一種“AC25kV+蓄電池”雙源制機(jī)車牽引電傳動系統(tǒng)

于保華

摘要：本文介紹了一種雙源制電力機(jī)車牽引電傳動系統(tǒng)，牽引電傳動系統(tǒng)關(guān)鍵部件及主電路結(jié)構(gòu)組成，對關(guān)鍵部件進(jìn)行了功能性描述。

關(guān)鍵詞：雙源制機(jī)車;網(wǎng)側(cè)電路;變壓器;變流柜;牽引電動機(jī)

引言

本文所介紹的機(jī)車是基于供電網(wǎng)受電式和蓄電池儲電式的雙源制“電—電”混合動力調(diào)車機(jī)車，采用清潔能源——電力作為調(diào)車機(jī)車的動力能源，具有綠色、環(huán)保、節(jié)能等技術(shù)優(yōu)勢，符合當(dāng)前國家建設(shè)資源節(jié)約型社會要求。

雙源制機(jī)車電傳動系統(tǒng)是由網(wǎng)側(cè)電路、牽引變流器和牽引電機(jī)等構(gòu)成。整車采用軸控驅(qū)動模式，機(jī)車軸式為（C0-C0），每臺機(jī)車配置2臺牽引變流器，額定交流輸入電壓為AC25000V/50Hz，牽引蓄電池額定電壓DC 1580V、容量1000kWh，接觸網(wǎng)供電時(shí)輪周功率2400kW，蓄電池供電時(shí)輪周功率2000kW。

1高壓電路原理

網(wǎng)側(cè)高壓電路包括了交流供電和蓄電池供電兩個(gè)部分。

交流網(wǎng)側(cè)高壓電路主要有受電弓、避雷器、高壓互感器、真空主斷路器、接地開關(guān)、接地回流裝置等組成，如圖1所示。

直流網(wǎng)側(cè)高壓電路主要由蓄電池、高速直流斷路器、熔斷器、轉(zhuǎn)換接觸器及其電壓電流傳感器等組成，如圖2所示。

交流供電模式時(shí)，交流電通過主斷路器后進(jìn)牽引變壓器，變壓器的次邊牽引繞組為兩重四象限提供電源，兩重四象限工作把中間直流電壓穩(wěn)定在DC1800V 給逆變模塊供電，兩重主逆變器輸出電壓及頻率可調(diào)的VVVF電壓驅(qū)動牽引電機(jī)工作。同時(shí)，中間直流回路給輔助逆變器提供電源。機(jī)車在交流模式下電制動時(shí)，牽引電機(jī)生成的電能直接反饋回電網(wǎng)。

蓄電池供電模式時(shí)，直流電通過高速斷路器、轉(zhuǎn)換接觸器進(jìn)入變流器中間回路。蓄電池供電時(shí)，四象限模塊不工作，兩重主逆變器進(jìn)行DC-AC變換，輸出電壓及頻率可調(diào)的VVVF電壓驅(qū)動牽引電機(jī)工作。機(jī)車在蓄電池模式下電制動時(shí)，牽引電機(jī)生成的電能經(jīng)每架的2、3重四象限第3橋臂給蓄電池充電，進(jìn)行儲能，充電控制采用恒壓限流模式。

庫內(nèi)充電電路主要包括庫內(nèi)充電插座，庫內(nèi)變壓器、不控整流器、預(yù)充電電路等，庫內(nèi)電路可實(shí)現(xiàn)庫內(nèi)動車及為蓄電池地面充電的功能，庫用電路如圖3所示。

牽引變流器集成了輔助逆變器模塊，輔助逆變器從并聯(lián)的中間直流回路取電，逆變輸出后經(jīng)隔離變壓器為輔助系統(tǒng)設(shè)備供電。在正常工況下，兩臺輔助逆變器分別提供變壓變頻（VVVF）和恒壓恒頻（CVCF）電源;某臺輔助逆變器故障或其他原因?qū)е履撑_牽引變流器整個(gè)被隔離時(shí)，另一臺輔助逆變器向整個(gè)輔助系統(tǒng)提供CVCF電源，且滿功率輸出。輔助電路原理如圖4所示。

輔助逆變器1輸出變壓變頻三相交流電，經(jīng)輔助變壓器1變壓、隔離、濾波后給4個(gè)牽引風(fēng)機(jī)、2個(gè)冷卻塔風(fēng)機(jī)、2個(gè)機(jī)械間風(fēng)機(jī)供電。

輔助逆變器2輸出3AC380V/50 Hz三相交流電，經(jīng)輔助變壓器2變壓、隔離、濾波后給機(jī)車壓縮機(jī)、水泵、油泵、空調(diào)等定壓定頻輔助負(fù)載供電。

2主變壓器

牽引變壓器采用臥式結(jié)構(gòu)，機(jī)車底架下掛式安裝。變壓器由1個(gè)25kV/50Hz的原邊繞組、6個(gè)牽引繞組和1個(gè)220V輔助繞組，以及2個(gè)諧波電抗器構(gòu)成。布置有壓力釋放閥、油流繼電器、溫度傳感器等裝置，具備壓力保護(hù)、油流保護(hù)及溫度保護(hù)等功能。

主要參數(shù)如下：

原邊電壓 ? ? ? ? ?25kV/50Hz

工作電壓范圍 ? ? ?17.5kV～31kV

牽引繞組電壓 ? ? ? 970 V

牽引繞組電流 ? ? ? 660A

牽引繞組漏感 ? ? ? 3.25mH±10%

二次諧振電感 ? ? ? 0.35mH±5%

輔助繞組容量 ? ? ? 80kVA

短路阻抗 ? ? ? ? ? 40%

3變流柜

變流器主電路采用3重二電平四象限PWM整流器+3重VVVF逆變器模式。由三重四象限PWM整流器、三個(gè)VVVF逆變器、一個(gè)輔助變流器組成。輔助變流器并聯(lián)到中間直流回路，輔助變流器輸出經(jīng)變壓器后給輔助設(shè)備供電。蓄電池充電機(jī)集成在四象限模塊內(nèi)部，由每架的2、3重四象限的第三橋臂并聯(lián)給蓄電池充電。

變流器模塊采用水冷散熱，冷卻液由純水和乙二醇按一定比例混合而成，通過柜體右下方的閥門輸入，對變流器模塊進(jìn)行冷卻，由柜體右上方的閥門排出;變流器安裝有一個(gè)水-氣熱交換器，與冷卻風(fēng)機(jī)集成在一起，用于變流器柜體內(nèi)部的空氣循環(huán)與降溫，防止出現(xiàn)局部過熱點(diǎn);變流器模塊、熱交換器與水冷管路全部采用快速接頭連接，方便快捷插拔，不需要排放冷卻系統(tǒng)中的冷卻液。

牽引變流器主要參數(shù)如下：

標(biāo)稱輸入電壓 ? ? ? ? ? ? ? ?AC970V

標(biāo)稱輸入電流 ? ? ? ? ? ? ? ?491A（在25kV時(shí)）

額定輸入頻率 ? ? ? ? ? ? ? ?50 Hz

中間電壓 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DC 1800V

標(biāo)稱輸出電壓 ? ? ? ? ? ? ? ?1400V

標(biāo)稱輸出電流 ? ? ? ? ? ? ? ?566A

最大輸出電流 ? ? ? ? ? ? ? ?588A

效率 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?≥97.5%

控制電壓 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DC110V

波動范圍 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DC77-137V

控制單元消耗功率 ? ? ? ? ? ?550W

冷卻方式 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?強(qiáng)迫水循環(huán)冷卻

輔助變流器主要參數(shù)如下：

額定輸入電壓： ? ? ? ? ? ? ?DC1800V

容量： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?100kVA

4濾波柜

每臺機(jī)車配備2個(gè)濾波柜，內(nèi)部由一個(gè)輔助變壓器，一個(gè)三相電容器，一個(gè)變壓器接地保護(hù)電路（包括斷路器，接地電阻，高頻濾波電阻電容）及通風(fēng)機(jī)組成。濾波柜可將輔助變流系統(tǒng)輸出的PWM波形整流成正弦波形。

輔助濾波柜主要技術(shù)參數(shù)如下：

額定輸入電壓 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? AC760V

額定輸出電壓 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 三相3.8～380V

輸出頻率 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 0.2～50Hz

額定輸出容量 ? ?   ? ? ? ? ? ? ? ? 250kVA

輸出波形 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 正弦波

輸出電壓諧波含量THD ? ? ? ? ? ? ? ?≤5%

冷卻方式 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 強(qiáng)迫風(fēng)冷

通風(fēng)風(fēng)量 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1.0m3/s

風(fēng)壓 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 400Pa

5牽引電動機(jī)

牽引電動機(jī)采用三相鼠籠式異步牽引電機(jī)，額定功率400kW。

主要技術(shù)參數(shù)

極數(shù) ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 4極

額定功率 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 400kW

額定電壓 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1400V

額定電流 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 566A

啟動電流 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 588A

額定轉(zhuǎn)速 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1499r/min

最大轉(zhuǎn)速 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2888r/min

額定轉(zhuǎn)矩 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 7950Nm

效率（額定工況） ? ? ? ? ? 0.949

功率因數(shù) ? ? ? ? ? ? ? ? ? 0.937

懸掛方式 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 滾動軸承的抱軸式懸掛

冷卻方式 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 強(qiáng)迫風(fēng)冷

6結(jié)語

雙源制電力機(jī)車具有接觸網(wǎng)供電和牽引蓄電池供電兩種制式，既能在架設(shè)接觸網(wǎng)的地段運(yùn)行，又能在無電區(qū)地段以蓄電池為動力源運(yùn)行。與單純的蓄電池電力牽引機(jī)車相比，無需頻繁大量更換蓄電池，減少了維護(hù)費(fèi)用，達(dá)到高效節(jié)能。

采用接觸網(wǎng)供電和大容量蓄電池組儲電的雙源制機(jī)車以其環(huán)保、高效、節(jié)能的技術(shù)優(yōu)勢，將成為機(jī)車未來的發(fā)展趨勢。

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