德鐵柏林混合動力調(diào)車機(jī)車電氣系統(tǒng)設(shè)計

（1．大功率交流傳動電力機(jī)車系統(tǒng)集成國家重點實驗室，湖南 株洲 412001；2．中車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

調(diào)車機(jī)車是調(diào)車工作的基本動力，是車輛段的常規(guī)配置之一。由于需要在短距離內(nèi)啟動牽引或者推送車組，因此需要一定的牽引力，并且經(jīng)常前進(jìn)或者后退。而隨著世界各國環(huán)境保護(hù)的措施越來越嚴(yán)格，替代傳統(tǒng)的柴油發(fā)電機(jī)車也成為現(xiàn)有技術(shù)研究的一個重點，而目前最具有實用價值的運轉(zhuǎn)模式，也只有混合動力調(diào)車機(jī)車。日本、法國、中國等國的主要軌道交通生產(chǎn)企業(yè)都在研制混合動力機(jī)車。為了適應(yīng)用戶多供電模式、大功率、多用途的要求，中車株洲電力機(jī)車有限公司在原有出口德國混合動力調(diào)車機(jī)車的基礎(chǔ)上，新研制了柏林調(diào)車機(jī)車。柏林調(diào)車機(jī)車具有混合動力供電、純柴油機(jī)供電、牽引蓄電池供電、第三軌供電、庫內(nèi)供電多種供電模式等特點，并具備符合UIC 標(biāo)準(zhǔn)的對外列車供電功能[1]。

1 電氣系統(tǒng)主要技術(shù)特點

柏林調(diào)車機(jī)車電氣系統(tǒng)具有如下技術(shù)特點。1）牽引系統(tǒng)采用“柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組+鈦酸鋰電池”混合動力或第三軌獨立供電的交流傳動 技術(shù)。2）動力制動能量可以由鈦酸鋰電池吸收再利用，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的作用。 3）主電路采用主輔集成技術(shù)，主逆變器、列供逆變器、輔助逆變器及輔助變壓器集成 在牽引變流器中。4）輔助系統(tǒng)電源為3AC440V/60Hz，庫內(nèi)供電電源為3AC400V/50Hz。5）機(jī)車控制電源采用堿性蓄電池，機(jī)車控制電源為DC110V。

2 主傳動系統(tǒng)

2.1 主傳動系統(tǒng)原理

不同于以往的調(diào)車機(jī)車，德鐵柏林調(diào)車機(jī)車主傳動系統(tǒng)集成了第三軌供電、柴油機(jī)供電、牽引蓄電池供電及其相應(yīng)控制轉(zhuǎn)換電路等[2]，如圖1 所示。牽引系統(tǒng)主電路主要由1 個柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組、1 個牽引變流器柜、1 個牽引蓄電池柜、1 個列供變壓器柜、4 個受流器、1 個主斷路器、1 個線路電抗器、1 個斬波電抗器和4 臺牽引電機(jī)等組成。 其中牽引變流器柜主要由 1 個整流模塊、2 個主逆變模塊、1 個列供逆變模塊、1 個輔 助逆變模塊和中間直流回路等組成。每個主逆變器向一個轉(zhuǎn)向架的2 臺牽引電機(jī)進(jìn)行供電，采用架控形式。

2.2 調(diào)車機(jī)車供電模式

德鐵柏林調(diào)車機(jī)車具有多種供電模式，具體如下。

2.2.1 柴油機(jī)模式

當(dāng)機(jī)車選擇柴油機(jī)供電模式時，采用柴油機(jī)單獨供電給牽引電機(jī)等負(fù)載供電。柴油機(jī)模式下，動力制動封鎖，不進(jìn)行動力制動能量回收。

2.2.2 牽引蓄電池模式

當(dāng)機(jī)車選擇牽引蓄電池供電模式時，采用牽引蓄電池單獨給牽引電機(jī)等負(fù)載供電。牽引蓄電池模式下可進(jìn)行動力制動，其能量可由輔助系統(tǒng)、列供、牽引蓄電池進(jìn)行能量回收。

控制電機(jī)使轉(zhuǎn)盤以非常慢的速度旋轉(zhuǎn),驗證只有當(dāng)天線與LC諧振器處于正對位置時,讀取天線端電壓信號幅值達(dá)到最低值。系統(tǒng)中采用的開發(fā)板的晶振為50 MHz,當(dāng)200 Hz脈沖激勵驅(qū)動電機(jī)即電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 r/s,示波器與仿真讀取天線端電壓幅值隨時間的變化曲線分別如圖5和圖6所示。當(dāng)電壓幅值達(dá)到最低值時,LC諧振器與天線處于正對位置,因此理論與實際相吻合。逐步改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度,對LC諧振器與天線進(jìn)行耦合測試,驗證該測量方法的可靠性。

2.2.3 混合動力（柴油機(jī)+牽引蓄電池）模式

當(dāng)機(jī)車選擇混合動力模式時，采用柴油機(jī)+牽引蓄電池共同給牽引電機(jī)等負(fù)載供電[3-4]?；旌蟿恿δＪ较驴蛇M(jìn)行動力制動，其能量可由輔助 系統(tǒng)、列供、牽引蓄電池進(jìn)行能量回收。

2.2.4 第三軌模式

當(dāng)機(jī)車選擇第三軌模式時，采用第三軌給牽引電機(jī)等負(fù)載供電。第三軌模式下可進(jìn)行牽引蓄電池充電；第三軌模式下可進(jìn)行動力制動，其能量可由輔助系統(tǒng)、列供、牽引蓄電池進(jìn)行能量回收；第三軌動力制動時，其能量不反饋給電網(wǎng)。

2.3 動力制動

機(jī)車設(shè)置牽引蓄電池，可對動力制動能量進(jìn)行回收。但當(dāng)牽引蓄電池容量充電至90%時，會限制動力制動能量的回收，動力制動功率允許值會降低。最大充電功率會從90%至100%的過程中持續(xù)下降，直至蓄電池充滿，充滿后充電功率為0。

當(dāng)牽引蓄電池能量充電至90%后，會在顯示屏上顯示“牽引蓄電池電量高，動力制動降功率”，以提示司機(jī)可能動力制動功率不足，需要通過司機(jī)手動進(jìn)行空氣制動。當(dāng)司機(jī)操作空氣制動動作后，動力制動將封鎖。

3 輔助系統(tǒng)

為保證機(jī)車正常功能發(fā)揮和提供舒適的司乘環(huán)境，機(jī)車配備了相應(yīng)的輔助機(jī)組和輔助設(shè)施，構(gòu)成了輔助電氣系統(tǒng)。

3.1 輔助電路結(jié)構(gòu)

按每個輔助機(jī)組/輔助設(shè)施的使用要求，輔助電氣系統(tǒng)分成以下負(fù)載組，輔助系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)具體為：主變流柜（包括輔助逆變模塊、輔助變壓器）、插座（包括左側(cè)庫內(nèi)插座、右側(cè)庫內(nèi)插座）、控制蓄電池充電機(jī)、控制蓄電池、主壓縮機(jī)、列供變壓器柜風(fēng)扇、牽引風(fēng)機(jī)2 個、司機(jī)室空調(diào)和牽引蓄電池柜空調(diào)等。

3.2 輔助電路主要特點

圖1 主電路結(jié)構(gòu)

4 控制電路

4.1 控制電路結(jié)構(gòu)

機(jī)車設(shè)置蓄電池充電機(jī)將輔助電路三相交流電源整流變換為DC110V 直流電輸出，為機(jī)車控制電路供電，并為機(jī)車控制蓄電池充電。主要結(jié)構(gòu)如圖3 所示。控制電源配置電路主要由控制蓄電池充電機(jī)和蓄電池組成。

圖3 控制電源配置電路圖

4.2 控制電路配置主要部件說明

控制電路主要部件包括蓄電池充電機(jī)和控制蓄電池等。

4.2.1 蓄電池充電機(jī)

控制充電機(jī)柜包括3 個DC110V 模塊、2 個DC24V 模塊、1 個AC230V 模塊和1 個監(jiān)控模塊，其中DC110V 模塊為機(jī)車控制電路提供DC110V 電源，并給控制蓄電池進(jìn)行充電；DC24V模塊為機(jī)車提供DC24 電源；AC230V 模塊為機(jī)車司機(jī)室2 個AC230V 插座提供電源。控制蓄電池充電機(jī)具有溫度補償功能。

4.2.2 控制蓄電池

控制蓄電池作為調(diào)車機(jī)車的直流電源，主要作用是為控制電路提供電源，控制蓄電池采用鎳鎘堿性蓄電池。

5 電路監(jiān)控與保護(hù)

電氣系統(tǒng)設(shè)有自動保護(hù)功能，當(dāng)出現(xiàn)電氣系統(tǒng)短路、接地、過壓、過流和超溫等故障時，牽引系統(tǒng)會執(zhí)行對應(yīng)保護(hù)動作，并在顯示器上進(jìn)行提示。

當(dāng)電氣系統(tǒng)發(fā)生故障時，首先會按規(guī)定執(zhí)行保護(hù)動作，例如降功率運行、切除牽引等，當(dāng)兩軸的牽引切除后，列車將失去動力。當(dāng)列車速度持續(xù)增加，超速后，會執(zhí)行制動指令，以到達(dá)列車保護(hù)。

5.1 短路保護(hù)

電氣設(shè)備具有短路保護(hù)功能。當(dāng)牽引系統(tǒng)裝置監(jiān)測到短路等故障時，牽引系統(tǒng)立即跳開直流快速斷路器、牽引蓄電池接觸器、柴油機(jī)接觸器，用于切斷牽引系統(tǒng)供電以保護(hù)牽引系統(tǒng)的電氣設(shè)備。

5.2 接地保護(hù)

當(dāng)調(diào)車機(jī)車選擇第三軌模式供電時，通過對設(shè)置在變流器內(nèi)部的2 個電流傳感器進(jìn)行監(jiān)測，通過對電流傳感器的差值進(jìn)行計算，當(dāng)達(dá)到閾值后，判定為第三軌主電路接地；判斷接地故障后，機(jī)車不能在該模式下運行，可以嘗試切換到其他模式運行，如果其他模式仍有接地故障，整車將不能再運行。

當(dāng)調(diào)車機(jī)車選擇混合動力、柴油機(jī)、牽引蓄電池供電模式時，通過設(shè)置在中間回路的接地檢測電路，對主電路接地檢測進(jìn)行判斷。

5.3 電流保護(hù)

5.3.1 主電路電流保護(hù)

在第三軌模式下、牽引蓄電池充放電、柴油機(jī)放電時超過保護(hù)電流時，將進(jìn)行主斷路器分?jǐn)唷恳铍姵剌敵鼋佑|器、柴油機(jī)輸出接觸器分?jǐn)?，以保證電氣系統(tǒng)主電路。

5.3.2 輔助電路電流保護(hù)

在輔助電路系統(tǒng)供電中，各用電負(fù)載前端均設(shè)置三相斷路器，進(jìn)行過流保護(hù)，當(dāng)電流達(dá)到整定值后，三相斷路器將自動斷開。

5.3.3 控制電路電流保護(hù)

在控制電路系統(tǒng)中，各用電負(fù)載前端均設(shè)置單極斷路器或雙極斷路器，進(jìn)行過流保護(hù)，當(dāng)電流達(dá)到斷路器值后，單相斷路器將自動斷開，以保證電氣系統(tǒng)控制電路。

6 結(jié)語

德鐵柏林調(diào)車機(jī)車集成了多種供電方式，牽引蓄電池供電可在敏感區(qū)域?qū)崿F(xiàn)零污染排放，其混合動力技術(shù)可有效提高節(jié)能效果，技術(shù)參數(shù)更優(yōu)，該機(jī)車還具有的第三軌供電技術(shù)可以更好地適應(yīng)柏林S-Bahn 鐵路。目前已完成了機(jī)車研制及例行試驗，正在進(jìn)行型式試驗。該機(jī)車的研制成功將為后續(xù)中等功率調(diào)車機(jī)車進(jìn)入歐洲市場積累經(jīng)驗。