电传内燃动车组空压机软启动控制方式研究

魏润龙 1高稳姣 2焦东明 3

摘要 空压机是轨道车辆关键组成部分，为车辆用风设备提供源源不断的压缩空气，尤其为车辆制动性能提供了可靠保证。然而，对于排量较大的空压机启动电流大，对车辆辅助变流器冲击大，一直是个棘手的问题，本文对现有空压机控制策略和启动方式进行优化，以减小对车辆辅助变流器的冲击为目的，设计了一种满足车辆用风需求且启动电流小的空压机控制方案，经试验测试，空压机的启动电流满足车辆电流容量要求，且该技术达到国际先进水平。

关键词 空压机，控制策略，软启动，功能匹配

1 概述

空压机是轨道交通车辆中重要的组成部件，它为车辆中制动、空气弹簧、风笛、撒砂、车门等系统正常工作提供压缩空气，然而，空压机的启动方式一直是个关键问题。目前，轨道车辆中空压机的电机多采用星三角启动方式，这种启动方式应用广，技术成熟，但在电传内燃动车组上应用中暴露出了这种启动方式的部分缺陷，启动电流较大，经常触发辅助变流器的安全开关，导致车辆用电设备断电，带来安全隐患。为满足某六辆编组，两动四拖动力分散型电传内燃动车组整列车系统供风，空气压缩机采用螺杆压缩机，额定功率为15 kW，排风量为1200 L/min。由于该空压机启动电流为180 A，超过辅助变流器为空压机允许容量值120 A，经过对目前空压机启动技术分析和研究^[1]，本文从空压机控制策略和启动方式上进行优化设计，以解决上述问题。

2 空压机控制策略

每列车设置2台空压机，空压机的控制策略采用网络优先，硬线热备份的原则。当车辆网络正常的情况下，通过设置在动车上的压力传感器提供压力信号，经过网络实现空压机控制。当网络故障的时候，位于拖车的压力开关自动接管压力控制信号。当压缩空气压力低于700 kPa时，压力开关闭合，空压机启动电路闭合，两个空压机同时启动。列车正常运行时，两台空压机采用单双日交替运行方式，负责当日运行的空压机为主空压机，另一台为辅空压机。当总风压力达到900 kPa时，主空压机停止工作，当总风压力降至750 kPa时，主空压机启动。当总风压力继续降至720 kPa时，辅空压机也启动，辅空压机启动后与主空压机一起工作，直到总风压力达到900 kPa时两台空压机同时停止。如果主空压机出现故障，辅助空压机将接替其工作。采用上述控制策略，尽量避免两台空压机同时启动的情况，降低了空压机启动对辅助变流器的冲击的几率。

3 空压机启动方式

为有效降低空压机启动电流，空压机采用电子软启动方式，根据车辆性能要求及成本考虑，本方案选用西门子SIRIUS 3RW40软起动器，只需控制两相交流电，即可实现电机平稳起动。

3.1工作原理

软起动器通过限制起动电流和起动转矩，能够可靠地防止起动过程中的机械冲击和电网压降。采用反并联晶闸管构成的交流调压装置，通过对可控硅导通角的控制，来降低电机起动电压，并在设定的起动时间内，将电机起动电压升高到额定电压。凭借电机电压的无阶跃控制，根据空压机的负载特性对电机进行调节，平缓加速空压机启动，显著提高空压机的运行性能，延长其使用寿命。

电机起动时将按设定的起动斜坡进行软起动，直到达到所选择的电流极限值。斜率取决于起动电压和起动时间。这样，可以控制软起动器的电压，以使流经电机的电流保持恒定。当电机软起动完成、或设备自保功能或电机过载保护功能脱扣，斜坡起动过程即结束。

对于两相控制软起动器，来自两个控制相位的电流会流经未受控制的相位，从而会在电机起动时，造成三相电流的不对称。并且还会造成直流成分，在小于50%起动电压时，引起严重的噪声。3RW40系列的软起动器采用“相位平衡”控制方式，通过连续动态调整和均衡电机起动时不同相位的半波电流，不仅能够避免两相控制软起动器中产生的直流成分，而且能防止两相控制引起的制动转矩。

3.2负载电压与触发角的关系

软起动器的调压电路输出电压(频率为50 Hz)的有效值会随着触发角改变，晶闸管调压器有两种不同的工作状态：在同一时刻，每一相有一只晶闸管导通，称为l类工作状态；在同一时刻，一相的两只晶闸管都不导通，另两相各有一只晶闸管导通，称为2类工作状态^[2]。因三相电源是一个平衡对称系统，这里只分析A相定子电压。

(1)1类工作状态

三相电压、电流及所有晶闸管的控制角都是对称的，电机定子A相电压为：

(2)2类工作状态

有一相的两只晶闸管都不导通，另两相各有一只晶闸管导通，所以，电流只能在导电的两相问构成回路，电流流过两相间的负载电阻。这时，电机定子A相电压为： 。

当晶闸管触发角不同时，输出的电压波形也不同，从而计算的电压有效值就不同。下面分几种情况进行讨论：1）当触发角α=0时，电路处于1类工作状态；2）当0<α<π/3时，电路处于1类工作状态和2类工作状态交替中，计算得电压有效值的变化范围为220 V～184 V；3）当π/3≤α<π/2时，电路全部处于2类工作状态，计算得电压有效值的变化范围为184 V～119 V；4）当π/2≤α<5π/6时，电路全部处于2类工作状态，电流处于断续状态，计算得电压有效值的变化范围为119 V～0 V；5）当α≥5π/6时，电路既不工作于l类工作状态又不工作予2类工作状态，此时三相全不导通，U

_sa=0。

3.3软启动器控制电路

软启动控制电路包括控制回路和主回路。合上控制回路开关SACPS，24 V直流控制电源接通，此时软启动器开始工作，待晶闸管完全导通，负载达到正常转速，旁路接触器吸合，启动过程结束，主回路K2旁路接触器带动电机正常工作。

4 实验结果

空压机额定电压为380 V，视在功率为15 kW，电机转速为2955 r/min，SIRIUS 3RW40软启动器设置启动时间为4s，启动电压为60%，空压机三相启动电流测试结果如下：从第1 s开始启动，第5 s计算，总共启动时间为4 s。启动时间从第1 s到4.2 s，三相电流分别按照一定的斜率阶梯上升到最大值115.8 A、88.6 A和92.8 A后，保持约0.8 s，然后降到电动机额定电流值，保持稳定。从启动电流曲线图可以看出，受控的两相启动电流下降比较明显，未受控一相启动电流虽然没有受控两相下降明显，受该软启动器“相位平衡”控制调整，启动电流规律和受控两相一致，三相的启动电流值都满足了车辆电流容量要求。测试结果表明，SIRIUS 3RW40 软起动器能够使电机平稳起动，转速、转矩和电流平稳上升，而且，其起动噪声和启动电流水平也接近于三相控制软起动器的效果。

5 结论

空压机控制策略和启动方式的合理匹配，优化了空压机控制方案，提高了车辆的供风性能。电子软启动器在大功率电机已经应用，但是在轨道交通行业尚属首次，本文通过理论分析和试验验证，空压机的电子软启动方案在本项目中发挥了重要作用，不仅减轻了对车辆辅助变流器的冲击，降低了能源的消耗，选用的两相控制软起动器，即可实现电机平稳起动的同时，还显著降低了成本。该软启动方案符合当前国际电动机启动控制趋势，提高空压机的使用率，改善电机负载特性，对电动机本身进行完善保护，优化电网。

参考文献：

[] 解晨.异步电机软启动器电压空间矢量控制技术的研究[D].陕西:陕西科技大学,2015,8-13.

[2] 王毅,赵凯岐,徐殿国.电机软起动控制系统中功率因数角的研究[J].中国电机工程学报,2002,22（8）：82-87.

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