双源制机车电气系统设计_陈奎.pdf

年第期双源制机车电气系统设计陈奎，康明明，王秀玲，李先岭，罗晓娟，张鹏，黄轩滔（中车株洲电力机车有限公司，湖南 株洲 ）摘要：双源制机车采用接触网蓄电池作为动力源的方式，用于配备电气化接触网系统及无接触网的铁路轨道上运行，可进行货运、调车、地铁车辆应急牵引。铁路轨道标称电压为 ，机车接触网模式下设计时速 、蓄电池模式下设计时速 。本文介绍了该机车主要技术特点、总体技术参数，并对主传动系统、牵引蓄电池系统、辅助系统原理及结构、控制系统保护等方面进行了说明与介绍。关键词：双源制；技术参数；原理中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，：；基金项目：项目名称：香港 线机车研制，项目编号：作者简介：陈奎（）男，汉族，重庆市人，本科，工程师，研究方向：机车电气系统。概述轨道交通的发展中，市场对接触网蓄电池双源制机车的需求日益增加，同时对机车的性能也提出了新的要求，研发设计一种适用于直流电气化线路与非电气化线路的双源制机车，满足特定区域性的电气化及非电气化铁路、站场的货物运输、调车、地铁车辆应急牵引的需求。机车主要技术特点机车采用双司机室、双外侧走廊、单受电弓结构。主要技术参数如表。表机车主要技术参数轮轴功率电制功率最高运行速度启动牵引力最大电制力牵引电压范围接触网 蓄电池 接触网 蓄电池 接触网 铅酸电池 锂电池 该机车主要技术特点如下：机车能够以额定功率、在当地环境温度可达 条件下，连续低速在隧道内运行；机车上配备铅酸富液式电池或钛酸锂电池，同时实现两种电池的互换；电气系统采用牵引系统、辅助系统一体集 成 结 构，网 络 控 制 系 统 采 用 以 太 网 的通讯方式；设备布置采用双端司机室、双外侧走廊结构，预布线、布管设计；制动系统采用微机控制的电空制动机，同时实现空电混合制动；机车配备与地面远程无线数据传输功能。该机车设计充分调研海内外需求及运营模式的发展需求，充分考虑动力系统、受电弓、主断路器、变流系统、辅助系统、网络系统的匹配性，为后续接触网蓄电池双源机车设计提供参考。牵引传动系统牵引传动系统堪称机车的心脏，主要由网侧电路、变流系统及相关控制电路构成。网侧电路包含受电弓、避雷器、接地开关、快速断路器等，变流系统包含逆变模块、线路电抗器、斩波电抗器、斩波模块等。牵引传动系统原理图如图。图牵引传动系统原理图DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.01.036内燃机与配件 接触网供电模式机车设置为接触网供电模式后，网络控制系统闭合接触器。一方面可为机车牵引、辅助负载供电；此外，闭合接触器，可为牵引蓄电池充电。接触网电源经受电弓、接地开关、主断路器后进入变流器直流回路，两个独立的牵引逆变器均从同一个直流回路取电，通过 逆变输出三相变压变频电源供给牵引电机。当机车处于电制动工况时，牵引电机处于发电状态，牵引电机发出的三相交流电通过逆变器反向整流成直流电，反馈给接触网或牵引蓄电池，当反馈能量超过接触网或牵引蓄电池需要时，通过制动电阻消耗。牵引蓄电池供电模式机车设置为牵引蓄电池供电模式后，网络控制系统闭合接触器。机车主电路由铅酸富液式电池或钛酸锂电池系统、变流系统和牵引电机组成直交传动系统。牵引工况下，牵引蓄电池系统通过放电回路供电给牵引变流系统，经个独立的牵引逆变模块和个辅助逆变模块分别供给牵引和辅助供电。电制动时，通过变流系统给牵引蓄电池充电。库内供电模式机车进行库内供电时，库内 电源经库内充电插座供电牵引变流器，相序检测正常后，进行库内电源预充电，该电源分成个部分：经过整流模块整流直流，经过降压斩波充电系统向牵引蓄电池充电；直接向辅助负载供电。牵引蓄电池系统机车设有两类牵引蓄电池：铅酸富液式电池、钛酸锂蓄电池，并实现两种蓄电池在机车上的互换。两种牵引蓄电池可实现在有网区下静态、动态充电，同时实现库内充电、电制动回馈充电。铅酸富液式电池整车铅酸富液式电池额定容量 （），并满足 要求；整车共设置箱富液式蓄电池组，每箱单体数量 只；蓄电池组标称电压为 ，单体标称电压；加液周期个月。图铅酸富液式电池工作原理示意图如图所示，整车牵引蓄电池由箱富液式蓄电池组串联而成，隔离开关断开时，可将电池电压隔离成个标称 蓄电池组；隔离开关闭合后，电池电源总正极经熔断器、电流传感器、接触器、高速断路器等器件后向机车直流母线直接供电，电流经负极熔断器后回到蓄电池总负极；同时牵引蓄电池充电机可为牵引蓄电池进行充电。铅酸富液式电池单独配置 系统，采用单箱检测方式，蓄电池容量检测主机采集单箱电压、单箱温度以及整车电流信号，通过安时积分法，计算蓄电池剩余容量，蓄电池容量显示屏上显示剩余容量、电池组电压、电流以及单箱电压、单箱温度。同时设置整车蓄电池过压、欠压、低容量、过流等报警与保护，单箱过压、欠压、超温等报警与保护。有效保障电池系统的安全工作。钛酸锂电池钛酸 锂 电 池 系 统 额 定 电 压 为 、容 量 为 ，蓄电池输出额定功率 ，整车共配置个钛酸锂电池箱，箱串联成组，组并联输出。单体钛酸锂电池参数见表。表单体钛酸锂电池参数额定电压额定容量 充电截止电压放电截止电压循环寿命 使用范围 钛酸锂电池系统主回路包括接触器、电池模组、熔断器、电流传感器等器件。接触器实现电池系统与外部线路通断控制，实现系统的启动投入及故障保护切除。正负线各串联一个熔断器，实现过载及短路保护。电流传感器用于检测充放电电流，实现电池管理系统相关控制保护功能。每组并联蓄电池组正负极设置一个差分电流传感器，正负极电流差值大于固定值时，系统进行报警。钛酸锂电池工作原理示意图如图。图钛酸锂电池工作原理示意图 年第期钛酸锂电池配置自动灭火系统：每一个电池箱配备有防火、灭火系统，该防护系统由火情探测器、消防主机（含七氟丙烷灭火剂、控制器）、灭火剂输送管道组成。其主要功能是实现电池箱内部早期火灾感知和智能判断、抑制初期火灾、自动灭火等，保证每个电池箱的消防安全。钛酸锂电池系统设置外部短路、内部短路、电芯过充、电芯过放、电芯过热、电芯热失控、隔离支路投入逻辑等保护，有效保障电池系统的安全工作。辅助系统机车采用主辅集成方式设计，辅助逆变模块取电于网侧电路或牵引蓄电池输出电路，经逆变后以定频方式输出供给辅助负载。辅助逆变器输出三角形交流电源，容量为 ，经辅助变压器隔离、滤波后输出 星形交流电源。辅助负载主要包含以下三类负载。（）负载主要包含：压缩机、空调、控制蓄电池充电机、牵引蓄电池通风机、列车供电。每路负载均设置保护开关进行保护。（）负载主要包含：司机室插座、窗加热装置、机械间蓄电池通风机、高压柜散热风扇、低压柜散热风扇。（）负载主要包含：机车各相关控制系统、照明系统。网络系统机车网络控制系统主要完成对主电路、制动系统、辅机系统主要设备的控制、监控、以及整车故障信息的提示。机车牵引和制动、运行信息、主要设备状态监视和诊断系统采用分布式总线的控制方式。机车网络控制系统采用传输介质的 网络平台。网络控制系统采用两级总线拓扑结构，列车级控制采用 通信，车辆级控制采用多功能车辆总线 通信。列车级 通信能够减少传统 在长距离单芯硬线上信号传输的失真，提高通信质量。网络控制系统采用中央集中控制与管理、分布采集与执行的方式。由网关模块 、车辆控制模块 、事件记录模块 、数字量输入输出模块 、数字量输入模块 、模拟量输入输出模块 和显示器 等构成。网络控制系统通过 与传动控制单元 、制动控制单元 、轴报系统、充电机、无线传输装置、蓄电池容量管理系统 等通信。机车网络拓扑如图。图机车网络拓扑从功能上讲，网络控制系统主要有以下控制功能：电源 分 配：控 制 蓄 电 池 充 电 机 从 辅 助 电 路 获 取 交流电，输出 直流电，送给各低压控制部件、逻辑控制电路、以及网络模块。驱动仪表显示：采用 或 驱动仪器仪表，并通过网络计算、通信等方式，显示网压、速度、里程、蓄电池工况、辅助系统状态、各气缸压力、制动状态、故障提示信息等。司控器控制：牵引制动工况监控、速度监视。方向和钥匙控制：向前、向后、无方向，机车操作端占用控制。辅助系统控制：完成受电弓、主断路器、压缩机、风机、照明系统、信号系统等设备的控制。变流器及电机控制：控制变流器的启停、监视及电机的隔离。保护逻辑控制：对机车重要部件做保护处理，防止设备过压、过 流 等 原 因 造 成 的 设 备 损 坏 以 及 潜 在 的 安 全危险。系统监控及故障提示：机车监视挂网子系统的设备状态并进行诊断，同时将故障信息进行显示。结语香港 线双源制机车集成了多种供电方式与充电方式，牵引蓄电池供电可实现机车在无网区的正常牵引及在有网区的应急牵引，同时实现机车在接触网下静态、动态为牵引蓄电池充电。机车配置的两种蓄电池实现互换，满足机械接口、电气接口、网络接口的兼容性，可进一步深入研究不同蓄电池在同一机车运用上的优劣。机车首次采用 的通信方式进行外重联，满足了在实际运行编组中通过长距离单芯硬线传输数据的稳定性，减少了传统 外重联传输在单芯硬线上信号的失真。装有铅酸富液式电池机车、钛酸锂电池机车已完成调试和试验验证，均能满足香港 线恶劣环境的要求，为后续香港等国内外机车研制与运用奠定良好基础。参考文献：刘斌出口德国的混合动力调车机车设计铁道技术监督，（）：，秦庆民 德铁柏林混合动力调车机车电气系统设计 中国新技术新产品，（）：王秀玲 四轴双源制电力调车机车动力系统设计铁道技术监督，（）：郭婉露广州新线蓄电池电力工程车电气系统设计 电力机车与城轨车辆，（）：樊运新 高殿柱 双源制电力牵引调车机车的研发电力机车与城轨车辆，（）：