出口安哥拉米轨内燃动车组牵引系统设计

王 鑫 孙开意 孙树鑫 吴 江 张国宏

(中车唐山机车车辆有限公司 河北 唐山 063035)

出口安哥拉米轨内燃动车组为动力分散式电传动内燃动车组，其设计速度为100 km/h，最高运行速度为80 km/h。标准编组方式为四辆编组，头车为动车，中间车为拖车，可实现三列重联运行。

1 系统设计

1.1 系统组成

该内燃动车组采用先进的动力总成技术，每辆动车车下设置有一台柴油发电机组，为动车组牵引、辅助供电提供能源。牵引系统采用交-直-交方式，为DC750 V电压等级系统，主要由主发电机、牵引变流器、牵引电机和制动电阻组成。

动车组采用架控方式，由两个相对独立的牵引单元组成，每个牵引单元包括1台主发电机、1台牵引变流器、4台牵引电机和1台制动电阻，主发电机发出的三相交流电经整流器整流，输出直流电经逆变器逆变出电压和频率可变的电源给牵引电机供电，牵引电机通过齿轮箱等机械传动装置驱动动车组运行，牵引单元系统框图如图1所示。

图1 牵引单元系统框图

1.2 牵引特性

在无风、平直道、AW1载重条件下，牵引特性曲线如图2所示。

图2 牵引特性曲线

1.3 主要参数

1.3.1主发电机

主发电机采用三相无刷励磁同步发电机，自通风冷却。通过调整柴油机的目标转速和励磁控制器励磁电流，实现控制主发电机输出三相交流电压和中间直流电压的目的。主发电机主要参数如下：额定容量，332 kVA；额定电压，650 V；额定电流，295 A；额定转速，1 800 r/min；额定频率，90 Hz。

1.3.2整流器

整流器安装在牵引变流器内部，采用三相全波桥式不控整流，同时配置有电压和电路传感器，用于三相交流电压和电流检测。主要参数如下：额定输入电压，3AC650 V；输入电压范围，3AC430 V～3AC650 V；额定输出电压，DC750 V；输出电压范围，DC500 V～DC900 V；额定功率，320 kW。

1.3.3牵引逆变器

牵引逆变单元由电压电流传感器、接地检测装置、支撑电容、电阻、功率模块等元器件组成，功率模块采用IGBT功率元件。牵引控制单元采用高速微机控制，具有牵引控制、故障记录和自诊断功能。主要参数如下：额定输入电压，DC750 V；额定输出功率，2×150 kW；输出电压范围，3AC0～550 Vrms；输出频率范围，0～200 Hz。

1.3.4牵引电机

牵引电机采用三相鼠笼式异步电动机，全封闭自冷却，适用于由电压源逆变器供电，采用变频变压(VVVF)调速。每个动车设有2个动力转向架，每个动力转向架设有2个牵引电机，牵引电机上装有速度传感器和温度传感器。主要参数如下：额定功率，60 kW；额定电压，475 V；额定电流，95 A；额定转速，1 217 r/min；额定频率，41 Hz；绝缘等级，200级。

1.3.5制动电阻

制动电阻将车辆电制动时的能量转化为热能，安装于车顶部，采用自然冷却方式。主要参数如下：电阻阻值(20 ℃)，2.665 Ω(+7%,-5%)；最大功率，280 kW；额定电压，DC 750 V；最高工作温度，550 ℃。

1.4 控制原理

安哥拉米轨内燃动车组在牵引控制方面采用功率控制方式实现。司机控制器按照需求划分不同挡位，每个挡位对应柴油机不同转速，根据柴油机经济特性曲线确定不同转速下可使用的输出功率。司机控制器挡位信号通过硬线和网络传输给柴油机控制器、励磁控制器和牵引控制单元。

励磁控制装置主控制器采用数字式励磁控制系统，其主要是通过改变或控制发电机的励磁电流大小从而控制同步发电机的输出电压。其工作原理为：将采样得到的发电机电压反馈值与电压给定值进行比较后得到差值，经PID调节器后输出PWM脉冲信号来控制功率驱动器件的输出电压，从而调节发电机励磁电流，保持发电机输出电压在整个功率范围内满足要求，如图3所示。

图3 励磁控制原理图

逆变器控制采用转差型矢量控制方法，进行转矩和磁通的解耦控制，使得系统动态性能近似于直流电机的调速性能，转矩响应好，控制精度高，保证列车运行时系统响应快速、运行平稳。牵引变流器采集司控器级位指令，计算出对应给定级位的指令转矩，通过反馈的车速信号得到指令磁链，转矩与磁链的实际值与指令值的差分别作为PI调节的输入，得到指令励磁电流与指令转矩电流，再与经过坐标变换后的实际励磁电流和转矩电流相减进行PI调节，得到参考电压，经过坐标变换作为空间矢量调制(SVPWM)模块的输入，将其进行基于统一电压调制技术的空间矢量调制，即可得到控制逆变器的IGBT脉冲信号，由此实现了转矩和磁链的解耦控制，如图4所示。

图4 逆变器控制原理图

2 系统的故障保护

2.1 励磁控制器

励磁控制装置具有自诊断、自保护功能，通过外部信号判断当前主发电机的运行状态进行励磁保护，出现故障时，励磁控制装置能自动判断和动作。励磁保护可实现三相交流输出过压保护、三相交流输出过流保护、过载保护、缺相保护、欠压保护等。

当励磁控制器判断上述任何故障产生后，与之对应的故障信号继电器动作，输出相应的故障信号。

2.2 牵引控制单元

牵引系统在运行过程中 TCU 实时监控逆变器及其自身的各种状态信息，在发生异常时，根据故障严重程度的不同，将故障进行分级，依据故障等级判断故障并作出相应的保护动作。主要包括中间电压过压、中间电压欠压、中间直流过流、逆变器输出过流、逆变器输出缺相、斩波电流过流、接地故障、传感器故障、驱动故障、冷却故障、通讯故障、牵引电机传感器故障、牵引电机过温等等。

2.3 冗余设计

为保证列车安全可靠的运行，动车组动力牵引系统采用冗余设计，当其中某一个设备出现故障时，会降低动车组性能，如表1所示。

表1 动车组冗余性

3 试验验证

3.1 地面试验

牵引系统地面组合试验针对安哥拉内燃动车组牵引系统性能进行验证，包括不同挡位设置下的励磁发电试验、牵引电机牵引转矩特性试验和电制动转矩特性试验、满转矩扫描等。

3.1.1励磁发电试验

安哥拉内燃动车组在发电工况下划分为8个挡位，包含怠速位和7挡牵引位，怠速时发电机输出能够满足整车辅助供电负载供电需求，牵引挡位根据柴油机特性划分为7个挡位，最高挡位满足图2所示的牵引特性，发挥最大牵引能力。发电机发电时励磁电流要求不超过10 A，表2所示为地面试验测试结果，能够满足设计要求。

表2 不同挡位下励磁发电数据

3.1.2转矩特性试验

地面组合试验时测得不同挡位下的电机热态时牵引转矩特性和电制动转矩特性曲线。

3.1.3满转矩扫描试验

以转矩最大值作为参考，在牵引和电制动两种工况下，电机速度从低速点开始到最大转速后，再到制动检测整个速度范围内变化的转矩特性波形。

3.2 装车试验

牵引系统装车后，在静态和动态情况下进行了试验验证。静态试验主要是方向识别、牵引和电制动挡位识别、牵引使能指令接收等。动态试验用于验证整车牵引性能，主要包括列车加速度测试、防滑防空转试验。

3.2.1平均加速度试验

动车组在平直道上从V1加速到V2，所用时间为Δt，则从V1到V2的平均加速度按下式计算：

式中：a为平均加速度，m/s2；V2、V1为列车运行速度，km/h；Δt为列车从V1加速到V2所用的时间，s。

0～20 km/h起动平均加速度计算时，V2=20 km/h，V1=0。

3.2.2防空转滑行试验

列车停在试验线路一端，将司机控制器手柄快速推到牵引最高挡启动列车，使列车速度迅速提升。到达目标速度后，将牵引手柄拉回至电制动最高挡位，施加最大电制动直至停车。

施加牵引力和电制动力的同时，在动车组前进方向的车轮踏面和钢轨前喷洒减摩液，使轮轨间形成低黏着状态。

采集动车组运行速度、动车组前进方向的第一轴的轴速、动车组前进方向的第一轴牵引电机某一相的相电流。

牵引工况下动轴发生空转时，系统能对空转进行有效抑制；当空转消失时，动车组能够尽快恢复牵引力。电制动工况下动轴发生滑行时，系统能对滑行进行有效抑制；当滑行消失时，动车组能够尽快恢复制动力。

4 总结

安哥拉米轨内燃动车组通过地面联调、现场调试、试验与线路运行，牵引系统能够满足设计要求，并且关键设备能够可靠运行，冗余设计提高了动车组的安全系数，为以后内燃动车牵引系统设计提供参考。