异常工况下机车牵引电机的功率限制*

陈 钢，陈希祥

(湖南信息学院电子科学与工程学院，湖南 长沙 410151)

只有在逆变未隔离、网压在一定范围内、变流柜冷却水的温度和电机温度未超温时，电力机车的所有牵引电机才能实现满功率输出[1].当某些条件超出正常运行范围或牵引系统发生故障时，机车的控制策略若仅仅是单纯地隔离相应逆变模块，则牵引轴驱动力会随之丢失，转矩无法均衡输出，其他轴逆变模块和电机高负荷运行，进而引发超温.更重要的是，牵引轴不能最大利用黏着力，所有的给定力由其他轴来发挥，容易产生黏着卸力或空转现象，这在机车重载运行或坡起时更为显著[2]，此时如果牵引电机满功率运行，就会影响电力机车逆变控制效果，甚至烧毁变流模块和电机[3].因此，在非正常工况下应使各逆变都尽可能投入运行，并在有限的总功率基础上对最大功率限制及功率进行合理分配，以保证机车安全、可靠、高效运行[4].

1 运行轴数对黏着控制的影响

轮轨黏着条件直接影响机车牵引制动性能.施加在牵引电机上的牵引制动力矩大于轨面最大黏着力时，轮对易发生空转滑行，导致列车冲击过大、轨面损伤及列车牵引力发挥性能变差等[5].列车运行时具有复杂的动力学特征，难以建立相应的动力学数学模型，因此根据轮轨黏着特性、齿轮传动特性，对车轮、车身进行动力学分析，可得如下简化模型[6]：

(1)

其中：Tm为单个牵引电机转矩；Twm为从动轴通过齿轮箱对电机轴施加的转矩；Bm，Bw分别为主、从动轴转动粘滞系数；ωm为电机转速；Jm为牵引电机转子转动惯量；TM为列车总牵引转矩；NM为运行动轴数；ωw为轮对转速；ig为齿轮传动比；Tmw为电机轴通过齿轮箱对从动轴施加的转矩；ηgear为齿轮传动效率；Fu为黏着力；R为轮对半径；Jw为从动轴转动惯量；M为列车质量；vt为列车速度；μ为轮对和钢轨间的黏着系数；W为平均轴重；g为重力加速度；Fd为列车基本阻力；a,b,c为系数.

由模型(1)可得如下列车总牵引转矩等效方程：

(2)

令

则方程(2)可表示为

(3)

由(3)式可知，列车在一定速度下加速运动时，总牵引转矩由速度运行阻力和加速度决定.特别是在高速运行时，列车需要克服的阻力会更大，需要的列车总牵引转矩也更大[7].当需求的列车总牵引转矩一定时，实际运行动轴数越少，单个牵引电机需要发挥的转矩就越大，但因受牵引电机特性限制，牵引电机转矩在每个转速下都有最大允许转矩约束，且电机转速越高，最大允许转矩就越低[8].此外，黏着系数μ由轮对和钢轨间的物理因素决定，过高的牵引转矩输出将导致轮对空转打滑，损坏轮对和钢轨[9].综合上述分析，异常工况下不能简单地通过隔离非故障牵引电机来实现功率限制输出.为了更好地最大发挥黏着力，应尽可能地投入运行轴数，并设计合理的功率分配方案以避免发生黏着卸力或空转现象，从而符合安全稳定运行要求.

2 HXD1B机车的主电路

HXD1B机车的牵引变压器次边设有4个独立的牵引绕组，牵引绕组安装了布赫继电器、温度继电器和油流继电器等对牵引变压器进行保护，并用于给2台牵引变流器中的4个四象限变流器模块供电.每台牵引变流器中，二重四象限变流器输出直流回路并联，变流器带3个牵引逆变器和1个辅助逆变器，并受传动控制单元(Drive Control Unit，DCU)控制.在牵引工况下，四象限变流器进行交-直变换，为中间直流电路提供电能；在再生制动工况下，四象限变流器通过中间直流电路进行直-交变换，将电能回馈给电网.HXD1B机车的主电路如图1所示.

图1 HXD1B机车的主电路

当列车处于过分相区间运行时，脉冲整流器被封锁，逆变器在回馈工况下工作，将直流侧电压稳定在接近额定值，以保证辅助逆变器不停止工作.辅助逆变器采用主辅一体化设计，集成在牵引变流器柜内.全车共2个辅助逆变器，具备冗余功能，当其中一台辅助逆变器发生故障时，另一台辅助逆变器以恒频恒压方式为整车辅助电路负载供电.

3 逆变总功率和最大需求功率计算

基于图1，分析出现牵引网压异常、冷却水温异常、牵引电机温度异常和牵引电机隔离状态时牵引功率限制输出原理，进而给出功率限制模式下牵引电机功率分配方案.

3.1 牵引网压限功率

在整个牵引网压波动范围内，电力机车的牵引电机允许发挥的总功率是分段设置的.设电网功率为PUnet，电压空间向量为Unet，输入到逆变器的最大电力功率为PINV.在17～31 kV牵引网压范围内，机车功率允许发挥情况如图2所示.

图2 牵引网压限功率示意

从图2可以看出：在17.5～19 kV网压下，机车从0线性增加到0.84倍总功率；在19～22.5 kV网压下，机车从0.84倍总功率线性增加到满功率；在22.5～30 kV网压下，机车允许满功率发挥；在30～31 kV网压下，机车从满功率线性减小到0.

根据图2，可得网压波动范围内主逆变允许发挥的总功率：

3.2 变流柜冷却水温度限功率

牵引变流柜的绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)变流模块在运行过程中会产生大量的热量，需要通过冷却塔循环水进行冷却.当水温超过一定值时，为了保护运行，应限制机车功率的发挥.在整个水温范围内，电力机车的牵引电机允许发挥的总功率是分段设置的.设冷却水温下的电机总功率为PTwater，冷却水温为Twater.冷却水温限功率关系曲线如图3所示.

图3 冷却水温限功率关系曲线

从图3可以看出：

(1)当Twater≤ 55 ℃ 时，PTwater=3PINV；

(3)当Twater≥60 ℃时，PTwater=0.

3.3 牵引电机温度限功率

牵引电机在长时间运行过程中温度会升高，需要通过牵引风机进行冷却.当电机温度超过一定值时，为了保护运行，应限制机车功率的发挥.在整个电机温度范围内，电力机车的牵引电机允许发挥的总功率是分段设置的.当电机温度限功率时，设单轴电机允许发挥最大功率的功率系数为ξTmotor(ξTmotor∈[0,1])，牵引电机1，2，3温度限功率时的功率系数分别为ξTmotor1，ξTmotor2，ξTmotor3.电机温度限功率关系曲线如图4所示.

图4 电机温度限功率曲线

从图4可以看出：

(1)当Tmotor≤190 ℃时，ξTmotor=1；

(3)当Tmotor≥200 ℃时，ξTmotor=0.

3.4 牵引电机隔离状态限功率

当牵引电机出现故障时，为了避免故障扩大，需要隔离牵引电机轴对应的牵引电机，以保障其他逆变模块和牵引电机不受影响.牵引电机1，2，3隔离状态限功率时，设允许发挥最大功率的功率系数分别为ξ1I，ξ2I，ξ3I.当牵引电机1，2，3被隔离时，ξ1I，ξ2I，ξ3I为0；当牵引电机1，2，3未被隔离时，ξ1I，ξ2I，ξ3I为1.

3.5 逆变总功率和最大需求功率计算

根据限功条件，可将总功率划分为2类.

一类是由牵引网压限功率和变流柜冷却水温度限功率组成，它们限制所有牵引逆变允许发挥的总功率.取PUnet和PTwater二者中的最小值为牵引网压和变流柜冷却水温度限制条件下所有牵引逆变允许发挥的总功率PTotal，即PTotal=min{PUnet,PTwater}.

另一类是由牵引电机温度限功率和牵引电机隔离状态限功率组成，它们限制各主逆变允许发挥的最大需求功率.取ξTmotor1和ξ1I二者中的最小值为主逆变1在牵引电机1的隔离状态和温度限功率时允许发挥最大需求功率的功率系数ξ1，取ξTmotor2和ξ2I二者中的最小值为主逆变2在牵引电机2的隔离状态和温度限功率时允许发挥最大需求功率的功率系数ξ2，取ξTmotor3和ξ3I二者中的最小值为主逆变3在牵引电机3的隔离状态和温度限功率时允许发挥最大需求功率的功率系数ξ3，即

ξ1=min{ξTmotor1,ξ1I}，ξ2=min{ξTmotor2,ξ2I}，ξ3=min{ξTmotor3,ξ3I}.

显然，在牵引电机的隔离状态和温度限功率时，ξ1PINV为逆变1允许发挥的最大需求功率，ξ2PINV为逆变2允许发挥的最大需求功率，ξ3PINV为逆变3允许发挥的最大需求功率.

4 逆变功率分配方案

要得到每个主逆变实际允许发挥的分配功率，必须综合考虑所有主逆变允许发挥的总功率与主逆变各自允许发挥的最大需求功率之间的大小关系.

ξ1PINV+ξ2PINV+ξ3PINV≤PTotal，说明所有主逆变允许发挥的最大需求功率不超过所有主逆变允许发挥的总供给功率.这种情况下，主逆变1，2，3功率分配结果分别为ξ1PINV，ξ2PINV和ξ3PINV.

ξ1PINV+ξ2PINV+ξ3PINV>PTotal，说明所有主逆变允许发挥的最大需求功率大于所有主逆变允许发挥的总供给功率.这种情况下，总供给功率无法满足最大需求功率.为了保护性降低功率运行，应将PTotal合理分配给主逆变1，2，3，即主逆变1，2，3分配的功率应与总功率PTotal刚好相等.此时，主逆变1，2，3功率分配结果分别为ξ1PTotal/(ξ1+ξ2+ξ3)，ξ2PTotal/(ξ1+ξ2+ξ3)，ξ3PTotal/(ξ1+ξ2+ξ3).

HXD1B型电力机车的功率分配方案可以推广到其他类型机车，分配功率结果相似.

5 实验结果与讨论

RT_LAB支持多种工业标准且能与Matlab/Simulink无缝连接，可在线调参，便于控制软件测试，因此搭建RT_LAB半实物仿真平台(图5)，采用实时仿真技术进行牵引变流器和牵引电机工况实验，来验证限功条件下电力机车的牵引电机功率分配方案的正确性.

图5 电力机车牵引控制系统RT_LAB半实物仿真平台架构

整车控制单元(Central Control Unit，CCU)接收司控器的手柄级位信号，然后将各个电机的转矩命令通过多功能车辆总线(Multifunction Vehicle Bus，MVB)通信发送给各牵引变流柜的DCU.基于当前的运行条件，DCU决定是否根据限功曲线通过限制转矩来实现牵引电机的功率限制发挥.接下来，在RT_LAB半实物仿真平台下，分别在牵引网压异常、冷却水温异常、牵引电机温度异常和牵引电机隔离状态等工况下，验证牵引功率限定及分配方案.

图6示出了牵引网压限制下的电机发挥波形.

图6 牵引网压限制下的电机发挥波形

从图6可以看出：当牵引网压小于或者等于30 kV时，根据图2，PUnet允许发挥总功率，且ξ1，ξ2，ξ3为1，此时ξ1PINV+ξ2PINV+ξ3PINV=PTotal，各牵引电机能够完全发挥CCU给定转矩；在2 s时，牵引网压上升到30.5 kV，根据图2，PUnet只允许发挥一半给定功率，此时ξ1PINV+ξ2PINV+ξ3PINV>PTotal，从波形可以看出，虽然CCU单轴给定转矩保持8 000 N·m，但是经过网压限功和功率分配后DCU给定转矩和实际转矩都下降到约4 000 N·m；在2.5 s时，牵引网压下降到25 kV，牵引电机又能够完全发挥CCU给定转矩；在3 s时，牵引网压继续下降到19 kV，根据图2，只允许发挥0.84倍给定转矩，从波形可以看出，虽然CCU单轴给定转矩保持8 000 N·m，但是DCU给定转矩和实际转矩都下降到约6 720 N·m.从整个波形可以看出，无论是网压偏高还是偏低，DCU都能限制牵引电机实际转矩的发挥.

图7示出了冷却水温限制下的电机发挥波形.

图7 冷却水温限制下的电机发挥波形

从图7可以看出：当冷却水温度小于或者等于55 ℃时，根据图3，PTwater允许发挥总功率，ξ1，ξ2，ξ3为1，此时ξ1PINV+ξ2PINV+ξ3PINV=PTotal，各牵引电机能够完全发挥CCU给定转矩；在2 s时，冷却水温度上升到57 ℃，根据图3，PTwater只允许发挥0.6倍给定功率，此时ξ1PINV+ξ2PINV+ξ3PINV>PTotal，从波形可以看出，虽然CCU单轴给定转矩保持8 000 N·m，但是经过冷却水温度限功和功率分配后DCU给定转矩和实际转矩都下降到约4 800 N·m；在2.5 s时，冷却水温度继续上升到58 ℃，根据图3，只允许发挥0.4倍给定转矩，从波形可以看出，虽然CCU单轴给定转矩保持8 000 N·m，但是DCU给定转矩和实际转矩继续下降到约3 200 N·m；在3 s时，冷却水温度下降到40 ℃，牵引电机又能够完全发挥CCU给定转矩.从整个波形可以看出，当冷却水温度偏高时，DCU能限制牵引电机实际转矩的发挥.

图8示出了牵引电机温度限制下的电机发挥波形.

图8 电机温度限制下的电机发挥波形

从图8可以看出：当牵引电机温度小于或者等于190 ℃时，根据图4，PTotal允许发挥总功率，ξ1，ξ2，ξ3都为1，此时ξ1PINV+ξ2PINV+ξ3PINV=PTotal，各牵引电机能够完全发挥CCU给定转矩；在1.5，2，2.5 s时，分别使1，2，3号牵引电机温度强制上升到195 ℃，根据图4，牵引电机只允许发挥一半给定功率，ξ1，ξ2，ξ3都为0.5，此时ξ1PINV+ξ2PINV+ξ3PINV

图9示出了牵引电机隔离状态限制下的电机发挥波形.

图9 隔离状态下的电机发挥波形

从图9可以看出：当牵引电机未发生隔离时，PTotal允许发挥总功率，ξ1，ξ2，ξ3都为1，此时ξ1PINV+ξ2PINV+ξ3PINV=PTotal，各牵引电机能够完全发挥CCU给定转矩；在1.5，2，2.5 s时，分别使1，2，3号牵引电机强制隔离，ξ1，ξ2，ξ3都为0，此时ξ1PINV+ξ2PINV+ξ3PINV

6 结语

基于电力机车动力学模型及HXD1B牵引变流器的主电路，详细分析了牵引网压异常、冷却水温异常、牵引电机温度异常和牵引电机隔离状态时限制牵引功率输出原理，并给出了功率限制模式下牵引电机功率分配方案.半实物仿真实验结果表明，在非正常工况下对主逆变采取保护性限功运行，可使牵引变流器在安全的前提下充分发挥最大功率，并使总功率得到合理有效的分配，从而能最大化利用轮轨黏着力，为机车的高效安全运行发挥积极作用，是提高整车运行性能和主动预防故障发生的有效手段.本研究具有良好的通用性，可推广到其他车型牵引变流器异常情况的功率限制处理.