基于飞轮-发电机组惯量模拟系统研究

杨韬

摘 要：随着铁路交通的蓬勃发展，如何对机车的性能进行完整而高效的测试是目前提高铁路运能所面对的重要问题。运用机车滚动试验台是一种高效的整车测试方法，能减少机车的线路测试时间，大幅度提高测试效率。在运用机车滚动试验台进行动态制动试验时，必须对机车运行惯量进行模拟，以尽量确保动态试验制动过程工况与实际线路上运行时制动工况的一致性。本文提出了一种基于飞轮-发电机组的惯量模拟方式对机车制动特性进行模拟试验研究，并搭建了小功率惯量模拟试验台，取得了较好的试验研究成果。

关键词：滚动试验台;飞轮;发电机组;惯量模拟

0 引言

运用滚动试验台进行机车动态试验时，其对制动过程的模拟是能否测试出机车各方面性能参数的一个重要环节。从图1中可以看出，如果机车进行动态试验时，不进行惯量模拟，机车停车角速度曲线将严重偏離实际运行过程中角速度曲线[1]。

常见的惯量模拟的方式有：机械惯量模拟、电惯量模拟以及机电混合模拟[2-3]。国内外关于机车惯量模拟的参考文献极少，机车作为大功率多轴驱动制动车型，运行惯量大且分散，传统机械惯量模拟存在占地面积大、轴距调整困难、惯量调节操作麻烦。另外，电惯量模拟需要依赖牵引变流器的控制，受各种摩擦力、风阻、传动单元惯量不确定等非线性因素，机车制动模型难以精准建立。

本文提出了一种基于飞轮-发电机组的惯量模拟方式，该方式仍采用飞轮作为制动能量来源，将机车各轴惯量模拟所需的飞轮片进行集中管理，单独设置专门的飞轮惯量模拟室，解决了传统机械惯量模拟的弊端;同时相对电惯量模拟方式，能够实现牵引与制动试验相互分开，减小牵引变流器的制动实验控制难度。

1 系统设计

1.1 系统工作原理

系统主要由变频器、原动机、飞轮组、同步发电机及励磁装置、机械联接部件等组成，其结构图如图2所示。制动试验时，变频器驱动原动机带动飞轮转动及发电机发电，发电机输出至拖动电机组。当拖动电机组到达所需制动速度时，机车开始进行制动（空气制动、电制动），同时切掉变频器，此时，由于飞轮已存储相应的动能，飞轮将释放存储的动能拖动发电机继续发电，驱动拖动电机组继续转动，机车轮对在制动力与拖动电机的反向驱动力下缓慢停车。

1.2 系统模型建立

整个系统的实现过程分为两步：空载牵引试验过程与制动试验过程。空载牵引试验是将机车拖动至制动所需初速度;制动试验是实现机车在模拟的运行惯量下进行制动试验。

1.2.1 牵引模型

原动机M0转速为：

其中，为M0的定子电压频率，为M0极对数，为M0转差率。

当发电机以同步转速旋转时，发电机端电压频率为：

其中，为G0极对数。

设M1、M2 ... Mn具有相同的电机参数，则各拖动电机转速均为：

其中，为拖动电机极对数，为拖动电机转差率。

由式（3）可看出，通过调节原动机M0的频率能实现对拖动电机组的速度控制，进而实现滚动试验台机车速度控制。

同步发电机G0端电压幅值为[4]：

其中，为磁动势基波的绕组系数，为同步发电机合成气隙磁通。

当同步发电机带电动机运行时，由于电枢反应，气隙磁动势由励磁磁动势和电枢反应磁动势合成。当励磁电流改变时，励磁磁动势就会改变，那么合成气隙磁动势也必定会改变，从而合成气隙磁通也改变，由式（4）可知，合成气隙磁通改变，在其它条件不变的情况下，同步发电机的端电压也必将改变。故当原动机M0的频率一定时，可以通过调节发电机励磁电流的大小，来调节拖动电机组定子电压的大小。

1.2.2 制动过程

拖动电机组通过轨道轮带动机车轮对稳定运行后，飞轮储存的能量为：

式中，表示飞轮的惯量，表示飞轮的角速度，表示飞轮的转速。

制动过程中，令机车各轴施以相同制动力进行制动，且制动力恒定，等效到各拖动电机轴的制动力矩为。设机车运行速度为v，质量为m，停车时间为T，忽略整个系统机械损耗、各种阻力，由能量守恒定律有：

以拖动电机M1为例进行分析，设拖动电机M1转速为，则：拖动电机M1输出功率为：

发电机输出至单台拖动电机的功率为：

式中，为电机M1效率。

从而可算出拖动电机M1输入电流：

式中，为发电机输出电压，为拖动电机功率因数。

进一步算出同步发电机输出电流：

进一步推算出同步发电机G0的输出功率：

式中，为电机M1效率，为电机组功率因数。

同步发电机G0的输入功率为：

设停车时间为T，则根据能量守恒定律有：

由以上推导过程可以看出，机车的动能、停车时间T、飞轮的惯量、制动力之间存在相互关系，通过机车动能与制动力大小，可以推算出机车停车时间与飞轮惯量的大小。

2 惯量模拟试验台设计

试验台结构图原理图与实物图如图5所示。机组M01、M02、M03与机组M11、M12、M13采用“背靠背”形式联接[5]，可灵活地实现牵引-制动过程。

3 试验结果分析

通过变频器控制原动机M00驱动发电机G00发电，拖动电机组M01、M02、M03转速达到882 r/min后，变频器转矩控制对电机组M11、M12、M13给定相同转矩（90%额定）指令;待系统带载运行稳定运行后停止驱动M00， M11、M12、M13保持转矩输出，模拟电制动，待机组转速接近零时，停止M11、M12、M13转矩输出。记录机组M01、M02、M03停车时间。

结果分析：三台拖动电机的制动曲线基本一致，以拖动电机M01的制动曲线做分析，从图6中可以看出，在制动过程中，由于飞轮惯量带动发电机继续发电，M01将缓慢停车。且在25 s之前，保持一定减速度匀减速运行，25 s之后由于此时飞轮转速较低，发电机发电不足以驱动拖动电机继续转动，故出现速度陡降至完全停车。

4 结束语

本文提出的基于飞轮-发电机组惯量模拟系统，利用飞轮作为制动过程的能量来源，根据飞轮-发电机组的结构特性，将各轴的飞轮集中进行管理，便于现场安装，减小了轴距调整装置的容量，降低了惯量调节增减飞轮片的难度;同时机车制动试验与牵引试验分开独立控制，减小了牵引变流器控制难度。

参考文献：

[1]张水文.CRH1型动车惯量模拟缩比系统的研究与实现[D].中南大学，2010.

[2]莫志勇，张为公，吉同舟.汽车机械惯量电模拟技术[J]. 中国惯性技术学报，2009，17（1）：123-126.

[3]周洪旋.制动器试验台电惯量系统控制方法研究[D].吉林大学，2005.

[4]宗许宁.G-M拖动系统起动与调速的研究及应用[D].同济大学，2013.

[5]李晓尚.交流牵引异步电机试验系统研究[D].北京交通大学，2010.