一种交流传动内燃机车牵引系统试验平台

曲 强， 张广远， 吴志友

(中车大连电力牵引研发中心有限公司 电气产品开发部， 辽宁大连 116052)

随着铁路关键技术的不断提升，交流传动牵引系统已逐步成为内燃机车的主要发展方向。交流传动内燃机车牵引系统是一套极为庞大而又复杂的系统，要想能够较为快速而又深入的理解它，对于一名学生或者初学者来说，仅凭几份图纸以及教科书上的理论知识是远远不够的。然而，考虑到柴油机作为能量来源具有高能耗、高污染、结构复杂、对试验环境要求高等特点，要想搭建一套交流传动内燃机车牵引调试系统十分困难。因此，设计并搭建一套可以方便相关试验研究人员进行调试的交流传动内燃机车牵引系统具有十分重要的意义。

主要介绍了一种具有节能环保特点的交流传动内燃机车牵引系统试验平台，并对其系统的结构组成及工作原理、控制原理以及一些相关的技术特点进行了介绍。

1 交流传动内燃机车牵引系统试验平台结构及工作原理

该试验平台由两部分组成，一部分是试验平台主电路系统，另一部分是试验平台的上位机操控台。

1.1 试验平台主电路系统介绍

由一组带有单相四象限脉冲整流器的交直交变频器2、一组带有不控整流器的交直交变频器1、由拖动电机和无刷同步发电机构成的主发电机组、一个集成牵引和辅助控制单元于一体的牵引变流柜、牵引电机、陪试电机、制动电阻柜、辅助电阻负载或辅助风机负载、控制供电系统等部分组成。

如图1所示，本试验平台提供了一套与交流传动内燃机车电传动系统相同的变流器平台。其工作原理是主发电机组通过变频器2、以及电机间的机械能量转换将工业电网的电能传输到牵引变流柜中，从而使牵引变流柜带动牵引电机运行；而同时工业电网也为陪试变频器1供电，从而拖动陪试电机作为牵引电机的负载运行。另外，试验平台中的散热风机系统以及充电机也由牵引变流柜所提供能量；励磁系统则由充电机供电；变频器1和变频器2由同一个配电柜的电源供电，并且通过网络信号由操控台远程控制电源的输出。

图1 内燃机车牵引系统试验平台

当牵引电机运行在牵引工况时，变频器1带动主发电机组发电向外输出能量，带动牵引运行；陪试电机作为负载制动运行，其制动状态所产生的能量则通过变频器2回馈到电网中。而同时辅助控制单元可以利用在牵引工况下，试验台所配套的试验设备(制动电阻柜、牵引电机冷却风机、陪试电机冷却风机)进行负载试验。

当牵引电机运行在制动工况时，变频器2通过电网向外输出能量，带动陪试电机牵引运行。此时，牵引电机制动状态所产生的能量由牵引控制单元通过公共母线传递给辅助控制单元，而同时变频器1带动的主发电机可以停止工作，以达到节省能量的目的。辅助控制单元在此种工况下，可以利用牵引控制单元提供的能量和配套设备(牵引电机冷却风机、陪试电机冷却风机)进行负载试验。另外，制动电阻柜可以作为牵引控制单元剩余能量的释放提供回路。

1.2 上位机操控台介绍

根据试验系统中设备的特点、工作原理，设计开发出一个上位机操控台，将整个系统中各部分设备的控制、监控、试验数据的记录整理集中在该操控平台上，便于试验调试人员在远距离通过网络信号传输就能够对高压电气设备进行实时集中操作，简化系统的操作流程，上位机操控台结构框图如图2所示。

图2 上位机操控台

图中试验设备主要通过两种方式与控制台进行连接。第1种为硬线连接模式，主要完成对高速断路器、交直流接触器等高压电气设备的操作。第2种为网络连接模式，主要是通过MVB网络、以太网、CAN通讯网络、串口通讯等来控制指令的实施、数据监控、记录运行过程中的各试验参数和数据。另外，操控台与主电路系统的电气设备通过TCMS系统进行一些简单的网络信号转和逻辑处理。

具体表现为：

(1)操控台通过TCMS系统可以对电网供电系统、变频器1、变频器2、风机系统、牵引变流柜系统、充电机和励磁控制系统进行硬线控制连接，这样可以通过控制接触器来随时切断或投放设备到整个系统当中。操控台还可以对接触器进行互锁逻辑处理和操作失误报警提示，来降低人为操作失误导致的重大损失。

(2)操控台通过网络通信进行系统各设备调节。主要包括：通过串口网络对变频器1、变频器2进行转速调节、通过以太网对牵引变流柜、充电机和励磁控制单元运行提供指示信号。通过网络通讯将这些设备运行的关键试验数据(如母线电压、牵引电机转矩、电流、转速控制电源电压、励磁电压、励磁电流等)传输到操控台的上位机中，便于分析和监控设备及试验数据是否正常。

(3)操控台预留了牵引变流柜调试程序下载和监控接口，以及调试检测设备接口(如示波器、转矩仪，功率分析仪、温度巡检仪等)。这些检测设备的数据信号通过硬线或网络信号传输到操控台中，以方便调试人员对这些数据进行记录、下载、分析等工作。

(4)操控台的上位机中考虑到设备安全设置了设备急停控制按钮，能够随时切断各设备输入输出；同时在试验区关键部位安装监控摄像头，便于调试和试验人员远程监控设备的运行状态。

该试验平台不仅通过采用通用变频器替换柴油机发电的方式将内燃机车的机电系统转换为纯电气系统，同时还为了便于操作和控制，针对该系统搭建了一套远程操控台，并根据不同试验要求来控制不同设备的切换运行，这使得整个系统的灵活性、安全性和可靠性得到了极大提升。

2 牵引试验系统主要控制策略

交流传动内燃机车牵引试验平台的系统组成部分较多，结构庞大。其主要控制环节包括：励磁系统控制、脉冲整流器控制、陪试逆变器控制、牵引制动特性控制等。

2.1 励磁控制策略

励磁控制系统作为主发电机的一个重要组成部分，主要用于调节主发电机的励磁电流，控制主发电机的输出电压、电流以及功率，最终达到主发电机输出功率恒定的目的。其控制原理框图如图3所示。

当司控器手柄位于某一级位下时，其级位信号分别通过电压、电流和功率给定值计算环节的换算得到各自的基准值，然后再经过加载率控制器得到限压、限流和恒功率控制信号。接着这3个控制信号分别与电压、电流及功率的实际采集的反馈信号相比较，得到误差信号再经过各自的PID调节器处理得出电压、电流和功率的输出信号，而后经过最小值比较器的比较，将最小值送入到励磁控制驱动单元中，作为励磁驱动器的输入信号，该信号最后经驱动器的放大来控制主发电机的励磁输出，从而控制主发电机的输出功率，保证主发电机在各个级位的转速点上可以恒功率运行，为牵引变流柜提供能量。

2.2 四象限脉冲整流器控制策略

采用四象限脉冲整流器的主要目的是，一方面需要为中间直流母线提供平直稳定的直流电压，另一方面是尽可能降低其在吸收电网有功能量时所造成的污染。根据其输入回路的等效电路图可以得到其电压基波分量的相量平衡方程式：

图3 励磁控制系统原理框图

图4 相量关系图

2.3 陪试变频器逆变单元控制策略

陪试变频器在整个牵引系统试验平台试验系统中起到至关重要的作用，其主要为陪试电机提供能量保证了系统中负载的稳定运行。对于陪试变频器逆变单元来说，转差频率矢量控制是一种性能优越并普遍应用的控制算法，当陪试变频器逆变单元处于牵引控制时(牵引电机运行在制动工况下)采用图5所示的速度闭环型转差频率矢量控制策略，速度信号给定值ω*来自司机操纵台的旋钮级位信号，根据不同旋钮级位的给定值来进行调速，速度控制由PI转速调节器实现，计算得出需要的频率ist*。而当陪试变频器逆变单元处于制动控制时(此时牵引电机处于牵引工况下)，采用图6所示的转矩型转差频率矢量控制算法，转矩给定值同样来自于司机操纵台的旋钮级位信号，通过不同旋钮级位下的力矩指令所换算的电流值，达到调节陪试电机转矩输出的作用。

另外，为了解决传统试验台由于采用转差频率控制算法而导致低频状态下转矩控制不精确的问题，本试验台的陪试变频器通过采用磁链开环控制策略，合理设置磁链曲线和估算磁链电感值；并利用转差校正系数直接对转差频率进行补偿，从而保证陪试变频器在低频状态下转矩发挥的准确性。

图5 速度闭环转差频率矢量控制算法

图6 转矩型转差频率矢量控制算法

2.4 牵引、制动特性控制策略

在牵引工况下，TCMS应保证主发电机组在恒功率运行情况下，控制牵引系统按内燃机车牵引特性运行，图7为牵引工况控制框图。司控器级位信号Ne为基本给定量，经发电机输出功率限制输出函数得到最大功率输出值Pe，此功率减去牵引系统中辅助功率Pf即得到牵引系统中牵引功率给定值Pg；此给定值Pg与实际牵引功率反馈值Pd相比较，其差值经PI调节器运算后产生牵引电机牵引力给定值F1。

同时司控器级位信号Ne和由牵引电机转速换算出的机车速度v经牵引特性曲线换算后得到当前速度下机车牵引电机牵引力给定值F2，此给定值F2与上述恒功率环节产生的牵引力给定值F1两者中取较小者作为牵引电机牵引力给定值F，经网络信号传给牵引逆变器控制单元，由牵引逆变器完成对牵引电机力矩的控制。通过控制牵引电机的转矩来调节中间直流环节的功率，并最终使柴油机以恒功率运行。

牵引工况根据司控器信号可以分为8个档位，每一个档位对应相应的牵引力。

图7 机车牵引特性框图

在制动工况下，应保证在不超过最大制动功率情况下，控制牵引系统按内燃机车制动特性运行，图8为制动工况控制框图。

图8 机车制动特性框图

在制动工况，主发电机组保持在较低转速范围，此时主发电机仅产生很小的电压，中间直流回路依靠这个电压提供牵引电机(此时牵引电机作为发电机工作)所需要的初始励磁电压。一旦牵引电机在这个初始励磁电压下开始工作，则中间直流回路的电压依靠牵引电动机制动时反馈的能量来迅速达到中间电压允许的最大值。这时，主发电机组不再向中间直流回路和制动电阻提供能量。通过斩波器的通断，可以维持中间直流电压保持在恒定值不变。制动工况分为3个工作区：恒制动功率区、恒制动力区和降制动力区。系统运行在制动工况时，制动级位信号为0～74 V的模拟量信号，司控器信号的模拟量划分为8个档位，每一个档位对应相应的制动力。根据该模拟信号的大小和制动特性曲线确定牵引电机输出牵引力。

3 系统试验平台的测试方法及测试结果

该试验平台在设备运行时由于各组成部分间可以进行能量回馈，因此不需要额外负载，这提高了整个系统的设备利用率，达到了环保节能的效果。

该试验平台具体测试方式为：

首先闭合工业供电系统开关，启动变频器1和变频器2，通过操控台控制变频器1进而使拖动电机带动主发电机的转速运行在所需试验转速范围；接着操控台控制牵引变流柜内的主接触器闭合，启动励磁控制系统运行，并将主发电机输出的三相交流电输入到柜内；待柜内母线电压达到预定值后，根据试验要求通过操控台切换来进行各种工况下的负载试验。该系统主要完成电机牵引特性调试；电机制动特性调试；电阻、风机负载调试等工作。

电机牵引特性调试试验：启动变频器2将陪试电机运行到一定转速下，然后启动牵引变流柜内的牵引变流器工作，进行电机牵引特性调试试验。

电机制动特性调试试验：启动变频器2将陪试电机运行到一定转速下，然后启动牵引变流柜内的牵引变流器工作，进行电机制动特性调试试验。待母线电压稳定在制动控制设定值时，变频器1和励磁控制系统可以停止工作。

电阻、风机负载调试：根据操控台的控制指示投放不同的电阻负载或风机设备，然后启动牵引变流柜内辅助变流器进行试验。

试验过程中牵引变流柜的电气测量数据及波形由测量设备通过网络传输到操控台的设备监控区，所监控的数据主要包含三相输入电压和电流、母线电压、电机输出电压和电流、电机转速、转矩等。根据需要这些电器测量数据和波形可以实时在操控台上查看和保存，便于后期分析试验情况和编写试验报告。

图9为试验过程中的测试波形。

图9 牵引特性试验波形

图9为牵引变流柜带动1台电机在牵引工况下与陪试电机满功率对拖运行时，母线电压、电机电压和电流的输出波形，从图中可以看出牵引变流柜的电压电流输出波形正弦性良好，从而保证了牵引电机稳定的运行。

图10为牵引变流柜带动1台牵引电机在制动工况下与陪试电机对拖运行所测得的电压、电流波形图。从图中可以看出牵引系统运行稳定。

辅助变流负载试验：

图11为辅助变流器带电阻负载输出波形图，从图中可以看出，辅助变流器的电压电流输出波形较为稳定，正弦性良好。

图10 制动特性试验波形

图11 电阻负载辅助系统输出波形

4 结束语

交流传动内燃机车牵引系统试验平台通过现有技术手段，在试验车间模拟了一套完整的交流传动内燃机车牵引系统调试平台。在借助先进的网络控制技术的基础上，相关技术人员不仅可以快速掌握内燃机车牵引系统结构组成和工作原理，还可以便捷可靠地进行先进的牵引控制算法的开发与验证，达到了让其对系统充分学习与研究的目的。另外本试验平台在设计完成后，通过牵引与制动工况以及辅助系统试验的长时间的稳定性考核，证明了该方案的可行性。