3 000 馬力混合動力調(diào)車機車牽引系統(tǒng)軸控架控兼容性研究

魏 宏，曹富智，溫吉斌，鄧 岳

（中車大連機車車輛有限公司 技術(shù)開發(fā)部， 遼寧大連116022）

目前國內(nèi)、國外交流傳動機車牽引系統(tǒng)普遍采用軸控或架控的方式，對于這2 種方式的牽引系統(tǒng)來說，各有特點。不同的機車產(chǎn)品對牽引系統(tǒng)的適用性存在差異，而3 000 馬力（2 237 kW）混合動力調(diào)車機車作為新一代的“綠色環(huán)?！毙驼{(diào)車機車，對機車牽引系統(tǒng)提出了節(jié)能、可靠、空間緊湊的要求。在滿足性能和可靠性要求的前提下，開展軸控和架控技術(shù)在同一個機車上的兼容性研究，可以在更高的維度上拓展實現(xiàn)機車牽引系統(tǒng)的平臺化，豐富用戶的選擇，提升機車產(chǎn)品的市場競爭力。

1 概 述

3 000 馬力（2 237 kW）混合動力調(diào)車機車采用柴油機和動力電池做為雙動力源，其目標市場功能定位為國內(nèi)調(diào)車機車的典型工況，即推峰作業(yè)、牽出作業(yè)、編組作業(yè)和客車推拉作業(yè)工況。與當前既有的4 400 馬力（3 281 kW）交流傳動調(diào)車機車形成功率等級上的高低搭配，既提升調(diào)車機車使用的區(qū)域經(jīng)濟性，又在傳統(tǒng)內(nèi)燃調(diào)車機車的基礎(chǔ)上加強了“綠色環(huán)保、節(jié)能減排”的時代特色。

1.1 機車牽引性能主要參數(shù)

為了滿足調(diào)車機車的運用需求，設(shè)計機車齒輪傳動比91∶16，起動牽引力560 kN，持續(xù)牽引力540 kN，最大電制動力300 kN，恒功速度范圍12.6～100 km/h。這些性能指標和搭配大容量動力電池所帶來的空間緊湊問題都對機車的牽引傳動系統(tǒng)提出了很高的設(shè)計要求。

1.2 牽引傳動系統(tǒng)軸控和架控的對比

在軌道交通產(chǎn)品交流牽引傳動系統(tǒng)中，軸控和架控均有廣泛的應(yīng)用。細分到文中所述的調(diào)車機車領(lǐng)域，當前國內(nèi)批量使用的交流傳動調(diào)車機車為HXN5B與HXN3B機車，他們分屬軸控和架控。受限于主發(fā)電機輸出繞組和勵磁繞組的制造難度以及發(fā)電機的體積限制，很難輸出6 套獨立的中間直流環(huán)節(jié)，使之與軸數(shù)對應(yīng)，一般只能輸出1～2 個中間直流環(huán)節(jié)。所以軸控在調(diào)車機車上的應(yīng)用，一般是指獨立的牽引逆變器控制獨立的牽引電動機，但中間直流環(huán)節(jié)還是需要共用的。軸控和架控的基本對比見表1。從性能上來說，當前機車的黏著性能更多地依賴于精準的算法和高速實時通訊，近年來相同技術(shù)條件下的軸控和架控和諧型交流傳動機車的黏著性能都可以達到40% 以上［1］。軸控相比于架控來說的優(yōu)勢在于當單個牽引電機故障時，損失的動力較小，方便維持運用，也利于平臺下采用永磁牽引電動機。另一方面，架控因為在變流元器件及配套控制器件的數(shù)量上僅為軸控的1/3，變流器的故障率及成本相對較低。綜上所述，軸控和架控都有各自的優(yōu)勢和劣勢，開展兼容性研究更加有利于調(diào)車機車平臺化設(shè)計。

表1 軸控與架控的對比

2 牽引傳動系統(tǒng)兼容性研究

2.1 牽引傳動系統(tǒng)的功能劃分

本著平臺化、模塊化的設(shè)計理念，機車牽引傳動系統(tǒng)電氣拓撲采用2 路中間直流環(huán)節(jié)，將動力電池及其配套充放電裝置與主發(fā)整流、牽引逆變分離。機車動力電池配套的充放電裝置采用雙向DC/DC 的方式。牽引傳動系統(tǒng)兼容軸控和架控，最大程度上保證軸控和架控方案的一致性。軸控和架控的電氣拓撲如圖1 所示。在物理結(jié)構(gòu)上，將整流和逆變等傳統(tǒng)內(nèi)燃機車變流器件集成在一個牽引變流器內(nèi)，將雙向DC/DC 獨立出去與動力電池逐個配套成裝配結(jié)構(gòu)，使得模塊化牽引變流器可以適應(yīng)不同能量源調(diào)車機車的需求，也有利于平臺下開展不同能量源的靈活配套。

圖1 機車軸控和架控牽引傳動系統(tǒng)拓撲圖

2.2 牽引傳動系統(tǒng)電氣原理

按照機車的功率等級及中間直流的個數(shù)，設(shè)計機車中間直流電壓為1 800 V［2］。2 個中間直流環(huán)節(jié)完全相同，各自對應(yīng)1 個轉(zhuǎn)向架動力。具體原理如圖2、圖3 所示。其中軸控的單個中間直流環(huán)節(jié)由1 個主整流加制動斬波模塊、2 個電池充電模塊和3 個逆變器組成；架控的單個中間直流環(huán)節(jié)由1 個 主 整 流 模 塊、2 個 電 池 充 電 模 塊、1 個UV 相 模塊和1 個W 相及制動斬波模塊組成。軸控和架控方案的主發(fā)電機、牽引電機、動力電池、制動電阻、電池充電模塊完全相同。2 種方案的主整流和制動斬波的電氣性能一致，理論上可以采用相同模塊。但是考慮到各自方案的模塊損耗分配及模塊集成度等因素，在軸控方案中，可以將制動斬波和主整流集成在一起；但在架控方案中將主整流單獨成模塊，而將制動斬波和W 相逆變集成到1 個模塊中。

圖2 機車軸控牽引系統(tǒng)原理

圖3 機車架控牽引系統(tǒng)原理

2.3 主要部件參數(shù)

文中重點將放在牽引傳動系統(tǒng)中的電機及牽引變流器的軸控、架控兼容性上，動力電池及配套雙向DC/DC 不予詳述，但動力電池及其配套裝置均按1 800 V 中間直流電壓等級進行設(shè)計，以配套牽引變流系統(tǒng)。

2.3.1 主發(fā)電機

配套機車1 250 kW 裝車功率的6240H 型柴油機和1 800 V 中間直流電壓等級，選配了額定轉(zhuǎn)速1 000 r/min 的自通風(fēng)單軸承支撐主發(fā)電機，為了提升電壓和功率的響應(yīng)速率，勵磁方式采用有刷勵磁。該主發(fā)電機主要技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 主發(fā)電機主要技術(shù)參數(shù)

2.3.2 牽引電機

牽引電機在平臺化，簡統(tǒng)化轉(zhuǎn)向架的要求下，沿用FXN3B型調(diào)車機車的三相鼠籠式異步電動機，在對外接口上與批量運用的HXN3B型調(diào)車機車保持一致，額定功率324 kW，采用雙端絕緣軸承，傳動端采用圓柱滾子軸承，非傳動端采用球軸承。潤滑方式為了適應(yīng)調(diào)車機車運行的特點，采用脂潤滑，不僅可以克服低速潤滑不良問題，也因取消通大氣孔，降低油脂污染的可能性，提高油脂的使用壽命。該牽引電機的主要技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 牽引電機主要技術(shù)參數(shù)

2.3.3 牽引變流器參數(shù)

機車牽引變流器包含主發(fā)整流、牽引逆變、制動斬波等功能，軸控和架控牽引變流器在對外接口上保持一致。根據(jù)主發(fā)電機和牽引電機的參數(shù)設(shè)計牽引變流器的參數(shù)見表4，參數(shù)均按單個中間直流環(huán)節(jié)表述。

2.4 牽引變流器兼容性研究

2.4.1 主發(fā)整流

根據(jù)表4 參數(shù)，主發(fā)整流輸出電流IDC=335 A，則計算可以得到主發(fā)整流的橋臂電流Ik為式（1）：

表4 牽引變流器主要技術(shù)參數(shù)

選用整流二極管考慮電流余量，可以選擇650 A二極管，考慮損耗和封裝大小，采用1 200 A 二極管比較合適。因機車中間電壓VDC=1 800 V，考慮經(jīng)驗系數(shù)，推薦軸控和架控二極管均采用3 300 V等級。如考慮庫存及采購周期因素，也可以采用4 500 V 等級。

2.4.2 中間直流電流計算

根據(jù)機車最大功率輸出時的工況，此時柴油機輸出功率Pe=1 250 kW，動力電池輸出功率Pb=1 260 kW，中間直流電壓為VDC=1 800 V，可知單架中間直流最大電流為式（2）：

式中：η1為主發(fā)電機效率；η2為主整流效率。

依據(jù)該電流選擇軸控和架控的中間直流環(huán)節(jié)部分器件的電流裕度。

2.4.3 牽引逆變

根據(jù)表4 的牽引逆變額定輸入電壓1 800 V，牽引逆變的IGBT 采用3 300 V 電壓等級。又根據(jù)表4 的牽引逆變持續(xù)點軸控輸出電流282 A 及架控846 A，分別對軸控和架控進行IGBT 電流選型。

（1）軸控牽引逆變

在軸控方面，IGBT 的選型考慮電流裕量，可以選擇600 A 和800 A 這2 種規(guī)格。3 300 V/600 A為雙管封裝，可以大幅度減小逆變器的體積和質(zhì)量。但是因其為新品IGBT，配套供貨及成本存在一定風(fēng)險，所以暫不采用。

選 用6 個3 300 V/800 A 的IGBT 組 成1 個 軸 控三相逆變橋，按照牽引電機持續(xù)點工況進行仿真計算。設(shè)定逆變輸出頻率Fo=10.7 Hz，IGBT 開關(guān)頻 率Fc=300 Hz，散 熱 片 溫 度Ts=80 ℃。 采 用CM800HC-66H 型IGBT 進行仿真，仿真結(jié)果如圖4所示，根據(jù)圖4 的仿真結(jié)果可知，每個IGBT 的功耗為521 W。IGBT 最高結(jié)溫92.9 ℃，二極管最高結(jié)溫為87.3 ℃，溫度裕量充足。

圖4 3 300 V/800 A 軸控逆變仿真

（2）架控牽引逆變

在架控方面，考慮安全裕度選擇1 800 A 的IGBT，選用6 個IGBT 組成1 個架控三相逆變橋，按照牽引電機持續(xù)點工況進行仿真計算。設(shè)定逆變輸出頻率Fo=10.7 Hz，IGBT 開關(guān)頻率Fc=300 Hz，散熱片溫度Ts=80 ℃。采用CM1800HC-66X 型IGBT 進行仿真，結(jié)果如圖5 所示。根據(jù)圖5 的仿真結(jié)果可知，每個IGBT 的功耗為1 395 W，IGBT 最高結(jié)溫98.7 ℃，二極管最高結(jié)溫為92.7 ℃，溫度裕量充足。

圖5 3 300 V/1 800 A 架控逆變仿真

另一方面，為了進一步降低成本，也同步研究封裝與1 800 A 相同的1 500 A 的IGBT 可行性。采用6 個IGBT 組成1 個三相逆變橋，按照牽引電機持續(xù)點工況進行仿真計算，設(shè)定條件與1 800 A的IGBT 一致。采用CM1500HC-66R 型IGBT 進行仿真，仿真結(jié)果如圖6 所示。根據(jù)圖6 的仿真結(jié)果可知，每個IGBT 的功耗為1 577 W，IGBT 最高結(jié)溫105.9 ℃，二極管最高結(jié)溫為96.1 ℃，溫度裕量足夠。

圖6 3 300 V/1 500 A 架控逆變仿真

對 比1 800 A 和1 500 A 的IGBT，2 種 方 案 均可以滿足機車的要求，為了更大的設(shè)計裕量可采用3 300 V/1 800 A 電流等級的IGBT，但也可以進一步研究成本和可靠性裕度的平衡。

2.4.4 電制斬波

根據(jù)表4 的電制斬波輸入電壓1 800 V，最大輸出電流360 A，選擇3 300 V/1 000 A 規(guī)格的IGBT。由2 個IGBT 組成1 個斬波電路，采用CM1000HC-66R 型IGBT 進行計算，按照機車最大工況設(shè)定占空比M=0.97，IGBT 開關(guān)頻率Fc=300 Hz，散熱片溫度Ts=80 ℃，計算結(jié)果見表5。

表5 電制斬波仿真計算結(jié)果

軸控和架控電制斬波電路均可以采用3 300 V/1 000 A 的IGBT，在軸控方案中將電制斬波與主發(fā)整流集成在一個功率模塊中，而架控方案將電制斬波和牽引逆變的W 相集成在一個功率模塊中，在成本允許的基礎(chǔ)下，可以考慮簡統(tǒng)采用3 300 V/1 800 A 的IGBT 做為斬波元件，這樣牽引逆變的UV 模塊和電制斬波W 相模塊就可以簡統(tǒng)成一種相同的功率模塊。

3 結(jié) 語

文中從設(shè)計的角度對3 000 馬力（2 237 kW）混合動力調(diào)車機車牽引傳動系統(tǒng)進行了軸控方案和架控方案的兼容性研究。本著軸控和架控原理一致、通用互換的原則，開展詳細的結(jié)構(gòu)設(shè)計、通風(fēng)設(shè)計和控制系統(tǒng)設(shè)計，并從3 000 馬力（2 237 kW）調(diào)車機車平臺化的角度，拓展不同能量形式在調(diào)車機車上的組合使用。隨著平臺化的不斷拓展，今后其設(shè)計、制造還會不斷完善和深入，以滿足我國調(diào)車機車的市場需求，促進鐵路機車裝備現(xiàn)代化水平的提高。