DF8CJ型交流传动内燃机车牵引传动及控制系统

0 引言
DF8CJ0001号样车于2002年6月完成总组装，2003年3月20日赴北京环行铁道试验基地进行了机车的各项性能试验， 2003 年8月赴上海铁路局南翔机务段进行了15万km的运行考核。至2004年11月30 日累计走行16.9314万km，并于同日回戚墅堰机车车辆厂拆检。试验、运用考核及拆检均表明DF8CJ 型交流传动货运内燃机车样机研制是成功的，但试验中也暴露出了一些问题，由此戚墅堰机车车辆厂对机车作了进一步改进，并增加了重联功能。以下简要介绍该车牵引传动及其控制系统。

1 牵引传动系统

戚墅堰机车车辆厂与株洲电力机车研究所（以下简称中方）一起，对三菱、庞巴迪等公司的主变流器技术方案及报价、技术转让等进行了研究，最终决定采用了庞巴迪公司（以下简称外方）产品。DF8CJ 机车采用的牵引传动系统原理框图如图1 所示。主要特点有：



①采用单轴控制方式。与转向架控制相比，机车的粘着利用率及一台逆变器故障后机车的剩余牵引能力均有所提高，符合当今的发展趋势。同时，在机车显示屏上设置软开关，可根据需要切除任意一台逆变器。

单个逆变器原理框图如图2 所示。



②采用了在磁路上共用而在电路上完全独立但完全对称的双绕组同步主发电机。每个绕组通过1 台整流柜给1 个转向架上的3 台逆变器供电。这样做的好处一是使2 个转向架间的主变流器完全解耦；二是可避免因1 台主变流器故障（如功率管短路）而导致整台机车无法加载的现象。因为2 套绕组在结构上完全对称，因此不会出现因负载不平衡而导致的电压偏差大现象。主发电机电压控制策略为VVVF 控制，控制简单，同时使发电机的体积、质量最小。

③采用了大电阻值的制动电阻装置。 机车电阻制动时，主变流器将来自轮对的动能转化为电能后，消耗在制动电阻上，同时主变流器内部的斩波器控制中间直流环节电压维持在1 500 V 左右。另外，必要时，制动电阻还参与中间直流环节的放电工作。根据需要，每个主变流器配置了两组共负载的电阻单元，同时要求电阻单元阻值应大于3.5 Ω。考虑到自负荷的需要及实现的可能性，电阻制动阻值最终取为5.5 Ω。整个机车制动电阻共12 组，分装在2 个制动电阻柜内。该电阻制动装置功率大、耐压高、单元阻值大、结构尺寸紧凑，电阻带、绝缘材料均采用了新材料。

④采用了齿轮内插式牵引电动机，以充分利用交流牵引电动机转速高的特点，同时，齿轮端的轴承采用了稀油润滑式结构。牵引电动机的比功率达到了0.35 kW/kg的较高水平。

⑤各部件主要参数如下：

主发电机额定容量 4200kVA

额定电压 1170V

额定转速 1000r/min

额定频率 150Hz

额定效率 0.962

励磁方式 无刷励磁

通风方式 自通风

绝缘等级 H级／F级 (主机／励磁机)

电机质量 6200kg

主变流器

控制方式 单轴控制

控制元件 IGBT(3300V/1200A)

额定直流输入电压 1500V

额定直流输入电流 6×460A

最大交流输出电流 6×650A

额定交流输出电流 6×500A

输出交流电压 0～1170V

输出频率 0～205Hz

冷却方式 水冷

牵引电动机

额定功率 630kW

最大电压 1170V

最大电流 645A

额定电流 494A

启动转矩 9516N·m

额定转矩 6793N·m

额定转速 886r/min

恒功最高转速 3548r/min

最高转速 3685r/min

额定效率 93.76%

绝缘等级 200(耐电晕)

通风方式 强迫通风

通风量 90m3/min

制动电阻装置

单元阻值 5.5Ω

最大制动电流 250A

自负荷功率 2×2 050 kW(自负荷时最大功率)
2 微机控制系统

DF8CJ 型交流传动货运内燃机车的微机控制系统采用基于M V B 总线的分布式网络系统结构，实现机车的全部控制功能。微机控制系统分为机车控制级、传动控制级和人机界面级三级结构， DF8CJ0001号微机控制系统结构框图如图3 所示。


机车控制级主要负责管理、协调机车各控制部分的工作，实现主发电机电压控制、牵引或制动特性给定和自负荷特性控制以及机车的逻辑控制和柴油机功率控制；传动控制级则负责主变流器的控制，采用直接转矩控制实现牵引电动机的调速；人机界面级实现人机对话。机车控制级与传动控制级和人机界面级之间通过M V B 总线实现命令传递和信息交换，总线管理器功能由主变流器柜内的V C U 承担。

随着铁路形势的发展，铁道部要求我国铁路货运牵引5 000 t、速度要达到120 km/h。为此，DF8CJ机车需进行双机重联设计，其中，微机控制系统相应作了改进，新的微机控制系统结构框图如图4 所示。



与DF8CJ0001号车微机控制系统相比，系统主要增加了一个T C N 网关来进行M V B 总线管理和W T B / M V B总线间的协议转换与数据传输。重联机车之间则通过W T B 总线（双通道）实现机车控制命令和状态数据的传输；不再采用光纤，而全部采用三绞线作为信号传输介质，因而取消了星型耦合器。另外，机车级控制系统升级为3 2 位微机系统，并采用双机冷备份；辅助电传动系统采用了变频器控制，其控制命令由机车级微机通过RS485总线传递。
3 试验情况

样车完成后，在北京环行铁道进行了一系列试验，其中包括了对交流传动系统的专门试验。试验结果表明,交流传动系统性能良好，启动及整个加速过程连续、平稳，无冲击；牵引与电阻制动工况转换平稳，没有振荡，满足机车运用要求，惰行再启动迅速无冲动；逆变器PWM 调制质量良好。防空转和防滑行数据表明,无论在牵引和电阻制动性能试验过程中，还是在专门的洒水及牵引时的粘着被破坏时，该交流传动机车与传统的交直流机车相比，具有极其卓越的粘着性能[1]。

4 存在的主要问题及改进措施

经试验和运用，发现了一些问题并进行了改进。

①轴控方式的一大优点是当某个逆变器故障时，可以仅切除该逆变器，从而使整个机车功率仅下降1/6甚至不下降(利用其他逆变器的余量)。然而在实际运行过程中，曾发现因某一逆变器电压传感器故障，而导致整个转向架无法加载的现象。原因在于，外方担心逆变器切除后，如该转向架仍然上电，一旦被切除的逆变器发生功率模块短路，则将产生严重后果（因该逆变器已切除，其保护系统将失去作用）。后经协商，在整流柜前交流侧增加电流检测，并与直流侧逆变器所测电流相比较，一旦出现异常，立即卸载，从而使这一问题得到解决。事实上，这种保护方式还带来了一大好处，即在柴油机低手柄位时，也能够迅速进行整流柜短路保护（原设计方案与传统机车一样，仅有总过电流保护），从而避免低手柄时主发电机电流过大（但未达到过流保护值）而引起的烧损。显然，这一方法也可用于传统的交直流机车上。

②为确保系统出现异常时，逆变器能够立即切断功率电源，特别设计了“line trip”功能，其原理是逆变器通过一继电器，直接切断主发电机励磁电流。同时在初次上电时，逆变器也通过“line trip”动作来保证主接触器无载吸合。在实际运用时发现这一过程长达13 s。经调整后减少到1.5 s左右。

③多数情况下，当系统出现过电流等异常时，往往首先表现为中间直流环节电压下降。为此，逆变器设有欠压保护功能。当中间环节电压降低至某值时，欠压保护动作，系统卸载。然而在调试时，发现在机车电阻制动到低速时（小于3~5 km/h），中间直流环节电压由1 500 V 左右急剧降低，直至欠压保护。经分析，在电阻制动工况时，中间直流环节电压的控制主要由逆变器通过斩波器来完成，只是在电阻制动刚刚开始才由机车控制系统（L C S）来控制电压，维持在一个较低值，以使牵引电机获得初始的励磁能量。其后由逆变器将轮对的动能转变为电能给中间电容充电，直至1 500 V。然而，当机车速度降低到一定程度时，轮对提供的能量已不足以维持牵引电机及逆变器的损耗，故此时需要中间电容反过来提供能量，从而使中间直流环节电压急剧降低。由于此速度较快，LCS 来不及反应（因在此之前，其PI 调节器由于电压始终高于其控制目标值而置零），最终导致欠压。欲解决此问题，可以有2个办法：一是当机车速度小于5 km/h时，迅速减少制动力，显然这将使交流传动的优越性得不到充分体现；二是在中间直流环节电压低于某值时（此值与欠压保护值相比略大），对主发电机进行强迫励磁，使主发电机能迅速提供逆变器及牵引电机励磁所需的能量。最终采用了后一种方法，使问题得到了成功解决。事实上在制动转牵引，或运行过程中由惰转转牵引时也会偶尔出现同样的故障，通过强迫励磁的方法，均得到了解决。

5 结论

DF8CJ0001 号样车的试验及运用考核证明，机车的电传动及控制系统的设计是成功的，其性能满足了机车总体要求。运用中暴露出的问题也得<