魏中堂

（中國鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京100081）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，城市交通出行壓力增大，交通擁堵嚴(yán)重，城市軌道交通由于低能耗、節(jié)能環(huán)保以及運(yùn)量大等優(yōu)勢，成為解決城市交通擁堵問題的理想交通工具［1］。

城市軌道交通的供電方式主要包括架空接觸網(wǎng)供電和第三軌供電2種方式，均是通過列車上的集電裝置與架空接觸網(wǎng)或第三軌進(jìn)行靜態(tài)接觸及動態(tài)摩擦取流，實現(xiàn)向列車的供電［2-3］。列車運(yùn)行過程中集電裝置與接觸網(wǎng)或第三軌之間的動態(tài)受流性能是影響列車供電可靠性、制約列車穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素［4］。由于現(xiàn)場試驗環(huán)境較為惡劣且環(huán)境變量不可控，通過現(xiàn)場試驗很難系統(tǒng)深入地研究載流摩擦對滑板和接觸線磨耗的影響，為解決上述問題，需在實驗室環(huán)境下建立弓網(wǎng)關(guān)系模擬試驗臺和第三軌取流模擬試驗臺，用以研究載流摩擦與磨耗之間的關(guān)系。

載流磨耗試驗臺需要具有高可靠性、高精度、低紋波等技術(shù)性能的試驗電源［5-6］為受電弓—接觸網(wǎng)、集電靴—第三軌這2對摩擦副供電，以模擬真實的牽引電流。接觸網(wǎng)和第三軌這2種不同的供電方式所對應(yīng)的供電電壓及最大供電電流等特點(diǎn)有所不同［7-8］。為了在實驗室將2種不同的供電方式兼容在一起，需要根據(jù)列車實際運(yùn)行參數(shù)以及實驗室的電源能力，設(shè)計一套直流電源系統(tǒng)，可兼容向弓網(wǎng)關(guān)系試驗臺和第三軌受流與磨耗試驗臺供電。此外還需開發(fā)具備數(shù)據(jù)采集、處理等功能的試驗電源管理系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)可視化的界面，實現(xiàn)實時的電源狀態(tài)監(jiān)測。

1 供電電源系統(tǒng)硬件設(shè)計

試驗電源系統(tǒng)采用三相AC 380 V/50 Hz交流取電，主要由進(jìn)行整流的硬件系統(tǒng)和進(jìn)行控制的軟件系統(tǒng)組成。硬件系統(tǒng)主要包括2套24脈波晶閘管型整流直流電源和2臺水冷穩(wěn)定電阻柜，其中，整流直流電源部分包括整流變壓器、整流器、濾波電抗器、濾波電容器、PLC控制系統(tǒng)、保護(hù)單元等，如圖1所示。軟件系統(tǒng)主要在控制臺通過對試驗臺的信號進(jìn)行收集處理并根據(jù)所需進(jìn)行調(diào)控，主要為對電源系統(tǒng)實時控制的人機(jī)交互界面。

圖1 直流電源硬件系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2套24脈波晶閘管型整流直流電源可并聯(lián)后形成1套24脈波整流直流電源，可2路輸出，并分別獨(dú)立控制。其中一路單獨(dú)給第三軌受流與磨耗試驗臺提供電源，另一路給弓網(wǎng)試驗臺切換為直流供電時提供電源，二者不能同時供電。電源系統(tǒng)輸出最大電流值為DC 1 000 A，最大開口電壓≥DC 120 V。

電源系統(tǒng)可模擬實際列車服役過程中的供電電流、電壓等參數(shù)，并能實時監(jiān)測試驗臺在載流磨耗過程中電流、電壓、溫度等的變化，實現(xiàn)研究列車運(yùn)行的動態(tài)接觸參數(shù)對電源系統(tǒng)供電質(zhì)量的影響。

1.1 直流電源設(shè)計

電源系統(tǒng)的硬件主要由1臺PLC控制系統(tǒng)、1個整流變壓器單元柜、4組6脈波整流單元柜、1個直流濾波電抗器等組成，整流變壓器單元柜內(nèi)有2套軸向雙分裂整流變壓器，2個變壓器按照錯相15°（±7.5°）設(shè)計，滿足24脈波輸出。

三相AC 380 V交流電源經(jīng)低壓斷路器開關(guān)上電后，由PLC控制器系統(tǒng)單元發(fā)出上電控制指令，輔助主接觸器經(jīng)軟啟動電阻器得電閉合，然后軟啟動接觸器向主變壓器進(jìn)行供電，延時3~5 s后，主接觸器閉合，輔助接觸器斷開，完成上電軟啟動的操作與控制過程。通過軟啟動的延時控制，可以避免主變壓器突加交流電壓，引起瞬時過激勵；同時防止直接操作（合閘、分閘）交流開關(guān)對電網(wǎng)造成干擾，減小合閘帶來的瞬態(tài)高次諧波注入到交流網(wǎng)路上。

整流變壓器單元柜內(nèi)含2套軸向雙分裂整流變壓器，變壓器的二次繞組阻抗和輸出電壓一致。其聯(lián)結(jié)組別為D/D+Y，二次輸出電壓相同，相位互差30°，構(gòu)成12脈波整流變壓器。變壓器能夠承受可能產(chǎn)生的最大瞬時短路電流。整流變壓器在工作輸入電壓為+10%額定輸入電壓值下，變壓器不會出現(xiàn)過激勵或過熱現(xiàn)象。每臺整流變壓器等值容量為84 kVA，二次輸出交流電壓AC 105 V，二次線圈的電流為204 A。

整流單元柜由4臺250 A/135 V的功率整流單元柜組成，每臺功率整流單元主電路由1個三相橋式6脈波晶閘管整流單元構(gòu)成。每個6脈波晶閘管整流單元主要由壓敏電阻吸收保護(hù)單元、快速熔斷器、三相橋式晶閘管整流單元、阻容吸收保護(hù)單元等元器件組成。

每個6脈波晶閘管整流單元柜輸出250 A/135 V直流電，經(jīng)4組6脈波晶閘管整流橋整流后，再經(jīng)均流電抗器濾波后并聯(lián)輸出1 000 A/135 V的24脈波整流電源，輸出范圍連續(xù)可調(diào)。每個整流橋臂的電流=0.577×250 A=145 A，考慮到晶閘管整流元件的冷卻方式為風(fēng)冷，風(fēng)冷系數(shù)按照0.5設(shè)計，所以元件電流設(shè)計應(yīng)大于145 A/0.5=290 A。元件電流安全系數(shù)按照大于2倍額定電流（290 A）進(jìn)行設(shè)計選型，實際選用600 A的晶閘管整流元件；元件耐壓按照交流AC 105 V母線電壓設(shè)計選型，峰值電壓為105 V×1.414=148.5 V，元件電壓安全系數(shù)按照大于3倍峰值電壓進(jìn)行設(shè)計選型，按照1 000 V進(jìn)行設(shè)計，故晶閘管整流元件設(shè)計選型為600 A/1 000 V。

直流濾波電抗器主要對6脈波整流單元整流后的輸出電流進(jìn)行直流濾波，使其輸出的直流電流或電壓更加平滑。其輸入電流為250 A，輸入脈波數(shù)300 Hz；其輸出電流250 A，電感量0.4 mH，額定直流紋波系數(shù)≤5%，滿足試驗臺對充電電源紋波的要求。

1.2 水冷穩(wěn)定電阻柜設(shè)計

水冷穩(wěn)定電阻柜的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要用于限制過流及保證拉弧電壓。其由27個2.43Ω的電阻管組成，可實現(xiàn)0.09~1.35Ω之間有級可調(diào)。水冷穩(wěn)定電阻柜配置有循環(huán)水系統(tǒng)，試驗過程中采用水冷方式可保證各部件的溫度不超過70℃。

圖2 水冷穩(wěn)定電阻柜方案圖

水冷穩(wěn)定電阻柜的主電路圖如圖3所示，單根電阻管的額定功率為7 500 W，阻值2.43Ω。當(dāng)阻值為0.135Ω時，KM1~KM 3閉合，KM4~KM6斷開，18根并聯(lián)，為R1檔；當(dāng)阻值為0.12Ω時，KM 1~KM 4閉合，KM 5~KM 6斷開，20根并聯(lián)，為R2檔；當(dāng)阻值為0.1Ω時，KM 1~KM5閉合，KM6斷開，24根并聯(lián)，為R3檔；當(dāng)阻值為0.09Ω時，KM 1~KM 6閉合，27根并聯(lián)，為R4檔。試驗過程中可根據(jù)試驗需要通過控制系統(tǒng)自動選配，保證電源系統(tǒng)平穩(wěn)可靠運(yùn)行。

圖3 水冷穩(wěn)定電阻柜主電路圖

2 供電電源系統(tǒng)控制臺設(shè)計

2.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)框圖

控制臺作為城市軌道交通受流與磨耗試驗臺電源系統(tǒng)的聯(lián)絡(luò)中樞，主要實現(xiàn)對試驗電源進(jìn)行遠(yuǎn)程和全流程的智能控制與保護(hù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對直流電源、水冷穩(wěn)定電阻柜等的遠(yuǎn)程控制，其網(wǎng)絡(luò)框圖如圖4所示。其能夠?qū)υO(shè)備工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，具有自動保護(hù)功能；同時具備各種設(shè)備故障的顯示和記錄功能，并對故障處理進(jìn)行提示。同時，通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器將以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換為EtherCAT，實現(xiàn)同第三軌受流與磨耗試驗臺的數(shù)據(jù)交互，或通過采集高速弓網(wǎng)關(guān)系試驗臺的模擬量輸出信號，分別實現(xiàn)對試驗臺直流電源的控制。

圖4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)框圖

2.2 數(shù)據(jù)顯示模塊設(shè)計

基于Labview虛擬儀器軟件進(jìn)行系統(tǒng)控制模塊的設(shè)計開發(fā)，實現(xiàn)對電源系統(tǒng)的數(shù)據(jù)查詢、故障診斷、遠(yuǎn)程控制與保護(hù)等功能。為實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示和記錄等功能設(shè)計，將數(shù)據(jù)采集模塊作為電源系統(tǒng)可視化顯示的應(yīng)用基礎(chǔ)。部分?jǐn)?shù)據(jù)采集模塊程序如圖5所示，其能獲取所需監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括電源運(yùn)行狀態(tài)、水冷電阻柜狀態(tài)等試驗臺數(shù)據(jù)，軟件可進(jìn)行實時數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控，并通過獨(dú)立定義或選擇所需的測量參數(shù)、控制條件、控制參數(shù)、執(zhí)行動作等，便于對試驗分類管理以及對故障的定位及修復(fù)。

圖5 部分?jǐn)?shù)據(jù)采集模塊程序

2.3 數(shù)據(jù)處理與可視化界面設(shè)計

為在試驗過程中更清晰直觀的對數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，將各項軟件功能進(jìn)行模塊化和可視化設(shè)計，實現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)信息和關(guān)鍵特征的可讀性和人機(jī)交互的便捷性，如圖6所示。同時，設(shè)計的可視化界面將所有測控量集成并顯示在控制臺人機(jī)交互界面上，方便試驗人員控制及監(jiān)測。此外，采用模塊化設(shè)計的可視化界面可以通過調(diào)整模塊的組成和功能，便于對軟件控制功能的修改和二次開發(fā)。

圖6 數(shù)據(jù)可視化界面

在可視化界面系統(tǒng)中，可分別對弓網(wǎng)關(guān)系試驗臺和第三軌受流與磨耗試驗臺進(jìn)行選擇，并分別進(jìn)行電源系統(tǒng)的控制，包括對系統(tǒng)啟停、輸入電壓設(shè)定、水冷系統(tǒng)控制等。此外，可在保護(hù)值查詢中手動設(shè)置過壓、過流、水溫等參數(shù)的保護(hù)值，通過電源狀態(tài)監(jiān)測界面實時顯示電源系統(tǒng)狀態(tài)，若觸發(fā)保護(hù)，系統(tǒng)自動急停鎖定并觸發(fā)故障指示，并可手動急停，再通過故障復(fù)位，實現(xiàn)手動恢復(fù)系統(tǒng)正常運(yùn)行。在故障信息查詢中，可查詢每次故障的記錄。

3 供電電源系統(tǒng)性能仿真

為驗證電源系統(tǒng)設(shè)計的可行性，對單套直流電源系統(tǒng)進(jìn)行理論和仿真分析驗證。向試驗電源系統(tǒng)輸入380 V交流電，測試硬件和軟件系統(tǒng)的性能，并在人機(jī)界面分析輸出電流，評估系統(tǒng)可靠性。

3.1 理論計算

輸入電壓為AC 380 V，所選變壓器參數(shù)為380 V/2×105 V，過載能力≥110%，效率≥96%，控制角α=0°。輸出直流最大DC 1 000 A，每路額定電流Id=1 000 A÷4=250 A。

變壓器二次線圈電流有效值I2與輸出電流Id關(guān)系為式（1）：

輸出直流電壓Ud與變壓器二次輸出交流電壓U2關(guān)系為式（2）：

其中，Rc為整流電源的等效內(nèi)阻，經(jīng)計算，Rc=0.495Ω。結(jié)合上述關(guān)系，求得在最大輸出DC 1 000 A的情況下，直流電壓Ud=122 V，大于120 V，符合試驗電源設(shè)計的需求。

3.2 仿真分析

根據(jù)電源系統(tǒng)的硬件組成，并結(jié)合實際供電特點(diǎn)，建立仿真模型，如圖7所示，模型包括三相變壓器模塊、三相交流電源模塊、移相變壓器模塊、通用橋模塊、RLC模塊、示波器模塊等。采用該模型開展電源系統(tǒng)的仿真分析。

圖7 仿真程序模型

根據(jù)對試驗臺的實際測試，負(fù)載最小阻值為0.122Ω，向模型中輸入AC 380 V交流電，負(fù)載端電阻R設(shè)定為0.122Ω，經(jīng)過系統(tǒng)仿真分析，負(fù)載電流最大值為DC 1 000 A，此時電壓為DC 122 V，大于120 V，滿足設(shè)計需要，其輸入、輸出參數(shù)如圖8所示。

圖8 仿真參數(shù)對比

同時，根據(jù)實際試驗樣品的電阻值以及試驗臺允許的設(shè)備容量，分別對系統(tǒng)負(fù)載端設(shè)定阻值0.122Ω、0.5Ω、1Ω和10Ω，并對電源系統(tǒng)進(jìn)行仿真測試。經(jīng)仿真分析，電源系統(tǒng)能在極短的時間內(nèi)獲得穩(wěn)定的直流輸出，并且隨著負(fù)載端電阻的增大，輸出電流逐漸減小，電壓逐漸增大，符合載流磨耗試驗臺的設(shè)計需要，具體輸出參數(shù)如圖9所示。

圖9 不同負(fù)載阻值下的輸出直流參數(shù)對比

4 結(jié)論

根據(jù)城市軌道交通載流磨耗服役工況及試驗臺的特點(diǎn)，設(shè)計了應(yīng)用于弓網(wǎng)關(guān)系試驗和第三軌受流與磨耗試驗的電源系統(tǒng)，其中硬件系統(tǒng)由整流變壓器、整流器、濾波電抗器、PLC控制系統(tǒng)、水冷穩(wěn)定電阻柜等組成，可將380 V交流電整流為穩(wěn)定可靠的直流電；基于Labview開發(fā)了人機(jī)交互的軟件系統(tǒng)，可實現(xiàn)直流電源系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可視化顯示，快速判斷試驗過程中系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并可選擇性的定義測量參數(shù)、控制條件等，解決了大量數(shù)據(jù)導(dǎo)致問題處理復(fù)雜的弊端。最后通過理論計算和仿真分析驗證了電源系統(tǒng)的可靠性，驗證結(jié)果表明直流電源系統(tǒng)及其軟件操作系統(tǒng)可實際應(yīng)用到載流磨耗試驗臺，并為其提供高可靠性、高精度、低紋波、可監(jiān)測及遠(yuǎn)程控制的試驗電源。

通過該電源系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)，有效降低了試驗人員的工作量，減少試驗的復(fù)雜程度，降低了試驗成本，同時提高了試驗人員現(xiàn)場操作的安全性；數(shù)據(jù)可視化界面提升了工作的整體效率，便于發(fā)現(xiàn)問題和解決問題，具備一定推廣應(yīng)用價值。通過研究，為弓網(wǎng)關(guān)系試驗和第三軌受流與磨耗試驗提供了技術(shù)支撐。