1引言
1.1课题背景
电气传动的发展经历了从直流传动到交流传动的过程、。直流电机起、制动性能良好，易于控制，在调速要求较高的电力拖动场所得到了广泛的应用。然而，直流电机的成本高、转动惯量大、维护难，电刷和换向器的存在严重限制了其速度和电流限值，而且EMI问题比较严重，在一些较脏和爆炸性环境中受到了限制，这些缺陷都严重制约了直流电机在轨道交通中的应用。和直流电机相比，交流电机具有低成本和几乎不需要维护的优势，因此人们把目光转向了交流牵引传动。随着电力电子器件、拓扑结构和控制技术的不断成熟，使得这一梦想成为现实，目前轨道交通己经进入了交流牵引时代。
对于传动系统的研发，传统的做法是利用Matlab、Sabe等软件的非实时建模和仿真方法去验证系统的功能和性能。但是，在测试和验证整个系统，包括其软硬件和子系统时，很多情况下单纯的仿真显得无能为力[5]。如果把整个系统带到现场试验的话，又会受到研发周期及成本甚至一些试验条件的制约。综合来看，在实验室条件下建立一个试验平台无疑是最佳的选择。交流传动试验台是交流传动系统研发和进行验证的重要的手段，在现代交流传动技术的发展中发挥了重要的作用。伴随着交流传动技术的发展，交流传动试验台也在不断地更新和发展国内外提出来许多不同的大功率交流传动试验台的方案，主要可以分为三类：能量消耗型、能量反馈型和能量互馈型。
这种方式的优点是：①系统组成比较简单，操作也不复杂；②直流发电机输出的转矩的调节比较方便，可以模拟实际负载的变化。但是这种方式存在的缺陷是：①电能完全被电阻以热能的形式消耗掉，在进行大功率的系统试验时，能量浪费严重，同时还要考虑散热问题；②它可以完成的试验项目也很有限，例如启动试验、再生制动试验、高速试验、电机的动态性能等重要项目都无法进行[9]。
1.2混合动力动车组概述
混合动力动车组由三节车厢构成，采用动力分散交流传动供电，包括两个动力车和一个非动力车，简称两动一拖（MTM)，其系统组成如图1-1所示。
从图中可以看出混合动力动车组主要由牵引变压器、牵引变流器、辅助变流器、柴油动力包、动力电池组、牵引电机组成。牵引变流器由网侧变流器（4QC)、中间直流环节、DC/DC控制器和牵引逆变器构成，辅助变流器主要由辅助逆变器、充电机和蓄电池构成。其中牵引变压器及辅助变流器箱体装于中间拖车底部，牵引变流器箱、柴油动力包和动力电池组装于两个动车底部。列车通过受电弓从AC 25kV接触网受流，然后通过主变压器感应出4个AC900V,每个网侧变流器将输入的2个AC 900V整流成DC 1650V提供给直流母线。同时柴油发电机在网侧变流器的入口端进行辅助供电。牵引逆变器、辅助变流器都从直流母线上取电，动力电池组则对直流母线进行辅助电能补充。
当列车在接触网条件下行驶时，一方面为列车提供行驶动力，同时也可以通过DC/DC控制器为动力电池进行充电；制动时，能量一部分可以被电池吸收，一部分也可以通过网侧变流器回馈给接触网。当列车遇到高压中断故障或者脱离接触网运行时，动力电池或者柴油动力包可以为列车提供牵引动力，保证列车的正常行驶。
“能量反馈型”交流传动试验台的结构如图1-3所示，为了能将上图中发出来的电能加以利用，釆用同步机组使电能回馈至电网，1997年株洲电力机车研究所在原有交直传动试验台的基础上，改造成交流传动滚动试验台，采用的就是这种方案。其原理是由异步牵引电机同步带动直流发电机，然后直流发电机给直流电动机供电，直流电动机又同轴带动三相交流同步发电机，从而将发出的电能回馈给电网这种方式与消耗型的相比，节约了电能。但缺点也是显而易见的：①设备多，投资大；②由于控制对象多，所以控制难度大，系统容易出现超调；③由于试验台中有直流电机，受直流电机换向器的影响，不能模拟列车的高转速区段。
2试验平台组成
牵引系统包括：牵引变流器、牵引电机和控制系统，对设计的混合动力动车组的牵引系统进行例行试验和型式试验是检验系统性能的重要手段。因此需要在实验室条件下搭建一个试验平台，试验平台能涵盖牵引系统的各个工况，模拟车辆的实际运行效果。本章先介绍了能量互馈式的试验平台工作原理，从试验原理入手组建试验平台，利用实验室现有资源，设计了试验用的电源及低压电源控制台，并针对牵引供电引起的三相电流不平衡问题，设计了无功补偿装置，从而为牵引系统性能的考核提供了基本条件。
2.1能量互馈型的试验平台工作原理
在第一章中，对现有的交流传动试验台的类型及各自的优缺点进行了介绍，能量互馈型试验台与其它两种类型的相比，节能经济，试验效率高，可以对不同控制策略进行对比验证。经过综合分析后，针对混合动力动车组的牵引系统，决定采用能量互馈式的结构对其进行试验。
2.1.1网侧变流器试验系统原理
网侧变流器（4QC)为四象限脉冲整流器，其调试方案如图2-1所示，该系统由380V/25kV可调变压器、牵引变压器和两个网侧变流器组成。将两组变流器的直流侧连接起来，上位机发出控制指令同时控制两个网侧变流器，使其中一个网侧变流器作为被试设备处于整流工况，另一个网侧变流器作为陪试设备处于逆变工况，将电能又回馈到牵引变压器副边，整个系统的能量损耗主要是开关器件的损耗和线路的铜损等，能量利用率得到提高，这些消耗的能量由380V/25kV可调变压器从电网吸收能量来提供。试验过程中，通过改变陪试变流器的再生功率来模拟陪试变流器的负载变化，用这种方式来完成网侧变流器的基本功能测试，验证全功率范围内网侧变流器的工作特性，检测控制策略的性能。两个网侧变流器可以互换角色完成测试，提高了试验效率。
2.1.2牵引逆变器试验系统原理
牵引逆变器单独调试方案如图2-2所示，系统由变压器、不可控整流桥和两套背靠背串联的“逆变器-电机”装置。上位机发出指令对两套装置进行独立控制，按照一定的控制策略使其中一套作为被试设备处于牵引工况，使另一套作为陪试设备处于再生制动工况，发出的三相交流电整流成直流回馈给直流侧，这样能量得到了循环利用，整流桥只需要提供损耗的能量，包括电机内部损耗和开关器件的损耗。在测试过程中，陪试电机充当了负载，通过调节陪试电机的输出转矩，模拟了被试电机负载的变化。该系统可以完成牵引逆变器基本功能测试以及对电机控制策略进行考核验证。采用高性能的矢量控制方式对被试电机和陪试电机进行联合调节，可以很好地模拟交流传动系统各种工况。两个逆变器单元可以互换角色完成测试，提高了试验效率。
2.2试验电源设计根据
2.1章节的调试方案，试验平台应该能提供试验电源，包括直流电源、AC 25kV网压电源。下面对电源设计进行介绍。
牵引变流器的中间直流环节标称电压为1650V，为了对牵引逆变器和辅助变流器进行单独试验，需要试验台提供满足要求的直流电源。实验室现有变压器380V/575V SOOkVA —台、调压器 380/550V 200kVA —台和 380V/380V lOOkVA 两台，于是决定采用变压器加二极管不可控整流桥的方式，将整流后的电压进行串联获取直流电源。将380/575V变压器和变压器380V/380V设为一组供牵引逆变器调试使用；将380/550V调压器和380V/380V变压器设为另一组供辅助变流器调试使用。主电路原理图如图2-4和图2-5所示。
测试系统是整个试验系统最为重要的一部分，负责监测和控制整个系统的运行，其主要由底层的测量设备、检测控制系统、网络通信和上位机监控软件组成，能够满足地面联调试验的测试要求，完成牵引系统的例行、型式试验及相关研究性试验。试验测试系统是整个试验系统的核心，相关能容的介绍将在下一章节介绍。
本章首先)^^能量互馈式^^试验台工作原理进行了介绍，根据试验方案，设计了供牵引逆变器和辅助逆变器单独调试的直流电源、380kV/25kV可调变压器。为了对设计的电源进行控制，提高试验操作的安全性，设计了低压电源控制台。为解决单相牵引供电系统引起的三相电流不平衡问题，设计了采用机械开关投切电容电抗的无功补偿装置，经过仿真，补偿效果良好。
3试验平台测试系统组成...................29
3.1 测试系统的总体结构...................29
3.2传感器的选型...................30
4试验平台测试系统监控软件设计...................41
4.1 监控软件需求分析...................41
4.2登陆界面设计...................42
4.2.1 前面板设计...................42
4.2.2 后面板设计...................43
4.3主界面设计...................44
5试验平台运行控制及结果...................69
5.1 试验平台运行控制...................69
5.1.1 试验平台总体结构与功能介绍...................69
5.1.2双网侧变流器互馈试验...................70
5.1.2双逆变器-电机互馈试验...................71
5.2监控软件安装及运行....................72
5试验平台运行控制及结果
在经过理论分折和仿真验证的基础上，经过长时间的努力，完成了试验平台的搭建和监控软件的调试，目前试验平台己经完成了大部分的型式试验和例行试验，在将牵引系统装车使用前进行反复考核验证，有效地降低了研制成本和风险。
5.1试验平台运行控制
5.1.1试验平台总体结构与功能介绍
经过一直以来的努力，完成了试验平台的搭建。能量互馈试验平台的整体结构如图5-1所示。平台包含了试验需要的试验电源、电源控制台、无功补偿装賈、—套牵引变压器、两套牵引变流器、同轴背靠背连接的八台牵引电机、辅助变流器、检测控制系统（控制箱）、上位机监控软件。
试验时通过电源控制台控制整流桥直流电源和25kV交流电源输出。无功补偿装買通过人机交互界面既可以观测三相电流、电压大小，也可以选择?自动或手动方式适时进行投切。检测控制系统通过以太网接口与上位机互连，检测控制系统将传感器输出的信号进行调理采样后，一方面用于控制需要，另一方面和一些故障信息一起通过以太网上传给上位机监控软件进行显示。两台变流器的控制指令还可以通过监控软件给定，控制变流器运行。利用该平台可以完成网侧变流器、牵引逆变器、牵引系统的联调试验各条目中有关电气特性部分的试验项目。关于平台实物图详见附录。
图5-3为网侧变流器在额定功率点工况下，进行互馈试验的直流电压、交流电压电流波形。从网压同步信号的波形可以看出380V/25kV可调变压器输出的交流电源lE常，直流侧电压稳定维持在1650V左右，整流单元和逆变单元的交流侧电流波形良好，相位互差180度，有效值分别约为471A和428A，整流单元的电流大于逆变单元的电流，这是系统内部损耗所导致的。
6结论
本文来源于十二五国家科技支撑项目“混合动力动车组研制”，研究并设计了基于能量互馈型的牵引系统试验平台，能够在牵引系统装车投入使用前对其进行带载考核验证，具体完成的工作如下：
(1)利用实验室现有资源，采用变压器加不控整流桥的方式，设计了基本满足试验要求的直流电源，对牵引逆变器和辅助变流器进行单独的试验。通过理论计算和Matlab仿真，对不控整流桥的二极管和预充电电阻进行了选型。
(2)设计了采用机械开关投切电容和电抗的无功补偿装置，来解决进行大功率对拖试验时牵引供电系统引起三相电流的不平衡问题。利用Steinmetz补偿原理对补偿参数进行了计算，并通过Matlab仿真验证补偿装置的使用效果。
(3)介绍了试验平台的整个测试系统组成和原理，包括底层的测量设备、控制系统、网络传输及上位机监控软件。根据牵引系统试验要求，完成了对传感器的合理选型。
(4)根据监控软件的需求分析，设计并完成了基于LabVIEW的监控软件。该软件通过以太网和监控单元进行通信，能实现系统模拟量和数字量的实时显示，故障存储及对牵引系统的控制等功能，同时可以调用基于VC++编写的虚拟示波器，完成波形显示功能。
由于作者研究时间、学术水平、个人精力以及实验室硬件条件等因素的限制，本文的研究工作还有很多待改进和完善的地方：
(1)搭建试验台时尽可能利用了实验室现有资源，导致两个高压直流电源的最高输出只有DC1300V左右，基本的试验都能满足要求，但是要做一些电机的高速重载试验时，只能采用网侧变流器或电池供电，给试验带来了不便。
(2)受研发周期、研发经费的限制，本文的无功补偿装置采用了最原始的机械开关投切电感电容的结构，导致不能对不平衡负荷实现实时补偿，只能进行有级补偿。而且实验室没有做四对电机满功率对拖试验，没有真正使用补偿装置，对其补偿效果还有待进一步检验。
(3)虽然完成了监控软件的设计，但是其在实际应用中的稳定性和可靠性，还有待于在调试中长时间运行来得到进一步的验证。(4)关于试验过程中发生的故障，有待于对故障的逻辑进行深入分析，方便用户和调试人员进行系统故障诊断。
参考文献（略）
参考文献（略）