交流牵引传动系统、辅助传动系统、网络监控系统等关键技术的突破和产品研制,完成了牵引传动系统的地面联调试验,借助试验样车技术平台,开展了试验调试等研究工作。2009年10月单轴功率1 600 kW的牵引系统在大连电力牵引研发中心试验站顺利地完成了地面联调试验。2009年12月单轴功率1 600 kW的牵引系统顺利地通过了由中国北车集团公司组织的专家评审。

1 试验依据

本性能试验主要依据为IEC 61377-3《轨道交通机车车辆组合试验第3部分:间接变流器供电的交流电动机及其控制系统的组合试验》

IEC 61377-1～3是针对轨道交通机车车辆电传动系统的组合试验制定的国际电气工程标准。世界各国的机车车辆主要厂家,庞巴迪、西门子和阿尔斯通等也是依据该标准进行试验。TB/T 3117-2005《铁路应用机车车辆逆变器供电的交流电动机及其控制系统的综合试验》等同采用IEC 61377标准。

在IEC 61377-3中对交流传动系统的双变流器—异步电机组能量互馈试验方案进行了重点推荐。该试验系统具有能耗少、可试范围广、试验能力强等优点。与同步发电机组负载相比,双变流器—电机能量互馈试验系统具有设备投入少、占地面积小、运行噪声低、后期维护工作量少、应用范围广和低频段适应性强等优势。

2 试验线路和设备

2.1 试验线路

双变流器—电机能量互馈试验系统在国外应用较早,主要应用方式是采用两套相同的逆变器—异步电动机系统,通过中间直流环节传递能量进行试验,如庞巴迪、西门子、芬兰瓦萨等国外大公司对交流传动系统的试验都采用了这种试验方案。而本试验按照国际标准,采用先进的双变流器-异步电机组能量互馈试验线路,由于机车采用轴控技术,机车共有两台牵引变流器,每台牵引变流器内有两个变流功率单元和控制单元,采用控制单元单独控制的方式,可以分别使变流器功率单元1或单元2方便地运行在牵引或制动工况。因此,本试验系统的互馈方式采用牵引变压器次边的耦合方式。试验线路图如图1所示。

图1 电传动系统试验主电路连接图

试验的基本原则是将牵引变流器功率单元1作为被试对象,而将功率单元2作为陪试设备。

试验的基本原理:

(1)在进行牵引特性试验时,电能由牵引变压器次边到牵引变流器的功率单元1,经牵引变流器的功率单元1变换为电压、频率可调的三相交流电供给牵引电机M1,牵引电机M1拖动同轴连接的牵引电机M2运行。牵引电机M2发出的三相交流电经牵引变流器的功率单元2后返回牵引变压器次边。

(2)在进行制动特性试验时,牵引变流器的功率单元2将电能变换为电压、频率可调的三相交流电供给牵引电机 M2,牵引电机 M2拖动同轴连接的牵引电机M1,这时被试牵引电机M1作为发电机运行,所发出的三相交流电经牵引变流器的功率单元1返回牵引变压器次边。

2.2 试验设备

采用的试验和测试设备主要有:

(1)所需试验设备:陪试单相升压调压器1台、机车牵引变压器1台、机车牵引变流器1台、机车牵引电机2台,数据测量转接柜1台。

(2)所需测试设备:LEM测试仪1套、在线数据测试记录仪1台、电能质量分析仪1台、示波器1台。

2.2.1 陪试单相升压调压器TM1

额定容量:1 500 kVA;额定输入电压:6 300 V;额定输入电流:238 A;输出电压:17～31 kV连续可调;相数:单相;额定频率:50 Hz。

2.2.2 牵引变压器TM2

牵引变压器TM2采用机车牵引变压器,牵引变压器由1个网侧绕组、4个牵引绕组、2个供电绕组、2个辅助绕组组成。另外,为了方便冷却和使用,将4组2次滤波电抗器、2组辅助电抗器等也安装在牵引变压器油箱中。牵引变压器主要电气参数如表1。

表1 牵引变压器主要电气参数

2.2.3 牵引变流器U

额定输入电压:2 100 V;额定输入电流:911 A;输入频率:50±1 Hz;中间电压:DC 3 775 V;最高运用中间电压:DC 4 200 V;支撑电容:3×1 mF;2次滤波电容:3×1.33 mF;额定输出电压:3 AC 2 945 V。

2.2.4 交流电机 M1、M2

交流电机M1、M2采用机车用牵引电动机。

额定功率:1 640 kW;额定电压:2 945 V;额定电流:382 A;功率因数:0.88;额定转速:1 911 r/min;转差率:1%;额定频率:96.5 Hz;额定转矩:8 193 N◦m;最高转速:3 483 r/min;额定效率:95.6%;绝缘等级:200;极数:6。

2.2.5 转接柜A

内含数据采集电流、电压传感器等。

2.2.6 2次滤波电抗器L1、L2

2次滤波电抗器采用配套的机车2次滤波电抗器,该2次滤波电抗器设置在牵引变压器油箱中。

电感值:0.633 mH±2%;均方根电流:460 A(额定398 A 、最大490 A);数量:2。

2.2.7 扭矩传感器T

测量转矩范围0～15 000 N◦m,测量转速范围0～3 000 r/min(可以达到最高4 000 r/min),供电电压±15 V,转矩输出信号4～20 mA,转速输出信号为频率方波信号,可以同转矩转速测量仪相连接。

2.2.8 同步变压器TV1、TV2

同步变压器用于牵引变流器用的控制同步信号。

输入电压:340 V;输出电压:5 V;容量:20 VA;数量:2。

3 试验结果

3.1 牵引特性试验

在进行牵引特性试验时,按照以上控制原理,将牵引变流器功率单元1及交流电机M1设定在牵引状态运行。借助控制单元1的通信接口,通过模拟司机控制指令实现不同速度点的运行。记录下交流电机1的轴输出转矩,与目标转矩进行对比。牵引特性试验数据(见表2)。试验曲线见图2。

表2 牵引特性试验数据

图2 牵引特性试验曲线

3.2 制动特性试验

在进行制动特性试验时,按照以上控制原理,将牵引变流器功率单元1及交流电机M1设定在制动状态运行。借助控制单元2的通信接口,通过模拟司机控制指令实现不同速度点的运行。记录下交流电机1的轴输出转矩,与目标转矩进行对比。制动特性试验数据见表3,试验曲线见图3。

4 结束语

本次试验,采用了基于牵引变压器次边耦合的双变流器—异步电机组能量互馈方法,将这一试验方法应用到大功率交流传动系统的试验,在国内尚属首次。通过试验,对交流传动电力机车牵引系统的一些控制参数进行了调整;同时,也验证了基于牵引变压器次边耦合的双变流器—异步电机组能量互馈方法满足试验要求,达到试验目标,试验方法有效、可行;证明了大连电力牵引研发中心综合试验站的交流传动试验系统已具备了进行大型试验的能力。