和諧型電力機車自行移車裝置及其應用

徐秀良，韓群生

(1 北京鐵路局 北京機務段，北京100036;2 北京卓匠科創(chuàng)科技有限公司，北京100144)

HXD3、HXD3C型電力機車是國內鐵路主干線上大型貨、客運為目的，設計制造的大功率電力機車，采用接觸網供電交—直—交的電傳動方式，在22.5～31 kV的接觸網電壓下，額定功率7 200 kW。在斷開接觸網供電的情況下，沒有設計依靠自身動力短距離低速走行的能力。

由于不具備自走行功能，在出入機車檢修庫及在整備場自有電區(qū)向無電區(qū)轉線作業(yè)時，需要附掛調車機車作為牽引動力進行出入庫或轉線走行，這種傳統(tǒng)的調車作業(yè)方式有很多弊端。一方面，一次調車作業(yè)往往需要安排幾次交路才能完成，即占用調車機資源又效率低下。另一方面，調車時一旦調車組人員聯系溝通不暢，很容易發(fā)生人身安全事故;再一方面，擔當附掛調車機的機車多為內燃機車，低速運行時易造成環(huán)境污染。

研究HXD3、HXD3C型電力機車自行移車裝置，基于成熟并廣泛應用的蓄電池牽引技術。在城市軌道交通行業(yè)，地鐵列車將蓄電池作為輔助動力源，實現在牽引供電系統(tǒng)故障情況下的地鐵列車運行到站和庫內作業(yè)的短距離調車。在鐵路行業(yè)，HXN3型內燃機車以蓄電池牽引實現機車柴油機不啟動的情況下走車。所以開發(fā)HXD3、HXD3C型電力機車自行移車裝置，符合技術潮流，將改變傳統(tǒng)的電力機車調車方式。

1 HXD3、HXD3C型電力機車自行移車裝置設計

1.1 設計原則

HXD3、HXD3C型電力機車自行移車裝置設計，需充分考慮機車自走行的行車安全、機車主電路特點、主要部件知識產權、軟件著作權和機務段實際需要等各方面因素，應遵循以下幾方面原則:

①在機車總風壓力足以保證機車制動距離的情況下才能進行自走行，以確保機車自走行的行車安全;

②機車在正線牽引時，裝置電路要與機車電路物理隔離，以確保不因裝置故障導致機車設備故障;

③裝置電路連至機車既有電路后，對機車既有主電路布局不改變，以避免機車主要部件質保糾紛;

④對機車既有的TCMS、主變流器等軟件不進行軟件修改，以避免知識產權糾紛;

⑤自走行速度需要滿足機車出入檢修庫和整備場有電區(qū)向無電區(qū)轉線需求;

⑥裝置可生產為車載型作為機車制式裝備，也可生產為便攜型作為機務段工裝設備;

⑦裝置升級改進后，可適用于HXD1、HXD2、HXD3B等其他型號電力機車，也可適用于既有交—直型電傳動電力機車和電傳動內燃機車。

1.2 技術方案的確定

根據機車主電路結構特點，可以通過以下3種技術方案實現設計功能:

方案1:將機車蓄電池DC 110 V電壓直接升壓逆變?yōu)槿郃C 380 V，采用VVVF方式驅動牽引一臺牽引電動機實現機車自走行(圖1)。

方案2:將機車蓄電池DC 110 V電壓接入至機車主變流器(CI)直流中間電壓，修改機車TCMS軟件和主變流器(CI)軟件，使主變流器輸出三相AC 380 V，采用VVVF方式驅動牽引一臺牽引電動機實現機車自走行(圖2)。

圖1 電路原理框圖

圖2 電路原理框圖

方案3:將機車蓄電池DC 110 V電壓直接升壓為DC 600 V后，通過主回路庫用開關接入至機車主變流器(CI)直流中間電壓，通過機車TCMS軟件和主變流器(CI)軟件預置的庫用位程序，控制主變流器功率元件輸出三相AC 380 V，采用VVVF方式驅動牽引一臺牽引電動機實現機車自走行(圖3)。

圖3 電路原理框圖

分析3套技術方案，每套技術方案優(yōu)缺點比較如表1。

通過對比分析，技術方案3作為設計方案，優(yōu)點更為突出，方案3符合設計原則。機車自走行速度為1 km/h，在這種走行速度下，機車出入機車檢修庫一次走行時間約為3 min，基本滿足機務段調車需要。在整備場自有電區(qū)向無電區(qū)轉線，僅需要在接觸網終點處(通常在道岔處)開始自走行，在這種走行速度下，機車通過道岔的時間約為1 min，進入股道后對整備場調車組織就不再影響，其效率也能滿足機務段整備場實際需要。

1.3 裝置的設計

1.3.1 裝置工作原理

裝置工作原理見圖3，將機車蓄電池DC 110 V電壓直接升壓為DC 600 V后，通過主回路庫用開關接入至機車主變流器(CI)直流中間電壓，通過機車TCMS軟件和主變流器(CI)軟件預置的庫用位程序，控制主變流器功率元件輸出三相AC 380 V，采用VVVF方式驅動牽引一臺電動機實現機車自走行。

表1 技術方案對比

1.3.2 DC 600 V 中間電壓的獲得

HXD3、HXD3C型電力機車控制回路裝有蓄電池(容量170 Ah)，當機車正常工作時，蓄電池處于充電狀態(tài)，機車降弓后，蓄電池內儲存有電能，電壓為DC 110 V。利用高頻開關電源，對蓄電池DC 110 V進行升壓－逆變－整流獲得DC 600 V電源。所以該裝置的技術主體就是一個高頻開關電源。

1.3.3 裝置的特性曲線

從圖3可以看出，主變流器(CI)DC 600 V工作電壓自本裝置中獲得，通過主變流器逆變，驅動牽引電機，中間最低電壓不得小于DC 350 V，實測主變流器(CI)內部整流元件壓降約為50 V。因此，為滿足主變流器工作需要，裝置電流、電壓的控制曲線如圖4所示。

圖4 電流電壓控制曲線圖

從圖4特定曲線來看，在輸出電流小于30 A時，輸出電壓范圍為DC 600～DC 400 V，以滿足主變流器工作。在輸出電流大于30 A時，系統(tǒng)將工作在限流區(qū)。系統(tǒng)將自動停止電壓輸出，以保護蓄電池。

1.3.4 裝置的組成

裝置由功率模塊和單片機控制兩大模塊組成，原理框圖如圖5，各單元的主要技術原理和作用分述如下。

圖5 原理框圖

(1)功率模塊的設計與實現

①濾波單元

即濾波器電路，減少內外電壓沖擊和干擾，增強電路的電磁兼容性，使其滿足要求。

②電流、電壓控制單元

此單元是測量的關鍵控制部分。電壓控制采用慢給定技術，工作電壓從0緩慢增加，要完成輸出電壓的逐步升壓給定;當電壓達到600 V時，進入鉗位，電壓不再上升。如絕緣較低、輸出電流過大時，電流控制進入鉗位，按照設計的曲線，逐步降低電壓。通過電流電壓的控制，完成功率輸出。

輸出電壓慢給定技術:在系統(tǒng)工作時，由于需在主變流器(CI)工作前，向主變流器(CI)續(xù)流電容進行預充電，如果先給定600 V電壓，在主變流器(CI)續(xù)流電容嚴重虧電或主變流器(CI)絕緣低的情況下，將有一個很大的沖擊電流，造成系統(tǒng)故障或蓄電池過渡放電。在本次設計中，重用電壓慢給定技術，輸出電壓從0 V緩慢增加至600 V，防止產生沖擊電流。同時，主變流器(CI)續(xù)流電容充電完畢后啟動時，也采用了輸出慢給定技術，牽引電機在轉動初期不會產生很大電流。

③高頻開關電源單元

這部分是本裝置的關鍵點，主要作用是把機車上現有的蓄電池110 V的直流電變?yōu)镈C 600 V的直流電源。其主要由PWM控制器、電子開關電路、高頻變壓器、整流濾波電路、保護電路等組成。

工作原理是110 V直流電經穩(wěn)壓濾波后變?yōu)?00 V直流電，在400～600 V的電壓范圍內保持性能，受電流、電壓控制，為主變流器提供足夠的功率。

a功率變換模塊的設計

模塊采用全橋PWM變換器和有限雙極性控制方法實現(圖6)。整個主電路和硬開關方案相比，僅增加了超前橋臂的兩個諧振電路，諧振電感取電壓器漏感，滯后橋臂的諧振電容利用功率管的輸出電容，既實現了軟開關工作方式，同時又保持了電路的簡潔。由于實現了ZVS，可以省去原方的吸收電路，副方吸收電路的功耗也變小。

圖6 全橋PWM變換器電路原理圖

b控制電路的設計

PWM集成控制器通常分為電壓型控制器和電流型控制器兩種。電壓型控制器只有電壓反饋控制，可滿足穩(wěn)定電壓的要求，電流型控制器增加了電流反饋控制，除了穩(wěn)定輸出電壓外，還有以下優(yōu)點:

?當流過開關管的電流達到給定值時，開關自動關斷;

?自動消除工頻輸入電壓經整流后的紋波電壓，并開關電源輸出端300 Hz以下的紋波電壓很低，因此可減小輸出濾波電容的容量;

?多臺開關電源并聯工作時，PWM開關控制器具有內在的均流力;

?具有更快的負載動態(tài)響應。

電源采用美國 Unitrode公司的 UC1825A芯片，UC1825A是高性能的電壓電流型開關電源集成控制器，主要特點是兼電壓型、電流型控制;開關頻率可達1 MHz;50 ns的傳輸延遲時間;大電流雙推挽輸出(峰值2 A)，寬頻帶誤差放大器;雙脈沖抑制邏輯電路;逐個脈沖電流限制;軟啟動、最大占空比控制;滯后的欠壓鎖定功能。

(2)單片機控制模塊的設計與實現

在本次設計中，使用了單片機控制DC 600 V輸出和控制LED顯示輸出電壓和電流的大小，有較好的人機界面和安全保護功能。

設計的主要功能由:

①DC 600 V輸出邏輯控制;

②LED顯示。

MCU使用目前性價比較高的STC51系列。此芯片功耗小，抗干擾力強，并可進行系統(tǒng)編程，使用十分方便。作為控制單元的單片機完全可以滿足使用要求。通過軟件編程達到控制與測量的目的。

KM1、KM2為輸出接觸器，其閉合與斷開受單片機控制模塊的控制。當KM1、KM2斷開時，裝置從機車電路中切除。這樣，可以防止裝置在待機時對機車電路造成的影響。當需要進行自走行時，KM1或KM2閉合。

保護邏輯單元電路是對機車庫用開關的連鎖線、風壓開關連鎖線進行判斷，如果風壓過低后或庫用開關沒有轉換，則本系統(tǒng)不能工作，即保證機車自走行有足夠的風壓用以制動，又保證受電弓在降弓狀態(tài)下，方可進行自走行。

LED燈使用矩形漢字覆膜燈，具有亮度高、穩(wěn)定性好。通過漢字覆膜顯示。極大的方便了操作者的使用，觀察直觀。

AD轉換單元通過實時隔離采樣將功率模塊的輸出電壓傳入MCU，通過運算將輸出電壓換算為工作狀態(tài)進行顯示。

1.3.5 裝置的便攜化

根據裝置工作原理，將裝置進行簡化設計，去掉單片機控制模塊和輸入輸出接觸器，并進行裝置減重后，安裝與機車外部主回路庫用插座、蓄電池充放電插座適配的航空插頭，加裝磁力安裝座后，即可實現裝置便攜化。

2 機車自走行的操作和最大牽引總重

2.1 車載型裝置機車自走行的操作

裝置安裝在機車上后，司機首先確認總風缸壓力大于480 kPa，斷開受電弓開關，確認蓄電池電壓大于96 V，然后將庫用開關轉換至庫用位，閉合電源開關，將換向手柄打向前位或后位，并將調速手柄置于“1”位，即可實現機車自走行。具體步驟如圖7。

2.2 便攜型裝置機車自走行的操作

將裝置磁力座吸附在機車主變壓器殼體上，連接主回路庫用插座和蓄電池充電插座后，按車載型裝置的操作方法操作即可。

圖7

2.3 最大牽引總重和速度

試驗證明，裝置在小于千分之三的坡道上，機車依靠自身動力自走行最大牽引總重約為280 t(即附掛牽引一臺機車的情況下自走行)，最大走行速度為1 km/h。

3 對機車蓄電池的影響

目前HXD3機車使用170 Ah的蓄電池，通過試驗機車自走行時蓄電池放電情況，對比機車蓄電池放電特定情況如表2。

表2 蓄電池放電情況對比

機車在依靠蓄電池自走行時，機車起動最大峰值電流僅120 A左右，遠低于蓄電池允許峰值短路電流6 100 A;機車1 km/h恒速自走行狀態(tài)下，蓄電池放電電流為60 A，小于蓄電池進行1 h制放電的最大允許放電電流。因此，裝置驅動機車自走行狀態(tài)下，蓄電池放電電流工作在蓄電池的理想范圍內，不會影響蓄電池壽命。

另外，在蓄電池日常維護中，通常采用10 h制放電(放電電流約17 A)后進行蓄電池充電，當蓄電池性能下降后，進行治療性充放電時，通常采用1 h制放電(放電電流約170 A)后進行蓄電池充電，以激活蓄電池內部物質活性，恢復蓄電池性能。裝置驅動機車持續(xù)自走行1 h后升弓對蓄電池進行充電，相當于對機車蓄電池按1 h制充放電進行了一次治療性充放電，可以進一步激活蓄電池內部物質活性。

4 結束語

HXD3、HXD3C型電力機車自行移車裝置，充分利用機車主回路電路特點和機車TCMS、主變流器(CI)的軟件預置程序，實現了機車在無接觸網的情況下，依靠自身動力短距離低速走行，并且可以附掛牽引一臺機車。該裝置的研發(fā)與應用，改變了傳統(tǒng)的電力機車調車方式，為提高電力機車出入機車檢修庫和整備場有電區(qū)向無電區(qū)調車效率，提供硬件條件，其意義深遠。同時，該裝置具備技術升級的空間，進行技術升級后，可衍生出適用于各型大功率交流電力機車、交—直式電傳動電力機車、電傳動內燃機車的系列裝置應用。

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