電力機車低電壓下的庫內牽車功能實現

單俊強

應用研究

電力機車低電壓下的庫內牽車功能實現

單俊強

（國能包神鐵路集團有限責任公司，內蒙古包頭 014000）

為解決低電壓下大功率機車庫內牽車功能不穩定、適用性差的問題，本文提出一種基于低電壓下的電機特性擬合以及目標轉差動態設定方案，實現了大功率機車在小容量庫內電源供電條件下的庫內牽引移動功能。試驗表明，該方法移車效果平穩，適用于多軸重聯下的長編組機車。

低電壓 庫內牽車 異步電機 力矩顛覆

0 引言

庫內牽車電源具有容量小、電壓等級低等特點，低電壓下大功率異步牽引電機特性受電機參數的影響難以準確評估，且受直流庫內牽車電源容量的影響，供電電壓會被大幅度拉低，容易導致牽引電機發生力矩顛覆。

庫內牽車是在車庫內與牽引供電網之間的無電區將機車牽引至庫外接觸網的一種短距離移車需求，通常庫內都會配備相應的庫內電源以匹配車型需要。通用的大功率軌道移車設備主要采用直接將庫內牽車直流電源轉換為穩頻的正弦波交流電源，并直接供給任意主軸牽引三相交流電機上，然而這種只適用于前期有匹配性接口設計的機車車型，通適性相對較差，屬于固定恒轉差率的控制方案。目前有一種更靈活的方式是將庫內牽車直流電源直接接入機車直流環節，利用機車自帶的變流模塊，既減少了接線端口，也實現了牽車調控的自主靈活。

神華12軸機車采用了利用機車自帶變流模塊控制的移車方案，然而受庫內電源容量小（≥45 kVA）、供電電壓等級低，空載供電電壓65 V，以及移車給電需要人為點觸斷續供電等情況，導致機車原有的變流控制方案無法適用。極低直流供電電壓下大功率牽引異步電機牽引特性具有不確定性，且受電機參數影響較大[1]，計算誤差相對較大，參考性受限；同時，低電壓下如何實現在力矩不顛覆且保留較大力矩輸出確保足夠的牽引力也是需要考慮的問題，文獻[2]通過建立低電壓下的轉矩最大優化模型，分別針對線性模型和非線性模型進行深入分析，最終采用單谷函數進行求解，方法相對復雜。

本文重點針對低電壓下大功率牽引電機移車功能的實現進行分析，結合牽引電機特性與測試數據對極低電壓下的牽引特性曲線進行擬合，同時結核移車各速度階段的控制需要，通過對目標轉差率的調控實現對數據力矩的調節，構建了滿足神華12軸車庫內移車需求的牽車方案。

1 庫內牽車主電路與電源特性

神華十二軸機車庫內牽車功能的主回路如圖1所示，前端接觸網不供電，庫內牽車電源直接接在變流器四象限輸入端，此時整流器不工作，通過不控整流方式給主回路中間直流側供電，當庫內牽車模式有效時，直接啟動逆變器按照正常行車方式進行牽車作業。

神華庫內牽車電源具有容量小、電壓等級低且在牽車供電過程中需要人為點觸供電點進行供電，供電電源電壓特性如圖2所示，空載電壓維持在60 V左右，當接入負載后由于供電電源容量有限，中間電壓被逐步拉低，最低可達35 V。

圖1 庫內牽車主電路

圖2 庫內牽車電源特性

2 牽引電機低電壓下的特性評估

對于大功率牽引電機，極低供電電壓條件下的電機牽引特性難以評估，且在庫內牽車過程中，由于庫內電源容量較小，中間電壓容易被拉低，極易引發力矩顛覆導致故障。因此，為滿足低電壓下的庫內牽車牽引力需求，需要對低電壓下的牽引電機特性評估，考慮當前供電電壓條件下所能發揮的最大力矩，并在留有一定裕量的條件下，設定匹配牽車功能需求的特性力曲線。

由異步牽引電機電磁關系，可得到電磁轉矩與相關參數表達式[3]，如下式(1)

式中：1為電磁轉矩系數；為電機極對數；12為線電壓；為供電電源頻率；1、2’為電機定轉子電阻；1、2’為定轉子漏感，為轉差率；

基于該車型的經驗單位阻力公式，如下

結合上式，考慮一定的坡道系數，可得到該車型庫內啟動理論所需最小牽引力矩參考值為1146 N?m，同時考慮到庫內牽車運行速度很低，因此低電壓下電機擬合特性的額定頻率應合理設定。

由電磁力矩關系式可知，電磁轉矩em與線電壓12成正比，與供電電源頻率成反比，即可得

基于此，考慮庫內電源供電電壓、啟動牽引力并結合電機額定特性，可評估得到低電壓下的牽引電機特性曲線如圖3所示。低電壓下的特性曲線中，設定的額定力矩為1200 N?m，額定頻率為0.5 Hz。

3 庫內牽車控制方案

圖4 庫內牽車控制總體框圖

庫內牽車控制的總體方案如圖4所示，以擬合65V供電低電壓下的牽引特性作為基準特性，并根據庫內電源供電下的實時中間電壓成比例調整獲得目標力矩值，隨后將目標力矩值轉化為動態目標轉差率作為控制環節的輸入量，最終實現牽引力矩的輸出。

4 試驗結果

圖5 測試波形

基于前述章節所擬合的低電壓下的牽引特性以及庫內牽車控制方案，將其應用于神華12軸機車并進行庫內牽車測試試驗，試驗結果如圖5所示。圖中牽引力為0時庫內電源供電電壓為55 V左右，隨后司機逐步推牽引手柄，隨著牽引力的增大中間電壓逐漸被拉低，當牽引力達到1100 N·m時，牽引力克服啟動阻力，機車開始逐漸加速，此過程中牽引力也隨特性逐步降低。從圖中可以看出極低電壓下的庫內牽車過程牽引力能夠平穩發揮，移車運行速度平順，能很好地滿足庫內低容量電源短距離移車需求。

5 結語

本文描述了一種低電壓下的庫內牽車功能實現方法，通過對低電壓下的牽引特性評估提供了匹配的特性曲線，避免因中間電壓過低而引發力矩顛覆，同時考慮中間電壓因負載被拉低的情況，通過動態調整目標轉差率實現匹配的牽引力矩輸出，最終方案通過實車驗證表明適用于庫內牽車功能的實現。

[1] 李益豐, 高培慶. 逆變器供電的異步牽引電機特性曲線的計算[J]. 機車電傳動, 1997(6):8-11.

[2] 劉慶, 劉和平, 劉平,等. 電動汽車用異步電動機低速轉矩最大化[J]. 電工技術學報, 2017, 032(24):30-41.

[3] 王曉敏. 電機拖動與控制[M]. 電子工業出版社, 2012.

Realization of traction function in the depot of electric locomotive under low voltage

Shan Junqiang

（Baoshen Railway Group Co. Ltd, Baotou City 014000, Inner Mongolia, China）

TM32

A

1003-4862（2023）02-0035-03

2022-08-13

單俊強（1975-），男，高級工程師，研究方向：貨運機車檢修，技術管理。E-mail：11253328@ceic.com