ZER9双动力工程车电气系统设计

2020-05-05

中国新技术新产品 2020年4期

（中车株洲电力机车有限公司，湖南株洲 421001）

0 引言

目前，工程车多采用DC1500V、DC750V、蓄电池及组合供电模式，适用于地铁线路。在25 kV 电气化线路建设期间，接触网未通电，户外条件受限，只能用内燃机供电特殊环境条件下，研制能同时满足在25 kV 接触网下开展接触网检测作业的工程车有着重要意义，因此，研制由AC25kV 和柴油发电机组供电的双动力工程车电气系统有着重要的实际运用需求及推广运用前景。双动力工程车参数包括4 个方面。1）轮周功率：接触网供电时为400 kW，柴油发电机组供电时为150 kW。2）最高速度：接触网供电时为100 km/h，柴油发电机组供电时为60 km/h。3）持续速度：接触网供电时为28.8 km/h，柴油发电机组供电时为10.8 km/h。4）起动牵引力（0~5 km/h，干燥无油轨面）：50 kN。

该文研究了双动力电气系统在既有机车及工程车平台的基础上进行技术创新的成果[1，3]，介绍了电气系统基本构成以及主要技术特点，该电气系统具有高压网侧柜、双电源共用整流器、主辅一体、控制系统冗余等特点。

1 主传动系统

主传动系统主要由网侧供电设备、柴油发电机组、牵引变流器与牵引电机等部件组成。其中网侧供电设备由受电弓、车顶避雷器、高压柜（避雷器、真空断路器、高压互感器等设备）、变压器和接地回流装置组成。主传动系统原理图如图1 所示。

当工程车处于接触网受流工况时，接触网AC25kV 经过受电弓，真空断路器、牵引变压器向牵引变流器供电，经过预充电电路、4QC 整流、中间直流环节，逆变后向牵引电机提供能量。高压电压互感器、原边电流互感器和回路互感器用于检测网侧回路的电压和电流，用于牵引控制单元（TCU）的控制、保护功能，同时给检测设备提供电压和电流数据参考。当工程车处于柴油发电机组供电工况时，柴油发电机组经过输出开关向牵引变流器供电。牵引变流器经整流模块、中间直流环节和牵引逆变器向牵引电机供电。该型工程车设置了2 个避雷器，一个避雷器安装在车顶，另一个安装在网侧柜，这样可以尽可能地降低冲击电压对车辆造成的影响。

牵引变压器包括2 个牵引绕组和1 个谐振电抗器。变压器牵引绕组为AC830V 的电源，分别向牵引变流器的两路整流回路供电。谐振电抗器与变流器内的谐振电容组成滤波回路，提高电源品质，同时减少电制动对公网的影响。

牵引变流器包含1 个整流模块、2 个牵引逆变模块和1 个辅助逆变器[4]，逆变模块由一个牵引控制单元（TCU）集中控制，向一个转向架的2 台异步牵引电动机供电。当某一转向架的电机故障时，可以切除一个逆变模块，仅由一个逆变模块向一个转向架的2 台牵引电机供电，从而实现机车架控模式。电制动时，电机将机械能转换为电能，经过逆变器、中间直流环节、整流模块和变压器使电能回馈到电网。

图1 主电路原理

研究2 种供电模式下牵引电路的集成设计及其电路的匹配方式，成为由AC25kV 和柴油发电机组供电的双动力工程车设计的重要内容。

针对AC25kV 和柴油发电机组2 种供电模式，工程车采用集成控制电路，通过软件控制接触器实现2 种供电模式的平滑切换。并在硬线电路中使用真空断路器和柴油发电机组输出开关的辅助触点，实现供电模式控制的硬线互锁，避免2 种供电模式同时存在，提高系统的安全性和可靠性。同时，在柴油发电机组模式下具备升弓的能力，可以满足业主进行接触网检测冷滑作业的要求。

2 辅助电路

考虑系统的集成度，采用主辅一体的变流器，辅助逆变器与牵引逆变器共用中间直流环节，逆变器输出AC380V/50 Hz 电压，经隔离变压器向辅助负载提供AC380V/50 Hz 的电源。辅助配备滤波电容，减少辅助电源的谐波，以保证电源的输出品质。同时，辅助回路设置接地检测装置，一路用于AC380V 回路接地检测，另外一路用于AC220V 回路接地检测，如图2 所示。

AC380V 负载主要包括主压缩机、主变压器油泵、主变压器风机、牵引逆变器冷却风机、暖风机、空调和控制电源柜等设备。AC220V 负载主要包括窗加热、检测设备、低压柜风扇等。

3 控制系统

双动力工程车具有2 种供电电源，控制系统需对2 种供电模式进行控制，并进行2 种供电模式下的互锁控制。因此，控制系统相对复杂。控制系统主要完成对主传动系统、制动系统、辅助系统等主要设备的控制、设备监控、事件记录ERM、人机界面HMI 以及整车故障信息的提示。控制系统采用MVB总线进行通信，A、B 线冗余，分布式总线控制，中央处理单元集中控制，分布式的信号采集及指令执行。执行设备主要包括CIO（司机室输入输出设备）和MIO（机械间输入输出模块），由数字量输入模块、数字量输入输出模块、模拟量输入输出模块构成。车辆控制单元VCU 冗余配置，热备冗余，其中一个VCU 故障时，另一个VCU 自动接管整车控制。子系统主要包括制动控制单元BCU，牵引控制单元TCU。

4 主要技术特点

4.1 网侧设备柜设计

未来优化高压设备的结构及布置，将高压互感器、真空断路器、接地开关和避雷器集成到网侧设备柜，改善高压设备的工作环境，以免出现因为灰尘、污染造成高压设备绝缘性能降低等问题，使其可以更好的适应户外作业环境条件。同时，减少了车顶设备，方便汽车运输，仅拆除受电弓及车顶避雷器即可满足运输要求。

图2 辅助电路原理

4.2 双电源供电的变流器

接触网供电时，变流器输入为单相AC830V，经整流模块整流升压到DC1500V。而柴油发电机组输入为三相AC690V，分别接入整流器的3 个桥臂，中间电压为DC880V，因此需选用支持2 种电压的等级整流模块。

2 种供电模式共用一套整流器及中间直流环节。在接触网AC25kV 供电模式下，经预充电电路，整流模块开关元件动作，为中间直流环节电容充电，将单相电源整流成DC1500V。在柴油发电机组供电模式下，变流器根据柴油发电机组输出接触器的状态，发送励磁允许信号，发电机逐渐升压，经整流模块二极管整流[2]，为中间直流环节电容充电，完成三相电源的整流。结合整车控制电路，通过硬件互锁和软件互锁，防止双电源同时供电。双电源供电对变流器的控制提出了更高的要求。