20E型雙流制電力機車電氣牽引及控制系統

李　鵬， 高首聰， 梁興元

(株洲南車時代電氣股份有限公司　技術中心， 湖南株洲 412001)

?

20E型雙流制電力機車電氣牽引及控制系統

李鵬， 高首聰， 梁興元

(株洲南車時代電氣股份有限公司技術中心， 湖南株洲 412001)

20E型電力機車是一種雙流制交流傳動電力機車，適用于AC 25 kV/50 Hz和DC 3 000 V兩種供電制式。根據不同的供電制式，機車能夠在持續運行的情況下實現主電路轉換。本文主要介紹了20E型機車電氣牽引系統的網側高壓電路和牽引變流系統設計原理、機車控制系統功能，并分析了設計關鍵要素和技術特點。

交流傳動電力機車； 雙流制； 多流制； 電氣牽引系統； 控制系統

世界上許多國家的鐵路系統由于歷史原因存在多種供電制式。干線鐵路中，早期多采用低壓直流供電，近50年則采用高壓交流供電；城市軌道交通中，一般采用低壓直流供電。因此，在許多國家或地區面臨著不同程度跨供電制式運輸的問題。目前主要供電制式有以下4種：AC 15 kV/16.7 Hz、AC 25 kV/50 Hz、DC 1 500 V和DC 3 000 V[1]。

20E型電力機車是中國中車出口到南非的雙流制窄軌電力機車。與國內廣泛應用的交流傳動電力機車相比，20E機車具有能夠工作在AC 25 kV和DC 3000 V兩種供電制式下的功能，同時還具備低恒速控制、8臺機車重聯、內電混編重聯、無線數據傳輸等功能。本文主要介紹20E型雙流制電力機車電氣牽引及控制系統。

1　機車主要技術參數

供電制式25 kV/50 Hz，工作電壓波動范圍17～31 kV DC 3 000 V,工作電壓波動范圍2 000～4 000 V

軸式B0-B0

軸重21.5±0.5 t

軌距1 067 mm

輪徑(半磨耗)1 180 mm

輪周持續功率

(牽引和再生制動)3 000 kW

輔助電源3 AC 380 V/50 Hz

最大運營速度100 km/h

最大試驗速度110 km/h

持續速度40 km/h

起動牽引力320 kN

持續牽引力270 kN

最大電制動力再生制動: 200 kN

電阻制動: 200 kN

20E型機車在交流供電制式和直流供電制式下采用統一的牽引、電制動特性設計，并具有較寬的恒功區間。機車特別采用高精度速度采樣和牽引力輸出控制。在進行列車裝載時，通過低恒速控制模式能在速度范圍為0.2～3 km/h內恒速運行，分級調整幅度為0.02 km/h，速度波動不大于設定速度的10%。圖1為機車牽引、電制動特性曲線。

圖1　20E型雙流制電力機車牽引/電制動特性曲線

20E型機車在交流供電制式和直流供電制式下具有不同的功率發揮特性曲線。在網壓允許波動范圍內，輔助系統功率不被限制。

在25 kV/50 Hz供電制式下，當網壓在22.5～29 kV范圍內，輪周功率為3 000 kW；當網壓從22.5 kV下降到19 kV，輪周功率線性下降至2 520 kW(額定功率的84%)；當網壓從19 kV下降到17 kV，輪周功率線性下降為0；低于17 kV 欠壓保護。當網壓從29 kV上升到31 kV，輪周功率線性下降為0，超過31 kV過壓保護，見圖2所示。

圖2　交流供電制式功率特性曲線

在DC 3 000 V供電制式下，當網壓在2.8 ～3.9 kV范圍內，輪周功率為3 000 kW；當網壓從2.8 kV下降到2 kV，輪周功率線性下降至0；低于2 kV 欠壓保護。當網壓從3.9 kV上升到4 kV，輪周功率線性下降為0，超過4 kV過壓保護。見圖3所示。

圖3　直流供電制式功率特性曲線

2　牽引電氣系統

牽引電氣系統由網側高壓電路(見圖4)和牽引變流系統電路(見圖9)兩部分組成。網側高壓電路完成供電制式選擇和受流，牽引變流系統電路完成電能轉換。

圖4　高壓網側電路

2.1網側高壓電路

對應不同的供電制式，機車具備交流供電和直流供電兩種電路配置模式。當工作在交流供電模式時，AC/DC選擇隔離開關(QS2)處于分斷位置，交流主斷路器(QF1)閉合，牽引變壓器作為供電網壓變換裝置使用；當機車工作在直流供電模式時，AC/DC選擇隔離開關(QS2)處于閉合位置，交流主斷路器(QF1)分斷，直流主斷路器(QF2)閉合，牽引變壓器的次邊繞組作為直流濾波電抗器使用。歐洲PRIMA3U15型、BR189型和Rh1216系列機車上有類似的設計，因牽引變流系統電路不同，略有差異[2-4]。

2.2直流濾波電路

在直流供電模式下，機車會重新配置主電路。主電路含有直流濾波電抗器，由圖9中的LS和牽引變壓器次邊繞組組成。直流濾波電感的選取主要考慮以下幾個因素：

(1) 主電路短路故障時的短路電流抑制能力；

(2) 運行過程中可能產生的過電壓；

(3) 與主電路中電容器的匹配；

(4) 實際線路的阻抗參數以及其他特殊要求；

(5) 電抗器自重、體積等因素。

根據變電所參數，供電電源等效電感L0=0.9 mH、電阻R0=0.11 Ω，當機車處于靠近供電站的位置時，不考慮電網線路阻抗。系統等效電路見圖5，RL1、RL2是機車線路和設備等效電阻，LS、LTr是濾波電抗器，Cd是機車牽引變流器支撐電容。

Ud-牽引變流器直流回路電壓；U0-機車輸入側直流網壓；Iin-機車輸入電流

圖5直流濾波電路仿真電路

2.2.1直流濾波電感與短路電流的關系

當供電網壓為DC 3 000 V，直流濾波電感分別為6，26 mH，牽引變流器滿載運行時，仿真計算直流回路短路的情況。仿真波形見圖6，短路發生后30 ms內，Iin電流上升率分別約為295，88 A/ms。

由仿真結果可知，當機車主電路出現短路故障時，直流濾波電感值越大，短路電流上升率越低。通過等效電路仿真可以計算出系統最長響應時間，這給各高壓電器部件的選型和保護參數設定提供了依據。

假設短路電流上升率為100 A/ms，短路電流達到3 000～4 000 A時必須分斷直流主斷路器，那么在20～30 ms內必須完成過流檢測和斷路器分斷動作。這就需要設定合理的保護門檻值以及設計合理的硬線控制環路。在要求更高的場合，還需設計快速分斷裝置，使得直流主斷路器控制線圈迅速失電，加速分斷過程。

2.2.2直流濾波電感與過電壓的關系

當供電網壓為DC 3 000 V，直流濾波電感分別為6，26 mH，牽引變流器滿載運行時，仿真計算牽引變流器突然封鎖脈沖的情況。仿真波形見圖7，在短時間內，Ud中間電壓分別上升至3 798 ,4 407 V左右。

由仿真結果可知，當機車牽引變流器在牽引工況下突然封鎖脈沖時，中間電壓會被迅速抬高并可能超過牽引變流器允許的工作電壓。特別是直流電網的工作電壓上限值達到3.9～4 kV，這種工況下，過電壓情況會變得更加惡劣。因此，即便主電路中存在過壓保護裝置，由于裝置檢測、開啟的過程有一定延時，所以直流濾波電感值也不宜選取得過大。

圖6　直流回路短路電流的仿真波形

圖7　牽引變流器封脈沖時引起的中間電壓突變

2.2.3機車等效阻抗的計算

南非既有運營線路的供電回路中可能出現50 Hz交流分量，并對信號系統產生一定干擾，因此對機車在該頻率下的阻抗有一定要求。在設計時，可根據線路實際條件、機車編組情況等予以綜合考慮。機車直流模式50 Hz交流分量通路等效簡化電路見圖8。

綜上所述，過小的濾波電感會導致短路電流上升過快，給系統保護帶來威脅；過大的濾波電感會導致嚴重過電壓產生，并增加設備質量、成本，在許多空間受限的場合，大大提高設計難度。除此之外，還可能涉及到抑制線路信號干擾等特殊要求，因此濾波電抗器的取值選型是一個綜合考慮、反復論證的結果。

單架主電路對應50 Hz交流分量阻抗：

整臺機車主電路對應50 Hz交流分量阻抗：

圖8　直流模式50 Hz交流分量通路等效電路

2.3牽引變流系統

機車牽引變流系統主要由1臺牽引變壓器、2臺牽引變流器及4臺異步牽引電動機構成。每臺牽引變流器設置二重四象限整流器，對應牽引變壓器2個次邊繞組(每臺牽引變壓器有4個次邊繞組)，2組逆變器對應2臺異步牽引電機以實現軸控。其中一重和二重中間直流回路并聯，中間直流回路的二次諧振電容器與設置在牽引變壓器內的一個二次諧振電抗器串聯形成二次諧振電路。

當機車運行在交流供電區，在牽引工況下，網側電壓由受電弓經交流主斷路器進入牽引變壓器原邊繞組，降壓后通過次邊繞組輸出，進入牽引變流器進行交—直—交變換，最終驅動異步電機。在制動工況下，異步電機工作在發電機工況生成的電能經牽引變壓器反饋回電網。

圖9　電傳動系統主電路圖

當機車運行在直流供電區，在牽引工況下，機車AC/DC選擇隔離開關(QS2)閉合，牽引變流器交直流轉換隔離開關QS1.1、QS1.3、QS1.6分斷，QS1.2、QS1.4、QS1.5閉合。網側電壓由受電弓經直流主斷路器，再經濾波電抗器進入直流回路。直流電壓經過逆變器進行直—交變換，最終驅動異步電機。在制動工況下，異步電機工作在發電機工況生成的電能反饋回電網或經制動電阻消耗。

牽引變流器采用主輔一體化設計。牽引變流器內部一重與二重直流回路并聯為1臺輔助變流器供電。輔助電源系統采用冗余設計，在正常情況下，能夠分別向輔助系統提供VVVF和CVCF電源。當一臺輔助變流器故障時，另一臺輔助變流器能維持機車輔助系統供電，此時輔助變流器工作在CVCF方式。

主要電氣設備及參數：

(1) 牽引變壓器

原邊繞組額定電壓25 kV

原邊繞組額定電流150.5 A

牽引繞組額定電壓4×1 650 V

牽引繞組額定電流(AC)4×570 A

牽引繞組額定電流(DC)650 A

短路阻抗電壓38%(-5%～+10%)

諧振電抗器2×0.5 mH(±10%)

(2) 牽引變流器

中間直流電壓DC 3 000 V

支撐電容4 mF

二次電容5 mF

制動電阻10.2 Ω

(3) 輔助逆變器

額定容量 160 kVA

開關頻率750 Hz

輸出電壓/頻率三相380 V/50 Hz (降壓濾波后)

(4) 牽引電機

額定功率 775 kW

額定電壓(基波)1 720 V

最大電壓(基波)2 340 V

額定電流(基波)335 A

起動電流(基波)415 A

3　機車控制系統

3.1控制系統構成

微機網絡控制系統TCMS分為絞線式列車總線WTB和多功能車輛總線MVB兩級控制，包含多個IO、控制模塊，采用分布采集與執行，集中控制與管理的模式。以太網Ethernet用于信息化設備之間的數據傳輸。系統拓撲結構見圖10所示。

RJ45-以太網連接器；TCU-牽引控制單元；DDU-智能顯示單元；GWMe-網關控制模塊；DXMe-數字輸入、輸出單元；DIMe-數字輸入單元；AXMe-模擬輸入、輸出單元；ERMe-事件記錄儀；ESU-以太網網關；WTD-無線數據傳輸裝置；TRITON-列車條件與狀態信息系統；WSP-防滑器；BCU-制動控制單元。

圖10機車網絡控制系統拓撲

牽引控制單元TCU是牽引變流器的控制器，接收TCMS給出的機車牽引、制動設定力、輔助變流器輸出頻率設定、機車狀態信息。TCU完成牽引變流器相應控制，并將其運行狀態如牽引、制動力的反饋、牽引系統傳感器數據、故障信息等反饋給TCMS。

無線數據傳輸裝置WTD完成無線數據傳輸相關的功能，如接收GPS信息、無線故障下載等。TCMS與WTD之間通過以太網總線完成數據通信。

列車條件與狀態信息系統TRITON是一個綜合機車數據通信單元。TCMS按要求向TRITON系統廣播機車實時輸出數據信息，同時按要求接收TRITON的遠程訪問控制指令。

3.2特殊的控制功能

與國內一般的交流傳動機車相比，南非20E機車具備以下特殊的控制功能。

3.2.1交直流供電切換

機車運行線路存在AC 25 kV區段與DC 3 000 V區段(見圖11)，控制系統需進行交直流供電切換控制。根據AC/DC檢測裝置發出的模擬量和數字量信號，TCMS進行邏輯判斷識別機車進入交流供電區還是直流供電區，并將供電分制區信號送給TCU。當供電分制區信號得到確認后，TCMS控制AC/DC選擇隔離開關置位，TCU控制牽引變流器內交直流轉換開關置位，最終完成電路轉換。

3.2.2自動輪徑校正

當機車處于無轉矩(惰行)運行且速度大于5 km/h時，TCMS可執行機車的自動輪徑校正功能。校正后的輪徑值顯示在DDU上，當計算出的輪徑超出最大的公差范圍時，DDU上會產生報警信息。更換新輪時，允許以手動方式修改存儲的輪徑值。自動輪徑校正功能提供兩種輪徑校正方式：

(1) 通過在DDU上輸入參考輪徑值，TCMS根據每軸的轉速自動計算其他軸的輪徑；

(2) 以GPS速度信號為依據，自動計算機車各軸輪徑。

圖11　交流與直流供電區

3.2.3基于WTB的8臺機車重聯控制

TCMS可進行8臺機車的重聯控制，通過WTB進行指令的傳輸及重聯狀態信息的反饋(包括故障信息)，保證重聯機車協調一致地運行，具體控制包括：

(1) 列車占用：主控機車發送列車占用信號到從控機車，從控機車識別到列車占用信號后，可允許進行后續的升弓、合主斷等操作，否則從控機車處于待機狀態；

(2) 受電弓控制：主控機車發送升弓/降弓指令到從控機車，從控機車依據自身條件判斷是否允許升弓/降弓，受電弓狀態反饋給主控機車；

(3) 主斷控制：主控機車發送主斷閉合/分斷指令到從控機車，從控機車依據自身條件判斷是否允許主斷閉合，在重聯模式下，各機車主斷應依次間隔5 s閉合，主斷狀態反饋給主控機車；

(4) 方向識別：從控機車能識別主控機車牽引運行方向，并保持一致。

(5) 牽引、制動控制：主控機車發送牽引、制動力指令到從控機車，從控機車進行本車牽引、制動力給定控制，從控機車的牽引、制動力信息反饋至主控機車；

(6) 全局牽引封鎖：當引起全局牽引封鎖的條件出現時，執行全局牽引封鎖，如總風壓力低等；

(7) 全局電制封鎖：當引起局部牽引封鎖的條件出現時，執行全局電制封鎖，如停放制動施加等；

(8) 半自動過分相：主控機車按下半自動過分相按鈕后，重聯編組中的所有機車同時進入過分相過程，但從控機車主斷的閉合時間依據各機車實際是否通分相區而定；

(9) 切除、投入操作：在主控機車的DDU上可手動切除、投入重聯編組機車上的子系統和電制動。

3.2.4LOCOTROL方式重聯控制

LOCOTROL+WTB方式重聯編組示意，見圖12所示。

圖12　LOCOTORL+WTB編組方式

當處于LOCTOROL方式重聯時，主控編組與遠程編組機車之間通過無線方式進行指令的傳輸及重聯狀態信息的反饋(包括故障信息)，保證各重聯機車協調一致地運行。在無線重聯模式下：

(1) 主控編組中主控機車通過WTB總線實現本編組內部機車重聯控制；主控編組中主控機車通過LOCOTROL發送控制指令(如受電弓升、降指令，主斷閉合、分斷指令，牽引、制動力指令等)至遠程編組的從控機車，并通過LOCOTROL接收遠程編組機車狀態反饋信息；

(2) 遠程編組中從控機車通過LOCOTROL接收來自主控機車的控制指令，并通過LOCOTROL反饋遠程編組機車狀態信息；遠程編組機車通過WTB總線實現本編組內部機車重聯控制。

3.2.5內電重聯控制

TCMS具備內燃、電力機車重聯控制功能，通過采用AAR27標準電纜，實施對內燃機車的控制并接收狀態反饋。AAR27芯重聯電纜包含74 V控制電源正線、負線，機車方向、牽引、制動指令、制動機有效及制動力、柴油機檔位、撒沙、一般故障等信號。電力機車手柄級位與內燃機車檔位則根據相應比例進行轉換。

3.3遠程監視與診斷系統

機車具備遠程監視與診斷功能，能夠通過GSM/GPRS等方式獲取機車在線狀態及故障數據。TRITON、WTD與TCMS之間通過以太網實現互聯，TRITON接收TCMS傳遞的機車實時數據信息，以GSM/GPRS等方式(短報警信息)傳遞信息給TRITON地面設備，如關鍵安全故障(鎖軸、火災探測器被激活等)。TRITON還可以根據要求向TCMS發出遠程訪問控制指令。當TRITON故障時，WTD以GSM/GPRS等方式(短信息報文)傳遞信息給TRITON地面設備。機車遠程通信功能示意見圖13。

圖13　機車遠程通信示意圖

WTD不僅能通過以太網與TCMS、TRITON進行數據通信，還可以通過RS422、RS485總線與智能電度表、輔助信息顯示器ADU、充電機等進行數據通信。從而能獲得極其全面的機車在線狀態信息，如司機信息、站段信息、機車能耗、機車速度、機車設備狀態等。當機車進入站段WIFI網絡后，WTD能自動識別并連接有效的WIFI網絡，并檢測與ERM的通信狀態，在通信正常情況下向ERM發出文件下載指令，由ERM將記錄文件上傳到WTD，WTD通過WIFI網絡傳輸到地面服務器中。

4　結束語

從南非20E型機車在現場交付試驗及長交路正線運用的結果來看，機車在牽引、制動控制、重聯控制、過分制/分相控制等工況下運行穩定可靠，在低恒速控制、黏著控制等方面表現出優異性能，表明電氣牽引及控制系統能很好的滿足整車設計要求。自主開發的雙流制電氣牽引及控制系統突破了多流制機車的技術瓶頸，贏得了與國外先進技術同臺競技的機會，為中國機車產品的海外市場拓展起到了良好的示范作用。

[1]M．M．Bakran．大功率多流制機車牽引變流器的比較[J]．變流技術與電力牽引，2006，(1)：18-22．

[2]P．chapas．阿爾斯通開發的PRIMA 3U15型電力機車[J]．變流技術與電力牽引，2005，(3)：43-49.

[3]Berhard kieβ ling，Christian Thoma．歐洲BR189型多流制式電力機車[J]．電力機車與城軌車輛，2004，27(6)：37-41．

[4]王渤洪．奧地利鐵路Rh1216系列多電流制通用電力機車—第3代EuroSprinter機車[J]．機車電傳動，2006，(2)：53-57．

Electric Traction and Control System of South African 20E Dual System Electric Locomotive

LI Peng，GAO Shoucong，LIANG Xingyuan

(Technology Center, Zhuzhou CSR Times Electric Co., Ltd. Zhuzhou 412001 Hunan, China)

South Africa 20E electric locomotive is a dual system and AC drive electric locomotive, which is suitable for both 25 kV/50 Hz AC and 3 000 V DC power sources. The locomotive can adjust and configure the main circuit according to different power supply systems, and realize continuous and stable operation. This article introduces the design principle of the high-voltage circuit, the electric traction system, the function of the control system, and also analyzes the key elements and technical features of the design.

AC drive electric locomotive; dual system; multi system; electric traction system; control system

1008-7842 (2016) 01-0010-07

男， 工程師(

2015-11-23)

U260

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.01.03