电力机车低电压下的库内牵车功能实现
摘要：为解决低电压下大功率机车库内牵车功能不稳定、适用性差的问题，本文提出一种基于低电压下的电机特性拟合以及目标转差动态设定方案，实现了大功率机车在小容量库内电源供电条件下的库内牵引移动功能。试验表明，该方法移车效果平稳，适用于多轴重联下的长编组机车。
关键词：低电压库内；牵车异步电机；力矩颠覆
汽车电机网
前言
库内牵车电源具有容量小、电压等级低等特点，低电压下大功率异步牵引电机特性受电机参数的影响难以准确评估，且受直流库内牵车电源容量的影响，供电电压会被大幅度拉低，容易导致牵引电机发生力矩颠覆。
库内牵车是在车库内与牵引供电网之间的无电区将机车牵引至库外接触网的一种短距离移车需求，通常库内都会配备相应的库内电源以匹配车型需要。通用的大功率轨道移车设备主要采用直接将库内牵车直流电源转换为稳频的正弦波交流电源，并直接供给任意主轴牵引三相交流电
机上，然而这种只适用于前期有匹配性接口设计的机车车型，通适性相对较差，属于固定恒转差率的控制方案。目前有一种更灵活的方式是将库内牵车直流电源直接接入机车直流环节，利用机车自带的变流模块，既减少了接线端口，也实现了牵车调控的自主灵活。
神华12轴机车采用了利用机车自带变流模块控制的移车方案，然而受库内电源容量小（≥45 kVA）、供电电压等级低，空载供电电压65 V，以及移车给电需要人为点触断续供电等情况，导致机车原有的变流控制方案无法适用。极低直流供电电压下大功率牵引异步电机牵引特性具有不确定性，且受电机参数影响较大，计算误差相对较大，参考性受限；同时，低电压下如何实现在力矩不颠覆且保留较大力矩输出确保足够的牵引力也是需要考虑的问题，文献[2]通过建立低电压下的转矩最大优化模型，分别针对线性模型和非线性模型进行深入分析，最终采用单谷函数进行求解，方法相对复杂。
本文重点针对低电压下大功率牵引电机移车功能的实现进行分析，结合牵引电机特性与测试数据对极低电压下的牵引特性曲线进行拟合，同时结核移车各速度阶段的控制需要，通过对目标转差率的调控实现对数据力矩的调节，构建了满足神华12轴车库内移车需求的牵车方案。
1库内牵车主电路与电源特性
神华十二轴机车库内牵车功能的主回路如图1所示，前端接触网不供电，库内牵车电源直接接在变流器四象限输入端，此时整流器不工作，通过不控整流方式给主回路中间直流侧供电，当库内牵车模式有效时，直接启动逆变器按照正常行车方式进行牵车作业。
神华库内牵车电源具有容量小、电压等级低且在牵车供电过程中需要人为点触供电点进行供电，供电电源电压特性如图2所示，空载电压维持在60 V左右，当接入负载后由于供电电源容量有限，中间电压被逐步拉低，最低可达35 V。
2牵引电机低电压下的特性评估
对于大功率牵引电机，极低供电电压条件下的电机牵引特性难以评估，且在库内牵车过程中，由于库内电源容量较小，中间电压容易被拉低，极易引发力矩颠覆导致故障。因此，为满足低电压下的库内牵车牵引力需求，需要对低电压下的牵引电机特性评估，考虑当前供电电压条件下所能发挥的最大力矩，并在留有一定裕量的条件下，设定匹配牵车功能需求的特性力曲线。由异步牵引电机电磁关系，可得到电磁转矩与相关参数表达式，如下式(1)式中：m1为电磁转矩系数；p为电机极对数；U1 2
为线电压；
f为供电电源频率；R1、R2’为电机定转子电阻；X1、X2’为定转子漏感，s为转差率；基于该车型的经验单位阻力公式，如下：
结合上式，考虑一定的坡道系数，可得到该车型库内启动理论所需最小牵引力矩参考值为1146 N•m，同时考虑到库内牵车运行速度很低，因此低电压下电机拟合特性的额定频率应合理设定。
由电磁力矩关系式可知，电磁转矩Tem与线电压U1 2成正比，与供电电源频率f成反比，即可得：
基于此，考虑库内电源供电电压、启动牵引力并结合电机额定特性，可评估得到低电压下的牵引电机特性曲线如图3所示。低电压下的特性曲线中，设定的额定力矩为1200 N•m，额定频率为0.5 Hz。
3库内牵车控制方案
库内牵车控制的总体方案如图4所示，以拟合65V供电低电压下的牵引特性作为基准特性，并根据库内电源供电下的实时中间电压成比例调整获得目标力矩值，随后将目标力矩值转化为动态目标转差率作为控制环节的输入量，最终实现牵引力矩的输出。
4试验结果
基于前述章节所拟合的低电压下的牵引特性以及库内牵车控制方案，将其应用于神华12轴机车并进行库内牵车测试试验，试验结果如图5所示。图中牵引力为0时库内电源供电电压为55 V左右，随后司机逐步推牵引手柄，随着牵引力的增大中间电压逐渐被拉低，当牵引力达到1100 N·m时，牵引力克服启动阻力，机车开始逐渐加速，此过程中牵引力也随特性逐步降低。从图中可以看出极低电压下的库内牵车过程牵引力能够平稳发挥，移车运行速度平顺，能很好地满足库内低容量电源短距离移车需求。
5结语
本文描述了一种低电压下的库内牵车功能实现方法，通过对低电压下的牵引特性评估提供了匹配的特性曲线，避免因中间电压过低而引发力矩颠覆，同时考虑中间电压因负载被拉低的情况，通过动态调整目标转差率实现匹配的牵引力矩输出，最终方案通过实车验证表明适用于库内牵车功能的实现。
参考文献:
[1]李益丰,高培庆.逆变器供电的异步牵引电机特性曲线的计算[J].机车电传动,1997(6):8-11.
[2]刘庆,刘和平,刘平,等.电动汽车用异步电动机低速转矩最大化[J].电工技术学报,2017,032(24):30-41.
[3]王晓敏.电机拖动与控制[M].电子工业出版社,2012.