基于变流技术的焊轨车电气系统.doc

基于变流技术的焊轨车电气系统摘 要：分析了目前国内几种焊轨车电气系统，指出了系统中存在的 主要问题为解决这些问题，提出了一种基于变流技术的焊轨车电气 系统，给出了电气系统主电路图通过理论分析和试验数据，阐述了 该电气系统的主要优缺点关键词：变流技术；焊轨车；电气系统；主电路引言2 1世纪轨道交通发展方向是客运高速化，货运重载、快速化无缝线路具有综合弹性好、平顺、轮轨噪声低、寿命长等优点，是各 国高速铁路、地铁、轻轨采用的主要轨道结构［1］在我国，无缝线 路铺设时，先将25〜100 m的短钢轨在焊轨基地焊接成250〜500 m的 长轨条，然后再将长轨条运到线路上铺设，对其进行现场焊接，连成 儿千米甚至儿十千米的跨区间超长无缝线路目前铁路钢轨焊接主要 有接触闪光焊、气压焊、铝热焊3种方法闪光接触焊以其技术先进、 焊接质量高、作业效率高等优点，在高速铁路、城轨、地铁等无缝线 路建设工程中使用越来越广泛，而其中采用闪光接触焊接工艺的焊轨 车因作业具有机动灵活等特点，在轨道现场焊接作业中扮演越来越重 要的角色1国内焊轨车电气系统焊轨车按是否自带动力走行功能，可分为自行式和非自行式焊轨车接辘闪光焊机非自行式焊轨车的系统框图如图1所示，其主要缺点之一是， 需要配备一台动力车将其从一个作业现场牵引到另一个作业现场， 作业不够灵活，且有联挂过程，影响作业效率，并且在车辆移动过 程中车辆自带的柴油发动机闲置。

目前国内常州市某公司生产这类 非自行式焊轨车柴油发电机组 系统辅 助设备图1非自行式焊轨车系统框图自行式焊轨车在国内有两种不同传动方式，其一是襄樊某公司 生产的YHG05型焊轨车，采用交直传动，其系统框图如图2所示; 其二是昆明某公司生产的YHG922型焊轨车，采用液力传动，其系 统框图如图3所示图2 YHG05型自行式焊轨乍系统框图图3 YHG922型自行式焊轨乍系统框图从图1、图2和图3可知，柴油发电机组输出三相四线400 V 交流电压，一方面给液压泵电动机、液压泵循环电动机等系统辅助 设备供电，同时还要提供两相电源，给K922型接触闪光焊机供电以YHG05型和YHG922型自行式焊轨车为例，其所选柴油机 组功率为494 kW,发电机组容量为800 kVA, K922型接触闪光焊 机负载为236kVA,系统辅助设备负载总容量约为40kVA,可见为 了满足K922型焊机两相负载的要求以及焊接质量的要求，不得不 选择容量是其负载两倍的柴油发电机组，因此柴油发电机组工作效 率非常低焊轨车进行焊接作业时，其柴油发电机组工作在三相负载极不 平衡的工况下，这将导致发电机三相输出电压不平衡、额外的发热 损耗、100 Hz的振动以及较高的奇次谐波[2],同时影响柴油发电机 组的使用寿命。

2.1系统介绍为解决焊轨车自走行功能以及柴油发电机组在焊接作业时三相 负载极不平衡等问题，本文提出一种既能使焊轨车快捷自行又能解 决柴油发电机三相负载不平衡问题的方案，即采用基于变流技术的、 可实现车辆交流传动的焊轨车电气系统，该电气系统如图4所示 在柴油发电机组与交流焊机负载之间增加AC-DC-AC电力变换器， 它与YHG05型和YHG922型焊轨车电气系统的主要区别还在于 AC-DC-AC电力变换器还驱动交流电动机，实现车辆交流传动LI图4 焊轨车电气系统柴油发电机组输出的三相电源给AC-DC-AC电力变换器供电， 电力变换器的输出端负载是交流接触闪光焊机和交流电动机由于 焊轨车走行工况与作业工况存在互锁关系，焊轨车在焊接作业时， 车辆处于停车状态，电力变换器只给交流接触闪光焊机提供两相恒 压恒频电源；在车辆移位以及区间走行时，焊轨车不需进行焊接作 业，电力变换器只需给交流电动机提供三相变压变频电源，通过交 流电动机及传动机构产生兆动力，实现焊轨车的走行该电气系统有效地利用了柴油发电机组输出的三相电源，解决 了柴油发电机组在焊接作业时三相负载不平衡问题，因此可以选用 较低容量等级的柴油发电机组，提高了其工作效率。

变流技术及交一直一交传动技术是株洲南车时代电气股份有限 公司的核心技术，已广泛用于干线电力机车、电动车组、地铁、无 轨电车中目前铁路大型养路机械工程车基本使用液压传动和液力 传动两套传动系统，传动系统复杂且工作效率较低，而交流传动系 统相比于液压传动、液力传动和交直传动系统，具有更大的功率等 级、更高的轮周效率、更高的运行速度[3],以及较显著的节能、环保等社会效益2.2系统优化K922型焊机电气原理如图5所示，为了满足不同类型钢轨的焊 接需求以及钢轨焊接过程不同工艺阶段对输出电压的不同要求，焊 机内部设计有晶闸管调压、自耦变压器升压以及焊接变压器隔离降 压电路，输入电源经过晶闸管调压电路后会产生具有一定波形宽度 的零电压的交流电压，零电压的存在会对钢轨焊接质量产生不利影 响[4],增加自耦变压器的漏电感，一定程度上可减小或消除零电压 的不利影响在新电气系统中，AC-DC-AC电力变换器在焊接作业时具有输 出电压闭环调节功能，因此可以取消焊机内部的晶闸管调压电路和 自耦变压器等部件，通过调节电力变换器的输出电压，满足焊接过 程中不同阶段对焊机输出电压变化的要求，同时可以消除零电压对 焊接质量的不利影响。

2.3系统效率分析在新焊轨车的电气系统中，AC-DC-AC电流变换环节的能量传 递效率为91 %左右，虽然新电气系统可以减少晶闸管调压及自耦变 压器等变压环节的能量损耗，以及因充分利用发电机组容量而提高 了发电机组效率，但新电气系统因增加AC-DC-AC能量变换环后效 率会降低，从而使系统效率降低3试验数据根据交流电传动内燃机车的设计经验，运用该电气系统实现焊 轨车的交流传动功能勿庸置疑，无需验证那么使用该电气系统对 钢轨的焊接质量会有什么影响呢？根据图4设计的新型焊轨车电气 系统样机在YHG922型焊轨车平台上与YHG922型焊轨车上进行了 较简单的钢轨焊接对比试验，其中部分试验数据如下：3.1落锤试验数据根据TB/T 1632-2005标准，对两组钢轨接头进行了落锤试验，落锤试验数据见表1,试验数据表明，基于变流技术的焊轨车电气 系统有利于提高钢轨焊接质量表1落锤试验数据Tab. 1 The test data of drop hammer落锤试验（轨顶Ifli垂直方向最大偏差）钢轨编号・第•锤/ m m第•.锤/mm结论基于变流技术的焊轨车电气系统所焊接钢轨接头T00251322合格T002614断裂不合格T00271527合格T00281325合格T00311423合格T00331426合格Y HG 9 2 2型焊轨车所:焊接钢轨接头117断裂不合格2断裂不合格31426合格41425合格51525合格613断裂不合格3.2钢轨消耗比较表2列出从K922焊机数据管理系统中提取的钢轨焊接过程中的钢轨消耗数据，数据表明基于变流技术的焊轨车电气系统所焊接 钢轨接头的平均钢轨消耗量只有YHG922型焊轨车所焊接钢轨接头 的60%,主要是由于闪光阶段钢轨消耗明显减少。

表2钢轨消耗数据Tab. 2 Data of rail-consumedRre-flash啊读介段Flash 闪光阶段Boost力1睡烧他介段Upset 顶锻阶段Overall 合计钢轨钢轨消耗钢轨消耗钢轨消耗钢轨消耗钢轨总消耗编号/mm/mm/mm/mm/mmYHG 92 2型焊轨车所焊接钢轨接头T00100.528.17.213.553. 7T00110.527.37.213.253. 1T00130.729.67.313.854. 8T00140.626.87.213.052T00150.623.77.213.648. 1T00160.826.17.213.852.7星于变流技术的焊轨车电气系统所焊接钢轨接头T00250.34.97.314.130. 2T00260.59.37.214.134.5T00270.33.17.313.128. 8T00280.45.27.513.631.4T00310.74.37.413.132.4T00330.54.77.213.230. 84结语理论分析和钢轨焊接对比试验表明，基于变流技术的焊轨车电 气系统由于增加了 AC-DC-AC电流变换环节，系统效率会有所降低, 但它解决了原有焊轨车电气系统固有的缺点，其主要优势：(1) 能实现焊轨车自行功能，实现交流传动；(2) 能有效解决柴油发电机组在焊接作业时三相负载不平衡的 问题；(3) 有利于提高钢轨焊接质量，减少钢轨消耗；(4) 可以将接触闪光焊机中的晶闸管调压电路和自藕变压器所 具有的调压功能转嫁到AC-DC-AC电力变换器上，因此可以避免晶 闸管调压电路产生的零电压对焊接质量的不利影响；综上所述，基于变流技术的焊轨车电气系统具有很好的应用前 景。

参考文献：[1] 戴虹，欧阳泉.客运专线无缝线路焊接技术装备UL铁道工程学报, 2004(12):84-88.[2] 牛维扬.电机学[M].北京：中国电力出版社,1999.[3] 高道行.交流传动电力机车的发展[J].电力机车技术，1996(2):1-6.[4] 周志江.钢轨接触焊机直流焊接电源的研制[J] .上海铁道科技， 2004(3):8-10.。