高速动车组牵引测试技术研究

梁志超

（长春轨道客车股份有限公司技术中心，长春 130062）

高速动车组牵引测试技术研究

梁志超

（长春轨道客车股份有限公司技术中心，长春 130062）

针对高速动车组牵引系统，设计了一套能够对其性能进行测试的测试系统。通过数据采集系统采集数据，利用电流传感器和电压传感器测量动车组牵引系统电流和电压，利用软件进行后续数据处理，能够对高速动车组牵引系统的输入和输出电参数进行测试。

高速动车 组牵引 系统测试 技术数据 采集系统

引言

针对高速铁路和城市轨道交通的迅速发展的形式，轨道车辆的研发和制造技术尤为重要。同时，作为高速动车组重点技术之一的牵引控制技术也日益凸显其重要性，本文旨在对高速动车组的牵引控制技术进行系统的试验，实现能够对其输入输出参数进行测试和分析的目的，并且实现能够独立的、符合标准的进行试验的目的，同时在充分掌握其性能的基础上对其进行后续的优化设计提供数据支持。通过对高速动车组牵引系统进行理论分析和整车试验，掌握高速动车组牵引系统主要零部件（牵引变压器、牵引变流器和牵引电机等）的在各种工况下（牵引、电制动、惰行、过分项区等）的实际工作情况（电流、电压、谐波含量、有功功率、无功功率、总功率以及功率因数等），实现分析、测试和试验的目的，进而提高高速动车组的可利用性、稳定性、安全性和可维护性等指标[1]。

1 动车组牵引系统工作原理

图1 动车组牵引系统主电路图

主要工作过程如下：

（1）受电弓接收接触网传递过来的单向AC 25KV的电压。

（2）牵引变压器将AC 25KV降压为单向AC电压（电压等级因动车组车型而异）。

（3）牵引变流器接收牵引变压器副边的电压，同时利用内部交-直-交控制原理输出电压和频率都可变的信号。

（4）牵引电机利用变流器的输出信号来驱动列车的运行。

其中，目前国际上最常用的动车组牵引电机控制技术有两种：矢量控制和直接转矩控制，我国的动车组普遍采用的是矢量控制。矢量控制的主要思想是将牵引电机的定子电流变换到以转子磁场定向的轴系中，经过力矩调节后，将控制量反变换到三相系统，经逆变器调节电机的定子电流和频率，实现对磁场电流和转矩电流的独立控制[2-3]。

2 测试标准和内容

高速动车组牵引性能测试系统能够根据以下标准进行牵引系统的试验：

（1）IEC61133-2006铁路应用-铁道车辆-制造完成后和投入运营前铁道车辆的测试；

（2）铁运2008-28高速动车组整车试验规范；

具体试验内容有：

牵引特性试验：完成车辆牵引状态下车辆运行时间、速度和牵引变流器输出电压、电流的测量，用以计算加速度和绘制“牵引力—速度”特性曲线；

电制动性能试验：完成车辆电制动状态下车辆运行速度、时间、网压、网流和牵引变流器输出电压、电流的测量，用以计算减速度和绘制“电制动力—速度”特性曲线；

调速系统性能试验：完成车辆在定速运行过程中和牵引、惰行、电制动转换时速度、时间、网压、网流、牵引变流器输出电压、电流的测量，用以计算冲动和绘制“功率—速度”曲线；

典型运行图和能耗试验：根据牵引仿真计算文件要求，主要完成车辆在全线运行过程中速度、时间、网压、网流、牵引变流器输出电压、电流的测量，用以计算平均旅行速度、消耗能量和反馈能量；

3 测试系统的硬件组成

根据以上的测试内容，本系统主要由数据采集系统部分、传感器和测速系统部分、控制和牵引性能试验计算软件部分和其他辅助部分组成，如图2。主要测试参数见表1。

图2 牵引性能测试系统结构简图

表1 牵引性能测试主要测试参数

3.1 测试系统的软件组成和要求

（1）可完成多种实时分析，如：FFT、数字滤波、微积分、统计计算、比较运算、逻辑运算，实时压缩记录、建立虚拟通道。

（2）具有多种触发能力，包括多种事件触发，依靠虚拟通道触发，网络变量触发等高级的触发方式。

（3）试验数据采集软件能通过网络实行远程控制，进行测试条件的设定和测试过程的监控。

（4）离线信号分析处理软件应达到如下要求:数据回放、算术运算、测量结果统计计算；试验数据的编辑处理，如频谱分析、数字滤波等。

3.2 牵引特性试验的试验数据处理

在获得试验数据后，为了获取牵引力-加速度曲线，利用如下方法进行数据后处理：

在电机效率和齿轮传动效率已知的情况下，根据电参数计算轮周牵引力计算方法如下：

式中，F为轮周牵引力，kN；Pi为牵引电机i有功功率，kW；v为动车组速度，km/h；ηm为v对应的电机效率；ηg为机械传动效率；N为被测牵引电机数量。

其中牵引电机i输入有功功率：

3.3 电制动特性试验的试验数据处理

在获得试验数据后，为了获取牵引力-加速度曲线，利用如下方法进行数据后处理：

瞬时电制动力B计算方法如下：

式中，Pi为电机有功功率，kW；v为动车组速度，km/h；ηm为v对应的电机效率；ηg为机械传动效率；N为被测牵引电机数量。

3.4 高速动车组牵引系统性能测试系统的设计和实施

高速动车组牵引性能测试系统要求准确、快速地测试动车组牵引系统主要输入和输出参数，并将以上信息实时存储，对系统的实时性、同步性能要求较高，因此选用高精度数据采集系统（即数据采集系统部分）+高精度传感器（传感器和测速系统部分）+PC（控制和牵引性能试验计算软件部分）组成测试与分析系统，达到了检测系统性能要求。

详细指标如下：

（1）硬件主要指标。模拟信号采集通道数：16个；数字信号采集通道数：4个；电压信号采集范围：±4000V，AC/DC；电流信号采集范围：±2000A，AC/DC。

（2）软件主要指标为。能够根据试验数据绘制牵引力-速度曲线、电制动力-速度曲线、能耗曲线等，对动车组的牵引系统能力进行计算和分析经测试。

4 主要测试数据和结果

（1）牵引特性试验（如图3）。

（2）牵引特性试验（如图4）。

（3）调速系统性能试验（如图5）。

（4）典型运行图和能耗试验（如图6）。

图3 高速动车组牵引力-速度特性曲线

图4 高速动车组电制动力-速度特性曲线

图5 高速动车组调速系统性能试验曲线

图6 高速动车组典型运行图和能耗试验曲线

5 主要技术特点和创新点

通过搭建了一套完整的高速动车组牵引性能测试系统，能够完成对牵引系统输入和输出参数的测试，了解牵引系统的动态行为，进而掌握牵引系统控制技术，能够为后续车型的设计以及既有车辆的故障排查提供数据支持，该系统的主要技术特点和创新点如下：

（1）设计开发的牵引性能测试系统采用分布式测试的理念，既可以将多个数据采集模块利用路由器连接在一起实现同步的测试和采集，满足了大通道、海量数据的采集要求，也可以利用单独的数据采集模块独立进行采集，满足了小通道、高精度的采集要求；

（2）利用大量程、高精度的电流和电压传感器，在满足了既有高速的动车组的测试需求的同时，也充分的考虑了未来车型的测试需求；

（3）既可以利用PC实现有人值守的数据采集要求，也可以使用数据采集系统进行无人值守的数据采集要求。

[1]李群湛等.高速铁路电气化工程.成都：西南交通大学出版社[M]，2006.

[2]Bimal K.Bose.现代电力电子学与交流传动.北京：机械工业出版社[M]，2005.

[3]陆阳等.高速动车组牵引控制优化技术研究[J]，铁道机车车辆.2013，2（11）：9-10+118.

Research of Measuring and Test Technology for EMU Traction

LIANG Zhichao
（Changchun Railway Vehicle Co.,Ltd.,R&D Center,Changchun 130062）

Aiming at the traction system of high speed EMU,a set of testing system is designed to test their performance.Data is collected through data acquisition system through the data,the current sensor and voltage sensor for the measurement of EMU traction system of current and voltage are used, subsequent data is processed bysoftware, and input and output electrical parameters of the system ofhigh speed EMU traction is tested.

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