基于飛輪-發電機組慣量模擬系統研究

楊韜

摘 要：隨著鐵路交通的蓬勃發展，如何對機車的性能進行完整而高效的測試是目前提高鐵路運能所面對的重要問題。運用機車滾動試驗臺是一種高效的整車測試方法，能減少機車的線路測試時間，大幅度提高測試效率。在運用機車滾動試驗臺進行動態制動試驗時，必須對機車運行慣量進行模擬，以盡量確保動態試驗制動過程工況與實際線路上運行時制動工況的一致性。本文提出了一種基于飛輪-發電機組的慣量模擬方式對機車制動特性進行模擬試驗研究，并搭建了小功率慣量模擬試驗臺，取得了較好的試驗研究成果。

關鍵詞：滾動試驗臺;飛輪;發電機組;慣量模擬

0 引言

運用滾動試驗臺進行機車動態試驗時，其對制動過程的模擬是能否測試出機車各方面性能參數的一個重要環節。從圖1中可以看出，如果機車進行動態試驗時，不進行慣量模擬，機車停車角速度曲線將嚴重偏離實際運行過程中角速度曲線[1]。

常見的慣量模擬的方式有：機械慣量模擬、電慣量模擬以及機電混合模擬[2-3]。國內外關于機車慣量模擬的參考文獻極少，機車作為大功率多軸驅動制動車型，運行慣量大且分散，傳統機械慣量模擬存在占地面積大、軸距調整困難、慣量調節操作麻煩。另外，電慣量模擬需要依賴牽引變流器的控制，受各種摩擦力、風阻、傳動單元慣量不確定等非線性因素，機車制動模型難以精準建立。

本文提出了一種基于飛輪-發電機組的慣量模擬方式，該方式仍采用飛輪作為制動能量來源，將機車各軸慣量模擬所需的飛輪片進行集中管理，單獨設置專門的飛輪慣量模擬室，解決了傳統機械慣量模擬的弊端;同時相對電慣量模擬方式，能夠實現牽引與制動試驗相互分開，減小牽引變流器的制動實驗控制難度。

1 系統設計

1.1 系統工作原理

系統主要由變頻器、原動機、飛輪組、同步發電機及勵磁裝置、機械聯接部件等組成，其結構圖如圖2所示。制動試驗時，變頻器驅動原動機帶動飛輪轉動及發電機發電，發電機輸出至拖動電機組。當拖動電機組到達所需制動速度時，機車開始進行制動（空氣制動、電制動），同時切掉變頻器，此時，由于飛輪已存儲相應的動能，飛輪將釋放存儲的動能拖動發電機繼續發電，驅動拖動電機組繼續轉動，機車輪對在制動力與拖動電機的反向驅動力下緩慢停車。

1.2 系統模型建立

整個系統的實現過程分為兩步：空載牽引試驗過程與制動試驗過程。空載牽引試驗是將機車拖動至制動所需初速度;制動試驗是實現機車在模擬的運行慣量下進行制動試驗。

1.2.1 牽引模型

原動機M0轉速為：

其中，為M0的定子電壓頻率，為M0極對數，為M0轉差率。

當發電機以同步轉速旋轉時，發電機端電壓頻率為：

其中，為G0極對數。

設M1、M2 ... Mn具有相同的電機參數，則各拖動電機轉速均為：

其中，為拖動電機極對數，為拖動電機轉差率。

由式（3）可看出，通過調節原動機M0的頻率能實現對拖動電機組的速度控制，進而實現滾動試驗臺機車速度控制。

同步發電機G0端電壓幅值為[4]：

其中，為磁動勢基波的繞組系數，為同步發電機合成氣隙磁通。

當同步發電機帶電動機運行時，由于電樞反應，氣隙磁動勢由勵磁磁動勢和電樞反應磁動勢合成。當勵磁電流改變時，勵磁磁動勢就會改變，那么合成氣隙磁動勢也必定會改變，從而合成氣隙磁通也改變，由式（4）可知，合成氣隙磁通改變，在其它條件不變的情況下，同步發電機的端電壓也必將改變。故當原動機M0的頻率一定時，可以通過調節發電機勵磁電流的大小，來調節拖動電機組定子電壓的大小。

1.2.2 制動過程

拖動電機組通過軌道輪帶動機車輪對穩定運行后，飛輪儲存的能量為：

式中，表示飛輪的慣量，表示飛輪的角速度，表示飛輪的轉速。

制動過程中，令機車各軸施以相同制動力進行制動，且制動力恒定，等效到各拖動電機軸的制動力矩為。設機車運行速度為v，質量為m，停車時間為T，忽略整個系統機械損耗、各種阻力，由能量守恒定律有：

以拖動電機M1為例進行分析，設拖動電機M1轉速為，則：拖動電機M1輸出功率為：

發電機輸出至單臺拖動電機的功率為：

式中，為電機M1效率。

從而可算出拖動電機M1輸入電流：

式中，為發電機輸出電壓，為拖動電機功率因數。

進一步算出同步發電機輸出電流：

進一步推算出同步發電機G0的輸出功率：

式中，為電機M1效率，為電機組功率因數。

同步發電機G0的輸入功率為：

設停車時間為T，則根據能量守恒定律有：

由以上推導過程可以看出，機車的動能、停車時間T、飛輪的慣量、制動力之間存在相互關系，通過機車動能與制動力大小，可以推算出機車停車時間與飛輪慣量的大小。

2 慣量模擬試驗臺設計

試驗臺結構圖原理圖與實物圖如圖5所示。機組M01、M02、M03與機組M11、M12、M13采用“背靠背”形式聯接[5]，可靈活地實現牽引-制動過程。

3 試驗結果分析

通過變頻器控制原動機M00驅動發電機G00發電，拖動電機組M01、M02、M03轉速達到882 r/min后，變頻器轉矩控制對電機組M11、M12、M13給定相同轉矩（90%額定）指令;待系統帶載運行穩定運行后停止驅動M00， M11、M12、M13保持轉矩輸出，模擬電制動，待機組轉速接近零時，停止M11、M12、M13轉矩輸出。記錄機組M01、M02、M03停車時間。

結果分析：三臺拖動電機的制動曲線基本一致，以拖動電機M01的制動曲線做分析，從圖6中可以看出，在制動過程中，由于飛輪慣量帶動發電機繼續發電，M01將緩慢停車。且在25 s之前，保持一定減速度勻減速運行，25 s之后由于此時飛輪轉速較低，發電機發電不足以驅動拖動電機繼續轉動，故出現速度陡降至完全停車。

4 結束語

本文提出的基于飛輪-發電機組慣量模擬系統，利用飛輪作為制動過程的能量來源，根據飛輪-發電機組的結構特性，將各軸的飛輪集中進行管理，便于現場安裝，減小了軸距調整裝置的容量，降低了慣量調節增減飛輪片的難度;同時機車制動試驗與牽引試驗分開獨立控制，減小了牽引變流器控制難度。

參考文獻：

[1]張水文.CRH1型動車慣量模擬縮比系統的研究與實現[D].中南大學，2010.

[2]莫志勇，張為公，吉同舟.汽車機械慣量電模擬技術[J]. 中國慣性技術學報，2009，17（1）：123-126.

[3]周洪旋.制動器試驗臺電慣量系統控制方法研究[D].吉林大學，2005.

[4]宗許寧.G-M拖動系統起動與調速的研究及應用[D].同濟大學，2013.

[5]李曉尚.交流牽引異步電機試驗系統研究[D].北京交通大學，2010.