德鐵柏林混合動力調車機車電氣系統(tǒng)設計

（1．大功率交流傳動電力機車系統(tǒng)集成國家重點實驗室，湖南 株洲 412001；2．中車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

調車機車是調車工作的基本動力，是車輛段的常規(guī)配置之一。由于需要在短距離內啟動牽引或者推送車組，因此需要一定的牽引力，并且經常前進或者后退。而隨著世界各國環(huán)境保護的措施越來越嚴格，替代傳統(tǒng)的柴油發(fā)電機車也成為現有技術研究的一個重點，而目前最具有實用價值的運轉模式，也只有混合動力調車機車。日本、法國、中國等國的主要軌道交通生產企業(yè)都在研制混合動力機車。為了適應用戶多供電模式、大功率、多用途的要求，中車株洲電力機車有限公司在原有出口德國混合動力調車機車的基礎上，新研制了柏林調車機車。柏林調車機車具有混合動力供電、純柴油機供電、牽引蓄電池供電、第三軌供電、庫內供電多種供電模式等特點，并具備符合UIC 標準的對外列車供電功能[1]。

1 電氣系統(tǒng)主要技術特點

柏林調車機車電氣系統(tǒng)具有如下技術特點。1）牽引系統(tǒng)采用“柴油機發(fā)電機組+鈦酸鋰電池”混合動力或第三軌獨立供電的交流傳動 技術。2）動力制動能量可以由鈦酸鋰電池吸收再利用，達到節(jié)能環(huán)保的作用。 3）主電路采用主輔集成技術，主逆變器、列供逆變器、輔助逆變器及輔助變壓器集成 在牽引變流器中。4）輔助系統(tǒng)電源為3AC440V/60Hz，庫內供電電源為3AC400V/50Hz。5）機車控制電源采用堿性蓄電池，機車控制電源為DC110V。

2 主傳動系統(tǒng)

2.1 主傳動系統(tǒng)原理

不同于以往的調車機車，德鐵柏林調車機車主傳動系統(tǒng)集成了第三軌供電、柴油機供電、牽引蓄電池供電及其相應控制轉換電路等[2]，如圖1 所示。牽引系統(tǒng)主電路主要由1 個柴油機發(fā)電機組、1 個牽引變流器柜、1 個牽引蓄電池柜、1 個列供變壓器柜、4 個受流器、1 個主斷路器、1 個線路電抗器、1 個斬波電抗器和4 臺牽引電機等組成。 其中牽引變流器柜主要由 1 個整流模塊、2 個主逆變模塊、1 個列供逆變模塊、1 個輔 助逆變模塊和中間直流回路等組成。每個主逆變器向一個轉向架的2 臺牽引電機進行供電，采用架控形式。

2.2 調車機車供電模式

德鐵柏林調車機車具有多種供電模式，具體如下。

2.2.1 柴油機模式

當機車選擇柴油機供電模式時，采用柴油機單獨供電給牽引電機等負載供電。柴油機模式下，動力制動封鎖，不進行動力制動能量回收。

2.2.2 牽引蓄電池模式

當機車選擇牽引蓄電池供電模式時，采用牽引蓄電池單獨給牽引電機等負載供電。牽引蓄電池模式下可進行動力制動，其能量可由輔助系統(tǒng)、列供、牽引蓄電池進行能量回收。

控制電機使轉盤以非常慢的速度旋轉,驗證只有當天線與LC諧振器處于正對位置時,讀取天線端電壓信號幅值達到最低值。系統(tǒng)中采用的開發(fā)板的晶振為50 MHz,當200 Hz脈沖激勵驅動電機即電機轉速為1 r/s,示波器與仿真讀取天線端電壓幅值隨時間的變化曲線分別如圖5和圖6所示。當電壓幅值達到最低值時,LC諧振器與天線處于正對位置,因此理論與實際相吻合。逐步改變電機旋轉速度,對LC諧振器與天線進行耦合測試,驗證該測量方法的可靠性。

2.2.3 混合動力（柴油機+牽引蓄電池）模式

當機車選擇混合動力模式時，采用柴油機+牽引蓄電池共同給牽引電機等負載供電[3-4]。混合動力模式下可進行動力制動，其能量可由輔助 系統(tǒng)、列供、牽引蓄電池進行能量回收。

2.2.4 第三軌模式

當機車選擇第三軌模式時，采用第三軌給牽引電機等負載供電。第三軌模式下可進行牽引蓄電池充電；第三軌模式下可進行動力制動，其能量可由輔助系統(tǒng)、列供、牽引蓄電池進行能量回收；第三軌動力制動時，其能量不反饋給電網。

2.3 動力制動

機車設置牽引蓄電池，可對動力制動能量進行回收。但當牽引蓄電池容量充電至90%時，會限制動力制動能量的回收，動力制動功率允許值會降低。最大充電功率會從90%至100%的過程中持續(xù)下降，直至蓄電池充滿，充滿后充電功率為0。

當牽引蓄電池能量充電至90%后，會在顯示屏上顯示“牽引蓄電池電量高，動力制動降功率”，以提示司機可能動力制動功率不足，需要通過司機手動進行空氣制動。當司機操作空氣制動動作后，動力制動將封鎖。

3 輔助系統(tǒng)

為保證機車正常功能發(fā)揮和提供舒適的司乘環(huán)境，機車配備了相應的輔助機組和輔助設施，構成了輔助電氣系統(tǒng)。

3.1 輔助電路結構

按每個輔助機組/輔助設施的使用要求，輔助電氣系統(tǒng)分成以下負載組，輔助系統(tǒng)的結構具體為：主變流柜（包括輔助逆變模塊、輔助變壓器）、插座（包括左側庫內插座、右側庫內插座）、控制蓄電池充電機、控制蓄電池、主壓縮機、列供變壓器柜風扇、牽引風機2 個、司機室空調和牽引蓄電池柜空調等。

3.2 輔助電路主要特點

圖1 主電路結構

4 控制電路

4.1 控制電路結構

機車設置蓄電池充電機將輔助電路三相交流電源整流變換為DC110V 直流電輸出，為機車控制電路供電，并為機車控制蓄電池充電。主要結構如圖3 所示。控制電源配置電路主要由控制蓄電池充電機和蓄電池組成。

圖3 控制電源配置電路圖

4.2 控制電路配置主要部件說明

控制電路主要部件包括蓄電池充電機和控制蓄電池等。

4.2.1 蓄電池充電機

控制充電機柜包括3 個DC110V 模塊、2 個DC24V 模塊、1 個AC230V 模塊和1 個監(jiān)控模塊，其中DC110V 模塊為機車控制電路提供DC110V 電源，并給控制蓄電池進行充電；DC24V模塊為機車提供DC24 電源；AC230V 模塊為機車司機室2 個AC230V 插座提供電源。控制蓄電池充電機具有溫度補償功能。

4.2.2 控制蓄電池

控制蓄電池作為調車機車的直流電源，主要作用是為控制電路提供電源，控制蓄電池采用鎳鎘堿性蓄電池。

5 電路監(jiān)控與保護

電氣系統(tǒng)設有自動保護功能，當出現電氣系統(tǒng)短路、接地、過壓、過流和超溫等故障時，牽引系統(tǒng)會執(zhí)行對應保護動作，并在顯示器上進行提示。

當電氣系統(tǒng)發(fā)生故障時，首先會按規(guī)定執(zhí)行保護動作，例如降功率運行、切除牽引等，當兩軸的牽引切除后，列車將失去動力。當列車速度持續(xù)增加，超速后，會執(zhí)行制動指令，以到達列車保護。

5.1 短路保護

電氣設備具有短路保護功能。當牽引系統(tǒng)裝置監(jiān)測到短路等故障時，牽引系統(tǒng)立即跳開直流快速斷路器、牽引蓄電池接觸器、柴油機接觸器，用于切斷牽引系統(tǒng)供電以保護牽引系統(tǒng)的電氣設備。

5.2 接地保護

當調車機車選擇第三軌模式供電時，通過對設置在變流器內部的2 個電流傳感器進行監(jiān)測，通過對電流傳感器的差值進行計算，當達到閾值后，判定為第三軌主電路接地；判斷接地故障后，機車不能在該模式下運行，可以嘗試切換到其他模式運行，如果其他模式仍有接地故障，整車將不能再運行。

當調車機車選擇混合動力、柴油機、牽引蓄電池供電模式時，通過設置在中間回路的接地檢測電路，對主電路接地檢測進行判斷。

5.3 電流保護

5.3.1 主電路電流保護

在第三軌模式下、牽引蓄電池充放電、柴油機放電時超過保護電流時，將進行主斷路器分斷、牽引蓄電池輸出接觸器、柴油機輸出接觸器分斷，以保證電氣系統(tǒng)主電路。

5.3.2 輔助電路電流保護

在輔助電路系統(tǒng)供電中，各用電負載前端均設置三相斷路器，進行過流保護，當電流達到整定值后，三相斷路器將自動斷開。

5.3.3 控制電路電流保護

在控制電路系統(tǒng)中，各用電負載前端均設置單極斷路器或雙極斷路器，進行過流保護，當電流達到斷路器值后，單相斷路器將自動斷開，以保證電氣系統(tǒng)控制電路。

6 結語

德鐵柏林調車機車集成了多種供電方式，牽引蓄電池供電可在敏感區(qū)域實現零污染排放，其混合動力技術可有效提高節(jié)能效果，技術參數更優(yōu)，該機車還具有的第三軌供電技術可以更好地適應柏林S-Bahn 鐵路。目前已完成了機車研制及例行試驗，正在進行型式試驗。該機車的研制成功將為后續(xù)中等功率調車機車進入歐洲市場積累經驗。