刘三帅，侯小刚，王西强，师海峰

（1.株洲中车时代电气股份有限公司，湖南 株洲 412001；2.宝鸡中车时代工程机械有限公司，陕西 宝鸡 721003）

0 引言

随着国内高速铁路快速建设并投入运营，高铁线路接触网性能、隧道参数、轨旁设备及新增设备维保的需求日益增加，既有综合检测车、接触网检测车、轨道检测车和电务检测车的不足日显突出，以及铁路部门工电供联合作业要求，原有低速巡检车很难满足新形势下高铁客运专线的维保发展需要，高速、节能以及集高速铁路工务、电务、供电关键设备设施和沿线环境检测监测的综合巡检车[1]（简称巡检车）成为铁路维保系统的新需求。同时，在铁路干线内燃、电力机车及动车组上，交流电传动牵引技术已经得到了成熟的运用，且交流电传动技术在起动牵引力、牵引/制动性能、黏着性能及效率等方面都有很强的优势[2]。ZXJ-160型综合巡检车依托国铁集团科研课题《基于160 km/h轨道车的高铁设备综合检测监测分析及运营维护决策系统研究》，因此本文目标为设计一套能够满足ZXJ-160型综合巡检车的内燃交流电传动牵引系统。

1 主要技术参数

根据ZXJ-160型综合巡检车总体技术条件[1-2]要求，整车主要技术参数如表1所示。巡检车牵引制动特性曲线如图1所示。

图1 牵引/电制动特性曲线Fig.1 Traction/electric braking characteristic curve

表1 主要性能参数Tab.1 Main performance parameters

2 牵引系统

巡检车电气牵引系统[2]主要目标为将柴油发电机组的输出能量传递到异步牵引电机和轮轴，以及在电阻制动时将巡检车的动能转化为热能并消耗在制动电阻上，从而实现巡检车的牵引及电阻制动功能。同时微机网络系统还实现整车的牵引逻辑控制、柴油机调速、柴油机恒功控制和整车故障诊断及保护功能。如图2所示，电传动牵引系统包括主传动、辅助传动系统及微机网络控制系统。

2.1 主传动系统

如图2所示，巡检车主传动系统主要由两台柴油主发电机、1台牵引整流柜（含2个整流模块）、1台牵引变流柜（含2个逆变模块）、4台异步牵引电动机、2台制动电阻装置、1台辅助滤波柜组成，每个主回路对应1台转向架的2台牵引电机，主回路相互独立。

图2 牵引系统组成示意图Fig.2 Composition of electric drive system

通过主电路的“交直交”变换功能将柴油发电机的输出功率通过牵引变流器、牵引电机传递到巡检车的轮周，实现车辆的牵引，通过牵引变流器的斩波功能将轮轴的制动能量传递给制动电阻，实现车辆的电阻制动。

根据巡检车的牵引/电制动特性及牵引发电机组输出特性，并基于时代电气既有的、成熟的牵引变流器产品平台，确定主回路中间直流环节额定电压值Ud为DC1500 V。

牵引逆变器主要电气参数如表2所示。

表2 牵引变流器参数Tab.2 Traction converter main parameters

2.2 辅助交流系统

辅助交流系统包括牵引逆变柜中2个辅助逆变单元及其切换电路和辅助滤波柜（包括隔离变压器及滤波电容）。2个辅助逆变单元分别从两架的中间主回路取电，采用双路冷备份控制，保证了牵引负载供电可靠性，通过2个辅助逆变单元及其切换电路，将其转换为一路CVCF三相交流电，再经辅助滤波柜输出工频380 V额定容量40 kVA，给2个柴油机水冷散热风机、2个柴油机中冷散热风机、2个牵引通风机提供电源，每个散热电机功率4 kW，共24 kW。

2.3 网络控制系统

2.3.1主要组成

如图2所示，MVB网络系统主要由2套成熟运用于内燃机车的cPCI微机控制机箱（CCU）、1套牵引控制单元（DCU）、2个网关模块（GWMe，其中1个热备份）、1个事件记录仪模块（ERMe）及2个显示器（IDU）组成；基于分布式网络控制技术，集控制、通信、监视及诊断功能于一体，各部件之间MVB通信符合IEC61375标准。

CCU承担整车逻辑控制与保护[2]，如图3所示，根据司控器级位对发动机转速n和主发电机励磁电流进行调节，来获得需要的中间环节直流电压；同时将当前车速期望的轮轴牵引/制动力矩传递给DCU。CCU同时负责牵引辅助负载的管理与驱动控制。

图3 CCU控制原理Fig.3 CCU control principle diagram

DCU承担整车牵引传动级逻辑控制与保护[2][5]，如图4所示，DCU接收CCU传递的牵引/制动力矩，并对主回路中间直流环节电压、变流器输出电流等参数采集，同时结合牵引电机的特性及最大黏着力来控制逆变桥臂IGBT的导通与关断，使牵引变流器输出期望的变频变压（VVVF）三相交流电，最终实现巡检车的最大牵引/电制动特性控制。

图4 DCU控制原理Fig.4 DCU control principle diagram

IDU的主要功能为实现巡检车的人机通信与人机交互显示功能。

GWMe实现对MVB网络的数据交换与管理[3]。整车配备了两个完全相同的GWMe模块，热备份冗余，当一个GWMe模块故障时，另外一个GWMe模块可直接接替其工作。

ERMe用于系统的运行及故障事件记录。

2.3.2牵引工况

牵引工况[2]下，CCU根据司控器挡位、当前车速，以及该挡位下的牵引曲线、最大轮周功率等条件计算得到目标轮轴牵引力，并将该轮轴牵引力转换为目标力矩发送给DCU。DCU根据CCU给定的目标力矩，并综合牵引电机牵引特性曲线限制、粘着力曲线限制等因素来控制逆变桥臂IGBT的导通与关断，使牵引逆变器输出特定幅值和频率的交流电给牵引电机，电机产生期望的轮周牵引力实施车辆牵引。

2.3.3电制动工况

电阻制动功能减少了机械闸瓦磨损，增加了巡检车的制动系统安全性。进行电阻制动[2]时，CCU根据司控器挡位、当前车速，以及该挡位下的电制动特性曲线、最大制动轮周功率等条件计算得到目标轮轴制动力，并将该轮轴制动力转换为目标力矩发送给DCU。DCU根据CCU给定的目标力矩，并综合牵引电机制动特性曲线限制、粘着力曲线限制等因素来控制逆变桥臂IGBT及斩波桥臂IGBT的导通与关断，来产生期望的轮周制动力实施电阻制动。

3 调试与分析

3.1 怠速时辅逆无法启动

ZXJ-160型内燃交流电传动巡检车在装车试验过程中，遇到空挡怠速工况下辅逆无法启动的问题，从而无法启动发动机散热风机，经分析原因是空档怠速工况下柴油机转速为750 r/min，辅逆模块的启动电压最低要求为950 V，满励磁时中间电压也未能达到辅逆启动最低电压要求。

为解决该问题，也考虑到节能，尝试将柴油机怠速转速升为850 r/min，将中间电压[3]目标值设为1000 V，辅逆搭载在二架上，如图5所示，此时柴油机和中间电压均能保持稳定。在辅逆启动并且4个冷却风机一起工作的情况下，占空比为70%并能保持稳定。

图5 提高转速效果Fig.5 Effect of increasing rotating speed

经多次反复验证，通过将柴油机转速由750 r/min调整为850 r/min，能使中间直流电压在惰转工况达到辅逆启动的电压要求，惰转状态依然能保证柴油机散热及经济性原则，满足整车系统技术要求。

3.2 中间直流电压振荡

铁路专用线试验过程中发现牵引工况下8挡目标中间电压DC1500 V时存在中间直流电压振荡现象，偏离目标电压最大幅度达200 V，影响了车辆的牵引性能，如图6所示。

图6 中间直流电压振荡Fig.6 Intermediate DC voltage oscillation

在问题排除及试验过程中，首先排除由发动机转速不稳引起的中间直流电压震荡问题；其次从主发电机励磁控制[2]的角度查找问题，对励磁调节PWM频率、励磁限流电阻、PI控制参数等方面的数据进行了改变与验证，从实际验证效果来看，8挡时中间直流电压振荡是无法消除的。

结合多次试验数据，分析为主发电机在1800转时输出时中间回路直流电压选择不合理，经评估牵引变流器中间环节可在额定DC1600 V时正常工作，尝试将其中一架8挡时中间直流目标电压调整为1600 V，实际多次验证结果如图7所示，1架中间直流电压波动范围在±50 V，而2架中间直流电压波动范围在±150 V。

图7 两架直流电压对比Fig7 Comparison of two DC voltages

再次同时将两架8挡时中间直流目标电压调整为DC1600 V进行多次反复验证，从多次反复验证结果可以看出（图8），中间直流电压振荡问题基本解决，满足巡检车电气引系统控制要求，因此在第2.1节中间环节直流电压选择时，需要根据实际调试情况调整额定中间直流电压为DC1600 V。

图8 两架直流电压稳定Fig.8 Stability of two DC voltages

4 结束语

ZXJ-160型综合巡检车为国内160 km/h运行速度等级的内燃电传动综合巡检车。在对内燃电传动牵引系统进行调试过程中，出现中间直流环节电压振荡的问题，经过充分分析、逐渐改进和多次验证，问题得到了有效的解决。

2018年12 月电传动电气牵引系统完成装车调试及整车出厂例行试验，2019年顺利通过铁道科学研究院组织的整车型式试验，2020年7月至今在上海铁路局进行运行考核。电传动牵引系统各项指标表现良好。相比传统液力传动巡检车，该电传动综合巡检车速度等级高，运行平稳，安全可靠，下坡电阻制动不涉及制动闸瓦磨损，加之可前、后行驶，大大提高了维修天窗作业效率。型式试验和现场运用结果表明，电传动控制系统具有优良的控制性能。必然会成为轨道巡检车牵引系统升级换代的发展方向。