CN115257830A - 一套双动力交流轨道车牵引控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及轨道车牵引传统系统，具体为一套双动力交流轨道车牵引控制系统，包括两套由柴油机、永磁发电机、牵引变流器和牵引电机构成的电传动系统，其中牵引变流器包括整流单元、牵引逆变单元、辅助逆变单元和制动单元；柴油机启动后拖动永磁发电机运行，永磁发电机发出的三相电对牵引变流器供电，牵引变流器对牵引电机提供三相变频变压交流电，牵引逆变单元拖动牵引电机，牵引电机带动负载电机运行。本发明采用交‑直‑交传动系统，交流牵引电机具有结构简单、体积小运行可靠等优点，同时具有优越的启动性能，可以实现大功率、高速度运行。双动力交流轨道车牵引系统在未来技术市场中具有一定的引领性，能够有效地推进轨道车技术和市场的发展。

Description

一套双动力交流轨道车牵引控制系统

技术领域

本发明涉及轨道车牵引传统系统，具体为一套双动力交流轨道车牵引控制系统。

背景技术

目前我国电传动轨道车牵引系统采用交-直流传动的牵引方式。此传动方式通过柴油机带动一台交流牵引发电机发电，然后经过可控硅整流器将交流电变成直流电，最后供给直流牵引电动机从而驱动车轮进行运转。交-直电传动轨道车可以实现大功率运输作业的要求。并且采用成熟的电控制系统，具有技术上的可靠性和驾驶上的舒适性。同时采用的直流牵引电机具有良好的调速性能，从而进一步提高了整车牵引控制系统的优越性。

现有的一种交-直流传动系统的控制原理部分如图1所示。柴油机带动主发电机1旋转，将主发电机1发出的三相交流电输入到整流器2中，通过整流器将交流电变为直流电，为直流牵引电动机供电，GCD-1000重型轨道车采用了四台直流牵引电动机3，直流牵引电动机3转动带动整车进行运行。

在主发电机1的输出侧设置了过流保护装置6和接地保护装置7，防止系统在运行过程中出现故障造成部件的损坏。同时采用电压电流互感器对主发电机的电压和牵引电机的电流进行检测。当机车速度过高时，牵引系统通过接入制动电阻4达到降速或者恒速运行的目的。制动工况下，牵引电机通过换向器开关5的动作，使牵引电机工作于发电工况，将发出的电能转换为电阻的热能消耗掉。

交-直流传动系统采用无刷同步主发电机和直流串励牵引电机作为动力源，发电机本身结构体积大、重量重；直流串励电机虽然调速性能优良，但因其结构上存在换向器，不仅重量尺寸大，而且故障率高、维修保养麻烦，在重负荷和高转速时换向工况变得更加复杂，因此限制了直流牵引电机在大功率、高速度轨道车中的应用。同时在牵引和制动工况转换时需要控制线路进行复杂的动作切换，监控的数据量较大，安全性受到一定的影响。

发明内容

针对电传动轨道车牵引系统采用交-直流传动系统存在的发电机结构体积大、直流牵引电机在大功率、高速度轨道领域受限制的问题，本发明提供了一套双动力交流轨道车牵引控制系统。首先采用了双动力系统，即采用两套柴油机分别驱动两套发电机进行控制，每套系统分别控制两台交流异步牵引电机。作为动力源来说，可以实现双备份功能，启动一套系统时，另一套系统可以作为备用；当一套系统出现故障时，另一套系统也可以实现整车牵引运行，此时功率相应减少一半。因此提高了整车控制系统的牵引性能，不会轻易出现死车现象。牵引系统采用了交-直-交电传动控制方式，通过中间牵引变流器的变频变压的控制方式驱动交流异步电机实现换向、调速等性能，同时牵引变流器的辅助逆变单元，从直流母线取电逆变后，为整车运行时车体相关辅助设备供电。其次采用了永磁同步主发电机，其结构简单、效率高；鼠笼式交流异步电机也具有结构简单、体积小、运行可靠等特点，应用于内燃轨道车上，不仅可以提高轨道车的功率，同时交流电机的硬特性使得轨道车具有良好的防止动轮打滑的性能。

本发明是采用如下的技术方案实现的：一套双动力交流轨道车牵引控制系统，包括两套由柴油机、永磁发电机、牵引变流器和牵引电机构成的电传动系统，其中牵引变流器包括整流单元、两个牵引逆变单元、辅助逆变单元和制动单元；柴油机启动后拖动永磁发电机运行，永磁发电机发出的三相电经主接触器后对牵引变流器供电，牵引变流器通过交-直-交变化后，对牵引电机提供三相变频变压交流电。一个牵引逆变单元拖动一台牵引电机，牵引电机带动车轮运行；辅助逆变单元输出交流电压提供给柴油机冷却风扇和牵引电机通风机和电器柜用电设备；制动单元实现制动功能，此时牵引电机将电能转换为制动电阻的热能。

上述的一套双动力交流轨道车牵引控制系统，整车控制器采集机车车辆牵引变流器、司机控制器、辅助变流器、柴油机及机车其它控制电器工作状态信息，按司机手柄级位信号调节柴油机转速，同时整车控制器根据手柄级位信息和汇总的信息下发级位信息、方向信息给牵引变流器，牵引变流器根据接收到的整车控制器信息，控制整车运行，并实时上报控制信息给整车控制器。

上述的一套双动力交流轨道车牵引控制系统，本系统两套柴油机之间不存在逻辑中的关联问题，在司机启机前可以启动任何一套柴油机，柴油机在规定时间之内启机不了可以启动另一套柴油机，或者行车时可以实现单套动力运行，功率相应减少一半，需要时另一套柴油机可以投入运行，整车满功运行；柴油机的启机逻辑和相关保护逻辑由整车控制器实现。双动力系统的匹配，两套柴油机作为动力源，整车控制器采集柴油机启停信号实现逻辑控制，能够达到两套柴油机启停方式控制，保证控制的安全性和可靠性。

上述的一套双动力交流轨道车牵引控制系统，牵引变流器系统故障时，自动诊断，在牵引变流器显示屏上显示故障类型，同时上传故障信息到整车控制器。控制保护逻辑由整车控制器、牵引变流器、显示屏之间通过整车控制网络实现，可以高速率实现逻辑控制、保护功能、变量检测和故障诊断等重要信息的处理。

上述的一套双动力交流轨道车牵引控制系统，一台辅助逆变单元故障时由另一套辅助逆变单元给两套辅助设备供电。

上述的一套双动力交流轨道车牵引控制系统，牵引电机为鼠笼式交流异步电机。

上述的一套双动力交流轨道车牵引控制系统，牵引变流器还包括预充电电路。

上述的一套双动力交流轨道车牵引控制系统，牵引变流器采用强迫风冷结构。

本发明首先采用双动力系统，在低负载情况时可以选择启动一套系统来牵引运行，另一套系统作为备份使用。同时在一套系统出现故障时也可以将另一套系统单独运行，提高了整车在线上运行的安全性能，避免出现死车现象。采用交-直-交传动系统，交流牵引电机具有结构简单、体积小运行可靠等优点，同时具有优越的启动性能，可以实现大功率、高速度运行。双动力交流轨道车牵引系统在未来技术市场中具有一定的引领性，能够有效地推进轨道车技术和市场的发展。

附图说明

图1为交-直流传动控制原理图。

图2为双动力交-直-交控制系统原理图。

图中：1-主发电机，2-整流器，3-直流牵引电动机，4-制动电阻，5-换向器开关，6-过流保护装置，7-接地保护装置，8-永磁发电机，9-整流单元，10-牵引逆变单元，11-牵引电机，12-柴油机冷却风扇，13-牵引电机通风机，14-电器柜，15-预充电回路，16-辅助逆变单元，17-制动单元。

具体实施方式

双动力交-直-交控制系统原理图如图2所示，电传动系统主要由柴油机、永磁发电机8、牵引变流器和牵引电机11等构成。柴油机拖动永磁发电机8发电，并向牵引变流器供电，然后经过牵引变流器的交-直-交变换后，向牵引电机11提供交流电源，从而对机车牵引、制动实行连续控制。

双动力系统具有两个结构和原理相同的牵引变流器，牵引变流器包含整流单元9、两个牵引逆变单元10、辅助逆变单元16（包含必要的检测装置）和制动单元17。牵引变流器采用强迫风冷结构。车辆柴油机启动后拖动永磁发电机8运行，永磁发电机8发出的三相电经主接触器后对牵引变流器供电。牵引变流器通过交-直-交变化后，对牵引电机11提供三相变频变压交流电，一套牵引逆变单元10拖动一台牵引电机11。牵引电机11带动车轮运行。辅助逆变单元16输出380V交流电，提供给柴油机冷却风扇12和牵引电机通风机13和电器柜14用电设备。同时通过制动单元17将异步牵引电机11电能转换为制动电阻的热能。

实施例：某型号重型轨道车电传动系统采用了以上的控制系统。整套系统是由两套完全相同的560KW柴油发电机组提供动力源，分别拖动永磁发电机8产生三相交流电。柴油机的转速控制在800-1800rpm之间，通过司控器档位能够实现档位-转速-电压控制方式。永磁发电机8的输出电压与柴油机转速基本属于正比关系。同时柴油机也具备给电源蓄电池的反向充电能力，永磁发电机8的相关控制信息传输给牵引变流器和整车控制器进行检测和保护。

每台牵引变流器是由整流单元9、两套牵引逆变单元10、辅助逆变单元16和制动单元17组成的。所有单元集成在一个柜子里面。永磁发电机8将发出的电输入到牵引变流器的三相进线侧，通过主断路器实现三相电压的通断，同时具有预充电回路15。整流单元9采用不可控二极管整流，将三相输入电整流后变为中间直流母线电压。整流单元9输入电压范围为AC 430～900V，额定输入电压为AC 750V/120Hz，额定电流为475 A。两套牵引逆变单元10从直流母线取电后输出变压变频的交流电提供给异步牵引电机11，实现牵引电机调速控制。额定中间直流母线电压为962V，牵引逆变单元输出电压范围为AC 0～750 V，额定输出电压为690V，额定输出电流为313A，频率为0-200Hz，采用矢量控制方式。同时直流母线电压提供给辅助逆变单元16，经过隔离变压器后，为通用变频器供电。通过变频器为柴油机冷却风扇12电机和牵引电机通风机13供电。通过变频器的频率控制调节冷却风扇、通风机的转速，从而实现不同负载下冷却系统的自动调节调节，保证能量的有效利用。同时辅助逆变单元输出工频380V交流电压，提供给制动电阻通风机电机和空压机电机以及整车的辅助用电设备等。当整车工况变为制动工况时，牵引电机11变成为发电机经过牵引逆变单元10将发出的交流电转换为直流电传输给中间直流母线，通过制动单元17将能量消耗在制动电阻中。从而实现整车的制动减速。这是交-直-交电传动的原理过程。

牵引电机11额定功率为230KW，额定电压为380V，额定电流为475A，额定转速为508r/min，额定频率26 Hz，恒功区的转速范围为508r/min～3496r/min（26Hz～176Hz），采用强迫通风的冷却方式。在双动力交流控制系统中，在实验站分别做了牵引变流器的型式试验和牵引系统的组合试验，将部件与系统进行匹配，用以验证设计中的合理性。

在双动力的交-直-交传动控制系统中，首先需要考虑的是两套柴油机之间启停逻辑控制。由于两套柴油机单独分开控制一套牵引变流器，在柴油机之间不会存在逻辑中的关联问题。在司机启机前可以启动任何一套柴油机，柴油机在规定时间之内启机不了可以启动另一套柴油机。或者行车时可以实现单套动力运行，功率相应减少一半，需要时另一套柴油机可以投入运行，整车满功运行。关于柴油机的启机逻辑和相关保护逻辑在整车控制器中以开关量和模拟量以及通讯模式来实现。

在辅助控制系统中，制动电阻通风机、空压机电机、柴油机冷却风扇电机和牵引电机通风机电机均为两套，需要考虑到在一套牵引变流器的辅助逆变单元16产生故障时，另一台牵引变流器的辅助逆变单元16要给故障的辅助逆变单元16负载进行供电。同时整车控制器通过辅逆单元的故障反馈信号，对整车行车作出相应降功降载处理，保证行车安全。

在牵引变流器控制系统中，每台牵引变流器通过CAN通讯方式与整车控制器进行数据的传输和控制逻辑实现。将整套系统的保护可以分为一级、二级、三级等级别。牵引变流器与整车控制器实现对整车行车的控制功能、部件的保护功能以及相关故障的控制保护，从而使得整套系统能够实现自我保护，达到稳定运行的目的。

Claims (8)

1.一套双动力交流轨道车牵引控制系统，其特征在于：包括两套由柴油机、永磁发电机（8）、牵引变流器和牵引电机（11）构成的电传动系统，其中牵引变流器包括整流单元（9）、两个牵引逆变单元（10）、辅助逆变单元（16）和制动单元（17）；柴油机启动后拖动永磁发电机（8）运行，永磁发电机（8）发出的三相电经主接触器后对牵引变流器供电，牵引变流器通过交-直-交变化后，对牵引电机（11）提供三相变频变压交流电，一个牵引逆变单元10拖动一台牵引电机（11），牵引电机（11）带动车轮运行；辅助逆变单元（16）输出交流电压提供给柴油机冷却风扇（12）和牵引电机通风机（13）和电器柜用电设备；制动单元（17）实现制动功能，此时牵引电机（11）将电能转换为制动电阻的热能。

2.根据权利要求1所述的一套双动力交流轨道车牵引控制系统，其特征在于：整车控制器采集机车车辆牵引变流器、司机控制器、辅助变流器、柴油机及机车其它控制电器工作状态信息，按司机手柄级位信号调节柴油机转速，同时整车控制器根据手柄级位信息和汇总的信息下发级位信息、方向指令给牵引变流器，牵引变流器根据接收到的整车控制器信息，控制整车运行，并实时上报控制信息给整车控制器。

3.根据权利要求1或2所述的一套双动力交流轨道车牵引控制系统，其特征在于：本系统两套柴油机之间不存在逻辑中的关联问题，在司机启机前可以启动任何一套柴油机，柴油机在规定时间之内启机不了可以启动另一套柴油机，或者行车时可以实现单套动力运行，功率相应减少一半，需要时另一套柴油机可以投入运行，整车满功运行；柴油机的启机逻辑和相关保护逻辑由整车控制器实现。

4.根据权利要求1或2所述的一套双动力交流轨道车牵引控制系统，其特征在于：牵引变流器系统故障时，自动诊断，在牵引变流器显示屏上显示故障类型，同时上传故障信息到整车控制器。

5.根据权利要求1或2所述的一套双动力交流轨道车牵引控制系统，其特征在于：一台辅助逆变单元（16）故障时由另一套辅助逆变单元（16）给两套辅助设备供电。

6.根据权利要求1或2所述的一套双动力交流轨道车牵引控制系统，其特征在于：牵引电机（11）为鼠笼式交流异步电机。

7.根据权利要求1或2所述的一套双动力交流轨道车牵引控制系统，其特征在于：牵引变流器还包括预充电电路（15）。

8.根据权利要求1或2所述的一套双动力交流轨道车牵引控制系统，其特征在于：牵引变流器采用强迫风冷结构。

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