地鐵電傳動(dòng)工程車電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：對(duì)一種新型地鐵電傳動(dòng)工程車電氣系統(tǒng)的研發(fā)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。將電傳動(dòng)技術(shù)與常規(guī)液力傳動(dòng)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較，分析探討了電傳動(dòng)的原理、牽引計(jì)算和主要設(shè)備參數(shù)。

關(guān)鍵詞：地鐵工程車;電傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車;電氣系統(tǒng)

0? ? 引言

目前地鐵工程車多采用液力傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車，但隨著大鐵路內(nèi)燃機(jī)車技術(shù)的不斷更新發(fā)展，液力傳動(dòng)內(nèi)燃調(diào)車機(jī)車已經(jīng)慢慢淡出大鐵路市場(chǎng)，電傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車逐漸取得主導(dǎo)地位。鑒于此，設(shè)計(jì)研發(fā)一款能夠適應(yīng)地鐵條件要求的電傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車來取代原有的液力傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車就具有劃時(shí)代的意義。

1? ? 電傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車與液力傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車比較

1.1? ? 機(jī)車的功率對(duì)比

機(jī)車柴油機(jī)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)車運(yùn)行牽引的動(dòng)能是通過機(jī)車的傳動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)的。液力傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車通過液力變扭器實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的傳遞，國內(nèi)液力變扭器受到技術(shù)及制造工藝等各種原因的限制，在液傳機(jī)車上的應(yīng)用僅局限于993 kW（1 350馬力）以下的機(jī)車。電力傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車通過柴油機(jī)帶動(dòng)主發(fā)電機(jī)發(fā)出三相交流電，通過整流轉(zhuǎn)化成直流電，帶動(dòng)牽引電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)輪對(duì)實(shí)現(xiàn)機(jī)車運(yùn)轉(zhuǎn)，不受變扭器的制約，可實(shí)現(xiàn)機(jī)車的大功率化。

1.2? ? 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能對(duì)比

電傳動(dòng)機(jī)車性能和傳動(dòng)效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于液力傳動(dòng)機(jī)車。根據(jù)有關(guān)單位做的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，機(jī)車速度在80 km/h以下時(shí)，電傳動(dòng)機(jī)車總效率高于液力傳動(dòng)機(jī)車最少3%。機(jī)車速度在40 km/h以下時(shí)，電傳動(dòng)機(jī)車效率高于液力傳動(dòng)機(jī)車效率5%以上，最大時(shí)達(dá)到20%，證明電傳動(dòng)機(jī)車牽引性能明顯高于液力傳動(dòng)機(jī)車。

1.3? ? 啟動(dòng)性能及控制反應(yīng)速度對(duì)比

因?yàn)榭刂圃淼牟煌妭鲃?dòng)機(jī)車啟動(dòng)加速度快，啟動(dòng)性能也優(yōu)于液傳機(jī)車。機(jī)車換向及工況轉(zhuǎn)換時(shí)，液傳機(jī)車至少需要2～3 s的反應(yīng)時(shí)間，而電傳動(dòng)機(jī)車可實(shí)現(xiàn)即時(shí)反應(yīng)。

1.4? ? 污染對(duì)比

液傳機(jī)車的液力變扭器長(zhǎng)期使用存在漏油的風(fēng)險(xiǎn)，可能對(duì)地鐵的封閉軌道造成潛在的威脅。電傳動(dòng)機(jī)車采用電氣設(shè)備傳動(dòng)，完美地規(guī)避了此項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)。

2? ? 新型電傳動(dòng)工程車總體概述

新型內(nèi)燃機(jī)車是基于地鐵現(xiàn)有液傳內(nèi)燃機(jī)車的改型設(shè)計(jì)的，符合地鐵公司所有標(biāo)準(zhǔn)要求，適應(yīng)地鐵工況。機(jī)車采用交-直流電傳動(dòng)，安裝了卡特彼勒公司生產(chǎn)的最大運(yùn)用功率1 000 kW的3508C型柴油機(jī)、永濟(jì)工廠生產(chǎn)的JF217G型無刷同步主發(fā)電機(jī)和ZQDR-410型牽引電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)向架為二軸轉(zhuǎn)向架。機(jī)車采用微機(jī)控制系統(tǒng)及具有全功率自負(fù)荷功能的電阻制動(dòng)裝置。

工作環(huán)境如表1所示。

整車技術(shù)參數(shù)如表2所示。

3? ? 電氣系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

（1）機(jī)車主傳動(dòng)系統(tǒng)采用交-直流電傳動(dòng)技術(shù)。柴油機(jī)帶動(dòng)無刷勵(lì)磁主發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，通過調(diào)節(jié)主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)主發(fā)電機(jī)輸出功率的目的，主發(fā)電機(jī)輸出的三相交流電經(jīng)整流后得到直流電作為直流牽引電動(dòng)機(jī)輸入，牽引電動(dòng)機(jī)經(jīng)齒輪箱帶動(dòng)車輪旋轉(zhuǎn)。

（2）機(jī)車電氣控制采用DC24 V工作電源供電，蓄電池組由柴油機(jī)自帶的DC24 V充電發(fā)電機(jī)直接充電。

（3）機(jī)車勵(lì)磁采用微機(jī)恒功勵(lì)磁控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)車牽引工況恒功勵(lì)磁/限流/限壓控制、制動(dòng)勵(lì)磁控制及輔發(fā)電機(jī)恒壓勵(lì)磁控制。

（4）發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速控制由司機(jī)通過司控器為調(diào)速控制器提供發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速給定信號(hào)，調(diào)速控制器根據(jù)此給定信號(hào)輸出調(diào)速控制信號(hào)，以控制發(fā)動(dòng)機(jī)的油門或噴油量大小，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制。

4? ? 電氣原理介紹

4.1? ? 主電路及接地回路

主電路及接地回路如圖1所示。主電路由主發(fā)電機(jī)、整流柜、制動(dòng)電阻、牽引電動(dòng)機(jī)及方向轉(zhuǎn)換開關(guān)、電空接觸器等控制電器組成。機(jī)車牽引運(yùn)行時(shí)，主發(fā)電機(jī)輸出的三相交流電經(jīng)整流后變?yōu)橹绷麟?，該直流電通過方向轉(zhuǎn)換開關(guān)、電空接觸器等主控電器輸入4臺(tái)并聯(lián)連接的牽引電動(dòng)機(jī)，使?fàn)恳姍C(jī)旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動(dòng)機(jī)車運(yùn)行;而當(dāng)機(jī)車制動(dòng)時(shí)，通過控制電路的轉(zhuǎn)換，切斷牽引主電路，同時(shí)使?fàn)恳姍C(jī)電樞繞組與外接制動(dòng)電阻串聯(lián)，而4臺(tái)牽引電機(jī)的勵(lì)磁繞組相互串聯(lián)后并接于整流器輸出端，使?fàn)恳姍C(jī)由原串勵(lì)電動(dòng)機(jī)狀態(tài)改變?yōu)樗麆?lì)發(fā)電機(jī)狀態(tài)，其所發(fā)電能消耗于制動(dòng)電阻，實(shí)現(xiàn)機(jī)車的電阻制動(dòng)。

同步主發(fā)電機(jī)在承受對(duì)稱性負(fù)載時(shí)，Y形連接的電樞繞組中點(diǎn)電位為零，它可以作為主電路接地保護(hù)的比較點(diǎn)，通過二極管橋式整流電路4UR、接地繼電器KE線圈組成接地檢測(cè)電路，無論主電路接地點(diǎn)電位高低，接地點(diǎn)均和電樞繞組中心點(diǎn)有電位差，使KE線圈有電流，當(dāng)電流達(dá)到500 mA時(shí)，KE動(dòng)作。

4.2? ? 勵(lì)磁控制電路

勵(lì)磁控制電路以恒功勵(lì)磁器作為核心部件，該勵(lì)磁器以各種傳感器持續(xù)檢測(cè)的系統(tǒng)主電壓/主電流、牽引電機(jī)電流、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、機(jī)車運(yùn)行速度、輔發(fā)電壓等作為輸入信號(hào)，經(jīng)系統(tǒng)軟件比較、計(jì)算輸出主發(fā)及輔發(fā)勵(lì)磁電流，實(shí)現(xiàn)以下勵(lì)磁控制功能：

（1）機(jī)車牽引工況主發(fā)恒功勵(lì)磁、限流、限壓功能;

（2）牽引電機(jī)故障切除時(shí)主發(fā)電機(jī)降功輸出控制功能;

（3）機(jī)車電阻制動(dòng)工況恒勵(lì)磁電流及恒制動(dòng)電流勵(lì)磁控制功能;

（4）輔發(fā)電機(jī)恒壓發(fā)電的勵(lì)磁控制功能;

（5）故障檢測(cè)、診斷及保護(hù)控制等功能。

4.3? ? 牽引控制電路

牽引控制電路由司控器、各種轉(zhuǎn)換開關(guān)、扳鍵開關(guān)、控制按鈕、繼電器、接觸器等控制電器及電氣控制線路組成，主要實(shí)現(xiàn)機(jī)車的啟動(dòng)、換向、勵(lì)磁使能、發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速、工況轉(zhuǎn)換、控制方式轉(zhuǎn)換、牽引電機(jī)故障切除等控制功能及機(jī)車超速、主電路接地、主電路過流、空轉(zhuǎn)滑行等保護(hù)功能。

4.4? ? 輔助電路

輔助電路由蓄電池組、發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)馬達(dá)、充電發(fā)電機(jī)、鳴笛撒砂閥、刮雨器、司機(jī)室風(fēng)扇及各種控制電器線路等組成，主要實(shí)現(xiàn)以下控制功能：

（1）蓄電池組充電控制;

（2）空壓機(jī)自動(dòng)及手動(dòng)打風(fēng)控制;

（3）鳴笛撒砂控制;

（4）司機(jī)室風(fēng)扇及刮雨器控制。

4.5? ? 儀表顯示及保護(hù)電路

該電路由機(jī)車速度傳感器、數(shù)模轉(zhuǎn)換盒、機(jī)車速度表、發(fā)動(dòng)機(jī)儀表盤、狀態(tài)顯示屏、電流表、電壓表、接地整流部件、過流整流部件、接地?zé)舻冉M成，主要實(shí)現(xiàn)以下顯示及報(bào)警保護(hù)功能：

（1）機(jī)車速度顯示;

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、狀態(tài)顯示;

（3）主電流、主電壓、牽引電機(jī)電流指示;

（4）主電路接地保護(hù);

（5）主電路過流保護(hù);

（6）機(jī)車超速保護(hù);

（7）輔助電路接地指示;

（8）整車運(yùn)行狀態(tài)顯示。

5? ? 牽引特性計(jì)算

根據(jù)《列車牽引計(jì)算規(guī)程》（TB/T 1407—1998）并結(jié)合地鐵線路特性要求，該車型牽引計(jì)算結(jié)果如表3、表4、圖2所示。

6? ? 主要部件及參數(shù)

主發(fā)電機(jī)參數(shù)如表5所示。

牽引電動(dòng)機(jī)參數(shù)如表6所示。

整流柜參數(shù)如表7所示。

制動(dòng)電阻參數(shù)如表8所示。

7? ? 結(jié)語

本文對(duì)一種新型地鐵電傳動(dòng)工程車電氣系統(tǒng)的研發(fā)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。將電傳動(dòng)技術(shù)與常規(guī)液力傳動(dòng)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較，分析探討了電傳動(dòng)的原理、牽引計(jì)算和主要設(shè)備參數(shù)。

收稿日期：2020-08-06

作者簡(jiǎn)介：楊波（1979—），男，遼寧鞍山人，工程師，研究方向：軌道車輛。