和諧型電力機車自行移車裝置及其應用

郭立平

摘 要 和諧型大功率電力機車，在沒有接觸網供電的情況下，不能依靠自身動力在整備場區自由走行，嚴重制約了各機務部門自身的調車及整備效率。通過研制和諧型電力機車自行移車裝置，以HXD3及HXD3C機車為試驗對象，通過機車自帶的蓄電池為動力源，實現機車低速行走，改變了傳統的整備場調車模式，提高了整備效率，進一步減少了調車成本和人員浪費，具有很好的實用價值。

【關鍵詞】和諧型 電力機車 蓄電池 自行移車

1 HXD3、HXD3C型電力機車自行走裝置設計

1.1 設計原則

HXD3、HXD3C型電力機車自行走裝置設計，需充分考慮機車自走行的行車安全、機車主電路特點、主要部件知識產權、軟件著作權和機務段實際需要等各方面因素，應遵循以下幾方面原則：

（1）在機車總風壓力足以保證機車制動距離的情況下才能進行自走行，以確保機車自走行的行車安全；

（2）機車在正線牽引時，裝置電路要與機車電路物理隔離，以確保不因裝置故障導致機車設備故障；

（3）裝置電路連至機車既有電路后，對機車既有主電路布局不改變，以避免機車主要部件質保糾紛；

（4）對機車既有的TCMS、主變流器等軟件不進行軟件修改，以避免知識產權糾紛；

（5）自走行速度需要滿足機車出入檢修庫和整備場有電區向無電區轉線需求，走行速度能夠滿足效率需求；

（6）裝置可生產為車載型作為機車制式裝備，也可生產為便攜型作為機務段工裝設備；

（7）裝置升級改進后，可適用于HXD1、HXD2、HXD3B等其他型號電力機車，也可適用于既有交-直型電傳動電力機車和電傳動內燃機車。

1.2 技術方案的確定

根據機車主電路結構特點，可以通過以下三種技術方案實現設計功能：

方案一：將機車蓄電池DC110V電壓直接升壓逆變為三相AC380V，采用VVVF方式驅動牽引一臺牽引電動機實現機車自走行。

方案二：將機車蓄電池DC110V電壓接入至機車主變流器（CI）直流中間電壓，修改機車TCMS軟件和主變流器（CI）軟件，使主變流器輸出三相AC380V，采用VVVF方式驅動牽引一臺牽引電動機實現機車自走行。

方案三：將機車蓄電池DC110V電壓直接升壓為DC600V后，通過主回路庫用開關接入至機車主變流器（CI）直流中間電壓，通過機車TCMS軟件和主變流器（CI）軟件預置的庫用位程序，控制主變流器功率元件輸出三相AC380V，采用VVVF方式驅動牽引一臺牽引電動機實現機車自走行。

通過對比分析，技術方案三作為設計方案，優點更為突出，方案三符合設計原則。機車自走行速度為1km/h，在這種走行速度下，機車出入機車檢修庫一次走行時間約為3分鐘，效率能夠滿足機務段實際需要。在整備場自有電區向無電區轉線，僅需要在接觸網終點處（通常在道岔處）開始自走行，在這種走行速度下，機車通過道岔的時間約為1分鐘，進入股道后對整備場調車組織就不再影響，其效率也能滿足機務段整備場實際需要。

1.3 裝置的設計

1.3.1 裝置工作原理

將機車蓄電池DC110V電壓直接升壓為DC600V后，通過主回路庫用開關接入至機車主變流器（CI）直流中間電壓，通過機車TCMS軟件和主變流器（CI）軟件預置的庫用位程序，控制主變流器功率元件輸出三相AC380V，采用VVVF方式驅動牽引一臺牽引電動機實現機車自走行。

1.3.2 DC600V中間電壓的獲得

HXD3、HXD3C型電力機車控制回路裝有蓄電池（容量170AH），當機車正常工作時，蓄電池處于充電狀態，機車降弓后，蓄電池內儲存有電能，電壓為DC110V。利用高頻開關電源，對蓄電池DC110V進行升壓-逆變-整流獲得DC600V電源。所以該裝置的技術主體就是一個高頻開關電源。

1.3.3 裝置的特性曲線

從以上可以看出，主變流器（CI）DC600V工作電壓自本裝置中獲得，通過主變流器逆變，驅動牽引電機，中間電壓最低電壓不得小于DC350V，實測主變流器（CI）內部整流元件壓降約為50V。

從特定曲線的特性來看，在輸出電流小于30A時，輸出電壓范圍為DC600V-DC400V，以滿足主變流器工作。在輸出電流大于30A時，系統將工作在限流區。系統將自動停止電壓輸出，以保護蓄電池。

1.3.4 裝置的組成

裝置由功率模塊和單片機控制兩大模塊組成，其各單元的主要技術原理和作用分述如下：

（1）功率模塊的設計與實現。

a.濾波單元。即濾波器電路，減少內外電壓沖擊和干擾，增強電路的電磁兼容性，使其滿足要求。

b.電流、電壓控制單元。此單元是測量的關鍵控制部分。電壓控制采用慢給定技術，工作電壓從0緩慢增加，要完成輸出電壓的逐步升壓給定；當電壓達到600V時，進入鉗位，電壓不再生上升。如絕緣較低、輸出電流過大時，電流控制進入鉗位，按照設計的曲線，逐步降低電壓。通過電流電壓的控制，完成功率輸出。

輸出電壓慢給定技術：在系統工作時，由于需在主變流器（CI）工作前，向主變流器（CI）續流電容進行預充電，如果先給定600V電壓，在主變流器（CI）續流電容嚴重虧電或主變流器（CI）絕緣低的情況下，將有一個很大的沖擊電流，造成系統故障或蓄電池過渡放電。在本次設計中，重用電壓慢給定技術，輸出電壓從0V緩慢增加至600V，防止了沖擊電流的產生。同時，主變流器（CI）續流電容充電完畢后啟動時，也采用了輸出慢給定技術，牽引電機在轉動時初期不會產生很大電流。

c.高頻開關電源單元。這部分是本裝置的關鍵點，主要作用是把機車上現有的蓄電池110伏的直流電變為DC600V的直流電源。其主要由PWM控制器、電子開關電路、高頻變壓器、整流濾波電路、保護電路等組成。endprint

（2）工作原理為：110V直流電經穩壓濾波后變為600V直流電，在400V-600V的電壓范圍內保持性能，受電流、電壓控制單元，為主變流器提供足夠的功率。

（a）功率變換模塊的設計。模塊采用全橋PWM變換器和有限雙極性控制方法實現，見圖2-7。整個主電路和硬開關方案相比，僅增加了超前橋臂的兩個諧振電路，諧振電感取電壓器漏感，滯后橋臂的諧振電容利用的是功率管的輸出電容，既實現了軟開關工作方式，同時又保持了電路的簡潔。由于實現了ZVS，可以省去原方的吸收電路，副方吸收電路的功耗也變小。

（b）控制電路的設計。PWM集成控制器通常分為電壓型控制器和電流型控制器兩種。電壓型控制器只有電壓反饋控制，可滿足穩定電壓的要求，電流型控制器增加了電流反饋控制，除了穩定輸出電壓外，還有以下優點：

①當流過開關管的電流達到給定值時，開關自動關斷；

②自動消除工頻輸入電壓經整流后的紋波電壓，并開關電源輸出端300Hz以下的紋波電壓很低，因此可減小輸出濾波電容的容量；

③多臺開關電源并聯工作時，PWM開關控制器具有內在的均流力；

④具有更快的負載動態響應。

電源采用美國Unitrode公司的UC1825A芯片，UC1825A是高性能的電壓電流型開關電源集成控制器，主要特點是：兼電壓型、電流型控制；開關頻率可達1MHz；50ns的傳輸延遲時間；大電流雙推挽輸出（峰值2A），寬頻帶誤差放大器；雙脈沖抑制邏輯電路；逐個脈沖電流限制；軟啟動/最大占空比控制；滯后的欠壓鎖定功能。

（3）單片機控制模塊的設計與實現。在本次設計中，使用了單片機控制DC600V輸出和控制LED顯示輸出電壓和電流的大小，有較好的人機界面和安全保護功能。

設計的主要功能由：

a. DC600V輸出邏輯控制；

b. LED顯示。MCU使用目前性價比較高的STC51系列。此芯片功耗小，抗干擾力強，并可進行在系統編程，使用十分方便。作為控制單元的單片機完全可以滿足使用要求。通過軟件編程達到控制與測量的目的。

KM1、KM2為輸出接觸器，其閉合與斷開受單片機控制模塊的控制。當KM1、KM2斷開時，裝置從機車電路中切除。這樣，可以接好的防止裝置在待機時對機車電路造成的影響。當需要進行自走行時，KM1或KM2閉合。

保護邏輯單元電路是對機車庫用開關的聯鎖線、風壓開關聯鎖線進行判斷，如果風壓過低后或庫用開關沒有轉換，則本系統不能工作，即保證機車自走行有足夠的風壓用以制動，又保證受電弓在降弓狀態下，方可進行自走行。

LED燈使用矩形漢字覆膜燈，其具有亮度高、穩定性好。通過漢字覆膜顯示。極大的方便了操作者的使用，觀察直觀。

AD轉換單元通過實時隔離采樣將功率模塊的輸出電壓傳入MCU，通過運算將輸出電壓換算為工作狀態進行顯示。

1.3.5 裝置的便攜化

根據裝置工作原理，將裝置進行簡化設計，去掉單片機控制模塊和輸入輸出接觸器，并進行裝置減重后，安裝與機車外部主回路庫用插座、蓄電池充放電插座適配的航空插頭，加裝磁力安裝座后，即可實現裝置便攜化。

2 機車自走行的操作和最大牽引總重

2.1 車載型裝置機車自走行的操作

裝置安裝在機車上后，司機首先確認總風缸壓力大于480Kpa，斷開受電弓開關，確認蓄電池電壓大于96V，然后將庫用開關轉換至庫用位，閉合電源開關，將換向手柄打向前位或后位，并將調速手柄置于“1”位，即可實現機車自走行。

2.2 便攜型裝置機車自走行的操作

將裝置磁力座吸附在機車主變壓器殼體上，連接主回路庫用插座和蓄電池充電插座后，按車載型裝置的操作方法操作即可。

2.3 最大牽引總重和速度

試驗證明，裝置在小于千分之三的坡道上，機車依靠自身動力自走行最大牽引總重約為280噸（即附掛牽引一臺機車的情況下自走行），最大走行速度為1km/h。

3 對機車蓄電池的影響

3.1 通過試驗對蓄電池的影響分析

目前HXD3機車使用170AH的蓄電池，通過試驗機車自走行時蓄電池放電情況，對比機車蓄電池放電特定情況如表3-1。

機車在依靠蓄電池自走行時下，機車起動時最大峰值電流僅120A左右，遠低于蓄電池允許峰值短路電流6100A；機車1KM/H恒速自走行狀態下，蓄電池放電電流為60A，小于蓄電池進行一小時制放電的最大允許放電電流。因此，裝置驅動機車自走行狀態下，蓄電池放電電流工作在蓄電池的理想范圍內，不會影響蓄電池壽命。

另外，在蓄電池日常維護中，通常采用十時制放電（放電電流約17A）后進行蓄電池充電，當蓄電池性能下降后，進行治療性充放電時，通常采用一小時制放電（放電電流約170A）后進行蓄電池充電，以激活蓄電池內部物質活性，恢復蓄電池性能。裝置驅動機車持續自走行1小時后升弓對蓄電池進行充電，相當于對機車蓄電池按一小時制充放電進行了一次治療性充放電，可以進一步激活蓄電池內部物質活性。

作者單位

呼和浩特鐵路局機務處 內蒙古自治區呼和浩特市 010057endprint

（2）工作原理為：110V直流電經穩壓濾波后變為600V直流電，在400V-600V的電壓范圍內保持性能，受電流、電壓控制單元，為主變流器提供足夠的功率。

（a）功率變換模塊的設計。模塊采用全橋PWM變換器和有限雙極性控制方法實現，見圖2-7。整個主電路和硬開關方案相比，僅增加了超前橋臂的兩個諧振電路，諧振電感取電壓器漏感，滯后橋臂的諧振電容利用的是功率管的輸出電容，既實現了軟開關工作方式，同時又保持了電路的簡潔。由于實現了ZVS，可以省去原方的吸收電路，副方吸收電路的功耗也變小。

（b）控制電路的設計。PWM集成控制器通常分為電壓型控制器和電流型控制器兩種。電壓型控制器只有電壓反饋控制，可滿足穩定電壓的要求，電流型控制器增加了電流反饋控制，除了穩定輸出電壓外，還有以下優點：

①當流過開關管的電流達到給定值時，開關自動關斷；

②自動消除工頻輸入電壓經整流后的紋波電壓，并開關電源輸出端300Hz以下的紋波電壓很低，因此可減小輸出濾波電容的容量；

③多臺開關電源并聯工作時，PWM開關控制器具有內在的均流力；

④具有更快的負載動態響應。

電源采用美國Unitrode公司的UC1825A芯片，UC1825A是高性能的電壓電流型開關電源集成控制器，主要特點是：兼電壓型、電流型控制；開關頻率可達1MHz；50ns的傳輸延遲時間；大電流雙推挽輸出（峰值2A），寬頻帶誤差放大器；雙脈沖抑制邏輯電路；逐個脈沖電流限制；軟啟動/最大占空比控制；滯后的欠壓鎖定功能。

（3）單片機控制模塊的設計與實現。在本次設計中，使用了單片機控制DC600V輸出和控制LED顯示輸出電壓和電流的大小，有較好的人機界面和安全保護功能。

設計的主要功能由：

a. DC600V輸出邏輯控制；

b. LED顯示。MCU使用目前性價比較高的STC51系列。此芯片功耗小，抗干擾力強，并可進行在系統編程，使用十分方便。作為控制單元的單片機完全可以滿足使用要求。通過軟件編程達到控制與測量的目的。

KM1、KM2為輸出接觸器，其閉合與斷開受單片機控制模塊的控制。當KM1、KM2斷開時，裝置從機車電路中切除。這樣，可以接好的防止裝置在待機時對機車電路造成的影響。當需要進行自走行時，KM1或KM2閉合。

保護邏輯單元電路是對機車庫用開關的聯鎖線、風壓開關聯鎖線進行判斷，如果風壓過低后或庫用開關沒有轉換，則本系統不能工作，即保證機車自走行有足夠的風壓用以制動，又保證受電弓在降弓狀態下，方可進行自走行。

LED燈使用矩形漢字覆膜燈，其具有亮度高、穩定性好。通過漢字覆膜顯示。極大的方便了操作者的使用，觀察直觀。

AD轉換單元通過實時隔離采樣將功率模塊的輸出電壓傳入MCU，通過運算將輸出電壓換算為工作狀態進行顯示。

1.3.5 裝置的便攜化

根據裝置工作原理，將裝置進行簡化設計，去掉單片機控制模塊和輸入輸出接觸器，并進行裝置減重后，安裝與機車外部主回路庫用插座、蓄電池充放電插座適配的航空插頭，加裝磁力安裝座后，即可實現裝置便攜化。

2 機車自走行的操作和最大牽引總重

2.1 車載型裝置機車自走行的操作

裝置安裝在機車上后，司機首先確認總風缸壓力大于480Kpa，斷開受電弓開關，確認蓄電池電壓大于96V，然后將庫用開關轉換至庫用位，閉合電源開關，將換向手柄打向前位或后位，并將調速手柄置于“1”位，即可實現機車自走行。

2.2 便攜型裝置機車自走行的操作

將裝置磁力座吸附在機車主變壓器殼體上，連接主回路庫用插座和蓄電池充電插座后，按車載型裝置的操作方法操作即可。

2.3 最大牽引總重和速度

試驗證明，裝置在小于千分之三的坡道上，機車依靠自身動力自走行最大牽引總重約為280噸（即附掛牽引一臺機車的情況下自走行），最大走行速度為1km/h。

3 對機車蓄電池的影響

3.1 通過試驗對蓄電池的影響分析

目前HXD3機車使用170AH的蓄電池，通過試驗機車自走行時蓄電池放電情況，對比機車蓄電池放電特定情況如表3-1。

機車在依靠蓄電池自走行時下，機車起動時最大峰值電流僅120A左右，遠低于蓄電池允許峰值短路電流6100A；機車1KM/H恒速自走行狀態下，蓄電池放電電流為60A，小于蓄電池進行一小時制放電的最大允許放電電流。因此，裝置驅動機車自走行狀態下，蓄電池放電電流工作在蓄電池的理想范圍內，不會影響蓄電池壽命。

另外，在蓄電池日常維護中，通常采用十時制放電（放電電流約17A）后進行蓄電池充電，當蓄電池性能下降后，進行治療性充放電時，通常采用一小時制放電（放電電流約170A）后進行蓄電池充電，以激活蓄電池內部物質活性，恢復蓄電池性能。裝置驅動機車持續自走行1小時后升弓對蓄電池進行充電，相當于對機車蓄電池按一小時制充放電進行了一次治療性充放電，可以進一步激活蓄電池內部物質活性。

作者單位

呼和浩特鐵路局機務處 內蒙古自治區呼和浩特市 010057endprint

（2）工作原理為：110V直流電經穩壓濾波后變為600V直流電，在400V-600V的電壓范圍內保持性能，受電流、電壓控制單元，為主變流器提供足夠的功率。

（a）功率變換模塊的設計。模塊采用全橋PWM變換器和有限雙極性控制方法實現，見圖2-7。整個主電路和硬開關方案相比，僅增加了超前橋臂的兩個諧振電路，諧振電感取電壓器漏感，滯后橋臂的諧振電容利用的是功率管的輸出電容，既實現了軟開關工作方式，同時又保持了電路的簡潔。由于實現了ZVS，可以省去原方的吸收電路，副方吸收電路的功耗也變小。

（b）控制電路的設計。PWM集成控制器通常分為電壓型控制器和電流型控制器兩種。電壓型控制器只有電壓反饋控制，可滿足穩定電壓的要求，電流型控制器增加了電流反饋控制，除了穩定輸出電壓外，還有以下優點：

①當流過開關管的電流達到給定值時，開關自動關斷；

②自動消除工頻輸入電壓經整流后的紋波電壓，并開關電源輸出端300Hz以下的紋波電壓很低，因此可減小輸出濾波電容的容量；

③多臺開關電源并聯工作時，PWM開關控制器具有內在的均流力；

④具有更快的負載動態響應。

電源采用美國Unitrode公司的UC1825A芯片，UC1825A是高性能的電壓電流型開關電源集成控制器，主要特點是：兼電壓型、電流型控制；開關頻率可達1MHz；50ns的傳輸延遲時間；大電流雙推挽輸出（峰值2A），寬頻帶誤差放大器；雙脈沖抑制邏輯電路；逐個脈沖電流限制；軟啟動/最大占空比控制；滯后的欠壓鎖定功能。

（3）單片機控制模塊的設計與實現。在本次設計中，使用了單片機控制DC600V輸出和控制LED顯示輸出電壓和電流的大小，有較好的人機界面和安全保護功能。

設計的主要功能由：

a. DC600V輸出邏輯控制；

b. LED顯示。MCU使用目前性價比較高的STC51系列。此芯片功耗小，抗干擾力強，并可進行在系統編程，使用十分方便。作為控制單元的單片機完全可以滿足使用要求。通過軟件編程達到控制與測量的目的。

KM1、KM2為輸出接觸器，其閉合與斷開受單片機控制模塊的控制。當KM1、KM2斷開時，裝置從機車電路中切除。這樣，可以接好的防止裝置在待機時對機車電路造成的影響。當需要進行自走行時，KM1或KM2閉合。

保護邏輯單元電路是對機車庫用開關的聯鎖線、風壓開關聯鎖線進行判斷，如果風壓過低后或庫用開關沒有轉換，則本系統不能工作，即保證機車自走行有足夠的風壓用以制動，又保證受電弓在降弓狀態下，方可進行自走行。

LED燈使用矩形漢字覆膜燈，其具有亮度高、穩定性好。通過漢字覆膜顯示。極大的方便了操作者的使用，觀察直觀。

AD轉換單元通過實時隔離采樣將功率模塊的輸出電壓傳入MCU，通過運算將輸出電壓換算為工作狀態進行顯示。

1.3.5 裝置的便攜化

根據裝置工作原理，將裝置進行簡化設計，去掉單片機控制模塊和輸入輸出接觸器，并進行裝置減重后，安裝與機車外部主回路庫用插座、蓄電池充放電插座適配的航空插頭，加裝磁力安裝座后，即可實現裝置便攜化。

2 機車自走行的操作和最大牽引總重

2.1 車載型裝置機車自走行的操作

裝置安裝在機車上后，司機首先確認總風缸壓力大于480Kpa，斷開受電弓開關，確認蓄電池電壓大于96V，然后將庫用開關轉換至庫用位，閉合電源開關，將換向手柄打向前位或后位，并將調速手柄置于“1”位，即可實現機車自走行。

2.2 便攜型裝置機車自走行的操作

將裝置磁力座吸附在機車主變壓器殼體上，連接主回路庫用插座和蓄電池充電插座后，按車載型裝置的操作方法操作即可。

2.3 最大牽引總重和速度

試驗證明，裝置在小于千分之三的坡道上，機車依靠自身動力自走行最大牽引總重約為280噸（即附掛牽引一臺機車的情況下自走行），最大走行速度為1km/h。

3 對機車蓄電池的影響

3.1 通過試驗對蓄電池的影響分析

目前HXD3機車使用170AH的蓄電池，通過試驗機車自走行時蓄電池放電情況，對比機車蓄電池放電特定情況如表3-1。

機車在依靠蓄電池自走行時下，機車起動時最大峰值電流僅120A左右，遠低于蓄電池允許峰值短路電流6100A；機車1KM/H恒速自走行狀態下，蓄電池放電電流為60A，小于蓄電池進行一小時制放電的最大允許放電電流。因此，裝置驅動機車自走行狀態下，蓄電池放電電流工作在蓄電池的理想范圍內，不會影響蓄電池壽命。

另外，在蓄電池日常維護中，通常采用十時制放電（放電電流約17A）后進行蓄電池充電，當蓄電池性能下降后，進行治療性充放電時，通常采用一小時制放電（放電電流約170A）后進行蓄電池充電，以激活蓄電池內部物質活性，恢復蓄電池性能。裝置驅動機車持續自走行1小時后升弓對蓄電池進行充電，相當于對機車蓄電池按一小時制充放電進行了一次治療性充放電，可以進一步激活蓄電池內部物質活性。

作者單位

呼和浩特鐵路局機務處 內蒙古自治區呼和浩特市 010057endprint