城轨弓网及第三轨载流磨耗试验台供电电源设计*

魏中堂

（中国铁道科学研究院 研究生部，北京100081）

随着我国经济的蓬勃发展，城市交通出行压力增大，交通拥堵严重，城市轨道交通由于低能耗、节能环保以及运量大等优势，成为解决城市交通拥堵问题的理想交通工具［1］。

城市轨道交通的供电方式主要包括架空接触网供电和第三轨供电2种方式，均是通过列车上的集电装置与架空接触网或第三轨进行静态接触及动态摩擦取流，实现向列车的供电［2-3］。列车运行过程中集电装置与接触网或第三轨之间的动态受流性能是影响列车供电可靠性、制约列车稳定运行的关键因素［4］。由于现场试验环境较为恶劣且环境变量不可控，通过现场试验很难系统深入地研究载流摩擦对滑板和接触线磨耗的影响，为解决上述问题，需在实验室环境下建立弓网关系模拟试验台和第三轨取流模拟试验台，用以研究载流摩擦与磨耗之间的关系。

载流磨耗试验台需要具有高可靠性、高精度、低纹波等技术性能的试验电源［5-6］为受电弓—接触网、集电靴—第三轨这2对摩擦副供电，以模拟真实的牵引电流。接触网和第三轨这2种不同的供电方式所对应的供电电压及最大供电电流等特点有所不同［7-8］。为了在实验室将2种不同的供电方式兼容在一起，需要根据列车实际运行参数以及实验室的电源能力，设计一套直流电源系统，可兼容向弓网关系试验台和第三轨受流与磨耗试验台供电。此外还需开发具备数据采集、处理等功能的试验电源管理系统，通过数据可视化的界面，实现实时的电源状态监测。

1 供电电源系统硬件设计

试验电源系统采用三相AC 380 V/50 Hz交流取电，主要由进行整流的硬件系统和进行控制的软件系统组成。硬件系统主要包括2套24脉波晶闸管型整流直流电源和2台水冷稳定电阻柜，其中，整流直流电源部分包括整流变压器、整流器、滤波电抗器、滤波电容器、PLC控制系统、保护单元等，如图1所示。软件系统主要在控制台通过对试验台的信号进行收集处理并根据所需进行调控，主要为对电源系统实时控制的人机交互界面。

图1 直流电源硬件系统拓扑结构

2套24脉波晶闸管型整流直流电源可并联后形成1套24脉波整流直流电源，可2路输出，并分别独立控制。其中一路单独给第三轨受流与磨耗试验台提供电源，另一路给弓网试验台切换为直流供电时提供电源，二者不能同时供电。电源系统输出最大电流值为DC 1 000 A，最大开口电压≥DC 120 V。

电源系统可模拟实际列车服役过程中的供电电流、电压等参数，并能实时监测试验台在载流磨耗过程中电流、电压、温度等的变化，实现研究列车运行的动态接触参数对电源系统供电质量的影响。

1.1 直流电源设计

电源系统的硬件主要由1台PLC控制系统、1个整流变压器单元柜、4组6脉波整流单元柜、1个直流滤波电抗器等组成，整流变压器单元柜内有2套轴向双分裂整流变压器，2个变压器按照错相15°（±7.5°）设计，满足24脉波输出。

三相AC 380 V交流电源经低压断路器开关上电后，由PLC控制器系统单元发出上电控制指令，辅助主接触器经软启动电阻器得电闭合，然后软启动接触器向主变压器进行供电，延时3~5 s后，主接触器闭合，辅助接触器断开，完成上电软启动的操作与控制过程。通过软启动的延时控制，可以避免主变压器突加交流电压，引起瞬时过激励；同时防止直接操作（合闸、分闸）交流开关对电网造成干扰，减小合闸带来的瞬态高次谐波注入到交流网路上。

整流变压器单元柜内含2套轴向双分裂整流变压器，变压器的二次绕组阻抗和输出电压一致。其联结组别为D/D+Y，二次输出电压相同，相位互差30°，构成12脉波整流变压器。变压器能够承受可能产生的最大瞬时短路电流。整流变压器在工作输入电压为+10%额定输入电压值下，变压器不会出现过激励或过热现象。每台整流变压器等值容量为84 kVA，二次输出交流电压AC 105 V，二次线圈的电流为204 A。

整流单元柜由4台250 A/135 V的功率整流单元柜组成，每台功率整流单元主电路由1个三相桥式6脉波晶闸管整流单元构成。每个6脉波晶闸管整流单元主要由压敏电阻吸收保护单元、快速熔断器、三相桥式晶闸管整流单元、阻容吸收保护单元等元器件组成。

每个6脉波晶闸管整流单元柜输出250 A/135 V直流电，经4组6脉波晶闸管整流桥整流后，再经均流电抗器滤波后并联输出1 000 A/135 V的24脉波整流电源，输出范围连续可调。每个整流桥臂的电流=0.577×250 A=145 A，考虑到晶闸管整流元件的冷却方式为风冷，风冷系数按照0.5设计，所以元件电流设计应大于145 A/0.5=290 A。元件电流安全系数按照大于2倍额定电流（290 A）进行设计选型，实际选用600 A的晶闸管整流元件；元件耐压按照交流AC 105 V母线电压设计选型，峰值电压为105 V×1.414=148.5 V，元件电压安全系数按照大于3倍峰值电压进行设计选型，按照1 000 V进行设计，故晶闸管整流元件设计选型为600 A/1 000 V。

直流滤波电抗器主要对6脉波整流单元整流后的输出电流进行直流滤波，使其输出的直流电流或电压更加平滑。其输入电流为250 A，输入脉波数300 Hz；其输出电流250 A，电感量0.4 mH，额定直流纹波系数≤5%，满足试验台对充电电源纹波的要求。

1.2 水冷稳定电阻柜设计

水冷稳定电阻柜的整体结构如图2所示，主要用于限制过流及保证拉弧电压。其由27个2.43Ω的电阻管组成，可实现0.09~1.35Ω之间有级可调。水冷稳定电阻柜配置有循环水系统，试验过程中采用水冷方式可保证各部件的温度不超过70℃。

图2 水冷稳定电阻柜方案图

水冷稳定电阻柜的主电路图如图3所示，单根电阻管的额定功率为7 500 W，阻值2.43Ω。当阻值为0.135Ω时，KM1~KM 3闭合，KM4~KM6断开，18根并联，为R1档；当阻值为0.12Ω时，KM 1~KM 4闭合，KM 5~KM 6断开，20根并联，为R2档；当阻值为0.1Ω时，KM 1~KM5闭合，KM6断开，24根并联，为R3档；当阻值为0.09Ω时，KM 1~KM 6闭合，27根并联，为R4档。试验过程中可根据试验需要通过控制系统自动选配，保证电源系统平稳可靠运行。

图3 水冷稳定电阻柜主电路图

2 供电电源系统控制台设计

2.1 系统网络框图

控制台作为城市轨道交通受流与磨耗试验台电源系统的联络中枢，主要实现对试验电源进行远程和全流程的智能控制与保护，能够实现对直流电源、水冷稳定电阻柜等的远程控制，其网络框图如图4所示。其能够对设备工作状态进行监视，具有自动保护功能；同时具备各种设备故障的显示和记录功能，并对故障处理进行提示。同时，通过网络转换器将以太网转换为EtherCAT，实现同第三轨受流与磨耗试验台的数据交互，或通过采集高速弓网关系试验台的模拟量输出信号，分别实现对试验台直流电源的控制。

图4 系统网络框图

2.2 数据显示模块设计

基于Labview虚拟仪器软件进行系统控制模块的设计开发，实现对电源系统的数据查询、故障诊断、远程控制与保护等功能。为实现数据显示和记录等功能设计，将数据采集模块作为电源系统可视化显示的应用基础。部分数据采集模块程序如图5所示，其能获取所需监测数据，包括电源运行状态、水冷电阻柜状态等试验台数据，软件可进行实时数据的采集和监控，并通过独立定义或选择所需的测量参数、控制条件、控制参数、执行动作等，便于对试验分类管理以及对故障的定位及修复。

图5 部分数据采集模块程序

2.3 数据处理与可视化界面设计

为在试验过程中更清晰直观的对数据进行监测，将各项软件功能进行模块化和可视化设计，实现试验数据信息和关键特征的可读性和人机交互的便捷性，如图6所示。同时，设计的可视化界面将所有测控量集成并显示在控制台人机交互界面上，方便试验人员控制及监测。此外，采用模块化设计的可视化界面可以通过调整模块的组成和功能，便于对软件控制功能的修改和二次开发。

图6 数据可视化界面

在可视化界面系统中，可分别对弓网关系试验台和第三轨受流与磨耗试验台进行选择，并分别进行电源系统的控制，包括对系统启停、输入电压设定、水冷系统控制等。此外，可在保护值查询中手动设置过压、过流、水温等参数的保护值，通过电源状态监测界面实时显示电源系统状态，若触发保护，系统自动急停锁定并触发故障指示，并可手动急停，再通过故障复位，实现手动恢复系统正常运行。在故障信息查询中，可查询每次故障的记录。

3 供电电源系统性能仿真

为验证电源系统设计的可行性，对单套直流电源系统进行理论和仿真分析验证。向试验电源系统输入380 V交流电，测试硬件和软件系统的性能，并在人机界面分析输出电流，评估系统可靠性。

3.1 理论计算

输入电压为AC 380 V，所选变压器参数为380 V/2×105 V，过载能力≥110%，效率≥96%，控制角α=0°。输出直流最大DC 1 000 A，每路额定电流Id=1 000 A÷4=250 A。

变压器二次线圈电流有效值I2与输出电流Id关系为式（1）：

输出直流电压Ud与变压器二次输出交流电压U2关系为式（2）：

其中，Rc为整流电源的等效内阻，经计算，Rc=0.495Ω。结合上述关系，求得在最大输出DC 1 000 A的情况下，直流电压Ud=122 V，大于120 V，符合试验电源设计的需求。

3.2 仿真分析

根据电源系统的硬件组成，并结合实际供电特点，建立仿真模型，如图7所示，模型包括三相变压器模块、三相交流电源模块、移相变压器模块、通用桥模块、RLC模块、示波器模块等。采用该模型开展电源系统的仿真分析。

图7 仿真程序模型

根据对试验台的实际测试，负载最小阻值为0.122Ω，向模型中输入AC 380 V交流电，负载端电阻R设定为0.122Ω，经过系统仿真分析，负载电流最大值为DC 1 000 A，此时电压为DC 122 V，大于120 V，满足设计需要，其输入、输出参数如图8所示。

图8 仿真参数对比

同时，根据实际试验样品的电阻值以及试验台允许的设备容量，分别对系统负载端设定阻值0.122Ω、0.5Ω、1Ω和10Ω，并对电源系统进行仿真测试。经仿真分析，电源系统能在极短的时间内获得稳定的直流输出，并且随着负载端电阻的增大，输出电流逐渐减小，电压逐渐增大，符合载流磨耗试验台的设计需要，具体输出参数如图9所示。

图9 不同负载阻值下的输出直流参数对比

4 结论

根据城市轨道交通载流磨耗服役工况及试验台的特点，设计了应用于弓网关系试验和第三轨受流与磨耗试验的电源系统，其中硬件系统由整流变压器、整流器、滤波电抗器、PLC控制系统、水冷稳定电阻柜等组成，可将380 V交流电整流为稳定可靠的直流电；基于Labview开发了人机交互的软件系统，可实现直流电源系统的数据可视化显示，快速判断试验过程中系统的运行状态，并可选择性的定义测量参数、控制条件等，解决了大量数据导致问题处理复杂的弊端。最后通过理论计算和仿真分析验证了电源系统的可靠性，验证结果表明直流电源系统及其软件操作系统可实际应用到载流磨耗试验台，并为其提供高可靠性、高精度、低纹波、可监测及远程控制的试验电源。

通过该电源系统的设计开发，有效降低了试验人员的工作量，减少试验的复杂程度，降低了试验成本，同时提高了试验人员现场操作的安全性；数据可视化界面提升了工作的整体效率，便于发现问题和解决问题，具备一定推广应用价值。通过研究，为弓网关系试验和第三轨受流与磨耗试验提供了技术支撑。