交流电传动轨道车牵引系统设计

2021-02-05李勇斌李博韬李国锋周秀芳黄坚

电气传动 2021年3期

李勇斌，李博韬，李国锋，周秀芳，黄坚

（1.中车永济电机有限公司，陕西西安 710015；2.上海电机学院电子信息学院，上海 201306；3.江苏今创车辆有限公司，江苏常州 213012）

随着高铁运营里程的快速发展，铁总提出确保在窗口时间内完成百公里2.5%～3.5%长大坡道高铁线路检修需求，而现有铁路检修用重型轨道车牵引系统多为机械、液力或直流传动，持续牵引力小且无电阻制动功能。长大坡道牵引力不足会导致无法在窗口时间内完成牵引作业任务，在空气制动长时投入工况闸瓦和轮对踏面产生的高温和剧烈磨损会带来轮对弛缓和制动过温失效危险。为满足高铁线路安全检修需求，文献[1]研制完成一种新型交流牵引系统并应用在功率1 040 kW、最高运行速度120 km/h的铁路重型轨道车上，通过5 000 km线路运行考核测试，具备长大坡道持续大牵引力爬坡和持续大转矩电阻制动下坡能力，满足高铁线路检修需求。交流电传动系统（以下简称电传动系统）由柴油机、主辅发电机组、牵引变流器系统、轨道车控制系统和辅助系统组成。交流牵引系统与传统直流系统相比具有牵引制动功率大、恒功率速度范围宽、启动牵引力大、黏着利用率高、维护方便等优点。交流传动轨道车属国内首次研制，牵引计算暂无明确标准执行，本文借鉴干线交流机车牵引计算规程[2]，阐述了轨道车交流牵引系统计算方法，并通过半实物仿真测试和整车台架滚动验证了计算的符合性。

1 牵引系统方案设计

整车设计输入技术指标如下：柴油机输出功率P=1 040 kW；控制方式轴控；轴式B0-B0；整车装备质量（黏着重量）Pμ=80 t；轴重20 t；牵引整流输出直流母线电压Udc=1 800 V；半磨耗轮径Dk=880 mm；齿轮传动比μc=94/23；最高运行速度vmax=120 km/h；启动牵引力Fqmax≥200 kN；持续牵引力Fc≥150 kN；全转速范围转矩精度偏差≤5%。

1.1 主电路方案

借鉴文献[3]中EMD-HXN3型干线内燃机车牵引系统主电路方案，牵引逆变器架控模式改进为轴控方式[4]，牵引电机故障损失冗余能力由50%提升到25%，相比架控单轴电机的控制也更为精准。电传动系统原理图如图1所示。

图1 电传动系统原理图Fig.1 Diagram of electric traction system

依据主电路方案和整车设计输入参数，计算出图1电传动系统原理图中主发电机、牵引电机关键参数作为主发电机、整流装置、牵引逆变器和牵引电机及制动电阻柜设计依据，并依据干线机车的牵引制动特性经验公式计算出轨道车的牵引和制动特性参数曲线，并通过牵引逆变器软件控制算法实现轨道车牵引制动输出特性。

1.2 系统关键参数计算

1）轮轴标称功率（Pz）。标称功率作为轨道车4台牵引电机的额定输出功率初步计算依据，由公式：

式中：Pz为轨道车轮轴标称功率，kW；P为轨道车柴油机功率，kW；Pf为轨道车辅助功率，kW，一般取P×10%计算[2]；η为轨道车电传动系统效率，内燃机车η通常取0.84。

计算出轮轴标称功率Pz结果为

则1/4轮轴标称功率即计算得到牵引电机额定功率Pm为

2）持续速度（vc）。持续速度是考核机车最大牵引力所能持续运行的最低速度，通常作为牵引特性恒转矩和恒功曲线拐点，是机车牵引特性设计关键参数之一，由计算公式：

推导出：

式中：Fc为持续牵引力，取150 kN；vc为持续速度，km/h。

3）黏着牵引力（Fμ）。黏着牵引力是机车满载牵引工况，轮对不破坏轨道黏着发生空转所能产生的最大临界牵引力，做为机车最大启动牵引力设计指标参考。

根据计算公式：

当v=0时，经计算得到启动黏着牵引力为

式中：Fμ为黏着牵引力，kN；Pμ为轨道车黏着重量，取值80 t；μ为黏着系数；v为轨道车速度，km/h。

4）启动牵引力（Fqmax）。启动牵引力是机车可发挥的最佳启动牵引性能指标，也是牵引特性设计关键参数之一，由计算公式：

式中：Fqmax为启动牵引力，kN；λ为牵引力系数，为使轨道车在既满足Fqmax≥200 kN又不破坏黏着基础上能发挥最佳启动牵引能力，选取λ=0.86。则启动牵引力Fqmax计算结果为

5）主发电机额定输出功率（Pe）[4]。额定输出功率是发电机设计主要参数之一，由公式：

式中：Pe为主发额定输出功率，kW；P为柴油机输出功率，kW；ηe为主发电机效率，取0.93。得到主发电机额定输出功率Pe计算结果为

6）主发电机额定输出电压（Ue）。额定输出电压是发电机设计关键参数，由公式：

得到主发电机额定输出电压Ue计算结果为

式中：Ue为额定输出电压，V；Udc为牵引整流输出直流母线电压，V。

7）牵引电机启动转矩（Tq）。根据计算公式：

推导出牵引电机启动转矩计算值为

式中：μc为齿轮传动比；Z为牵引电机台数，取值4；Tq为牵引电机启动转矩，N ⋅m；ηg为齿轮箱效率，取0.975.

8）牵引电机额定转速（n）。由计算公式：

推导出牵引电机额定转速计算结果为

9）牵引电机额定转矩（Mn）。额定转矩是电机设计关键参数之一，由计算公式：

式中：Mn为牵引电机额定转矩。

取Fc=150 kN，牵引电机额定转矩计算结果为

10）牵引电机恒功最高转速（npmax）。由计算公式：

推导出牵引电机恒功最高转速计算结果为

11）牵引电机额定功率（Pm）。由公式：

推导出牵引电机额定功率Pm计算结果为

1.3 牵引制动特性

牵引制动特性代表轨道车的牵引和制动性能，同时也是轨道车控制软件计算的依据。

1.3.1 牵引特性

牵引特性由启动牵引力曲线、持续牵引力曲线和恒功牵引力曲线三部分组成，如下式：

式中：Fq1为轨道车启动牵引力；Fq2为轨道车持续牵引力；Fq3为恒功牵引力。

则牵引力Fq为

根据式（13）、式（14），可以得到0～120 km/h轨道车牵引力Fq的曲线数据。

1.3.2 能耗制动特性

能耗制动特性由最大制动力曲线、恒力矩制动曲线和恒功率制动力曲线组成，如下式：

式中：Fz1为恒力距制动力；Fz2为轮周最大制动力；Fz3为持续轮周制动力。

则制动力Fz为

根据式（15）、式（16），可以得到120～5 km/h区间轨道车制动力Fz曲线数据，且v＜5 km/h区间制动力线性归零。

上述计算结果形成表1牵引计算数据和表2能耗制动数据。

表1 牵引计算数据Tab.1 Traction calculation data

表2 能耗制动计算数据Tab.2 Dynamic braking calculation data

1.3.3 牵引/制动特性曲线

根据表1、表2计算数据，绘制出牵引制动特性曲线如图2所示。

图2 牵引/制动特性Fig.2 Traction/braking characteristics

图2中，轨道车启动牵引力Fqmax=220 kN，恒功率持续速度vc=18 km/h，恒功率速度点牵引力Fc=200 kN，恒制动力Fz1=150 kN，5～20 km/h为恒制动力区，20 km/h以上为恒功制动力区。

通过以上计算，我们得到了整车牵引系统关键参数。并将其作为牵引系统大部件电气设计依据。

2 牵引系统控制

将图2的牵引制动特性曲线算法植入轨道车牵引控制器内部，通过软件控制牵引逆变器驱动牵引电机，让轨道车按照设计好的特性曲线运行。

牵引控制包含牵引和能耗制动两种特性工况。在牵引工况时，文献[5]控制器保证各档位控制轨道车按牵引特性运行，图3为牵引工况控制框图。在能耗制动工况时，控制器保证轨道车按照能耗制动特性曲线运行，图4为制动工况控制框图。

图3 牵引工况控制框图Fig.3 Diagram of traction control mode

图4 制动工况控制框图Fig.4 Diagram of dynamic braking control mode

牵引逆变器全速度范围内采用转子磁场定向的间接矢量控制，分段矢量控制的控制框图如图5所示，电机在整个速度范围分为低速区L、中速区M和高速区H，不同速度区段的划分如图6所示。

控制算法和调制算法相互独立，实现励磁电流给定单元、转矩指令给定单元、复矢量电流控制、电压重构、磁链观测器、弱磁控制策略、磁场定向校正策略、相角控制器和二次脉动抑制等，具有优良的动、静态性能。

图5 矢量控制原理图Fig.5 Schematic diagram of the vector control

图6 电机全速度范围内的控制策略Fig.6 Full speed range control strategy of motor

3 试验数据及分析

3.1 牵引系统HiGale半实物仿真

1）牵引档位切换特性。测试工况：牵引电机转速固定200 r/min，由LCU控制输出0→8档，档位间切换对应不同的转矩值，半实物仿真监控界面观测的电机转矩和时间波形如图7所示。表3中数据为1～8档时刻的仿真牵引转矩测试数据。

表3 仿真牵引转矩测试数据表Tab.3 Simulation of traction torque test data

图7 牵引特性Fig.7 Traction characteristics

2）牵引扫频特性。测试工况：固定8档位，转速扫频上升和下降过程为5 km/h→120 km/h→5 km/h，半实物仿真监控界面观测的电机电流波形如图8所示。

图8 5 km/h→120 km/h→5 km/h速度扫描仿真试验波形Fig.8 Speed＆current for 5 km/h→120 km/h→5 km/h of speed scanning

3）制动档位切换特性。测试条件：母线电压Udc=1 200 V；制动工况，牵引电机转速保持在200 r/min，由LCU控制输出0档→4档→0档，档位间切换对应不同的转矩值，半实物仿真监控界面观测的转矩波形如图9所示。表4中数据为1～4档位能耗制动仿真测试数据。

图9 给定转速为200 r/mim能耗制动仿真波形Fig.9 Speed＆torque for 200 r/min of dynamic braking

表4 仿真能耗制动测试数据表Tab.4 Simulation of Dynamic Braking test data

4）制动扫频特性。测试工况：制动工况，档位固定4档，转速扫频上升和下降过程为5 km/h→120 km/h→5 km/h，半实物仿真监控界面观测的电机转矩波形如图10所示。

图10 5 km/h→120 km/h→5 km/h速度扫频制动仿真波形Fig.10 Speed＆torque for 5 km/h→120 km/h→5 km/h of dynamic Braking

仿真结论：1）波形数据显示，轨道车全转速范围牵引电机电流和转矩波形平滑稳定；牵引电机转矩和功率与设计值偏差＜1%；2）牵引满手柄8档位，能耗制动满手柄4档位，速度扫描波形和数据显示，波形平滑，速度切换点稳定无冲击。

3.2 台架滚动试验

轨道车整车通过地面滚动试验台[6]牵引运行试验，全面验证电传系统牵引和制动功率特性设计符合性。

1）牵引档位切换特性。图11为不同转速下牵引电机转矩、电流波形。测试工况：轨道车运行速度固定在5 km/h，50 km/h，65 km/h和70 km/h，司机控制器输出1档→8档，档位间切换对应不同的转矩值，采用DL850波形记录仪观测电机电流波形。表5中数据为轨道车各运行速度下8档时刻的牵引转矩实测数据。