神華八軸電力機(jī)車牽引傳動(dòng)系統(tǒng)*

張朝輝， 秦 帥， 趙 震, 卜麗東

(1 朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司， 甘肅肅寧 062350；2 北京縱橫機(jī)電科技有限公司， 北京 100094；3 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所， 北京 100081)

神華八軸電力機(jī)車是由中車株洲電力機(jī)車有限公司研制的一款貨運(yùn)干線機(jī)車，如圖1所示。該款電力機(jī)車適應(yīng)了神華集團(tuán)重載鐵路的運(yùn)輸需求，優(yōu)化了機(jī)車的總體性能參數(shù)、設(shè)備布置、轉(zhuǎn)向架等的部件，并對(duì)牽引系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、司機(jī)室等關(guān)鍵項(xiàng)點(diǎn)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。

神華八軸電力機(jī)車采用對(duì)稱式設(shè)計(jì)，由兩節(jié)四軸機(jī)車通過機(jī)械和電氣重聯(lián)形成，機(jī)車的設(shè)備布置與通風(fēng)系統(tǒng)以單節(jié)車為單元。其設(shè)備布置采用中間走廊、模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。一臺(tái)神華八軸電力機(jī)車的兩個(gè)單節(jié)即A節(jié)機(jī)車和B節(jié)機(jī)車，除了機(jī)械間內(nèi)生活設(shè)施和通信信號(hào)設(shè)備有差異外，其余一致，分別由車頂設(shè)備、機(jī)械間、司機(jī)室、車下設(shè)備、通風(fēng)冷卻系統(tǒng)等組成。

圖1 神華八軸電力機(jī)車

車頂設(shè)備包括受電弓、主斷路器、高壓接地開關(guān)、高壓電壓互感器、避雷器、高壓隔離開關(guān)等車頂高壓電器及通信用的天線等。

機(jī)械間設(shè)備包括變流器柜、輔助變壓器、冷卻塔、低壓柜、衛(wèi)生間、蓄電池充電機(jī)、空氣制動(dòng)柜、信號(hào)柜等。牽引通風(fēng)機(jī)組采用斜對(duì)稱排布，便于均衡機(jī)車軸重。司機(jī)室及操縱臺(tái)考慮了人機(jī)工程學(xué)的設(shè)計(jì)理念，且設(shè)計(jì)適應(yīng)單司機(jī)操作要求。

車下設(shè)備布置有牽引變壓器、轉(zhuǎn)向架、機(jī)車自動(dòng)信號(hào)感應(yīng)接收線圈、控制電路庫(kù)用插座、光電速度傳感器、防滑速度傳感器、自動(dòng)過分相設(shè)備地面感應(yīng)接收線圈、機(jī)車電子標(biāo)簽、蓄電池柜等。

與動(dòng)力分散型的高速動(dòng)車組相比，電力機(jī)車具有單軸功率大，對(duì)電網(wǎng)污染少的優(yōu)點(diǎn)，目前國(guó)外西門子、阿爾斯通等公司己經(jīng)走在交流傳動(dòng)電力機(jī)車特別是交流傳動(dòng)控制系統(tǒng)研究領(lǐng)域的前列[1]。我國(guó)起步較晚，但在近年來(lái)也取得了很大成果，相繼研制出多種改進(jìn)車型[2-4]。本文主要從牽引傳動(dòng)的電氣系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)和控制系統(tǒng)方面進(jìn)行展開，介紹我國(guó)自主研發(fā)的神華八軸電力機(jī)車的電傳動(dòng)系統(tǒng)，包括其主電路結(jié)構(gòu)、牽引系統(tǒng)的性能參數(shù)、輔助電源系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)和控制系統(tǒng)方面的內(nèi)容，并對(duì)其中的重點(diǎn)技術(shù)展開說明。

1 牽引傳動(dòng)電氣系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)概述

神華八軸電力機(jī)車采用交流25 kV、50 Hz供電制式，每節(jié)機(jī)車上配備有相同的牽引系統(tǒng)、輔助電路系統(tǒng)及控制電路系統(tǒng)，每節(jié)機(jī)車均可單獨(dú)運(yùn)行。

機(jī)車牽引系統(tǒng)采用了交-直-交方式。主電路中加入了冗余設(shè)計(jì)，使機(jī)車主電路中部件發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)，仍能發(fā)揮出一定牽引力和電制力；機(jī)車采用了智能化的系統(tǒng)保護(hù)策略，使其有著很好的可靠性及可用性。

1.2 主電路結(jié)構(gòu)

主電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。主電路可分為：網(wǎng)側(cè)電路、四象限整流電路、中間直流電路、PWM逆變電路、保護(hù)電路等幾大部分。

神華八軸電力機(jī)車主變壓器的原邊通過受電弓從接觸網(wǎng)得電。主變壓器4個(gè)獨(dú)立的次邊牽引繞組分別向4個(gè)四象限整流器供電，每?jī)山M四象限整流器并聯(lián)輸出形成一個(gè)中間直流回路[5-6]。一組中間直流回路為牽引逆變器和一個(gè)輔助逆變器供電。每個(gè)牽引逆變器控制一個(gè)轉(zhuǎn)向架中的一臺(tái)牽引電機(jī)，實(shí)現(xiàn)機(jī)車的軸控方式，再生制動(dòng)過程相反。

圖2 機(jī)車主電路結(jié)構(gòu)圖

主變壓器由1個(gè)原邊繞組、4個(gè)次邊牽引繞組構(gòu)成，采用油循環(huán)、強(qiáng)迫風(fēng)冷方式。諧振電抗器安裝在鋼制的主變壓器油箱內(nèi)。其額定容量為5 280 kVA，額定電壓25 kV，額定電流211 A。

諧振電抗器為具有磁屏蔽的空心電抗器，采用銅繞組，其電感值為2×0.27 mH，額定電流1 080 A，頻率100 Hz，絕緣等級(jí)為A；冷卻油類型為礦物油，冷卻油流量約60 m3/h；冷卻油入口溫度≤79 ℃，冷卻油出口溫度≤87 ℃；額定效率>97%。

主變流機(jī)組由四象限變流器、中間直流、諧振電路、PWM逆變器4個(gè)功能模塊組成。在額定功率時(shí)，主變流機(jī)組的效率≥98%，主變流器冷卻方式為強(qiáng)迫水循環(huán)冷卻。

主變流機(jī)組額定輸入電壓為4×AC 970 V/50 Hz；額定輸入頻為50 Hz，額定中間電壓1 800 V；額定輸出電壓4×AC 1 400 V；額定輸出電流4×598 A；最大輸出電流4×814 A；控制電壓為DC 110 V。

1.3 牽引系統(tǒng)

由圖2可以看出，主變壓器二次側(cè)繞組為四象限整流器提供電能，兩個(gè)四象限整流器并聯(lián)給直流母線提供電壓。四象限整流器的主要作用是提供穩(wěn)定的直流電壓，供后級(jí)PWM逆變器使用，當(dāng)列車處于牽引工況時(shí)，四象限整流器為牽引電機(jī)供電；制動(dòng)工況時(shí)，牽引電機(jī)將制動(dòng)能量回饋到直流側(cè)，通過四象限整流器將能量回饋到接觸網(wǎng)。

牽引逆變器從直流母線取電，將其逆變成頻率幅值可變的三相交流電，給牽引電機(jī)供電，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速控制。其中后級(jí)牽引電機(jī)采用了軸控的方式，即一個(gè)牽引逆變器控制一個(gè)牽引電機(jī)。

神華八軸電力機(jī)車所采用的牽引電機(jī)為三相鼠籠式異步牽引電機(jī)。電機(jī)自重約2 580 kg，極對(duì)數(shù)為2；電機(jī)最高電壓1 420 V，額定頻率58.1 Hz，額定電流598 A，最大電流為814 A；電機(jī)額定轉(zhuǎn)速1 720 r/min，最高轉(zhuǎn)速3 452 r/min，恒功率轉(zhuǎn)速范圍1 720～3 452 r/min，工作頻率范圍0～117 Hz；電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩6 802 Nm，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩9 717 Nm。牽引電機(jī)采用了強(qiáng)迫風(fēng)冷的冷卻方式，其在額定速度下的額定功率≥1 224 kW，其額定效率≥94.5 %。

PWM逆變電路采用了間接轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制策略，此策略是一種基于動(dòng)態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制技術(shù)，根據(jù)三相異步電機(jī)的動(dòng)態(tài)模型，對(duì)電機(jī)的勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量進(jìn)行解耦，通過對(duì)勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量的解耦控制，達(dá)到分別控制電機(jī)磁鏈和轉(zhuǎn)矩，以實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)的目的[7]。

(1)網(wǎng)壓和輪周功率限值

由于機(jī)車運(yùn)行過程中接觸網(wǎng)電壓會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，為保證變流器安全工作，在牽引逆變器在控制時(shí)，需根據(jù)網(wǎng)壓的波動(dòng)范圍制定牽引電機(jī)的功率限制條件。為機(jī)車提供電能的接觸網(wǎng)電壓為單向25 kV、工頻50 Hz的交流電，其網(wǎng)壓波動(dòng)范圍為17.5～31 kV。網(wǎng)壓波動(dòng)范圍為在17.5～31 kV之間時(shí)，驅(qū)動(dòng)牽引電機(jī)允許投入工作，但為保證變流器安全運(yùn)行，針對(duì)網(wǎng)壓值所在的不同范圍設(shè)定了相應(yīng)的安全輪周功率限制值，限值曲線如圖3所示。網(wǎng)壓在22.5～30 kV之間內(nèi)時(shí)，可發(fā)揮功率9 600 kW；當(dāng)網(wǎng)壓從22.5 kV降至19 kV時(shí)，功率從9 600 kW線性減小到8 064 kW；當(dāng)網(wǎng)壓從30 kV升至31 kV，功率從9 600 kW線性減小到0；網(wǎng)壓從19 kV降至17.5 kV，功率同樣從8 064 kW線性減小到0。

(2)牽引特性

牽引特性和再生制動(dòng)特性是機(jī)車的重要特性，通常用牽引力與速度的關(guān)系曲線表示，是計(jì)算機(jī)車牽引與制動(dòng)性能最重要的原始數(shù)據(jù)。神華八軸電力機(jī)車最高運(yùn)行速度為120 km/h，最高試驗(yàn)速度132±2 km/h，持續(xù)輪周牽引功率≥9 600 kW，持續(xù)再生制動(dòng)輪周功率≥9 600 kW。為滿足神華鐵路運(yùn)輸需求，神華八軸電力機(jī)車設(shè)計(jì)時(shí)，考慮了傳動(dòng)效率、最大坡道上的最低運(yùn)行速度、故障運(yùn)行時(shí)的要求等多種因素的綜合影響，設(shè)計(jì)所得牽引特性曲線，如圖4所示。

圖3 網(wǎng)壓/輪周功率關(guān)系限制曲線

其中機(jī)車持續(xù)制牽引力≥532 kN，在干燥無(wú)油軌面上，0～5 km/h速度范圍內(nèi)，半磨耗的輪周平均牽引力要求≥760 kN。牽引恒功率區(qū)速度范圍65～120 km/h。

(3)再生制動(dòng)特性

機(jī)車的再生制動(dòng)特性曲線同樣十分重要，關(guān)系著機(jī)車的制動(dòng)距離和黏著控制，為滿足機(jī)車運(yùn)行時(shí)的制動(dòng)性能要求，神華八軸電力機(jī)車設(shè)計(jì)了合理的再生制動(dòng)特性曲線，如圖5所示。

其中機(jī)車的最大再生制動(dòng)力≥461 kN，在低速段內(nèi)速度5～2 km/h時(shí)，制動(dòng)力線性下降到零。速度在5～75 km/h范圍內(nèi)時(shí)，可發(fā)揮最大制動(dòng)力461 kN；當(dāng)速度在120 km/h時(shí)，制動(dòng)力為288 kN；再生制動(dòng)恒功率的速度范圍為75～120 km/h。

圖4 牽引特性曲線

圖5 再生制動(dòng)特性曲線

1.4 輔助電源系統(tǒng)

采用IGBT元件的輔助逆變機(jī)組包含在主變流器內(nèi)部，由主變流器機(jī)組的中間直流電路為其供電，額定輸入電壓為DC 1 800 V，為保證供電質(zhì)量，其輸出電壓諧波需控制在5%以內(nèi)。

兩臺(tái)輔助逆變器一臺(tái)以變壓變頻(VVVF)方式工作，為變頻變壓的負(fù)載供電，如牽引風(fēng)機(jī)電機(jī)、冷卻塔風(fēng)機(jī)；另一臺(tái)以定壓定頻(CVCF)方式工作，為恒頻恒壓工作的負(fù)載供電，如變壓器油泵、逆變器水泵、機(jī)械間風(fēng)機(jī)、逆變器風(fēng)機(jī)、空調(diào)加熱器、司機(jī)室后墻加熱器、空氣壓縮機(jī)、蓄電池充電器、屏柜風(fēng)機(jī)等。

以VVVF模式工作的輔助逆變器1，其額定容量為120 kVA，最大輸出容量為240 kVA，輸出電壓為三相可變電壓，輸出電壓有效值范圍為80～440 V，輸出電壓頻率范圍為10～60 Hz；對(duì)于以CVCF模式工作的輔助逆變器2，其額定容量與最大輸出容量均與輔助逆變器1相同，輸出電壓為三相有效值440 V，頻率60 Hz的交流電。輔助逆變器輸出經(jīng)過輸出變壓器和濾波電路后向車載用電設(shè)備供電。機(jī)車輔助系統(tǒng)后級(jí)用電設(shè)備的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 機(jī)車輔助系統(tǒng)后級(jí)用電設(shè)備結(jié)構(gòu)

為了提高輔助供電系統(tǒng)的可靠性，保證有一臺(tái)輔助逆變器發(fā)生故障時(shí)，仍能給輔助系統(tǒng)正常供電，神華八軸電力機(jī)車輔助電源系統(tǒng)采用了冗余設(shè)計(jì)的方式，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 機(jī)車輔助逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

兩個(gè)輔助逆變器的后級(jí)輸出端之間裝有擴(kuò)展接觸器，正常工作時(shí)接觸器斷開，兩個(gè)輔助逆變器獨(dú)立工作，分別輸出VVVF和CVCF電源。當(dāng)一組輔助逆變器發(fā)生故障時(shí)，擴(kuò)展接觸器閉合，另一組輔助逆變器為整車用電設(shè)備供電，此時(shí)輔助逆變器為CVCF工作方式。采用此冗余的設(shè)計(jì)方法，保證了在單個(gè)輔助逆變器發(fā)生故障時(shí)，仍能保證機(jī)車輔助系統(tǒng)的正常供電，大大提高了機(jī)車輔助系統(tǒng)供電的可靠性和冗余度。

2 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

神華八軸電力機(jī)車在結(jié)構(gòu)方面是由兩節(jié)在機(jī)械及電氣方面基本相同的機(jī)車組成，采用標(biāo)準(zhǔn)的TCN網(wǎng)絡(luò)對(duì)機(jī)車各部件進(jìn)行互聯(lián)通信，實(shí)現(xiàn)了機(jī)車各子部件的通信和控制功能，其網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 機(jī)車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采用分布采集、執(zhí)行，中央集中控制與管理模式，分為列車級(jí)控制和車輛級(jí)控制，列車控制級(jí)采用絞線式列車總線WTB，車輛控制級(jí)采用多功能車輛總線MVB。控制功能包括網(wǎng)側(cè)高壓部件控制、牽引傳動(dòng)控制、電制動(dòng)控制、電空制動(dòng)配合控制、自動(dòng)過分相控制、重聯(lián)運(yùn)行控制、輔助擴(kuò)展供電控制、故障診斷等。

3 結(jié)束語(yǔ)

目前神華八軸電力機(jī)車已成為神華集團(tuán)重載運(yùn)輸任務(wù)中的主力車型。新型神華電力機(jī)車單臺(tái)便可完成SS4改型電力直流機(jī)車需要兩臺(tái)才能完成萬(wàn)噸列車牽引任務(wù)。可見“神華號(hào)”機(jī)車已成為朔黃公司新的生力軍，它的投入使用，顯著提升了朔黃鐵路運(yùn)輸處整體實(shí)力，標(biāo)志著運(yùn)輸正在朝著“做大做強(qiáng)、強(qiáng)企富工”的目標(biāo)闊步邁進(jìn)。