大功率雙源制電力調車機車概述

張森 劉世杰 何小威 陳雄偉 何妙

（1.中車株洲電力機車有限公司產品研發中心，湖南株洲 412001；2.中車株洲電力機車有限公司試驗檢測工程中心，湖南株洲 412001）

0.引言

調車機車主要應用于電氣化不連續的工廠、礦山、港口以及機務段、車輛段、編組場、長大隧道建設等完成調車、小運轉任務[1]。目前國內調車機車可分為兩類，一種是以HXN3B和HXN5B為代表的傳統內燃調車機車，主要用于國內各機務段的調車及小運轉作業，另一種是株機公司開發的ZER型系列電力雙源制工程車，主要用于地鐵車輛的調車作業。傳統內燃調車機車效率低、噪聲大，已經越來越不能適應環境保護的要求。ZER型工程車盡管克服了內燃調車機車的諸多不足，但功率較低，不能滿足國內機務段編組調車及小運轉的需求。大功率雙源制電力調車機車采用電—電混合動力，具有功率大、效率高、噪聲低、零排放的優點，可滿足國內大多數機務段編組調車及小運轉的需求，具有廣闊市場潛力。

1.主要技術特點

（1）大功率雙源制電力調車機車（以下簡稱調車機車）采用25kV受電弓與鋰電池雙源供電制式，站內無網段可采用蓄電池作為牽引動力，有網區域可采用接觸網供電，并為牽引蓄電池充電。（2）牽引變流器采用主輔充一體設計。主電路采用3重二電平四象限整流器與3重VVVF逆變器模式，對每臺牽引電機可實現軸控，以更好發揮黏著。輔助逆變器和中間直流回路構成并聯，經輔助變壓器降壓后為輔助負載供電。并中間直流回路完成對牽引蓄電池的充電。（3）調車機車采用基于DTECS平臺的網絡控制系統，采用模塊化和冗余設計，實現牽引控制、再生制動控制與邏輯控制等功能，并具有故障監測、診斷、顯示與存儲等功能。（4）通過對比調車機車實際速度與控制速度，深度優化調車機車牽引系統的控制策略和參數[2]，在平直道路上調車機車能在速度范圍0.5km/h～1.5km/h內低恒速運行，速度波動不大于設定速度的±0.1km/h。（5）調車機車具有有網無網自動切換功能，在通過有網區和無網區域時無需停車即可實現接觸網模式和牽引蓄電池供電模式的自動切換。（6）牽引蓄電池充電快，可在1h內充滿，并且采用單體火災監測系統和主動滅火系統進行雙層保護，可隨時查詢牽引蓄電池單體模組溫度與電流、電壓值，有效降低了火災風險。（7）調車機車應用采用最新一代的CAB-B型標準化制動機，極大地提高了調車機車的制動安全性、可操作性和維護性。

2.主要技術參數

大功率雙源制電力調車機車主要用途為調車與小運轉，主要技術參數如表1所示。調車機車在有接觸網區段可采用接觸網供電，工作電壓范圍為AC 17.5kV～31kV,調車機車牽引特性曲線如圖1所示，再生制動特性曲線如圖2所示。

表1 調車機車主要技術參數

圖1 牽引特性曲線

圖2 再生制動特性曲線

3.總體設備布置

調車機車總體設備布局為2個司機室分布在調車機車兩端，機械間內部設置中間走廊連接兩端司機室。為保證重量分布均勻，設備基本按照中心進行對稱布置。

3.1 車頂設備布置

車頂設備主要為受電弓、高壓互感器、真空主斷路器、信號天線、登頂門以及制動電阻、空調等。車頂設備分布于司機室頂蓋以及機械間頂蓋上方。

3.2 司機室設備布置

兩個司機室分布在調車機車的兩端，司機操縱臺設計方便司機操作，符合人機工程要求，內部裝飾應用美學原理。司機室內寬敞明亮，視野滿足GB5914.1-2000《機車司機室瞭望條件》要求。司機室頂部布置風扇、司機室燈等設備；司機室后墻布置添乘座椅、司機室暖風機、車長閥以及滅火器等；司機室前墻布置刮雨器、監控顯示屏等。

3.3 機械間設備布置

機械間設備布置采用貫穿中間走廊的結構，設備基本按照調車機車中心進行斜對稱分布，機械間設備布置如圖3所示。

圖3 機械間設備布置圖

3.4 車外設備布置

車外設備主要包括前照燈、標輔燈、重聯插座、供電插座、車鉤攝像頭以及后視攝像頭等，通過車鉤攝像頭和后視攝像頭司機可方便進行連掛以及調車作業。

3.5 車下設備布置

車下設備主要包括轉向架、主變壓器、高速斷路器、斬波電抗器、主風缸、刮雨器水箱以及車載電子標簽與信標天線等。兩臺C0轉向架中心對稱分布，主變壓器位于調車機車中心正下方，兩個主風缸分布在主變壓器兩側。

4.空調與通風系統

通風系統的作用是對調車機車上需要進行通風冷卻的發熱電氣部件和機械間進行強迫通風冷卻，以保證其正常工作和運行。

（1）牽引風機通風支路的作用是對牽引電機進行冷卻，降低牽引電機的溫升。調車機車配置2臺牽引風機。（2）冷卻塔通風支路的作用是冷卻來自牽引變流器的冷卻水和來自牽引變壓器的冷卻油。調車機車配置1臺冷卻塔。（3）輔助變壓器柜通風支路的作用是是冷卻輔助變壓器和機械間，維持機械間正壓。調車機車配置一臺輔助變壓器柜。（4）壓縮機通風支路的作用是對壓縮機散熱器進行冷卻，調車機車設有2條壓縮機通風支路。（5）機械間通風支路的作用是降低機械間溫升，并使機械間保持正壓。車外空氣中的灰塵、雨雪等雜物在機械間正壓作用下難以進入機械間內，為機械間設備提供適合的環境。

5.電氣與控制系統

5.1 主電路

調車機車主電路系統可分為兩路：一路為由網側高壓電路、牽引變壓器、牽引變流器、牽引電機等組成的交流供電系統；另一路為由牽引蓄電池、線路電抗器、牽引變流器、牽引電機等組成的直流供電系統。接觸網供電模式下，接觸網上AC25kV 50Hz交流電源由受電弓經交流真空主斷路器接入牽引變壓器，原邊電流經分布于轉向架軸端的接地裝置返回大地。牽引變壓器的6個次邊繞組分別向四象限整流器供電，經中間直流電路以及牽引逆變器逆變分別向6個牽引電機供電。接觸網供電模式下亦可通過中間直流回路向牽引蓄電池斬波充電。牽引蓄電池供電模式下，由牽引蓄電池向中間直流回路供電，經牽引逆變器逆變分別向6個牽引電機供電。

5.2 輔助電路

調車機車輔助電路電源來自牽引變流器內部的輔助逆變器。2臺輔助逆變器中1臺輔助逆變器工作在變頻變壓模式，另一臺工作在恒頻恒壓模式。由輔逆輸出的電源經輔助變壓器降壓與濾波電容濾波后向輔助設備供電。調車機車輔助電源采用冗余設計，當一組輔助電源出現故障后，由系統重新配置另一組輔助電源進行供電可保證調車機車的正常運行。

5.3 控制電路及網絡控制系統

調車機車控制電路由電源模塊、監控模塊以及保護裝置等組成。網絡控制系統基于成熟的DTECS平臺并采用分布式控制技術。網絡控制系統采用列車級控制和車輛級控制，列車控制級采用絞線式列車總線WTB，車輛控制級采用多功能車輛總線MVB。調車機車網絡控制系統具有牽引與制動、順序、邏輯、主輔電路、定速、重聯、軸重轉移補償、故障診斷以及冗余控制等功能。主要由輸入輸出接口單元、中央處理單元、微機顯示屏等部件組成。

6.機械系統

6.1 車體

車體是調車機車所有設備的載體，除轉向架以外，其他設備都安裝在車體上；在調車機車運行過程中，車體除承受來自通過轉向架牽引裝置傳遞到車體的牽引力和制動力，還承受著各種沖擊和振動載荷的作用。車體的主要結構和部件包括底架、司機室、側墻、車鉤與緩沖器、門、排障器、頂蓋等。

6.2 轉向架

調車機車轉向架充分應用HXD1C和埃塞俄比亞機車實際應用經驗和成熟技術，保證調車機車運行的安全性、可靠性與舒適性以及良好的動力學的性能。調車機車采用兩臺C0轉向架，2臺轉向架結構基本相同，主要包括輪對驅動裝置、構架、牽引裝置、一系懸掛系統、二系懸掛系統、基礎制動裝置、以及轉向架車載故障診斷裝置和附屬裝置等轉向架關鍵部件。為滿足調車需求，轉向架下部限界設計符合GB146.1中車限-3的規定。

7.制動及供風系統

調車機車制動及供風系統直接關系到調車機車的行車安全和可靠性，是調車機車最關鍵系統之一[3]。制動及供風系統主要由總風缸、管路、空氣過濾和干燥裝置、制動機系統、基礎制動和輔助控制系統等組成；制動系統采用CAB-B型制動機平臺，制動機符合TJ/JW 100《分布式網絡智能模塊機車空氣制動系統暫行技術規范》相關標準要求，具備列車自動制動、機車單獨制動、空電聯合制動、無火回送等功能。調車機車基礎制動裝置采用踏面制動。

8.結語

大功率雙源制調車機車作為國內首款采用25kV受電弓和牽引蓄電池供電的環保、節能電力調車機車，填補了國內采用電-電混合大功率調車機車的空白，完善了國內調車機車譜系，為國內雙源制軌道交通產品的研究和發展打下了堅實的基礎。