出口安哥拉米軌內燃動車組牽引系統設計

王 鑫 孫開意 孫樹鑫 吳 江 張國宏

(中車唐山機車車輛有限公司 河北 唐山 063035)

出口安哥拉米軌內燃動車組為動力分散式電傳動內燃動車組，其設計速度為100 km/h，最高運行速度為80 km/h。標準編組方式為四輛編組，頭車為動車，中間車為拖車，可實現三列重聯運行。

1 系統設計

1.1 系統組成

該內燃動車組采用先進的動力總成技術，每輛動車車下設置有一臺柴油發電機組，為動車組牽引、輔助供電提供能源。牽引系統采用交-直-交方式，為DC750 V電壓等級系統，主要由主發電機、牽引變流器、牽引電機和制動電阻組成。

動車組采用架控方式，由兩個相對獨立的牽引單元組成，每個牽引單元包括1臺主發電機、1臺牽引變流器、4臺牽引電機和1臺制動電阻，主發電機發出的三相交流電經整流器整流，輸出直流電經逆變器逆變出電壓和頻率可變的電源給牽引電機供電，牽引電機通過齒輪箱等機械傳動裝置驅動動車組運行，牽引單元系統框圖如圖1所示。

圖1 牽引單元系統框圖

1.2 牽引特性

在無風、平直道、AW1載重條件下，牽引特性曲線如圖2所示。

圖2 牽引特性曲線

1.3 主要參數

1.3.1主發電機

主發電機采用三相無刷勵磁同步發電機，自通風冷卻。通過調整柴油機的目標轉速和勵磁控制器勵磁電流，實現控制主發電機輸出三相交流電壓和中間直流電壓的目的。主發電機主要參數如下：額定容量，332 kVA；額定電壓，650 V；額定電流，295 A；額定轉速，1 800 r/min；額定頻率，90 Hz。

1.3.2整流器

整流器安裝在牽引變流器內部，采用三相全波橋式不控整流，同時配置有電壓和電路傳感器，用于三相交流電壓和電流檢測。主要參數如下：額定輸入電壓，3AC650 V；輸入電壓范圍，3AC430 V～3AC650 V；額定輸出電壓，DC750 V；輸出電壓范圍，DC500 V～DC900 V；額定功率，320 kW。

1.3.3牽引逆變器

牽引逆變單元由電壓電流傳感器、接地檢測裝置、支撐電容、電阻、功率模塊等元器件組成，功率模塊采用IGBT功率元件。牽引控制單元采用高速微機控制，具有牽引控制、故障記錄和自診斷功能。主要參數如下：額定輸入電壓，DC750 V；額定輸出功率，2×150 kW；輸出電壓范圍，3AC0～550 Vrms；輸出頻率范圍，0～200 Hz。

1.3.4牽引電機

牽引電機采用三相鼠籠式異步電動機，全封閉自冷卻，適用于由電壓源逆變器供電，采用變頻變壓(VVVF)調速。每個動車設有2個動力轉向架，每個動力轉向架設有2個牽引電機，牽引電機上裝有速度傳感器和溫度傳感器。主要參數如下：額定功率，60 kW；額定電壓，475 V；額定電流，95 A；額定轉速，1 217 r/min；額定頻率，41 Hz；絕緣等級，200級。

1.3.5制動電阻

制動電阻將車輛電制動時的能量轉化為熱能，安裝于車頂部，采用自然冷卻方式。主要參數如下：電阻阻值(20 ℃)，2.665 Ω(+7%,-5%)；最大功率，280 kW；額定電壓，DC 750 V；最高工作溫度，550 ℃。

1.4 控制原理

安哥拉米軌內燃動車組在牽引控制方面采用功率控制方式實現。司機控制器按照需求劃分不同擋位，每個擋位對應柴油機不同轉速，根據柴油機經濟特性曲線確定不同轉速下可使用的輸出功率。司機控制器擋位信號通過硬線和網絡傳輸給柴油機控制器、勵磁控制器和牽引控制單元。

勵磁控制裝置主控制器采用數字式勵磁控制系統，其主要是通過改變或控制發電機的勵磁電流大小從而控制同步發電機的輸出電壓。其工作原理為：將采樣得到的發電機電壓反饋值與電壓給定值進行比較后得到差值，經PID調節器后輸出PWM脈沖信號來控制功率驅動器件的輸出電壓，從而調節發電機勵磁電流，保持發電機輸出電壓在整個功率范圍內滿足要求，如圖3所示。

圖3 勵磁控制原理圖

逆變器控制采用轉差型矢量控制方法，進行轉矩和磁通的解耦控制，使得系統動態性能近似于直流電機的調速性能，轉矩響應好，控制精度高，保證列車運行時系統響應快速、運行平穩。牽引變流器采集司控器級位指令，計算出對應給定級位的指令轉矩，通過反饋的車速信號得到指令磁鏈，轉矩與磁鏈的實際值與指令值的差分別作為PI調節的輸入，得到指令勵磁電流與指令轉矩電流，再與經過坐標變換后的實際勵磁電流和轉矩電流相減進行PI調節，得到參考電壓，經過坐標變換作為空間矢量調制(SVPWM)模塊的輸入，將其進行基于統一電壓調制技術的空間矢量調制，即可得到控制逆變器的IGBT脈沖信號，由此實現了轉矩和磁鏈的解耦控制，如圖4所示。

圖4 逆變器控制原理圖

2 系統的故障保護

2.1 勵磁控制器

勵磁控制裝置具有自診斷、自保護功能，通過外部信號判斷當前主發電機的運行狀態進行勵磁保護，出現故障時，勵磁控制裝置能自動判斷和動作。勵磁保護可實現三相交流輸出過壓保護、三相交流輸出過流保護、過載保護、缺相保護、欠壓保護等。

當勵磁控制器判斷上述任何故障產生后，與之對應的故障信號繼電器動作，輸出相應的故障信號。

2.2 牽引控制單元

牽引系統在運行過程中 TCU 實時監控逆變器及其自身的各種狀態信息，在發生異常時，根據故障嚴重程度的不同，將故障進行分級，依據故障等級判斷故障并作出相應的保護動作。主要包括中間電壓過壓、中間電壓欠壓、中間直流過流、逆變器輸出過流、逆變器輸出缺相、斬波電流過流、接地故障、傳感器故障、驅動故障、冷卻故障、通訊故障、牽引電機傳感器故障、牽引電機過溫等等。

2.3 冗余設計

為保證列車安全可靠的運行，動車組動力牽引系統采用冗余設計，當其中某一個設備出現故障時，會降低動車組性能，如表1所示。

表1 動車組冗余性

3 試驗驗證

3.1 地面試驗

牽引系統地面組合試驗針對安哥拉內燃動車組牽引系統性能進行驗證，包括不同擋位設置下的勵磁發電試驗、牽引電機牽引轉矩特性試驗和電制動轉矩特性試驗、滿轉矩掃描等。

3.1.1勵磁發電試驗

安哥拉內燃動車組在發電工況下劃分為8個擋位，包含怠速位和7擋牽引位，怠速時發電機輸出能夠滿足整車輔助供電負載供電需求，牽引擋位根據柴油機特性劃分為7個擋位，最高擋位滿足圖2所示的牽引特性，發揮最大牽引能力。發電機發電時勵磁電流要求不超過10 A，表2所示為地面試驗測試結果，能夠滿足設計要求。

表2 不同擋位下勵磁發電數據

3.1.2轉矩特性試驗

地面組合試驗時測得不同擋位下的電機熱態時牽引轉矩特性和電制動轉矩特性曲線。

3.1.3滿轉矩掃描試驗

以轉矩最大值作為參考，在牽引和電制動兩種工況下，電機速度從低速點開始到最大轉速后，再到制動檢測整個速度范圍內變化的轉矩特性波形。

3.2 裝車試驗

牽引系統裝車后，在靜態和動態情況下進行了試驗驗證。靜態試驗主要是方向識別、牽引和電制動擋位識別、牽引使能指令接收等。動態試驗用于驗證整車牽引性能，主要包括列車加速度測試、防滑防空轉試驗。

3.2.1平均加速度試驗

動車組在平直道上從V1加速到V2，所用時間為Δt，則從V1到V2的平均加速度按下式計算：

式中：a為平均加速度，m/s2；V2、V1為列車運行速度，km/h；Δt為列車從V1加速到V2所用的時間，s。

0～20 km/h起動平均加速度計算時，V2=20 km/h，V1=0。

3.2.2防空轉滑行試驗

列車停在試驗線路一端，將司機控制器手柄快速推到牽引最高擋啟動列車，使列車速度迅速提升。到達目標速度后，將牽引手柄拉回至電制動最高擋位，施加最大電制動直至停車。

施加牽引力和電制動力的同時，在動車組前進方向的車輪踏面和鋼軌前噴灑減摩液，使輪軌間形成低黏著狀態。

采集動車組運行速度、動車組前進方向的第一軸的軸速、動車組前進方向的第一軸牽引電機某一相的相電流。

牽引工況下動軸發生空轉時，系統能對空轉進行有效抑制；當空轉消失時，動車組能夠盡快恢復牽引力。電制動工況下動軸發生滑行時，系統能對滑行進行有效抑制；當滑行消失時，動車組能夠盡快恢復制動力。

4 總結

安哥拉米軌內燃動車組通過地面聯調、現場調試、試驗與線路運行，牽引系統能夠滿足設計要求，并且關鍵設備能夠可靠運行，冗余設計提高了動車組的安全系數，為以后內燃動車牽引系統設計提供參考。