HXD1D型机车无动力回送辅助系统供电研究

闫柏辉，陈 湘，王亚敏

（1.株洲中车时代电气股份有限公司，湖南 株洲 412001；2.长沙师范学院，湖南 长沙 410100）

0 引言

在乌鲁木齐机务段的运行区段内，夏季最高气温达47℃左右，地表最高温度达80℃以上，冬季最低温度达零下40℃左右[1]，运行环境气温偏差较大。但机车新造接车、高等级维修和发生故障回送维修时，回送机车全部设置为无火回送模式，根据《铁路机车无火回送处理办法》的规定，机车无火回送的过程中严禁升弓、合闸，故机车通风、烧水、热饭、取暖和照明等基本生活设施无法使用，值乘乘务人员防寒保温、防暑降温、基本生活条件和工作环境十分恶劣。

本文针对严寒、高温环境下，以不影响机车正常回送为前提，研究和设计出回送升压隔离装置及控制软件程序系统，最大地减少改造量，在不升受电弓和没有外电源引入状态下，利用牵引电机再生制动发电，稳定牵引变流器的直流电压，再利用辅逆模块逆变输出三相交流电压，给机车辅助设备、设施供电，提升乘务员工作环境和生活质量。

1 HXD1D电力机车简介

根据HXD1D型机车整体制造设计，该车设计速度160km/h，总功率7200kW。该车型采用主辅一体化的主电路模式，也就是牵引变流器和辅助变流器共用一个直流回路，使变流器结构更紧凑，具有更高的可靠性。牵引变流器的辅逆模块将稳定的DC3600V的直流电压逆变输出三相PWM电压，通过柜外的降压变压器（变比1672V：440V）以及其漏感组成的LC滤波器，将 PWM电压滤为准正弦波电压给辅助负载供电。其主电路示意图见图1[2]。

图1 主牵引电路和辅助电路功能示意图Fig.1 Schematic diagram of themain traction circuit and auxiliary circuit

2 无动力回送途中发电方案研究

2.1 方案选择

为解决机车无动力回送状态无外电源供电的情况下，将机车设计配置的基本生活设施能够正常运转，根据机车设计原理预想方案主要有以下四种：

方案一：采用太阳能发电，需设计专用太阳能发电设备，同时必须在机车顶部进行加装。

方案二：采用风力发电，需设计专用风力发电设备，同时必须在机车顶部进行加装。

方案三：安装专用电机发电，根据机车走行部转速传感器安装尺寸设计，制造专用电机进行发电，设备必须在机车走行部轮轴轴头上进行加装。

方案四：利用机车牵引电机发电，将牵引电机由电动机转变为发电机，机车顶部及走行部无需加装设备，利用车内预留空间加装升压转换设备和电路改进即可。

其中方案一、方案二和方案三存在主要问题是：设备独立配置，总体尺寸较大，必须在库内由专业人员进行安装，安装困难且时间较长，设备全部车外安装，存在脱落的安全隐患，同时还存在配置地点、配置数量、配置后管理等一系列问题。方案四主要问题是：如何给牵引电机提供励磁电流，实现电动机转变为发电机，牵引电机发电后如何控制输出电压和电流的稳定，但该方案设备随车安装，只进行转换操作即可。

综合分析各方案利弊，最终采用方案4。根据HXD1D型机车的牵引变流器主辅一体化的设计特点，为无火回送发电系统的设计提供了一定的基础，通过对机车整体电路分析、机车结构布局、无火回送操作方法和回送途中需投入使用的设备功率等因素综合分析，为有效利用机车整体设备功能发挥和电路设计布局，保证已调整好的无火回送操作模式不受影响，机车能够在无火状态下正常回送，最小化的改进机车控制模式和完成装置的设备加装工作。

2.2 牵引电机再生制动原理

当牵引电机实施再生制动时，机车的动能经过齿轮传动，输出到异步电机的转子，将机械能转换为交流电能。当电机工作于再生发电状态时，电机内部将发生以下变化过程：牵引变流器拖动电机降速，电机转子的旋转速度超过给定频率下的同步转速，造成转子切割磁力线的方向。由于转子电流的励磁分量不会发生变化，所变化的只是转子电流中的转矩分量，而转子电流转矩分量的变化又引起定子电流转矩分量的变化。牵引变流器直流环节吸收制动电能，稳定直流电压，便于辅逆输出三相交流电压。

由于牵引电机需要从牵引变流器侧吸收励磁电流以建立电机内部磁场，维持电机的运转。因此需要牵引变流器先输出逆变变压，之后才能进入再生制动状态。在不升弓的情况下，机车上只有DC110蓄电池电压，因此只能利用该电压来建立输出电压。而在直流电压只有110V的情况下，根据式（1）[3]得出输出电压为0.78，通过计算得到为85.8V。

式中：UAB—输出线电压；Ud—直流电压。

牵引电机一般采用三相异步电机，异步电动机的T型等效电路[4]见图2。定子电流为：

式中：U1—定子电压；E1—定子绕组感应电动势；r1—电子电阻；x1—定子漏电感。

图2 异步电机T型等效电路Fig.2 Asynchronous motor T-type equivalent circuit

在该电压的情况下，定子电流不足以驱动电机旋转。因此需要将DC110V电源通过升压斩波装置，将直流电压升高到可以建立励磁电流，再通过逆变模块实现四象限整流的功能，将牵引电机电压再生制动升高到DC1800V，满足辅逆的逆变输出电压需求。

在斩波升压装置中，假设内部的升压电感电流连续时，斩波输出电压与输入电压满足公式（3）的关系。

式中：VO—斩波输出电压；VS—输入电压；D—占空比。

2.3 再生制动能量计算以及辅助功率负载

机车在无火回送模式下，由它车拖动运行。假设n为牵引电机的转速（r/min），J为转动惯量（kg·m2），则牵引电机具有的动能为

式中：W—牵引电机再生发电功率。

当牵引电机的速度从n1减速到n2时，释放的能量为：

无火回送的发电基本原理就是将机车的动能转换为电能以维持本车的中间直流电压稳定，并为辅助系统供电。假设W2为整个过程中因阻力、效率等所损耗的能量，W2为辅助负载所需要的能量[5]。根据能量守恒原则，则有：

机车无火回送需要投入的设备有：

（1）控制系统正常工作（CCU、MIO、CIO、IDU、TCU 均需上电）。

（2）无火回送装置对应牵引变流器所带水泵、油泵、牵引风机、辅助滤波柜风机、冷却塔风机投入工作。

（3）充电机、冰箱、空调装置、电风扇、电炉子、微波炉、车内照明灯和充电插座投入工作。

上述负载可以解决乘务员机车回送途中照明、烧水、热饭、食物储藏、防暑降温和防寒取暖等问题，通过计算最大辅助负载的功率为83.7kW。

2.4 无火回送工作逻辑说明

机车无火回送模式下，乘务员只需按如下步骤进行操作，机车负载就能实现供电，其功能实现示意图如图3所示。

（1）将蓄电池的DC110V电源通过升压装置进行升压，输入到牵引变流器，为中间回路支撑电容预充电；

（2）控制系统利用预充电的能量，完成电机预励磁，牵引电机工作在再生制动状态下，将中间电压整流到DC1800V。

（3）在一定运行速度之上，牵引变流器控制系统释放辅逆脉冲，辅助负载就能正常工作。

图3 无火回送发电模式功能示意图Fig.3 Schematic diagram of the function of no fire return power generation mode

3 无动力回送发电系统试验验证

3.1 库内静态高压试验

为了验证升压装置通过蓄电池为牵引变流器中间直流回路供电功能，多次对中间直流回路进行升压试验，升压装置功能正常，能够将直流电压斩波到400V，升压波形见图4所示。

3.2 线路试验

图4 无火回送发电预充电升压波形图Fig.4 No fire return power generation pre-charge boost waveform diagram

图5 无火回送发电励磁过程中间电压升压波形图Fig.5 Middle voltage boost waveform diagram of excitation process without fire returning power generation

机车运行速度达到30km/h时辅助逆变器带负载启动，中间电压会稍微下降，随即快速恢复到目标值，低于该速度辅助逆变器无法带载启动。机车运行速度达到35km/h时辅助逆变器带负载启动，中间直流电压基本保持恒定，见图5。根据公式（4）可以看出，速度越高，具有能量越大，再生制动效果越好。

4 结束语

本文针对HXD1D机车在严寒、高温环境下，机车无火回送时，通过设计和研究出无火回送发电系统，实现了机车设计配置的基本生活设施正常运转，提升了乘务员工作环境和生活质量，防止严寒冻伤或高温中暑事件的发生，消除人身安全事故隐患，大幅度的改善在机车无火回送过程中乘务员的工作环境和质量，真正体现了以人为本的理念。