ZER9雙動(dòng)力工程車電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（中車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南 株洲 421001）

0 引言

目前，工程車多采用DC1500V、DC750V、蓄電池及組合供電模式，適用于地鐵線路。在25 kV 電氣化線路建設(shè)期間，接觸網(wǎng)未通電，戶外條件受限，只能用內(nèi)燃機(jī)供電特殊環(huán)境條件下，研制能同時(shí)滿足在25 kV 接觸網(wǎng)下開展接觸網(wǎng)檢測(cè)作業(yè)的工程車有著重要意義，因此，研制由AC25kV 和柴油發(fā)電機(jī)組供電的雙動(dòng)力工程車電氣系統(tǒng)有著重要的實(shí)際運(yùn)用需求及推廣運(yùn)用前景。雙動(dòng)力工程車參數(shù)包括4 個(gè)方面。1）輪周功率：接觸網(wǎng)供電時(shí)為400 kW，柴油發(fā)電機(jī)組供電時(shí)為150 kW。2）最高速度：接觸網(wǎng)供電時(shí)為100 km/h，柴油發(fā)電機(jī)組供電時(shí)為60 km/h。3）持續(xù)速度：接觸網(wǎng)供電時(shí)為28.8 km/h，柴油發(fā)電機(jī)組供電時(shí)為10.8 km/h。4）起動(dòng)牽引力（0~5 km/h，干燥無油軌面）：50 kN。

該文研究了雙動(dòng)力電氣系統(tǒng)在既有機(jī)車及工程車平臺(tái)的基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新的成果[1，3]，介紹了電氣系統(tǒng)基本構(gòu)成以及主要技術(shù)特點(diǎn)，該電氣系統(tǒng)具有高壓網(wǎng)側(cè)柜、雙電源共用整流器、主輔一體、控制系統(tǒng)冗余等特點(diǎn)。

1 主傳動(dòng)系統(tǒng)

主傳動(dòng)系統(tǒng)主要由網(wǎng)側(cè)供電設(shè)備、柴油發(fā)電機(jī)組、牽引變流器與牽引電機(jī)等部件組成。其中網(wǎng)側(cè)供電設(shè)備由受電弓、車頂避雷器、高壓柜（避雷器、真空斷路器、高壓互感器等設(shè)備）、變壓器和接地回流裝置組成。主傳動(dòng)系統(tǒng)原理圖如圖1 所示。

當(dāng)工程車處于接觸網(wǎng)受流工況時(shí)，接觸網(wǎng)AC25kV 經(jīng)過受電弓，真空斷路器、牽引變壓器向牽引變流器供電，經(jīng)過預(yù)充電電路、4QC 整流、中間直流環(huán)節(jié)，逆變后向牽引電機(jī)提供能量。高壓電壓互感器、原邊電流互感器和回路互感器用于檢測(cè)網(wǎng)側(cè)回路的電壓和電流，用于牽引控制單元（TCU）的控制、保護(hù)功能，同時(shí)給檢測(cè)設(shè)備提供電壓和電流數(shù)據(jù)參考。當(dāng)工程車處于柴油發(fā)電機(jī)組供電工況時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)組經(jīng)過輸出開關(guān)向牽引變流器供電。牽引變流器經(jīng)整流模塊、中間直流環(huán)節(jié)和牽引逆變器向牽引電機(jī)供電。該型工程車設(shè)置了2 個(gè)避雷器，一個(gè)避雷器安裝在車頂，另一個(gè)安裝在網(wǎng)側(cè)柜，這樣可以盡可能地降低沖擊電壓對(duì)車輛造成的影響。

牽引變壓器包括2 個(gè)牽引繞組和1 個(gè)諧振電抗器。變壓器牽引繞組為AC830V 的電源，分別向牽引變流器的兩路整流回路供電。諧振電抗器與變流器內(nèi)的諧振電容組成濾波回路，提高電源品質(zhì)，同時(shí)減少電制動(dòng)對(duì)公網(wǎng)的影響。

牽引變流器包含1 個(gè)整流模塊、2 個(gè)牽引逆變模塊和1 個(gè)輔助逆變器[4]，逆變模塊由一個(gè)牽引控制單元（TCU）集中控制，向一個(gè)轉(zhuǎn)向架的2 臺(tái)異步牽引電動(dòng)機(jī)供電。當(dāng)某一轉(zhuǎn)向架的電機(jī)故障時(shí)，可以切除一個(gè)逆變模塊，僅由一個(gè)逆變模塊向一個(gè)轉(zhuǎn)向架的2 臺(tái)牽引電機(jī)供電，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)車架控模式。電制動(dòng)時(shí)，電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，經(jīng)過逆變器、中間直流環(huán)節(jié)、整流模塊和變壓器使電能回饋到電網(wǎng)。

圖1 主電路原理

研究2 種供電模式下牽引電路的集成設(shè)計(jì)及其電路的匹配方式，成為由AC25kV 和柴油發(fā)電機(jī)組供電的雙動(dòng)力工程車設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。

針對(duì)AC25kV 和柴油發(fā)電機(jī)組2 種供電模式，工程車采用集成控制電路，通過軟件控制接觸器實(shí)現(xiàn)2 種供電模式的平滑切換。并在硬線電路中使用真空斷路器和柴油發(fā)電機(jī)組輸出開關(guān)的輔助觸點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)供電模式控制的硬線互鎖，避免2 種供電模式同時(shí)存在，提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。同時(shí)，在柴油發(fā)電機(jī)組模式下具備升弓的能力，可以滿足業(yè)主進(jìn)行接觸網(wǎng)檢測(cè)冷滑作業(yè)的要求。

2 輔助電路

考慮系統(tǒng)的集成度，采用主輔一體的變流器，輔助逆變器與牽引逆變器共用中間直流環(huán)節(jié)，逆變器輸出AC380V/50 Hz 電壓，經(jīng)隔離變壓器向輔助負(fù)載提供AC380V/50 Hz 的電源。輔助配備濾波電容，減少輔助電源的諧波，以保證電源的輸出品質(zhì)。同時(shí)，輔助回路設(shè)置接地檢測(cè)裝置，一路用于AC380V 回路接地檢測(cè)，另外一路用于AC220V 回路接地檢測(cè)，如圖2 所示。

AC380V 負(fù)載主要包括主壓縮機(jī)、主變壓器油泵、主變壓器風(fēng)機(jī)、牽引逆變器冷卻風(fēng)機(jī)、暖風(fēng)機(jī)、空調(diào)和控制電源柜等設(shè)備。AC220V 負(fù)載主要包括窗加熱、檢測(cè)設(shè)備、低壓柜風(fēng)扇等。

3 控制系統(tǒng)

雙動(dòng)力工程車具有2 種供電電源，控制系統(tǒng)需對(duì)2 種供電模式進(jìn)行控制，并進(jìn)行2 種供電模式下的互鎖控制。因此，控制系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜?？刂葡到y(tǒng)主要完成對(duì)主傳動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等主要設(shè)備的控制、設(shè)備監(jiān)控、事件記錄ERM、人機(jī)界面HMI 以及整車故障信息的提示?？刂葡到y(tǒng)采用MVB總線進(jìn)行通信，A、B 線冗余，分布式總線控制，中央處理單元集中控制，分布式的信號(hào)采集及指令執(zhí)行。執(zhí)行設(shè)備主要包括CIO（司機(jī)室輸入輸出設(shè)備）和MIO（機(jī)械間輸入輸出模塊），由數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊構(gòu)成。車輛控制單元VCU 冗余配置，熱備冗余，其中一個(gè)VCU 故障時(shí)，另一個(gè)VCU 自動(dòng)接管整車控制。子系統(tǒng)主要包括制動(dòng)控制單元BCU，牽引控制單元TCU。

4 主要技術(shù)特點(diǎn)

4.1 網(wǎng)側(cè)設(shè)備柜設(shè)計(jì)

未來優(yōu)化高壓設(shè)備的結(jié)構(gòu)及布置，將高壓互感器、真空斷路器、接地開關(guān)和避雷器集成到網(wǎng)側(cè)設(shè)備柜，改善高壓設(shè)備的工作環(huán)境，以免出現(xiàn)因?yàn)榛覊m、污染造成高壓設(shè)備絕緣性能降低等問題，使其可以更好的適應(yīng)戶外作業(yè)環(huán)境條件。同時(shí)，減少了車頂設(shè)備，方便汽車運(yùn)輸，僅拆除受電弓及車頂避雷器即可滿足運(yùn)輸要求。

圖2 輔助電路原理

4.2 雙電源供電的變流器

接觸網(wǎng)供電時(shí)，變流器輸入為單相AC830V，經(jīng)整流模塊整流升壓到DC1500V。而柴油發(fā)電機(jī)組輸入為三相AC690V，分別接入整流器的3 個(gè)橋臂，中間電壓為DC880V，因此需選用支持2 種電壓的等級(jí)整流模塊。

2 種供電模式共用一套整流器及中間直流環(huán)節(jié)。在接觸網(wǎng)AC25kV 供電模式下，經(jīng)預(yù)充電電路，整流模塊開關(guān)元件動(dòng)作，為中間直流環(huán)節(jié)電容充電，將單相電源整流成DC1500V。在柴油發(fā)電機(jī)組供電模式下，變流器根據(jù)柴油發(fā)電機(jī)組輸出接觸器的狀態(tài)，發(fā)送勵(lì)磁允許信號(hào)，發(fā)電機(jī)逐漸升壓，經(jīng)整流模塊二極管整流[2]，為中間直流環(huán)節(jié)電容充電，完成三相電源的整流。結(jié)合整車控制電路，通過硬件互鎖和軟件互鎖，防止雙電源同時(shí)供電。雙電源供電對(duì)變流器的控制提出了更高的要求。

5 結(jié)語

綜上所述，該文介紹了由AC25kV 和柴油發(fā)電機(jī)組供電的雙動(dòng)力工程車電氣系統(tǒng)，其是在現(xiàn)有工程車及機(jī)車技術(shù)平臺(tái)上進(jìn)行的組合升級(jí)[5]，雙動(dòng)力工程車的成功運(yùn)用，使目前的工程車技術(shù)體系更加豐富、完善。