一種“AC25kV+蓄電池”雙源制機車牽引電傳動系統(tǒng)

于保華

摘要：本文介紹了一種雙源制電力機車牽引電傳動系統(tǒng)，牽引電傳動系統(tǒng)關鍵部件及主電路結構組成，對關鍵部件進行了功能性描述。

關鍵詞：雙源制機車;網側電路;變壓器;變流柜;牽引電動機

引言

本文所介紹的機車是基于供電網受電式和蓄電池儲電式的雙源制“電—電”混合動力調車機車，采用清潔能源——電力作為調車機車的動力能源，具有綠色、環(huán)保、節(jié)能等技術優(yōu)勢，符合當前國家建設資源節(jié)約型社會要求。

雙源制機車電傳動系統(tǒng)是由網側電路、牽引變流器和牽引電機等構成。整車采用軸控驅動模式，機車軸式為（C0-C0），每臺機車配置2臺牽引變流器，額定交流輸入電壓為AC25000V/50Hz，牽引蓄電池額定電壓DC 1580V、容量1000kWh，接觸網供電時輪周功率2400kW，蓄電池供電時輪周功率2000kW。

1高壓電路原理

網側高壓電路包括了交流供電和蓄電池供電兩個部分。

交流網側高壓電路主要有受電弓、避雷器、高壓互感器、真空主斷路器、接地開關、接地回流裝置等組成，如圖1所示。

直流網側高壓電路主要由蓄電池、高速直流斷路器、熔斷器、轉換接觸器及其電壓電流傳感器等組成，如圖2所示。

交流供電模式時，交流電通過主斷路器后進牽引變壓器，變壓器的次邊牽引繞組為兩重四象限提供電源，兩重四象限工作把中間直流電壓穩(wěn)定在DC1800V 給逆變模塊供電，兩重主逆變器輸出電壓及頻率可調的VVVF電壓驅動牽引電機工作。同時，中間直流回路給輔助逆變器提供電源。機車在交流模式下電制動時，牽引電機生成的電能直接反饋回電網。

蓄電池供電模式時，直流電通過高速斷路器、轉換接觸器進入變流器中間回路。蓄電池供電時，四象限模塊不工作，兩重主逆變器進行DC-AC變換，輸出電壓及頻率可調的VVVF電壓驅動牽引電機工作。機車在蓄電池模式下電制動時，牽引電機生成的電能經每架的2、3重四象限第3橋臂給蓄電池充電，進行儲能，充電控制采用恒壓限流模式。

庫內充電電路主要包括庫內充電插座，庫內變壓器、不控整流器、預充電電路等，庫內電路可實現(xiàn)庫內動車及為蓄電池地面充電的功能，庫用電路如圖3所示。

牽引變流器集成了輔助逆變器模塊，輔助逆變器從并聯(lián)的中間直流回路取電，逆變輸出后經隔離變壓器為輔助系統(tǒng)設備供電。在正常工況下，兩臺輔助逆變器分別提供變壓變頻（VVVF）和恒壓恒頻（CVCF）電源;某臺輔助逆變器故障或其他原因導致某臺牽引變流器整個被隔離時，另一臺輔助逆變器向整個輔助系統(tǒng)提供CVCF電源，且滿功率輸出。輔助電路原理如圖4所示。

輔助逆變器1輸出變壓變頻三相交流電，經輔助變壓器1變壓、隔離、濾波后給4個牽引風機、2個冷卻塔風機、2個機械間風機供電。

輔助逆變器2輸出3AC380V/50 Hz三相交流電，經輔助變壓器2變壓、隔離、濾波后給機車壓縮機、水泵、油泵、空調等定壓定頻輔助負載供電。

2主變壓器

牽引變壓器采用臥式結構，機車底架下掛式安裝。變壓器由1個25kV/50Hz的原邊繞組、6個牽引繞組和1個220V輔助繞組，以及2個諧波電抗器構成。布置有壓力釋放閥、油流繼電器、溫度傳感器等裝置，具備壓力保護、油流保護及溫度保護等功能。

主要參數(shù)如下：

原邊電壓 ? ? ? ? ?25kV/50Hz

工作電壓范圍 ? ? ?17.5kV～31kV

牽引繞組電壓 ? ? ? 970 V

牽引繞組電流 ? ? ? 660A

牽引繞組漏感 ? ? ? 3.25mH±10%

二次諧振電感 ? ? ? 0.35mH±5%

輔助繞組容量 ? ? ? 80kVA

短路阻抗 ? ? ? ? ? 40%

3變流柜

變流器主電路采用3重二電平四象限PWM整流器+3重VVVF逆變器模式。由三重四象限PWM整流器、三個VVVF逆變器、一個輔助變流器組成。輔助變流器并聯(lián)到中間直流回路，輔助變流器輸出經變壓器后給輔助設備供電。蓄電池充電機集成在四象限模塊內部，由每架的2、3重四象限的第三橋臂并聯(lián)給蓄電池充電。

變流器模塊采用水冷散熱，冷卻液由純水和乙二醇按一定比例混合而成，通過柜體右下方的閥門輸入，對變流器模塊進行冷卻，由柜體右上方的閥門排出;變流器安裝有一個水-氣熱交換器，與冷卻風機集成在一起，用于變流器柜體內部的空氣循環(huán)與降溫，防止出現(xiàn)局部過熱點;變流器模塊、熱交換器與水冷管路全部采用快速接頭連接，方便快捷插拔，不需要排放冷卻系統(tǒng)中的冷卻液。

牽引變流器主要參數(shù)如下：

標稱輸入電壓 ? ? ? ? ? ? ? ?AC970V

標稱輸入電流 ? ? ? ? ? ? ? ?491A（在25kV時）

額定輸入頻率 ? ? ? ? ? ? ? ?50 Hz

中間電壓 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DC 1800V

標稱輸出電壓 ? ? ? ? ? ? ? ?1400V

標稱輸出電流 ? ? ? ? ? ? ? ?566A

最大輸出電流 ? ? ? ? ? ? ? ?588A

效率 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?≥97.5%

控制電壓 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DC110V

波動范圍 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DC77-137V

控制單元消耗功率 ? ? ? ? ? ?550W

冷卻方式 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?強迫水循環(huán)冷卻

輔助變流器主要參數(shù)如下：

額定輸入電壓： ? ? ? ? ? ? ?DC1800V

容量： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?100kVA

4濾波柜

每臺機車配備2個濾波柜，內部由一個輔助變壓器，一個三相電容器，一個變壓器接地保護電路（包括斷路器，接地電阻，高頻濾波電阻電容）及通風機組成。濾波柜可將輔助變流系統(tǒng)輸出的PWM波形整流成正弦波形。

輔助濾波柜主要技術參數(shù)如下：

額定輸入電壓 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? AC760V

額定輸出電壓 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 三相3.8～380V

輸出頻率 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 0.2～50Hz

額定輸出容量 ? ?   ? ? ? ? ? ? ? ? 250kVA

輸出波形 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 正弦波

輸出電壓諧波含量THD ? ? ? ? ? ? ? ?≤5%

冷卻方式 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 強迫風冷

通風風量 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1.0m3/s

風壓 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 400Pa

5牽引電動機

牽引電動機采用三相鼠籠式異步牽引電機，額定功率400kW。

主要技術參數(shù)

極數(shù) ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 4極

額定功率 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 400kW

額定電壓 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1400V

額定電流 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 566A

啟動電流 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 588A

額定轉速 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1499r/min

最大轉速 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2888r/min

額定轉矩 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 7950Nm

效率（額定工況） ? ? ? ? ? 0.949

功率因數(shù) ? ? ? ? ? ? ? ? ? 0.937

懸掛方式 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 滾動軸承的抱軸式懸掛

冷卻方式 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 強迫風冷

6結語

雙源制電力機車具有接觸網供電和牽引蓄電池供電兩種制式，既能在架設接觸網的地段運行，又能在無電區(qū)地段以蓄電池為動力源運行。與單純的蓄電池電力牽引機車相比，無需頻繁大量更換蓄電池，減少了維護費用，達到高效節(jié)能。

采用接觸網供電和大容量蓄電池組儲電的雙源制機車以其環(huán)保、高效、節(jié)能的技術優(yōu)勢，將成為機車未來的發(fā)展趨勢。

參考文獻

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