摘要：针对既有120 km/h液力传动或机械传动牵引的综合巡检车在高速铁路线维修天窗巡检作业时，无法高效满足维修天窗时间内巡检与检修作业问题，研究并设计适用于160 km/h运行速度的内燃电传动综合巡检车电气牵引系统，主要对ZXJ-160型综合巡检车电气牵引系统的组成、技术特点、性能参数等进行设计与介绍，重点阐述了内燃电传动牵引系统工作原理和功能特点，对电气牵引系统在装车调试过程中遇到的主回路中间电压振荡问题进行分析，找出解决措施。目前，该车电气牵引系统已完成全部型式试验与出厂试验项目，全部符合试验大纲要求。通过高铁客运专线实际试验验证，能够满足高铁线路维修天窗时间内线路设备巡检与作业需求，大大节约维修天窗时间，提高客运专线维护效率。

　　关键词：天窗；内燃电传动；牵引系统；电压振荡

　　Abstract:Existing 120 km/h hydraulic drive or mechanical drive traction comprehensive inspection vehicle can not efficiently meet theinspection and maintenance work,during the maintenance of the sunroof in the high-speed railway line.The electric traction system of theelectric drive comprehensive inspection vehicle with 160 km/h running speed was researched and designed.Electric Traction system for ZXJ-160 inspection vehicle was introduced systematically from the composition,technical features,performance parameters,etc..The workingprinciple and functional features of the diesel electric traction system were focused on.The problems of the voltage oscillation encountered inthe loading test of the electric drive system were analyzed,and the solutions were put forward.At present,all type tests and factory tests havebeen completed,all of which meet the requirements of the test program.Through the actual test and verification of the high-speed railway,itcan meet the needs of line equipment inspection and operation during the maintenance skylight of the high-speed railway line,greatly save themaintenance time of the skylight,and improve the maintenance efficiency.

　　Key words:sunroof;diesel electric drive;traction system;voltage oscillation

　　0引言

　　随着国内高速铁路快速建设并投入运营，高铁线路接触网性能、隧道参数、轨旁设备及新增设备维保的需求日益增加，既有综合检测车、接触网检测车、轨道检测车和电务检测车的不足日显突出，以及铁路部门工电供联合作业要求，原有低速巡检车很难满足新形势下高铁客运专线的维保发展需要，高速、节能以及集高速铁路工务、电务、供电关键设备设施和沿线环境检测监测的综合巡检车[1](简称巡检车)成为铁路维保系统的新需求。同时，在铁路干线内燃、电力机车及动车组上，交流电传动牵引技术已经得到了成熟的运用，且交流电传动技术在起动牵引力、牵引/制动性能、黏着性能及效率等方面都有很强的优势[2]。ZXJ-160型综合巡检车依托国铁集团科研课题《基于160 km/h轨道车的高铁设备综合检测监测分析及运营维护决策系统研究》，因此本文目标为设计一套能够满足ZXJ-160型综合巡检车的内燃交流电传动牵引系统。

　　1主要技术参数

　　根据ZXJ-160型综合巡检车总体技术条件[1-2]要求，整车主要技术参数如表1所示。巡检车牵引制动特性曲线如图1所示。

　　2牵引系统

　　巡检车电气牵引系统[2]主要目标为将柴油发电机组的输出能量传递到异步牵引电机和轮轴，以及在电阻制动时将巡检车的动能转化为热能并消耗在制动电阻上，从而实现巡检车的牵引及电阻制动功能。同时微机网络系统还实现整车的牵引逻辑控制、柴油机调速、柴油机恒功控制和整车故障诊断及保护功能。如图2所示，电传动牵引系统包括主传动、辅助传动系统及微机网络控制系统。

　　2.1主传动系统

　　如图2所示，巡检车主传动系统主要由两台柴油主发电机、1台牵引整流柜(含2个整流模块)、1台牵引变流柜(含2个逆变模块)、4台异步牵引电动机、2台制动电阻装置、1台辅助滤波柜组成，每个主回路对应1台转向架的2台牵引电机，主回路相互独立。

　　通过主电路的“交直交”变换功能将柴油发电机的输出功率通过牵引变流器、牵引电机传递到巡检车的轮周，实现车辆的牵引，通过牵引变流器的斩波功能将轮轴的制动能量传递给制动电阻，实现车辆的电阻制动。根据巡检车的牵引/电制动特性及牵引发电机组输出特性，并基于时代电气既有的、成熟的牵引变流器产品平台，确定主回路中间直流环节额定电压值Ud为DC1 500 V。

　　牵引逆变器主要电气参数如表2所示。

　　2.2辅助交流系统

　　辅助交流系统包括牵引逆变柜中2个辅助逆变单元及其切换电路和辅助滤波柜(包括隔离变压器及滤波电容)。2个辅助逆变单元分别从两架的中间主回路取电，采用双路冷备份控制，保证了牵引负载供电可靠性，通过2个辅助逆变单元及其切换电路，将其转换为一路CVCF三相交流电，再经辅助滤波柜输出工频380 V额定容量40 kVA，给2个柴油机水冷散热风机、2个柴油机中冷散热风机、2个牵引通风机提供电源，每个散热电机功率4 kW，共24 kW。

　　2.3网络控制系统

　　2.3.1主要组成

　　如图2所示，MVB网络系统主要由2套成熟运用于内燃机车的cPCI微机控制机箱(CCU)、1套牵引控制单元(DCU)、2个网关模块(GWMe，其中1个热备份)、1个事件记录仪模块(ERMe)及2个显示器(IDU)组成；基于分布式网络控制技术，集控制、通信、监视及诊断功能于一体，各部件之间MVB通信符合IEC61375标准。

　　CCU承担整车逻辑控制与保护[2]，如图3所示，根据司控器级位对发动机转速n和主发电机励磁电流进行调节，来获得需要的中间环节直流电压；同时将当前车速期望的轮轴牵引/制动力矩传递给DCU。CCU同时负责牵引辅助负载的管理与驱动控制。

　　DCU承担整车牵引传动级逻辑控制与保护[2][5]，如图4所示，DCU接收CCU传递的牵引/制动力矩，并对主回路中间直流环节电压、变流器输出电流等参数采集，同时结合牵引电机的特性及最大黏着力来控制逆变桥臂IG⁃BT的导通与关断，使牵引变流器输出期望的变频变压(VVVF)三相交流电，最终实现巡检车的最大牵引/电制动特性控制。

　　IDU的主要功能为实现巡检车的人机通信与人机交互显示功能。GWMe实现对MVB网络的数据交换与管理[3]。整车配备了两个完全相同的GWMe模块，热备份冗余，当一个GWMe模块故障时，另外一个GWMe模块可直接接替其工作。

　　ERMe用于系统的运行及故障事件记录。

　　2.3.2牵引工况

　　牵引工况[2]下，CCU根据司控器挡位、当前车速，以及该挡位下的牵引曲线、最大轮周功率等条件计算得到目标轮轴牵引力，并将该轮轴牵引力转换为目标力矩发送给DCU。DCU根据CCU给定的目标力矩，并综合牵引电机牵引特性曲线限制、粘着力曲线限制等因素来控制逆变桥臂IGBT的导通与关断，使牵引逆变器输出特定幅值和频率的交流电给牵引电机，电机产生期望的轮周牵引力实施车辆牵引。

　　2.3.3电制动工况

　　电阻制动功能减少了机械闸瓦磨损，增加了巡检车的制动系统安全性。进行电阻制动[2]时，CCU根据司控器挡位、当前车速，以及该挡位下的电制动特性曲线、最大制动轮周功率等条件计算得到目标轮轴制动力，并将该轮轴制动力转换为目标力矩发送给DCU。DCU根据CCU给定的目标力矩，并综合牵引电机制动特性曲线限制、粘着力曲线限制等因素来控制逆变桥臂IGBT及斩波桥臂IGBT的导通与关断，来产生期望的轮周制动力实施电阻制动。

　　3调试与分析

　　3.1怠速时辅逆无法启动

　　ZXJ-160型内燃交流电传动巡检车在装车试验过程中，遇到空挡怠速工况下辅逆无法启动的问题，从而无法启动发动机散热风机，经分析原因是空档怠速工况下柴油机转速为750 r/min，辅逆模块的启动电压最低要求为950 V，满励磁时中间电压也未能达到辅逆启动最低电压要求。

　　为解决该问题，也考虑到节能，尝试将柴油机怠速转速升为850 r/min，将中间电压[3]目标值设为1 000 V，辅逆搭载在二架上，如图5所示，此时柴油机和中间电压均能保持稳定。在辅逆启动并且4个冷却风机一起工作的情况下，占空比为70%并能保持稳定。

　　经多次反复验证，通过将柴油机转速由750 r/min调整为850 r/min，能使中间直流电压在惰转工况达到辅逆启动的电压要求，惰转状态依然能保证柴油机散热及经济性原则，满足整车系统技术要求。

　　3.2中间直流电压振荡

　　铁路专用线试验过程中发现牵引工况下8挡目标中间电压DC1 500 V时存在中间直流电压振荡现象，偏离目标电压最大幅度达200 V，影响了车辆的牵引性能，如图6所示。

　　在问题排除及试验过程中，首先排除由发动机转速不稳引起的中间直流电压震荡问题；其次从主发电机励磁控制[2]的角度查找问题，对励磁调节PWM频率、励磁限流电阻、PI控制参数等方面的数据进行了改变与验证，从实际验证效果来看，8挡时中间直流电压振荡是无法消除的。

　　结合多次试验数据，分析为主发电机在1 800转时输出时中间回路直流电压选择不合理，经评估牵引变流器中间环节可在额定DC1 600 V时正常工作，尝试将其中一架8挡时中间直流目标电压调整为1 600 V，实际多次验证结果如图7所示，1架中间直流电压波动范围在±50 V，而2架中间直流电压波动范围在±150 V。

　　再次同时将两架8挡时中间直流目标电压调整为DC1 600 V进行多次反复验证，从多次反复验证结果可以看出(图8)，中间直流电压振荡问题基本解决，满足巡检车电气引系统控制要求，因此在第2.1节中间环节直流电压选择时，需要根据实际调试情况调整额定中间直流电压为DC1 600 V。

　　4结束语

　　ZXJ-160型综合巡检车为国内160 km/h运行速度等级的内燃电传动综合巡检车。在对内燃电传动牵引系统进行调试过程中，出现中间直流环节电压振荡的问题，经过充分分析、逐渐改进和多次验证，问题得到了有效的解决。

　　2018年12月电传动电气牵引系统完成装车调试及整车出厂例行试验，2019年顺利通过铁道科学研究院组织的整车型式试验，2020年7月至今在上海铁路局进行运行考核。电传动牵引系统各项指标表现良好。相比传统液力传动巡检车，该电传动综合巡检车速度等级高，运行平稳，安全可靠，下坡电阻制动不涉及制动闸瓦磨损，加之可前、后行驶，大大提高了维修天窗作业效率。型式试验和现场运用结果表明，电传动控制系统具有优良的控制性能。必然会成为轨道巡检车牵引系统升级换代的发展方向。

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