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能量互饋型交流傳動試驗系統

本項目現處于產業化階段。我們研究并設計了一種新的能量互饋試驗平臺，試驗平臺通過能流循環，可大大提高能量利用率，無需損失滿功率的能量即可完成大功率的試驗，如對機車逆變器系統的滿功率試驗或者牽引電機的電機特性試驗，具有結構簡單，控制靈活，調試方便，系統易穩定，能量利用率高，互為被試件，能更有效地對不同控制策略的特性進行比較等優點。目前，國內外常見的交流傳動系統試驗平臺主要有以下兩種： 1）能量消耗型 “能量消耗型”交流傳動試驗臺由變壓器向四象限變流器提供單相交流電，四象限變流器輸出直流電給逆變器供電，逆變器輸出三相交流電供給交流牽引電機。牽引電機輸出軸上對接一個直流發電機，其輸出端接電阻性負載。這種試驗臺設備比較簡單，調節控制對象比較少，可方便調節直流發電機轉矩，實現起來也不是很復雜。但是由直流發電機發出的電能完全被電阻消耗掉，若長期進行大功率試驗，電能浪費驚人。另外，如果用于測試電機運行特性，該系統不能模擬機車啟動和高速運行試驗。 2）能量反饋型該種試驗臺的結構如圖所示。異步牽引電機輸出軸上對接一個“直流發電機－直流電動機－交流同步發電機”構成的能量反饋系統，電能通過變壓器返回電網。這種方式將部分能量反饋回電網，大大節約了電能，但使用設備多，在建設試驗平臺時一次性投資大。另外由于控制對象多，控制方法復雜，難度大，容易出現超調，造成系統振蕩。由于試驗電機驅動的是直流發電機，轉速受到換向器限制，在試驗對象為牽引電機時難以試驗其高轉速區段。 “能量反饋型”交流傳動試驗臺本項目確定的交流傳動互饋試驗系統（以下簡稱“互饋試驗臺”）的方案如圖所示。能量互饋型試驗系統（測試電機）圖中該試驗臺由兩套“變流機組－電機”聯軸背靠背組成，當變流機組I－異步牽引電機Ⅰ工作于電動狀態，變流機組Ⅱ－異步牽引電機Ⅱ工作于發電狀態時，能量流向如圖中實線所示；當變流機組I－異步牽引電機Ⅰ工作于發電狀態，變流機組Ⅱ－異步牽引電機Ⅱ工作于電動狀態時，能量流向如圖中虛線所示。能量互饋型試驗系統（測試逆變器）所示試驗臺主要用于進行逆變器的滿功率試驗，但是原理和測試電機圖完全相同。實際上，測試電機圖中的電機也可以作為逆變器的負載，即將逆變器作為測試對象，實現測試逆變器的功能。由于能量通過直流側在變流器Ⅰ-負載-變流器Ⅱ之間循環流動，即實現能量的互饋，從電網吸收的功率只是變流器以及負載所損耗的能量。在試驗過程中，試驗平臺的損耗大約只占運行功率的20%～30%。因此，四象限整流器的容量可以大大降低，實現用小功率的電源完成大功率變流器或者電機滿載試驗。能量互饋型試驗系統（測試電機）能量互饋型試驗系統（測試逆變器）交流傳動互饋試驗系統具有如下特點： 1）由于采用了能量互饋的方式，能量在兩個變流機組內部流動，因此整個系統的能量消耗僅僅是變流器及其負載的損耗，能量利用率得到大大提高。 2）由于1)中所述原因，且能量交換在直流側進行，因此采用這種方式可以利用小功率等級的供電電源來試驗大功率等級的傳動機組，而不需要對電源進行擴容改造。 3）由于系統中沒有直流電機，因此系統試驗的高速度只與被試交流電機的參數有關，而不受直流電機換向器的影響，可以滿足機車牽引電機高轉速的要求。 4）兩套完全相同的變流器－負載組功能和角色可以互換，可以互為被試件，一次安裝可以完成兩套裝置的測試，提高了測試試驗的工作效率。 5）采用高性能控制方式對兩套變流機組進行聯合調節，能模擬實際負載的各種動靜態特征和機車的調節特性以及變流器的功率試驗，并對各種控制方法進行對比試驗。應用范圍：牽引變流器、牽引電機和牽引控制系統是軌道交通交流傳動的三大核心技術，大功率交流傳動試驗系統可以對以上三大核心技術開展很好的研究，因而具有非常重要的現實意義。該系統可以滿足生產部門和研究開發部門對變流器、電機等部件的各種試驗和控制方案的研究。該系統可以完成如下試驗： 1）按照機車牽引特性進行不同級位的牽引運行試驗； 2）按照機車制動特性要求進行再生制動試驗； 3）按照機車恒轉矩啟動的要求進行機車啟動加速試驗； 4）逆變器容量足夠大時，能完成牽引電機的各種特性試驗和有關參數測定； 5）電機容量許可時，能完成逆變器裝置的考核運行試驗。

北京交通大學 2021-04-13

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