牵引电传动系统联调试验平台的研究与搭建

鲁曹丹彤， 王　力

（中车永济电机公司， 山西　永济　044500）

引言

当前，随着电力电子器件、数字信号处理、数据采集、实时仿真和控制等技术的发展，交流传动系统已经取代直流传动系统成为主要的轨道交通牵引电传动。为了更好地验证变流器硬件设计、方便进行牵引系统参数优化以及控制算法性能验证，需要搭建联调试验平台。本文分析了几种交流传动联调试验系统的优缺点，最终根据公司现有试验设备基于互馈型系统搭建了某动车组牵引系统联调试验平台，并验证了平台的可行性。

1　牵引电传动系统联调试验平台

为测试各种电机的性能，国内外研究了各种测功机[1]。交流传动试验系统基本原理与测功机相似，但根本的区别在于后者更多时候只是为了测试电机，而前者则是要实现整个牵引系统包括牵引变压器、牵引变流器、牵引控制器和牵引电机的测试，也就是说，试验系统更加复杂，功能更加完善。为了实现交流传动系统的试验，各种牵引电传动联调试验系统相继出现。目前，国内外常见的联调试验系统主要有四类：能量消耗型、能量反馈型、飞轮负载型和能量互馈型[2]。

1.1　能量消耗型联调试验系统

能量消耗型试验系统主要分为两种方式：第一种如图1-1所示，在牵引电机轴上直接接一个可产生阻力矩的阻力设备，通过调节阻力设备的参数，相当于调节阻力矩大小，从而达到模拟实际负载的目的；第二种如图1-2所示，负载系统由一个直流发电机和一个电阻构成，直流发电机发出的电能通过电阻消耗，通过调节直流发电机的励磁电流来调节牵引电机的负载转矩。

优点：一是系统结构简单；二是直流发电机调节转矩方便。

缺点：一是阻力设备只能模拟负载的稳态过程，很难准确模拟负载的动态过程；二是牵引电机输出动能都被摩擦过程中转变成热能，造成能量浪费。

1.2　能量反馈性联调试验系统

图1　能耗型联调试验系统结构图

能量反馈型试验系统由机组构成能量反馈系统，如图2所示，牵引电机M1带动直流发电机G1，直流发电机供电给直流电动机M2，直流电动机带动交流发电机G2发电，反馈给电网[3]。

优点：可将部分电能反馈给电网，节约能量，提高效率。

缺点：一是设备多，投资大；二是控制难度高，负载调控对象多，调控复杂，易出现超调造成系统振荡；三是负载电机中由于有直流发电机，转速受换向器的影响，难以测试牵引电机的高速阶段。

图2　反馈型联调试验系统结构图

1.3　飞轮负载型联调试验系统

飞轮负载型联调试验系统原理很简单，在牵引电机轴上对接一个飞轮，来模拟实际负载的机械惯性[4]。

优点：系统稳定性好。

缺点：一是难以进行稳态试验；二是能量消耗大，造成能量浪费。

1.4　能量互馈型联调试验系统

能量互馈型联调试验系统主要分为两种方式：第一种如图3所示，由双变频器和双电机构成对拖系统，电机对接实现机械能传递；一套工作在电动状态，另一套就工作在发电状态，直流互联实现电能传递，直流环节通过隔离整流单元与电网隔离[5]。

图3　互馈型联调试验系统结构图

优点：一是直流侧能量循环可降低大功率试验对四象限整流器和电网容量的要求；二是极大地节省了能量。

缺点：直流侧的调节相对难控制。

第二种互馈型方式如图4所示，其原理是在牵引电机输出轴上对接一个交流异步电机作为负载电机，该负载电机由负载变流器控制其转速和转矩，并将电能通过一个负载变压器反馈回电网[6-8]。

图4　互馈型联调试验系统结构图

优点：一是能量直接反馈回电网，节约了电能；二是牵引电机的转速控制简单。

缺点：负载使用设备多，一次性投资大。

2　动车组系统联调试验平台搭建

针对工厂现有设备平台，对系统部件进行比较和系统分析的基础上，采用能量互馈型第二种平台方式，搭建某动车组系统联调地面试验台。

2.1　试验原理

该动车组系统联调试验原理：额定工况下25 kV单相电源（单相电源范围17.5～31 kV）经过牵引变压器给牵引变流器供单相交流电，通过四象限整流器和逆变器，向牵引电动机提供三相变频变压交流电，一组牵引变流器拖动4台牵引电机。2台牵引电动机通过齿轮箱带动1台负载电机，然后通过载四象限变流器和整流变压器将能量反馈10 kV电网。牵引集成单元主电路图如图5所示。

图5　牵引集成单元主电路图

2.2　联调试验系统结构

该联调试验系统结构图如图6所示，主要分为两部分：牵引辅助系统和负载拖动系统。

图6　联调试验系统结构图

牵引辅助系统：网侧电压由电网10 kV三相电通过三变单变压器和有载调压器提供，进入牵引变压器变压后供给牵引变流器，通过四象限整流器和逆变器，向牵引电机提供三相变频变压交流电，1套牵引变流器为4台牵引电机供电。试验中的牵引变流器为牵引辅助一体的变流器，辅变由中间直流母线供电，通过三相逆变、经正弦波滤波后输出三相AC 380 V/50 Hz电压。

表1　牵引辅助系统主要技术参数

负载系统：三相交流10 kV网压经降压变压器变为交流690 V，经整流模块整流为直流电压923～980 V，再经逆变器模块逆变为可调的交流电压和频率。两台负载交流异步电机，每台负载电机通过飞轮、齿轮箱（变比为3.3:1）拖住两台牵引电机，每台负载电机由两个负载变流器控制，1号变流器控制负载电机转速，2号变流器控制负载电机转矩。两台变流器存在主、从控制的关系，主控转速，从控转矩。能量由负载变流器通过负载变压器反馈到10 kV电网。

表2　负载系统主要技术参数

通风冷却系统：动车组系统联调试验平台还包含一些通风冷却的辅助设备，包括牵引变压器和变流器本体冷却单元、牵引电机风机、负载电机风机、辅助负载风机等。

3　平台验证

3.1　试验控制台主要功能

该联调试验台采用部件分体式，即供电电源、显示器部件不采用控制台柜体嵌入方式，各部件全部置于现有办公操作平台上使用。该系统的集成单元模拟量信号不进行直接采集，通过MVB网络、以太网将控制部件采集到的信号二次传送即可。TCU和ACU供电、通讯独立实现，保证调试期间牵引和辅助试验可以独立进行，为集成单元控制部件及试验台分体部件提供不间断供电功能。

3.2　控制系统

电机组的运行速度或轴转矩调节方式为：通过调节负载变流器的速度给定（变比为3.3∶1），调节电机组的运行转速；通过调节牵引变流器的转矩给定，调节电机组的转矩。根据互馈试验系统原理可知，为调高双电机的高性能控制，就必须采用转速和转矩的闭环控制。该联调系统是安装的速度和转矩传感器，但实际使用中发现传感器的安装不仅导致系统成本增加、体积增大、其性能也易受工作环境的影响，且传感器是引起系统故障的主要原因之一。因此无传感器控制技术的研究迫在眉睫，无传感器控制技术是采用无传感器的转速、转矩和磁链的联合观测器，利用采集的定子电流、电压信号进行在线估计，从而进行转速和转矩的闭环控制。

3.3　联调试验平台验证

系统联调试验台搭建形成后，分别进行了牵引辅助变流器型式试验和组合试验。牵引辅助变流器型式试验完成了包括轻载试验、换流试验、负载突变试验、均流试验、输出特性试验、启动与重启动试验和短路试验等。组合试验已完成牵引电机转矩特性试验、满转矩扫频试验、组合系统效率特效试验、牵引供电电压突变试验以及各种保护试验等。经过大量试验验证该联调系统可以模拟动车实际运行工况，实现牵引系统参数以及控制算法的优化，满足试验要求。

4　结语

本文在对比分析现有几种具有代表性的交流传动联调试验系统的基础上，最终基于互馈型系统搭建了某动车组牵引系统联调试验平台。利用该试验台模拟动车运行工况完成了包括保护试验、牵引制动特性试验等，结果证明此联调系统可以方便进行牵引系统参数优化以及控制算法性能验证，满足试验要求。试验中也发现了一些问题，如牵引变流器逆变器输出电流偏小或过流，表明速度闭环控制有待进一步完善；试验中速度传感器和扭矩仪采集信号不准确等。相信这些问题在试验站后期完善中能圆满解决。

[1]张桂香，罗乾超.交流电力测功机的方案研究[J].铁道学报，1999，21（1）：102-104.

[2]刁立军，刘志刚，沈茂盛，等.交流传动试验系统方案综述[J].电气传动，2007，37（9）：3-7.

[3]Bose B K.Modern Power Electronics and AC Drivers[M].American:Prentice-Hall，2002.

[4]张林德.异步牵引电机互馈试验系统研究[D].成都：西南交通大学，2005.

[5]高铭新.大功率交流试验台新方案探讨[J].铁道机车车辆，1999（2）：48-53.

[6]霍连文，郭建斌.采用双变流器-电机能量互馈的交流传动系统[J].机车电传动，2004（4）：50-52.

[7]梁裕国.机车交流传动试验系统研究[J].机车电传动，2003（6）：48-53.

[8]郑琼林，林飞.现代轨道交通与交流传动互馈试验台[J].电工技术学报，2005，20（1）：21-25.