地鐵電傳動工程車電氣系統(tǒng)的設(shè)計

摘要：對一種新型地鐵電傳動工程車電氣系統(tǒng)的研發(fā)進行了簡要介紹。將電傳動技術(shù)與常規(guī)液力傳動技術(shù)的優(yōu)缺點進行了比較，分析探討了電傳動的原理、牽引計算和主要設(shè)備參數(shù)。

關(guān)鍵詞：地鐵工程車;電傳動內(nèi)燃機車;電氣系統(tǒng)

0? ? 引言

目前地鐵工程車多采用液力傳動內(nèi)燃機車，但隨著大鐵路內(nèi)燃機車技術(shù)的不斷更新發(fā)展，液力傳動內(nèi)燃調(diào)車機車已經(jīng)慢慢淡出大鐵路市場，電傳動內(nèi)燃機車逐漸取得主導地位。鑒于此，設(shè)計研發(fā)一款能夠適應地鐵條件要求的電傳動內(nèi)燃機車來取代原有的液力傳動內(nèi)燃機車就具有劃時代的意義。

1? ? 電傳動內(nèi)燃機車與液力傳動內(nèi)燃機車比較

1.1? ? 機車的功率對比

機車柴油機的動能轉(zhuǎn)化為機車運行牽引的動能是通過機車的傳動裝置實現(xiàn)的。液力傳動內(nèi)燃機車通過液力變扭器實現(xiàn)動力的傳遞，國內(nèi)液力變扭器受到技術(shù)及制造工藝等各種原因的限制，在液傳機車上的應用僅局限于993 kW（1 350馬力）以下的機車。電力傳動內(nèi)燃機車通過柴油機帶動主發(fā)電機發(fā)出三相交流電，通過整流轉(zhuǎn)化成直流電，帶動牽引電動機轉(zhuǎn)動，驅(qū)動輪對實現(xiàn)機車運轉(zhuǎn)，不受變扭器的制約，可實現(xiàn)機車的大功率化。

1.2? ? 技術(shù)經(jīng)濟性能對比

電傳動機車性能和傳動效率遠遠高于液力傳動機車。根據(jù)有關(guān)單位做的對比實驗，機車速度在80 km/h以下時，電傳動機車總效率高于液力傳動機車最少3%。機車速度在40 km/h以下時，電傳動機車效率高于液力傳動機車效率5%以上，最大時達到20%，證明電傳動機車牽引性能明顯高于液力傳動機車。

1.3? ? 啟動性能及控制反應速度對比

因為控制原理的不同，電傳動機車啟動加速度快，啟動性能也優(yōu)于液傳機車。機車換向及工況轉(zhuǎn)換時，液傳機車至少需要2～3 s的反應時間，而電傳動機車可實現(xiàn)即時反應。

1.4? ? 污染對比

液傳機車的液力變扭器長期使用存在漏油的風險，可能對地鐵的封閉軌道造成潛在的威脅。電傳動機車采用電氣設(shè)備傳動，完美地規(guī)避了此項風險。

2? ? 新型電傳動工程車總體概述

新型內(nèi)燃機車是基于地鐵現(xiàn)有液傳內(nèi)燃機車的改型設(shè)計的，符合地鐵公司所有標準要求，適應地鐵工況。機車采用交-直流電傳動，安裝了卡特彼勒公司生產(chǎn)的最大運用功率1 000 kW的3508C型柴油機、永濟工廠生產(chǎn)的JF217G型無刷同步主發(fā)電機和ZQDR-410型牽引電動機，轉(zhuǎn)向架為二軸轉(zhuǎn)向架。機車采用微機控制系統(tǒng)及具有全功率自負荷功能的電阻制動裝置。

工作環(huán)境如表1所示。

整車技術(shù)參數(shù)如表2所示。

3? ? 電氣系統(tǒng)技術(shù)特點

（1）機車主傳動系統(tǒng)采用交-直流電傳動技術(shù)。柴油機帶動無刷勵磁主發(fā)電機旋轉(zhuǎn)，通過調(diào)節(jié)主發(fā)電機勵磁電流實現(xiàn)調(diào)節(jié)主發(fā)電機輸出功率的目的，主發(fā)電機輸出的三相交流電經(jīng)整流后得到直流電作為直流牽引電動機輸入，牽引電動機經(jīng)齒輪箱帶動車輪旋轉(zhuǎn)。

（2）機車電氣控制采用DC24 V工作電源供電，蓄電池組由柴油機自帶的DC24 V充電發(fā)電機直接充電。

（3）機車勵磁采用微機恒功勵磁控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，可實現(xiàn)機車牽引工況恒功勵磁/限流/限壓控制、制動勵磁控制及輔發(fā)電機恒壓勵磁控制。

（4）發(fā)動機調(diào)速控制由司機通過司控器為調(diào)速控制器提供發(fā)動機轉(zhuǎn)速給定信號，調(diào)速控制器根據(jù)此給定信號輸出調(diào)速控制信號，以控制發(fā)動機的油門或噴油量大小，實現(xiàn)發(fā)動機的調(diào)速控制。

4? ? 電氣原理介紹

4.1? ? 主電路及接地回路

主電路及接地回路如圖1所示。主電路由主發(fā)電機、整流柜、制動電阻、牽引電動機及方向轉(zhuǎn)換開關(guān)、電空接觸器等控制電器組成。機車牽引運行時，主發(fā)電機輸出的三相交流電經(jīng)整流后變?yōu)橹绷麟姡撝绷麟娡ㄟ^方向轉(zhuǎn)換開關(guān)、電空接觸器等主控電器輸入4臺并聯(lián)連接的牽引電動機，使牽引電機旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動機車運行;而當機車制動時，通過控制電路的轉(zhuǎn)換，切斷牽引主電路，同時使牽引電機電樞繞組與外接制動電阻串聯(lián)，而4臺牽引電機的勵磁繞組相互串聯(lián)后并接于整流器輸出端，使牽引電機由原串勵電動機狀態(tài)改變?yōu)樗麆畎l(fā)電機狀態(tài)，其所發(fā)電能消耗于制動電阻，實現(xiàn)機車的電阻制動。

同步主發(fā)電機在承受對稱性負載時，Y形連接的電樞繞組中點電位為零，它可以作為主電路接地保護的比較點，通過二極管橋式整流電路4UR、接地繼電器KE線圈組成接地檢測電路，無論主電路接地點電位高低，接地點均和電樞繞組中心點有電位差，使KE線圈有電流，當電流達到500 mA時，KE動作。

4.2? ? 勵磁控制電路

勵磁控制電路以恒功勵磁器作為核心部件，該勵磁器以各種傳感器持續(xù)檢測的系統(tǒng)主電壓/主電流、牽引電機電流、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、機車運行速度、輔發(fā)電壓等作為輸入信號，經(jīng)系統(tǒng)軟件比較、計算輸出主發(fā)及輔發(fā)勵磁電流，實現(xiàn)以下勵磁控制功能：

（1）機車牽引工況主發(fā)恒功勵磁、限流、限壓功能;

（2）牽引電機故障切除時主發(fā)電機降功輸出控制功能;

（3）機車電阻制動工況恒勵磁電流及恒制動電流勵磁控制功能;

（4）輔發(fā)電機恒壓發(fā)電的勵磁控制功能;

（5）故障檢測、診斷及保護控制等功能。

4.3? ? 牽引控制電路

牽引控制電路由司控器、各種轉(zhuǎn)換開關(guān)、扳鍵開關(guān)、控制按鈕、繼電器、接觸器等控制電器及電氣控制線路組成，主要實現(xiàn)機車的啟動、換向、勵磁使能、發(fā)動機調(diào)速、工況轉(zhuǎn)換、控制方式轉(zhuǎn)換、牽引電機故障切除等控制功能及機車超速、主電路接地、主電路過流、空轉(zhuǎn)滑行等保護功能。

4.4? ? 輔助電路

輔助電路由蓄電池組、發(fā)動機啟動馬達、充電發(fā)電機、鳴笛撒砂閥、刮雨器、司機室風扇及各種控制電器線路等組成，主要實現(xiàn)以下控制功能：

（1）蓄電池組充電控制;

（2）空壓機自動及手動打風控制;

（3）鳴笛撒砂控制;

（4）司機室風扇及刮雨器控制。

4.5? ? 儀表顯示及保護電路

該電路由機車速度傳感器、數(shù)模轉(zhuǎn)換盒、機車速度表、發(fā)動機儀表盤、狀態(tài)顯示屏、電流表、電壓表、接地整流部件、過流整流部件、接地燈等組成，主要實現(xiàn)以下顯示及報警保護功能：

（1）機車速度顯示;

（2）發(fā)動機轉(zhuǎn)速、狀態(tài)顯示;

（3）主電流、主電壓、牽引電機電流指示;

（4）主電路接地保護;

（5）主電路過流保護;

（6）機車超速保護;

（7）輔助電路接地指示;

（8）整車運行狀態(tài)顯示。

5? ? 牽引特性計算

根據(jù)《列車牽引計算規(guī)程》（TB/T 1407—1998）并結(jié)合地鐵線路特性要求，該車型牽引計算結(jié)果如表3、表4、圖2所示。

6? ? 主要部件及參數(shù)

主發(fā)電機參數(shù)如表5所示。

牽引電動機參數(shù)如表6所示。

整流柜參數(shù)如表7所示。

制動電阻參數(shù)如表8所示。

7? ? 結(jié)語

本文對一種新型地鐵電傳動工程車電氣系統(tǒng)的研發(fā)進行了簡要介紹。將電傳動技術(shù)與常規(guī)液力傳動技術(shù)的優(yōu)缺點進行了比較，分析探討了電傳動的原理、牽引計算和主要設(shè)備參數(shù)。

收稿日期：2020-08-06

作者簡介：楊波（1979—），男，遼寧鞍山人，工程師，研究方向：軌道車輛。