地鐵電傳動工程車電氣系統的設計

摘要：對一種新型地鐵電傳動工程車電氣系統的研發進行了簡要介紹。將電傳動技術與常規液力傳動技術的優缺點進行了比較，分析探討了電傳動的原理、牽引計算和主要設備參數。

關鍵詞：地鐵工程車;電傳動內燃機車;電氣系統

0? ? 引言

目前地鐵工程車多采用液力傳動內燃機車，但隨著大鐵路內燃機車技術的不斷更新發展，液力傳動內燃調車機車已經慢慢淡出大鐵路市場，電傳動內燃機車逐漸取得主導地位。鑒于此，設計研發一款能夠適應地鐵條件要求的電傳動內燃機車來取代原有的液力傳動內燃機車就具有劃時代的意義。

1? ? 電傳動內燃機車與液力傳動內燃機車比較

1.1? ? 機車的功率對比

機車柴油機的動能轉化為機車運行牽引的動能是通過機車的傳動裝置實現的。液力傳動內燃機車通過液力變扭器實現動力的傳遞，國內液力變扭器受到技術及制造工藝等各種原因的限制，在液傳機車上的應用僅局限于993 kW（1 350馬力）以下的機車。電力傳動內燃機車通過柴油機帶動主發電機發出三相交流電，通過整流轉化成直流電，帶動牽引電動機轉動，驅動輪對實現機車運轉，不受變扭器的制約，可實現機車的大功率化。

1.2? ? 技術經濟性能對比

電傳動機車性能和傳動效率遠遠高于液力傳動機車。根據有關單位做的對比實驗，機車速度在80 km/h以下時，電傳動機車總效率高于液力傳動機車最少3%。機車速度在40 km/h以下時，電傳動機車效率高于液力傳動機車效率5%以上，最大時達到20%，證明電傳動機車牽引性能明顯高于液力傳動機車。

1.3? ? 啟動性能及控制反應速度對比

因為控制原理的不同，電傳動機車啟動加速度快，啟動性能也優于液傳機車。機車換向及工況轉換時，液傳機車至少需要2～3 s的反應時間，而電傳動機車可實現即時反應。

1.4? ? 污染對比

液傳機車的液力變扭器長期使用存在漏油的風險，可能對地鐵的封閉軌道造成潛在的威脅。電傳動機車采用電氣設備傳動，完美地規避了此項風險。

2? ? 新型電傳動工程車總體概述

新型內燃機車是基于地鐵現有液傳內燃機車的改型設計的，符合地鐵公司所有標準要求，適應地鐵工況。機車采用交-直流電傳動，安裝了卡特彼勒公司生產的最大運用功率1 000 kW的3508C型柴油機、永濟工廠生產的JF217G型無刷同步主發電機和ZQDR-410型牽引電動機，轉向架為二軸轉向架。機車采用微機控制系統及具有全功率自負荷功能的電阻制動裝置。

工作環境如表1所示。

整車技術參數如表2所示。

3? ? 電氣系統技術特點

（1）機車主傳動系統采用交-直流電傳動技術。柴油機帶動無刷勵磁主發電機旋轉，通過調節主發電機勵磁電流實現調節主發電機輸出功率的目的，主發電機輸出的三相交流電經整流后得到直流電作為直流牽引電動機輸入，牽引電動機經齒輪箱帶動車輪旋轉。

（2）機車電氣控制采用DC24 V工作電源供電，蓄電池組由柴油機自帶的DC24 V充電發電機直接充電。

（3）機車勵磁采用微機恒功勵磁控制系統。該系統采用模塊化設計，可實現機車牽引工況恒功勵磁/限流/限壓控制、制動勵磁控制及輔發電機恒壓勵磁控制。

（4）發動機調速控制由司機通過司控器為調速控制器提供發動機轉速給定信號，調速控制器根據此給定信號輸出調速控制信號，以控制發動機的油門或噴油量大小，實現發動機的調速控制。

4? ? 電氣原理介紹

4.1? ? 主電路及接地回路

主電路及接地回路如圖1所示。主電路由主發電機、整流柜、制動電阻、牽引電動機及方向轉換開關、電空接觸器等控制電器組成。機車牽引運行時，主發電機輸出的三相交流電經整流后變為直流電，該直流電通過方向轉換開關、電空接觸器等主控電器輸入4臺并聯連接的牽引電動機，使牽引電機旋轉，從而驅動機車運行;而當機車制動時，通過控制電路的轉換，切斷牽引主電路，同時使牽引電機電樞繞組與外接制動電阻串聯，而4臺牽引電機的勵磁繞組相互串聯后并接于整流器輸出端，使牽引電機由原串勵電動機狀態改變為他勵發電機狀態，其所發電能消耗于制動電阻，實現機車的電阻制動。

同步主發電機在承受對稱性負載時，Y形連接的電樞繞組中點電位為零，它可以作為主電路接地保護的比較點，通過二極管橋式整流電路4UR、接地繼電器KE線圈組成接地檢測電路，無論主電路接地點電位高低，接地點均和電樞繞組中心點有電位差，使KE線圈有電流，當電流達到500 mA時，KE動作。

4.2? ? 勵磁控制電路

勵磁控制電路以恒功勵磁器作為核心部件，該勵磁器以各種傳感器持續檢測的系統主電壓/主電流、牽引電機電流、發動機轉速、機車運行速度、輔發電壓等作為輸入信號，經系統軟件比較、計算輸出主發及輔發勵磁電流，實現以下勵磁控制功能：

（1）機車牽引工況主發恒功勵磁、限流、限壓功能;

（2）牽引電機故障切除時主發電機降功輸出控制功能;

（3）機車電阻制動工況恒勵磁電流及恒制動電流勵磁控制功能;

（4）輔發電機恒壓發電的勵磁控制功能;

（5）故障檢測、診斷及保護控制等功能。

4.3? ? 牽引控制電路

牽引控制電路由司控器、各種轉換開關、扳鍵開關、控制按鈕、繼電器、接觸器等控制電器及電氣控制線路組成，主要實現機車的啟動、換向、勵磁使能、發動機調速、工況轉換、控制方式轉換、牽引電機故障切除等控制功能及機車超速、主電路接地、主電路過流、空轉滑行等保護功能。

4.4? ? 輔助電路

輔助電路由蓄電池組、發動機啟動馬達、充電發電機、鳴笛撒砂閥、刮雨器、司機室風扇及各種控制電器線路等組成，主要實現以下控制功能：

（1）蓄電池組充電控制;

（2）空壓機自動及手動打風控制;

（3）鳴笛撒砂控制;

（4）司機室風扇及刮雨器控制。

4.5? ? 儀表顯示及保護電路

該電路由機車速度傳感器、數模轉換盒、機車速度表、發動機儀表盤、狀態顯示屏、電流表、電壓表、接地整流部件、過流整流部件、接地燈等組成，主要實現以下顯示及報警保護功能：

（1）機車速度顯示;

（2）發動機轉速、狀態顯示;

（3）主電流、主電壓、牽引電機電流指示;

（4）主電路接地保護;

（5）主電路過流保護;

（6）機車超速保護;

（7）輔助電路接地指示;

（8）整車運行狀態顯示。

5? ? 牽引特性計算

根據《列車牽引計算規程》（TB/T 1407—1998）并結合地鐵線路特性要求，該車型牽引計算結果如表3、表4、圖2所示。

6? ? 主要部件及參數

主發電機參數如表5所示。

牽引電動機參數如表6所示。

整流柜參數如表7所示。

制動電阻參數如表8所示。

7? ? 結語

本文對一種新型地鐵電傳動工程車電氣系統的研發進行了簡要介紹。將電傳動技術與常規液力傳動技術的優缺點進行了比較，分析探討了電傳動的原理、牽引計算和主要設備參數。

收稿日期：2020-08-06

作者簡介：楊波（1979—），男，遼寧鞍山人，工程師，研究方向：軌道車輛。