和諧型電力機車自行移車裝置及其應(yīng)用

徐秀良，韓群生

(1 北京鐵路局 北京機務(wù)段，北京100036;2 北京卓匠科創(chuàng)科技有限公司，北京100144)

HXD3、HXD3C型電力機車是國內(nèi)鐵路主干線上大型貨、客運為目的，設(shè)計制造的大功率電力機車，采用接觸網(wǎng)供電交—直—交的電傳動方式，在22.5～31 kV的接觸網(wǎng)電壓下，額定功率7 200 kW。在斷開接觸網(wǎng)供電的情況下，沒有設(shè)計依靠自身動力短距離低速走行的能力。

由于不具備自走行功能，在出入機車檢修庫及在整備場自有電區(qū)向無電區(qū)轉(zhuǎn)線作業(yè)時，需要附掛調(diào)車機車作為牽引動力進(jìn)行出入庫或轉(zhuǎn)線走行，這種傳統(tǒng)的調(diào)車作業(yè)方式有很多弊端。一方面，一次調(diào)車作業(yè)往往需要安排幾次交路才能完成，即占用調(diào)車機資源又效率低下。另一方面，調(diào)車時一旦調(diào)車組人員聯(lián)系溝通不暢，很容易發(fā)生人身安全事故;再一方面，擔(dān)當(dāng)附掛調(diào)車機的機車多為內(nèi)燃機車，低速運行時易造成環(huán)境污染。

研究HXD3、HXD3C型電力機車自行移車裝置，基于成熟并廣泛應(yīng)用的蓄電池牽引技術(shù)。在城市軌道交通行業(yè)，地鐵列車將蓄電池作為輔助動力源，實現(xiàn)在牽引供電系統(tǒng)故障情況下的地鐵列車運行到站和庫內(nèi)作業(yè)的短距離調(diào)車。在鐵路行業(yè)，HXN3型內(nèi)燃機車以蓄電池牽引實現(xiàn)機車柴油機不啟動的情況下走車。所以開發(fā)HXD3、HXD3C型電力機車自行移車裝置，符合技術(shù)潮流，將改變傳統(tǒng)的電力機車調(diào)車方式。

1 HXD3、HXD3C型電力機車自行移車裝置設(shè)計

1.1 設(shè)計原則

HXD3、HXD3C型電力機車自行移車裝置設(shè)計，需充分考慮機車自走行的行車安全、機車主電路特點、主要部件知識產(chǎn)權(quán)、軟件著作權(quán)和機務(wù)段實際需要等各方面因素，應(yīng)遵循以下幾方面原則:

①在機車總風(fēng)壓力足以保證機車制動距離的情況下才能進(jìn)行自走行，以確保機車自走行的行車安全;

②機車在正線牽引時，裝置電路要與機車電路物理隔離，以確保不因裝置故障導(dǎo)致機車設(shè)備故障;

③裝置電路連至機車既有電路后，對機車既有主電路布局不改變，以避免機車主要部件質(zhì)保糾紛;

④對機車既有的TCMS、主變流器等軟件不進(jìn)行軟件修改，以避免知識產(chǎn)權(quán)糾紛;

⑤自走行速度需要滿足機車出入檢修庫和整備場有電區(qū)向無電區(qū)轉(zhuǎn)線需求;

⑥裝置可生產(chǎn)為車載型作為機車制式裝備，也可生產(chǎn)為便攜型作為機務(wù)段工裝設(shè)備;

⑦裝置升級改進(jìn)后，可適用于HXD1、HXD2、HXD3B等其他型號電力機車，也可適用于既有交—直型電傳動電力機車和電傳動內(nèi)燃機車。

1.2 技術(shù)方案的確定

根據(jù)機車主電路結(jié)構(gòu)特點，可以通過以下3種技術(shù)方案實現(xiàn)設(shè)計功能:

方案1:將機車蓄電池DC 110 V電壓直接升壓逆變?yōu)槿郃C 380 V，采用VVVF方式驅(qū)動牽引一臺牽引電動機實現(xiàn)機車自走行(圖1)。

方案2:將機車蓄電池DC 110 V電壓接入至機車主變流器(CI)直流中間電壓，修改機車TCMS軟件和主變流器(CI)軟件，使主變流器輸出三相AC 380 V，采用VVVF方式驅(qū)動牽引一臺牽引電動機實現(xiàn)機車自走行(圖2)。

圖1 電路原理框圖

圖2 電路原理框圖

方案3:將機車蓄電池DC 110 V電壓直接升壓為DC 600 V后，通過主回路庫用開關(guān)接入至機車主變流器(CI)直流中間電壓，通過機車TCMS軟件和主變流器(CI)軟件預(yù)置的庫用位程序，控制主變流器功率元件輸出三相AC 380 V，采用VVVF方式驅(qū)動牽引一臺牽引電動機實現(xiàn)機車自走行(圖3)。

圖3 電路原理框圖

分析3套技術(shù)方案，每套技術(shù)方案優(yōu)缺點比較如表1。

通過對比分析，技術(shù)方案3作為設(shè)計方案，優(yōu)點更為突出，方案3符合設(shè)計原則。機車自走行速度為1 km/h，在這種走行速度下，機車出入機車檢修庫一次走行時間約為3 min，基本滿足機務(wù)段調(diào)車需要。在整備場自有電區(qū)向無電區(qū)轉(zhuǎn)線，僅需要在接觸網(wǎng)終點處(通常在道岔處)開始自走行，在這種走行速度下，機車通過道岔的時間約為1 min，進(jìn)入股道后對整備場調(diào)車組織就不再影響，其效率也能滿足機務(wù)段整備場實際需要。

1.3 裝置的設(shè)計

1.3.1 裝置工作原理

裝置工作原理見圖3，將機車蓄電池DC 110 V電壓直接升壓為DC 600 V后，通過主回路庫用開關(guān)接入至機車主變流器(CI)直流中間電壓，通過機車TCMS軟件和主變流器(CI)軟件預(yù)置的庫用位程序，控制主變流器功率元件輸出三相AC 380 V，采用VVVF方式驅(qū)動牽引一臺電動機實現(xiàn)機車自走行。

表1 技術(shù)方案對比

1.3.2 DC 600 V 中間電壓的獲得

HXD3、HXD3C型電力機車控制回路裝有蓄電池(容量170 Ah)，當(dāng)機車正常工作時，蓄電池處于充電狀態(tài)，機車降弓后，蓄電池內(nèi)儲存有電能，電壓為DC 110 V。利用高頻開關(guān)電源，對蓄電池DC 110 V進(jìn)行升壓－逆變－整流獲得DC 600 V電源。所以該裝置的技術(shù)主體就是一個高頻開關(guān)電源。

1.3.3 裝置的特性曲線

從圖3可以看出，主變流器(CI)DC 600 V工作電壓自本裝置中獲得，通過主變流器逆變，驅(qū)動牽引電機，中間最低電壓不得小于DC 350 V，實測主變流器(CI)內(nèi)部整流元件壓降約為50 V。因此，為滿足主變流器工作需要，裝置電流、電壓的控制曲線如圖4所示。

圖4 電流電壓控制曲線圖

從圖4特定曲線來看，在輸出電流小于30 A時，輸出電壓范圍為DC 600～DC 400 V，以滿足主變流器工作。在輸出電流大于30 A時，系統(tǒng)將工作在限流區(qū)。系統(tǒng)將自動停止電壓輸出，以保護(hù)蓄電池。

1.3.4 裝置的組成

裝置由功率模塊和單片機控制兩大模塊組成，原理框圖如圖5，各單元的主要技術(shù)原理和作用分述如下。

圖5 原理框圖

(1)功率模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

①濾波單元

即濾波器電路，減少內(nèi)外電壓沖擊和干擾，增強電路的電磁兼容性，使其滿足要求。

②電流、電壓控制單元

此單元是測量的關(guān)鍵控制部分。電壓控制采用慢給定技術(shù)，工作電壓從0緩慢增加，要完成輸出電壓的逐步升壓給定;當(dāng)電壓達(dá)到600 V時，進(jìn)入鉗位，電壓不再上升。如絕緣較低、輸出電流過大時，電流控制進(jìn)入鉗位，按照設(shè)計的曲線，逐步降低電壓。通過電流電壓的控制，完成功率輸出。

輸出電壓慢給定技術(shù):在系統(tǒng)工作時，由于需在主變流器(CI)工作前，向主變流器(CI)續(xù)流電容進(jìn)行預(yù)充電，如果先給定600 V電壓，在主變流器(CI)續(xù)流電容嚴(yán)重虧電或主變流器(CI)絕緣低的情況下，將有一個很大的沖擊電流，造成系統(tǒng)故障或蓄電池過渡放電。在本次設(shè)計中，重用電壓慢給定技術(shù)，輸出電壓從0 V緩慢增加至600 V，防止產(chǎn)生沖擊電流。同時，主變流器(CI)續(xù)流電容充電完畢后啟動時，也采用了輸出慢給定技術(shù)，牽引電機在轉(zhuǎn)動初期不會產(chǎn)生很大電流。

③高頻開關(guān)電源單元

這部分是本裝置的關(guān)鍵點，主要作用是把機車上現(xiàn)有的蓄電池110 V的直流電變?yōu)镈C 600 V的直流電源。其主要由PWM控制器、電子開關(guān)電路、高頻變壓器、整流濾波電路、保護(hù)電路等組成。

工作原理是110 V直流電經(jīng)穩(wěn)壓濾波后變?yōu)?00 V直流電，在400～600 V的電壓范圍內(nèi)保持性能，受電流、電壓控制，為主變流器提供足夠的功率。

a功率變換模塊的設(shè)計

模塊采用全橋PWM變換器和有限雙極性控制方法實現(xiàn)(圖6)。整個主電路和硬開關(guān)方案相比，僅增加了超前橋臂的兩個諧振電路，諧振電感取電壓器漏感，滯后橋臂的諧振電容利用功率管的輸出電容，既實現(xiàn)了軟開關(guān)工作方式，同時又保持了電路的簡潔。由于實現(xiàn)了ZVS，可以省去原方的吸收電路，副方吸收電路的功耗也變小。

圖6 全橋PWM變換器電路原理圖

b控制電路的設(shè)計

PWM集成控制器通常分為電壓型控制器和電流型控制器兩種。電壓型控制器只有電壓反饋控制，可滿足穩(wěn)定電壓的要求，電流型控制器增加了電流反饋控制，除了穩(wěn)定輸出電壓外，還有以下優(yōu)點:

?當(dāng)流過開關(guān)管的電流達(dá)到給定值時，開關(guān)自動關(guān)斷;

?自動消除工頻輸入電壓經(jīng)整流后的紋波電壓，并開關(guān)電源輸出端300 Hz以下的紋波電壓很低，因此可減小輸出濾波電容的容量;

?多臺開關(guān)電源并聯(lián)工作時，PWM開關(guān)控制器具有內(nèi)在的均流力;

?具有更快的負(fù)載動態(tài)響應(yīng)。

電源采用美國 Unitrode公司的 UC1825A芯片，UC1825A是高性能的電壓電流型開關(guān)電源集成控制器，主要特點是兼電壓型、電流型控制;開關(guān)頻率可達(dá)1 MHz;50 ns的傳輸延遲時間;大電流雙推挽輸出(峰值2 A)，寬頻帶誤差放大器;雙脈沖抑制邏輯電路;逐個脈沖電流限制;軟啟動、最大占空比控制;滯后的欠壓鎖定功能。

(2)單片機控制模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

在本次設(shè)計中，使用了單片機控制DC 600 V輸出和控制LED顯示輸出電壓和電流的大小，有較好的人機界面和安全保護(hù)功能。

設(shè)計的主要功能由:

①DC 600 V輸出邏輯控制;

②LED顯示。

MCU使用目前性價比較高的STC51系列。此芯片功耗小，抗干擾力強，并可進(jìn)行系統(tǒng)編程，使用十分方便。作為控制單元的單片機完全可以滿足使用要求。通過軟件編程達(dá)到控制與測量的目的。

KM1、KM2為輸出接觸器，其閉合與斷開受單片機控制模塊的控制。當(dāng)KM1、KM2斷開時，裝置從機車電路中切除。這樣，可以防止裝置在待機時對機車電路造成的影響。當(dāng)需要進(jìn)行自走行時，KM1或KM2閉合。

保護(hù)邏輯單元電路是對機車庫用開關(guān)的連鎖線、風(fēng)壓開關(guān)連鎖線進(jìn)行判斷，如果風(fēng)壓過低后或庫用開關(guān)沒有轉(zhuǎn)換，則本系統(tǒng)不能工作，即保證機車自走行有足夠的風(fēng)壓用以制動，又保證受電弓在降弓狀態(tài)下，方可進(jìn)行自走行。

LED燈使用矩形漢字覆膜燈，具有亮度高、穩(wěn)定性好。通過漢字覆膜顯示。極大的方便了操作者的使用，觀察直觀。

AD轉(zhuǎn)換單元通過實時隔離采樣將功率模塊的輸出電壓傳入MCU，通過運算將輸出電壓換算為工作狀態(tài)進(jìn)行顯示。

1.3.5 裝置的便攜化

根據(jù)裝置工作原理，將裝置進(jìn)行簡化設(shè)計，去掉單片機控制模塊和輸入輸出接觸器，并進(jìn)行裝置減重后，安裝與機車外部主回路庫用插座、蓄電池充放電插座適配的航空插頭，加裝磁力安裝座后，即可實現(xiàn)裝置便攜化。

2 機車自走行的操作和最大牽引總重

2.1 車載型裝置機車自走行的操作

裝置安裝在機車上后，司機首先確認(rèn)總風(fēng)缸壓力大于480 kPa，斷開受電弓開關(guān)，確認(rèn)蓄電池電壓大于96 V，然后將庫用開關(guān)轉(zhuǎn)換至庫用位，閉合電源開關(guān)，將換向手柄打向前位或后位，并將調(diào)速手柄置于“1”位，即可實現(xiàn)機車自走行。具體步驟如圖7。

2.2 便攜型裝置機車自走行的操作

將裝置磁力座吸附在機車主變壓器殼體上，連接主回路庫用插座和蓄電池充電插座后，按車載型裝置的操作方法操作即可。

圖7

2.3 最大牽引總重和速度

試驗證明，裝置在小于千分之三的坡道上，機車依靠自身動力自走行最大牽引總重約為280 t(即附掛牽引一臺機車的情況下自走行)，最大走行速度為1 km/h。

3 對機車蓄電池的影響

目前HXD3機車使用170 Ah的蓄電池，通過試驗機車自走行時蓄電池放電情況，對比機車蓄電池放電特定情況如表2。

表2 蓄電池放電情況對比

機車在依靠蓄電池自走行時，機車起動最大峰值電流僅120 A左右，遠(yuǎn)低于蓄電池允許峰值短路電流6 100 A;機車1 km/h恒速自走行狀態(tài)下，蓄電池放電電流為60 A，小于蓄電池進(jìn)行1 h制放電的最大允許放電電流。因此，裝置驅(qū)動機車自走行狀態(tài)下，蓄電池放電電流工作在蓄電池的理想范圍內(nèi)，不會影響蓄電池壽命。

另外，在蓄電池日常維護(hù)中，通常采用10 h制放電(放電電流約17 A)后進(jìn)行蓄電池充電，當(dāng)蓄電池性能下降后，進(jìn)行治療性充放電時，通常采用1 h制放電(放電電流約170 A)后進(jìn)行蓄電池充電，以激活蓄電池內(nèi)部物質(zhì)活性，恢復(fù)蓄電池性能。裝置驅(qū)動機車持續(xù)自走行1 h后升弓對蓄電池進(jìn)行充電，相當(dāng)于對機車蓄電池按1 h制充放電進(jìn)行了一次治療性充放電，可以進(jìn)一步激活蓄電池內(nèi)部物質(zhì)活性。

4 結(jié)束語

HXD3、HXD3C型電力機車自行移車裝置，充分利用機車主回路電路特點和機車TCMS、主變流器(CI)的軟件預(yù)置程序，實現(xiàn)了機車在無接觸網(wǎng)的情況下，依靠自身動力短距離低速走行，并且可以附掛牽引一臺機車。該裝置的研發(fā)與應(yīng)用，改變了傳統(tǒng)的電力機車調(diào)車方式，為提高電力機車出入機車檢修庫和整備場有電區(qū)向無電區(qū)調(diào)車效率，提供硬件條件，其意義深遠(yuǎn)。同時，該裝置具備技術(shù)升級的空間，進(jìn)行技術(shù)升級后，可衍生出適用于各型大功率交流電力機車、交—直式電傳動電力機車、電傳動內(nèi)燃機車的系列裝置應(yīng)用。

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