交流牽引電機(jī)型式試驗(yàn)平臺的研究

田棟棟

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000)

針對牽引電氣系統(tǒng)的控制和集成是一項(xiàng)十分重要的研究工作，需要針對整個傳動系統(tǒng)實(shí)施十分精確的試驗(yàn)，進(jìn)而確保相關(guān)部件在運(yùn)行狀態(tài)下能夠相關(guān)協(xié)調(diào)[1]。通過交流牽引電機(jī)型式試驗(yàn)，研究者可以及時認(rèn)識到參數(shù)、結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)等方面存在的不足并做出相應(yīng)的改進(jìn)，可進(jìn)一步縮短研發(fā)周期[2]。

1 系統(tǒng)設(shè)計需求

本次研究通過交流傳動動態(tài)試驗(yàn)臺和由交流傳動地面試驗(yàn)臺相結(jié)合的方式建立起了一套交流牽引電機(jī)型式試驗(yàn)平臺。其中交流傳動地面試驗(yàn)臺以軌道交通牽引系統(tǒng)為被試對象，具體包括軌道控制系統(tǒng)、牽引電動機(jī)、牽引變流器以及牽引變壓器；交流傳動動態(tài)試驗(yàn)臺以牽引傳動系統(tǒng)為被試對象，比如齒輪傳動以及轉(zhuǎn)向架等。從實(shí)驗(yàn)工作需求以及傳統(tǒng)試驗(yàn)平臺改進(jìn)兩方面的角度出發(fā)，對新型交流牽引電機(jī)型式試驗(yàn)平臺的設(shè)計方案進(jìn)行更新與優(yōu)化，進(jìn)而為被試對象的改進(jìn)提供更加豐富的試驗(yàn)環(huán)境。

2 總體設(shè)計方案

本次研究根據(jù)IEC61377標(biāo)準(zhǔn)所提出的交流牽引電機(jī)型式試驗(yàn)平臺的相關(guān)應(yīng)用需求，并結(jié)合軌道交通交流傳動的電壓等級與電源制式，設(shè)計了一套如圖1所示的集成多種試驗(yàn)線路的組合系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計方案

本次研究針對交流牽引電機(jī)型式試驗(yàn)平臺的特殊要求專門設(shè)計了1TM1、1TM2、1TM3、三相結(jié)合調(diào)壓器，該方案能夠?qū)V 10kV轉(zhuǎn)換為三相AV 330～1 860 V，所形成的電流可應(yīng)用于三相交直交變流器組合試驗(yàn)[3]。在三相四象限整流器的幫助下所產(chǎn)生的直流電源能夠提供連接可DC 445～ DC 2 511 V試驗(yàn)環(huán)境，進(jìn)而為DC1 500 V、DC750 V電壓等級的直交變流器同步電機(jī)驅(qū)動組和直交變流器異步電機(jī)驅(qū)動組建立試驗(yàn)電源[4]。

TM10為三相感應(yīng)調(diào)壓器，該裝置能夠?qū)⑷郃C 10 kV轉(zhuǎn)換為AC 300 V～10.5 kV，所形成的實(shí)驗(yàn)電源可以應(yīng)用于H相交直交變流器組合試驗(yàn)[5]。在整流變壓器TM11與TM12的幫助下，所形成的交流試驗(yàn)電源可以為試驗(yàn)提供DC 50～DC 5 750 V的試驗(yàn)環(huán)境[6]。在十二脈波相整流器的幫助下，所形成的直流電源可以提供連續(xù)可調(diào)的DC 50～DC 5 750 V試驗(yàn)環(huán)境，即能夠滿足DC1 500 V、DC750 V電壓等級的試驗(yàn)，也能夠?yàn)橹苯蛔兞髌魍诫姍C(jī)驅(qū)動和直交變流器異步電機(jī)驅(qū)組合試驗(yàn)提供DC3 000 V及以上的試驗(yàn)電源[7]。

圖1 交流牽引電機(jī)型式試驗(yàn)平臺總體設(shè)計方案

TM13與TM0之間互為冗余，同為單相升壓變壓器，能夠?qū)C 10 kV轉(zhuǎn)換為AC 25 kV，所形成的試驗(yàn)電源能夠應(yīng)用于單相交直交變流器同步電機(jī)驅(qū)動和單相交直交變流器異步電機(jī)驅(qū)動組在AC 25 kV環(huán)境下的試驗(yàn)[8]。出于25 kV電網(wǎng)供電電壓變化范圍適應(yīng)性方面的考慮，本次研究將TM13設(shè)計為一個單相變壓器和一個單相調(diào)壓器相結(jié)合的變壓器，能夠提供17～32 kV的輸出電壓。

在圖1中，G為陪試異步牽引電動機(jī)、U為陪試牽引變流器、TM為陪試牽引變壓器，本次研究將G10、G11、G12、G13和TM14、TM15、U12、U13結(jié)合起來，進(jìn)而建立一個應(yīng)用于四軸動車地面試驗(yàn)臺的負(fù)載，借助解耦或耦合技術(shù)能夠針對諸如軸控、架控、車控等模擬應(yīng)用試驗(yàn)提供負(fù)載[9]。

本次研究將G17、G18、G19、G20、G21、G22、U14、U15、U16、TM16、TM17、TM18結(jié)合起來，所建立的負(fù)載可應(yīng)用于H軸機(jī)車地面試驗(yàn)，在齒輪箱的耦合作用下，2臺陪試異步牽引電動機(jī)能夠?yàn)?臺被試電動機(jī)提供負(fù)載，所建立起來的負(fù)載能夠應(yīng)用于軸控、架控等方面的模擬實(shí)驗(yàn)，借助陪試變流器的轉(zhuǎn)速同步能夠?qū)C(jī)車試驗(yàn)臺的架空進(jìn)行模擬[10]。

本次研究將25 kV高壓斷路器和PLC結(jié)合起來，所建立起來的高壓可按開關(guān)能夠達(dá)到AV 25 kV等級，進(jìn)而對交流環(huán)境下所出現(xiàn)的供電中斷現(xiàn)象進(jìn)行模擬[11]；通過直流高速斷路器與PLC相結(jié)合的方式所建立起來的高壓可按開關(guān)能夠達(dá)到DC 3 000 V等級的電壓水平，可以對短時直流環(huán)境下所出現(xiàn)的斷電現(xiàn)象進(jìn)行模擬[12]。

試驗(yàn)系統(tǒng)10 kV線路功率因數(shù)可以在功率補(bǔ)償裝置的作用下得到提升，進(jìn)而對三相不平衡的現(xiàn)象起到一定的補(bǔ)償效果。

水電阻、電廠、電阻等元件可以為牽引變流器在無配套牽引電動機(jī)狀況下的研究性試驗(yàn)和型式試驗(yàn)提供模擬負(fù)載[13]。

本次研究所設(shè)計的交流牽引電機(jī)型式試驗(yàn)平臺，其所提供的負(fù)載可以應(yīng)用于三相440 V/60 Hz和380 V/50 Hz兩種典型應(yīng)用。另外配套設(shè)計了1套30 kW的直流發(fā)電機(jī)機(jī)組負(fù)載和1套50 kW的直流發(fā)電機(jī)機(jī)組負(fù)載，通過調(diào)節(jié)勵磁電流的方式能夠同時調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的電壓，而電阻則負(fù)責(zé)消耗由發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的電[14]。

4 結(jié) 語

本次研究詳細(xì)介紹了交流牽引電機(jī)型式試驗(yàn)平臺的設(shè)計方案，重點(diǎn)闡述了陪試異步牽引電動機(jī)、陪試牽引變流器、陪試牽引變壓器的使用目的和使用方法，通過針對不同元件和組合來為電機(jī)型式實(shí)驗(yàn)提供相應(yīng)的電流環(huán)境與負(fù)載環(huán)境。在未來的研究工作中，還需要從規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計的角度出發(fā)，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的信息自動化水平、抗干擾性以及可靠性水平，實(shí)現(xiàn)自動生成原始記錄、自動數(shù)據(jù)分析、自動數(shù)據(jù)采集和自動過程控制，進(jìn)而建立起一套一鍵式操作的交流牽引電機(jī)型式試驗(yàn)平臺。