ZER7型雙動(dòng)力電傳機(jī)車在城市軌道交通中的應(yīng)用前景分析

堵建中

(南京地鐵運(yùn)營有限責(zé)任公司，210012，南京//高級(jí)工程師)

隨著地球上化石能源的日益枯竭以及人類居住環(huán)境的日益惡化，節(jié)約化石能源和開發(fā)新能源已成為國家可持續(xù)發(fā)展的重大戰(zhàn)略課題。

目前，我國城市軌道交通行業(yè)承擔(dān)基地調(diào)車作業(yè)和正線作業(yè)牽引的機(jī)車均為內(nèi)燃機(jī)車，其通過燃燒柴油實(shí)現(xiàn)動(dòng)力輸出的方式不可避免地造成環(huán)境污染[1]，已不符合我國建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)的要求。雙動(dòng)力電傳機(jī)車具有綠色、環(huán)保和節(jié)能的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可取代內(nèi)燃機(jī)車為城市軌道交通行業(yè)調(diào)車作業(yè)使用。

1 雙動(dòng)力電傳機(jī)車的發(fā)展

雙動(dòng)力機(jī)車[2]具有兩個(gè)獨(dú)立電力來源共同為機(jī)車提供電力，即在機(jī)車工作時(shí)，既可以用A電源供電，也可以用B電源供電。國內(nèi)雙源制則多采用接觸網(wǎng)供電和蓄電池儲(chǔ)電模式(以下簡稱“儲(chǔ)電型”供電)，即機(jī)車在無電區(qū)時(shí)，蓄電池向機(jī)車提供電力維持機(jī)車運(yùn)行；進(jìn)入有電區(qū)后，機(jī)車升受電弓改由接觸網(wǎng)供電運(yùn)行，同時(shí)蓄電池進(jìn)入充電狀態(tài)。南京城市軌道交通與株洲電力機(jī)車廠共同研制的的ZER7型雙動(dòng)力電傳機(jī)車，采用的是車載柴電機(jī)組替代蓄電池的設(shè)計(jì)，即機(jī)車在無電區(qū)運(yùn)行時(shí)啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組向機(jī)車供電，進(jìn)入有電區(qū)后機(jī)車升受電弓由接觸網(wǎng)供電。

2 ZER7型雙動(dòng)力電傳機(jī)車

2.1 主要技術(shù)參數(shù)

ZER7型雙動(dòng)力電傳機(jī)車的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。其牽引特性曲線和電制動(dòng)特性曲線如圖1～2所示。

圖1 ZER7型雙動(dòng)力電傳機(jī)車牽引特性曲線

名稱參數(shù)電傳機(jī)車外形尺寸14 910 mm×2 760 mm×3 750 mm兩轉(zhuǎn)向架中心距/mm7 060固定軸距/mm2 200接觸網(wǎng)供電電壓/VDC 1500輪周功率/kW400(接觸網(wǎng))/200(柴油發(fā)電機(jī)組)最小通過曲線半徑/m150車鉤型式13B號(hào)車鉤軸列式Bo-Bo整備質(zhì)量/t≤56電傳機(jī)車速度/(km/h)80制動(dòng)方式再生制動(dòng)、電阻制動(dòng)、空氣制動(dòng)及停車制動(dòng)

2.2 主要系統(tǒng)

(1) 牽引傳動(dòng)系統(tǒng)。牽引系統(tǒng)采用VVVF(變電-變頻)逆變器，其是由異步牽引電動(dòng)機(jī)構(gòu)成的交流電傳動(dòng)系統(tǒng)，為架控方式。牽引系統(tǒng)主電路采用兩電平電壓型直-交逆變電路。接觸網(wǎng)受流模式下輸入DC 1 500 V直流電，牽引逆變器將其變換成頻率、電壓均可調(diào)的三相交流電，并向異步牽引電動(dòng)機(jī)供電。柴油發(fā)電機(jī)組供電模式下發(fā)出的AC 690 V

圖2 ZER7型雙動(dòng)力電傳機(jī)車電制動(dòng)特性曲線

三相交流電經(jīng)三相整流為DC 880 V后輸入到牽引逆變器。圖3為ZER7型雙動(dòng)力電傳機(jī)車的雙電源供電圖。由圖3可知，ZER7型雙動(dòng)力電傳機(jī)車裝有4臺(tái)交流異步牽引電機(jī)，按架控進(jìn)行配置。其中，電氣傳動(dòng)系統(tǒng)采用VVVF交流調(diào)速方式，鼠籠型三相異步牽引電動(dòng)機(jī)是以IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)為主元件的功率模塊，其控制方式為直接轉(zhuǎn)矩控制或矢量控制模式。

(2) 混合電制動(dòng)系統(tǒng)。電力電傳機(jī)車采用接觸網(wǎng)供電時(shí)，其在電制動(dòng)過程中主要向電網(wǎng)反饋能量，且僅在電網(wǎng)不能接受時(shí)將該能量消耗在制動(dòng)電阻上；電力電傳機(jī)車采用柴油發(fā)電機(jī)組供電時(shí)，電制動(dòng)能量將由制動(dòng)電阻吸收。電力電傳機(jī)車采用DK-1制動(dòng)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)空電聯(lián)合制動(dòng)。

(3) 輔助供電系統(tǒng)。輔助逆變器將輸入的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)槿嘟涣麟?，通過輔助變壓器變壓后為工程維護(hù)車的負(fù)載提供三相AC 380 V/50 Hz和單相AC 220 V/50 Hz交流電源，同時(shí)亦可為三相輔機(jī)、空調(diào)、控制蓄電池充電機(jī)、工務(wù)用電等提供電源。輔助逆變器既可以在接觸網(wǎng)供電DC 1 500 V(1 000 ～1 800 V)模式下工作， 也可以在柴電機(jī)組供電模式下工作。

圖3 ZER7型雙動(dòng)力電傳機(jī)車的雙電源供電圖

(4) 柴油發(fā)電機(jī)組。柴油發(fā)電機(jī)組通過采用恒速控制來提供穩(wěn)定的電源電壓和頻率；且由負(fù)載功率變動(dòng)引起的發(fā)電機(jī)電壓波動(dòng)由其自帶的勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)AVR(自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器)完成調(diào)整，機(jī)組轉(zhuǎn)速波動(dòng)則由柴油機(jī)的電噴控制ECM(發(fā)動(dòng)機(jī)的電控模塊)控制。

3 ZER7型雙動(dòng)力電傳機(jī)車的優(yōu)勢(shì)

3.1 與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車的比較

(1) 節(jié)能減排。目前，南京城市軌道交通已開通的7條線共配置內(nèi)燃型機(jī)車33臺(tái)，2015年4月共消耗燃油11.438 t，由此計(jì)算可得污染物SO2、NOx和煙塵的排放量分別為4.57 t、0.718 t和0.017 t，從而預(yù)計(jì)2015年污染物SO2、NOx和煙塵全年的排放量分別為54.84 t、8.616 t和0.204 t，且隨著線路數(shù)量的持續(xù)增加，上述污染物的排放總量將會(huì)同比增加。ZER7型雙動(dòng)力電傳機(jī)車在城市軌道交通線網(wǎng)接觸網(wǎng)覆蓋率較大的情況下，使用車載柴電機(jī)組的時(shí)間占比很小，排放量可忽略不計(jì)。因此全面推廣使用雙動(dòng)力電傳機(jī)車可產(chǎn)生巨大的環(huán)境效益和社會(huì)效益。

(2) 改善作業(yè)環(huán)境。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，內(nèi)燃機(jī)車在隧道內(nèi)作業(yè)時(shí)噪聲可達(dá)91 dB,同時(shí)內(nèi)燃機(jī)車排煙會(huì)在隧道內(nèi)聚集，造成空氣質(zhì)量下降，影響員工的身體健康；而雙動(dòng)力電傳機(jī)車在隧道內(nèi)進(jìn)行接觸網(wǎng)供電模式作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的噪聲分貝僅為65 dB，且可實(shí)現(xiàn)無煙塵工作環(huán)境。

(3) 操縱性能好。雙動(dòng)力電傳機(jī)車與液力傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車相比，在高速運(yùn)行中其動(dòng)力輸出有很大的優(yōu)越性，如圖4所示。ZER7型雙動(dòng)力電傳機(jī)車在裝車功率小于10%且運(yùn)行速度超過20 km/h的情況下，其牽引力較傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車平均高30%以上。這種動(dòng)力輸出的優(yōu)勢(shì)在進(jìn)行網(wǎng)軌或限界檢測(cè)作業(yè)以及在對(duì)機(jī)車運(yùn)行速度要求較高的作業(yè)中尤其明顯。

圖4 ZER7型雙動(dòng)力電傳機(jī)車牽引特性對(duì)比曲線

(4) 全壽命成本低。表2為ZER7型雙動(dòng)力電傳機(jī)車與內(nèi)燃調(diào)車機(jī)車的全壽命成本對(duì)比。由表1可知，雙動(dòng)力電傳機(jī)車在能源成本、運(yùn)用條件、日常維護(hù)及全壽命周期等方面，均比內(nèi)燃調(diào)車機(jī)車更具優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[3]中，據(jù)中車株洲電力機(jī)車有限公司向新加坡出口的雙動(dòng)力電傳機(jī)車測(cè)算,其全壽命成本比傳統(tǒng)內(nèi)燃調(diào)車機(jī)車節(jié)約700萬元。

(5) 作業(yè)范圍廣、安全性高。雙動(dòng)力電傳機(jī)車可實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)內(nèi)燃調(diào)車機(jī)車的功能覆蓋，同時(shí)雙源制動(dòng)力來源可互為備用，大大提高了機(jī)車使用的安全性。

表2 ZER7型雙動(dòng)力電傳機(jī)車與內(nèi)燃調(diào)車機(jī)車的全壽命成本對(duì)比

3.2 與“儲(chǔ)電”型雙動(dòng)力電傳機(jī)車的比較

ZER7型與儲(chǔ)電型雙動(dòng)力電傳機(jī)車的區(qū)別在于柴油發(fā)電機(jī)組供電和蓄電池供電?，F(xiàn)針對(duì)此不同點(diǎn)進(jìn)行比較：

(1) 機(jī)車整體設(shè)計(jì)：目前國內(nèi)蓄電池模式設(shè)計(jì)方案已基本成型；柴油發(fā)電機(jī)組模式較蓄電池模式除需增加1套交-直逆變電路外，還需對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的布置進(jìn)行必要的設(shè)計(jì)以滿足機(jī)車整體的安全性要求[4]，這在某種程度上增加了設(shè)計(jì)的難度和費(fèi)用。

(2) 技術(shù)成熟度和產(chǎn)品供給：柴油發(fā)電機(jī)組技術(shù)發(fā)展已經(jīng)非常成熟，其產(chǎn)品供給和維保市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)很充分；傳統(tǒng)蓄電池維保市場(chǎng)相對(duì)成熟,但目前尚存在一些環(huán)保技術(shù)方面的問題，在一定程度上影響了其競(jìng)爭(zhēng)力。

(3) 日常維護(hù)費(fèi)用：柴油發(fā)電機(jī)組日常維護(hù)包括油水和皮帶等易損件的更換，每年費(fèi)用約5 000元；蓄電池日常維護(hù)費(fèi)用較少，但需配套專門的充放電設(shè)備。

(4) 遠(yuǎn)期維修費(fèi)用：柴油發(fā)電機(jī)組大修時(shí)間為20 000 h，按每年2 000 h計(jì)算，約10 a年進(jìn)行1次大修，費(fèi)用約30萬元；蓄電池壽命為5 a，更換費(fèi)用70～80萬元，若機(jī)車壽命按20 a計(jì)算，兩者維護(hù)費(fèi)用相差140萬元。

(5) 價(jià)格：目前“儲(chǔ)電”型雙動(dòng)力電傳機(jī)車單臺(tái)價(jià)格約為600萬元，ZER7型雙動(dòng)力電傳機(jī)車單臺(tái)價(jià)格為800萬元(含研制費(fèi)用)。當(dāng)設(shè)計(jì)固化進(jìn)行量產(chǎn)后，后者價(jià)格將會(huì)與前者大致持平。

4 結(jié)語

ZER7型雙動(dòng)力電傳機(jī)車在繼承傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車方便靈活、持續(xù)牽引能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，更具高效、節(jié)能、低排放的特點(diǎn)，值得推廣應(yīng)用。

然而，ZER7型雙動(dòng)力電傳機(jī)車是新型機(jī)車，目前在我國城市軌道交通公司中的運(yùn)用數(shù)量較少，其設(shè)計(jì)制造標(biāo)準(zhǔn)尚未建立，每臺(tái)機(jī)車均以業(yè)主的要求單獨(dú)設(shè)計(jì)制造，這種現(xiàn)狀造成制造成本上升；此外，各個(gè)單位的運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)也不盡相同，沒有統(tǒng)一的運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

這將成為該類機(jī)車推廣的主要障礙。因此，應(yīng)盡早統(tǒng)一設(shè)計(jì)規(guī)范，制定相關(guān)的使用標(biāo)準(zhǔn)，使雙動(dòng)力電傳機(jī)車得到更廣泛的應(yīng)用。