3 000 马力混合动力调车机车牵引系统轴控架控兼容性研究

魏 宏，曹富智，温吉斌，邓 岳

（中车大连机车车辆有限公司 技术开发部， 辽宁大连116022）

目前国内、国外交流传动机车牵引系统普遍采用轴控或架控的方式，对于这2 种方式的牵引系统来说，各有特点。不同的机车产品对牵引系统的适用性存在差异，而3 000 马力（2 237 kW）混合动力调车机车作为新一代的“绿色环保”型调车机车，对机车牵引系统提出了节能、可靠、空间紧凑的要求。在满足性能和可靠性要求的前提下，开展轴控和架控技术在同一个机车上的兼容性研究，可以在更高的维度上拓展实现机车牵引系统的平台化，丰富用户的选择，提升机车产品的市场竞争力。

1 概 述

3 000 马力（2 237 kW）混合动力调车机车采用柴油机和动力电池做为双动力源，其目标市场功能定位为国内调车机车的典型工况，即推峰作业、牵出作业、编组作业和客车推拉作业工况。与当前既有的4 400 马力（3 281 kW）交流传动调车机车形成功率等级上的高低搭配，既提升调车机车使用的区域经济性，又在传统内燃调车机车的基础上加强了“绿色环保、节能减排”的时代特色。

1.1 机车牵引性能主要参数

为了满足调车机车的运用需求，设计机车齿轮传动比91∶16，起动牵引力560 kN，持续牵引力540 kN，最大电制动力300 kN，恒功速度范围12.6～100 km/h。这些性能指标和搭配大容量动力电池所带来的空间紧凑问题都对机车的牵引传动系统提出了很高的设计要求。

1.2 牵引传动系统轴控和架控的对比

在轨道交通产品交流牵引传动系统中，轴控和架控均有广泛的应用。细分到文中所述的调车机车领域，当前国内批量使用的交流传动调车机车为HXN5B与HXN3B机车，他们分属轴控和架控。受限于主发电机输出绕组和励磁绕组的制造难度以及发电机的体积限制，很难输出6 套独立的中间直流环节，使之与轴数对应，一般只能输出1～2 个中间直流环节。所以轴控在调车机车上的应用，一般是指独立的牵引逆变器控制独立的牵引电动机，但中间直流环节还是需要共用的。轴控和架控的基本对比见表1。从性能上来说，当前机车的黏着性能更多地依赖于精准的算法和高速实时通讯，近年来相同技术条件下的轴控和架控和谐型交流传动机车的黏着性能都可以达到40% 以上［1］。轴控相比于架控来说的优势在于当单个牵引电机故障时，损失的动力较小，方便维持运用，也利于平台下采用永磁牵引电动机。另一方面，架控因为在变流元器件及配套控制器件的数量上仅为轴控的1/3，变流器的故障率及成本相对较低。综上所述，轴控和架控都有各自的优势和劣势，开展兼容性研究更加有利于调车机车平台化设计。

表1 轴控与架控的对比

2 牵引传动系统兼容性研究

2.1 牵引传动系统的功能划分

本着平台化、模块化的设计理念，机车牵引传动系统电气拓扑采用2 路中间直流环节，将动力电池及其配套充放电装置与主发整流、牵引逆变分离。机车动力电池配套的充放电装置采用双向DC/DC 的方式。牵引传动系统兼容轴控和架控，最大程度上保证轴控和架控方案的一致性。轴控和架控的电气拓扑如图1 所示。在物理结构上，将整流和逆变等传统内燃机车变流器件集成在一个牵引变流器内，将双向DC/DC 独立出去与动力电池逐个配套成装配结构，使得模块化牵引变流器可以适应不同能量源调车机车的需求，也有利于平台下开展不同能量源的灵活配套。

图1 机车轴控和架控牵引传动系统拓扑图

2.2 牵引传动系统电气原理

按照机车的功率等级及中间直流的个数，设计机车中间直流电压为1 800 V［2］。2 个中间直流环节完全相同，各自对应1 个转向架动力。具体原理如图2、图3 所示。其中轴控的单个中间直流环节由1 个主整流加制动斩波模块、2 个电池充电模块和3 个逆变器组成；架控的单个中间直流环节由1 个 主 整 流 模 块、2 个 电 池 充 电 模 块、1 个UV 相 模块和1 个W 相及制动斩波模块组成。轴控和架控方案的主发电机、牵引电机、动力电池、制动电阻、电池充电模块完全相同。2 种方案的主整流和制动斩波的电气性能一致，理论上可以采用相同模块。但是考虑到各自方案的模块损耗分配及模块集成度等因素，在轴控方案中，可以将制动斩波和主整流集成在一起；但在架控方案中将主整流单独成模块，而将制动斩波和W 相逆变集成到1 个模块中。

图2 机车轴控牵引系统原理

图3 机车架控牵引系统原理

2.3 主要部件参数

文中重点将放在牵引传动系统中的电机及牵引变流器的轴控、架控兼容性上，动力电池及配套双向DC/DC 不予详述，但动力电池及其配套装置均按1 800 V 中间直流电压等级进行设计，以配套牵引变流系统。

2.3.1 主发电机

配套机车1 250 kW 装车功率的6240H 型柴油机和1 800 V 中间直流电压等级，选配了额定转速1 000 r/min 的自通风单轴承支撑主发电机，为了提升电压和功率的响应速率，励磁方式采用有刷励磁。该主发电机主要技术参数见表2。

表2 主发电机主要技术参数

2.3.2 牵引电机

牵引电机在平台化，简统化转向架的要求下，沿用FXN3B型调车机车的三相鼠笼式异步电动机，在对外接口上与批量运用的HXN3B型调车机车保持一致，额定功率324 kW，采用双端绝缘轴承，传动端采用圆柱滚子轴承，非传动端采用球轴承。润滑方式为了适应调车机车运行的特点，采用脂润滑，不仅可以克服低速润滑不良问题，也因取消通大气孔，降低油脂污染的可能性，提高油脂的使用寿命。该牵引电机的主要技术参数见表3。

表3 牵引电机主要技术参数

2.3.3 牵引变流器参数

机车牵引变流器包含主发整流、牵引逆变、制动斩波等功能，轴控和架控牵引变流器在对外接口上保持一致。根据主发电机和牵引电机的参数设计牵引变流器的参数见表4，参数均按单个中间直流环节表述。

2.4 牵引变流器兼容性研究

2.4.1 主发整流

根据表4 参数，主发整流输出电流IDC=335 A，则计算可以得到主发整流的桥臂电流Ik为式（1）：

表4 牵引变流器主要技术参数

选用整流二极管考虑电流余量，可以选择650 A二极管，考虑损耗和封装大小，采用1 200 A 二极管比较合适。因机车中间电压VDC=1 800 V，考虑经验系数，推荐轴控和架控二极管均采用3 300 V等级。如考虑库存及采购周期因素，也可以采用4 500 V 等级。

2.4.2 中间直流电流计算

根据机车最大功率输出时的工况，此时柴油机输出功率Pe=1 250 kW，动力电池输出功率Pb=1 260 kW，中间直流电压为VDC=1 800 V，可知单架中间直流最大电流为式（2）：

式中：η1为主发电机效率；η2为主整流效率。

依据该电流选择轴控和架控的中间直流环节部分器件的电流裕度。

2.4.3 牵引逆变

根据表4 的牵引逆变额定输入电压1 800 V，牵引逆变的IGBT 采用3 300 V 电压等级。又根据表4 的牵引逆变持续点轴控输出电流282 A 及架控846 A，分别对轴控和架控进行IGBT 电流选型。

（1）轴控牵引逆变

在轴控方面，IGBT 的选型考虑电流裕量，可以选择600 A 和800 A 这2 种规格。3 300 V/600 A为双管封装，可以大幅度减小逆变器的体积和质量。但是因其为新品IGBT，配套供货及成本存在一定风险，所以暂不采用。

选 用6 个3 300 V/800 A 的IGBT 组 成1 个 轴 控三相逆变桥，按照牵引电机持续点工况进行仿真计算。设定逆变输出频率Fo=10.7 Hz，IGBT 开关频 率Fc=300 Hz，散 热 片 温 度Ts=80 ℃。 采 用CM800HC-66H 型IGBT 进行仿真，仿真结果如图4所示，根据图4 的仿真结果可知，每个IGBT 的功耗为521 W。IGBT 最高结温92.9 ℃，二极管最高结温为87.3 ℃，温度裕量充足。

图4 3 300 V/800 A 轴控逆变仿真

（2）架控牵引逆变

在架控方面，考虑安全裕度选择1 800 A 的IGBT，选用6 个IGBT 组成1 个架控三相逆变桥，按照牵引电机持续点工况进行仿真计算。设定逆变输出频率Fo=10.7 Hz，IGBT 开关频率Fc=300 Hz，散热片温度Ts=80 ℃。采用CM1800HC-66X 型IGBT 进行仿真，结果如图5 所示。根据图5 的仿真结果可知，每个IGBT 的功耗为1 395 W，IGBT 最高结温98.7 ℃，二极管最高结温为92.7 ℃，温度裕量充足。

图5 3 300 V/1 800 A 架控逆变仿真

另一方面，为了进一步降低成本，也同步研究封装与1 800 A 相同的1 500 A 的IGBT 可行性。采用6 个IGBT 组成1 个三相逆变桥，按照牵引电机持续点工况进行仿真计算，设定条件与1 800 A的IGBT 一致。采用CM1500HC-66R 型IGBT 进行仿真，仿真结果如图6 所示。根据图6 的仿真结果可知，每个IGBT 的功耗为1 577 W，IGBT 最高结温105.9 ℃，二极管最高结温为96.1 ℃，温度裕量足够。

图6 3 300 V/1 500 A 架控逆变仿真

对 比1 800 A 和1 500 A 的IGBT，2 种 方 案 均可以满足机车的要求，为了更大的设计裕量可采用3 300 V/1 800 A 电流等级的IGBT，但也可以进一步研究成本和可靠性裕度的平衡。

2.4.4 电制斩波

根据表4 的电制斩波输入电压1 800 V，最大输出电流360 A，选择3 300 V/1 000 A 规格的IGBT。由2 个IGBT 组成1 个斩波电路，采用CM1000HC-66R 型IGBT 进行计算，按照机车最大工况设定占空比M=0.97，IGBT 开关频率Fc=300 Hz，散热片温度Ts=80 ℃，计算结果见表5。

表5 电制斩波仿真计算结果

轴控和架控电制斩波电路均可以采用3 300 V/1 000 A 的IGBT，在轴控方案中将电制斩波与主发整流集成在一个功率模块中，而架控方案将电制斩波和牵引逆变的W 相集成在一个功率模块中，在成本允许的基础下，可以考虑简统采用3 300 V/1 800 A 的IGBT 做为斩波元件，这样牵引逆变的UV 模块和电制斩波W 相模块就可以简统成一种相同的功率模块。

3 结 语

文中从设计的角度对3 000 马力（2 237 kW）混合动力调车机车牵引传动系统进行了轴控方案和架控方案的兼容性研究。本着轴控和架控原理一致、通用互换的原则，开展详细的结构设计、通风设计和控制系统设计，并从3 000 马力（2 237 kW）调车机车平台化的角度，拓展不同能量形式在调车机车上的组合使用。随着平台化的不断拓展，今后其设计、制造还会不断完善和深入，以满足我国调车机车的市场需求，促进铁路机车装备现代化水平的提高。