雒煥驥,李偉宏,李向慶

(1 永濟新時速電機電器有限責任公司,山西永濟044502;2 中國北車集團 蘭州機車有限責任公司,甘肅蘭州730050)

燃料電池輕軌車利用氫氣作為燃料電池可再生能源,實現(xiàn)了無污染,無溫室氣體排放;并首次將永磁同步牽引電機及控制變頻器成功應用該車上承擔主牽引驅(qū)動功能。因永磁同步牽引電機具有功率大、效率高、恒功范圍寬以及良好的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性和低振動、低噪聲的特點,在眾多領域得到成功應用。

燃料電池輕軌車交流傳動系統(tǒng)采用直—交電傳動技術,其原理是采用燃料電池作電源供電,經(jīng)2臺200 kVA的牽引變流器將直流電轉(zhuǎn)換成為頻率、電壓可調(diào)的三相交流電,控制2臺120 kW交流永磁同步電動機驅(qū)動機車運行;走行部采用兩軸車軸齒輪箱式轉(zhuǎn)向架,整體焊接的箱形結構構架;制動系統(tǒng)采用性能可靠的JZ-7G型空氣制動機,基礎制動采用帶有閘瓦間隙自動調(diào)節(jié)器的單元式制動器,可實現(xiàn)機車運行過程中的可靠制動和停車制動。

1 總體布置

燃料電池輕軌車主要結構分機械和電氣兩大部分。機械部分由車體、走行轉(zhuǎn)向架、牽引裝置、空氣制動系統(tǒng)等組成;電氣系統(tǒng)由燃料電池、牽引逆變器、永磁同步牽引電機、電氣操縱控制系統(tǒng)、制動電阻、照明、喇叭等組成。總體布置見圖1。

2 技術特性

(1)技術參數(shù)

整備質(zhì)量 45±3%t;

傳動方式 直-交流電傳動;

軸式 B-B;

輪徑 840 mm;

軌距 1 435 mm;

車鉤型式 13號上作用式車鉤;

通過最小曲線半徑 80 m;

圖1 新能源燃料電池輕軌車布置圖

制動型式 空氣制動+駐車制動;

制動機型號 JZ-7G;

基礎制動 單元式制動器;

車鉤中心線距軌面高 880±10 mm;

軸距 2 000 mm;

轉(zhuǎn)向架中心距 6 180 mm;

外形尺寸 13 500×2 600×3 600(長×寬×高);

持續(xù)速度 21 km/h;

最高運用速度 65 km/h;

構造速度 100 km/h;

持續(xù)牽引力 36.5 kN;

起動牽引力 50 kN;

牽引電機功率 120×2 kW。

(2)牽引特性曲線

燃料電池輕軌車牽引特性曲線如圖2所示。

圖2 燃料電池輕軌車牽引特性曲線

3 結構組成

(1)車體。燃料電池輕軌車為內(nèi)走廊棚式車體,底架承載全焊接鋼結構。底架焊有牽引銷座,通過牽引銷與轉(zhuǎn)向架相連,用以傳遞牽引力。車架設有吊車孔及架車座,供吊起機車和架車用。

排障器為全鋼焊接中間突出呈尖狀向左右傾斜的封閉型結構。排障器上設有腳踏板,便于工作人員調(diào)車作業(yè)。

牽引裝置按標準TB 1594-1996上作用式車鉤和ST型緩沖器組成。輕軌車在全整備質(zhì)量下,車鉤中心線距軌面高度為(880±10)mm。

(2)操縱臺。機車上設置Ⅰ端和Ⅱ端操縱臺,兩端操縱臺布置基本相同。操縱臺設計為左側(cè)駕駛。正司機位處臺面上設置有JZ-7G制動機和司機控制器,這是司機操縱時的主要工具;兩者之間布置有8個扳鍵開關和總控鎖開關,用于照明、信號等輔助功能;司機控制器右側(cè)布置有鳴笛、駐車制動及燃料電池啟動/停機等開關、按鈕。制動機上方斜面板上,設置有3個雙針壓力表,分別顯示各風缸的壓力值。Ⅰ端操縱臺司控器上方的斜面板上設置有主電流電壓表、輔助電壓表、機車速度表等機車信息顯示儀表,在它右邊有燃料電池信息顯示屏、燃料電池報警及復位開關。在主司機操縱臺的下方設置有腳踏鳴笛開關。操縱臺上同時設置有刮雨器控制開關。

(3)空氣制動系統(tǒng)?？諝庵苿酉到y(tǒng)是為完成燃料電池輕軌車的制動、鳴笛、撒沙和自動控制等作用而設的一套裝置。燃料電池輕軌車空氣制動機選用雙端操縱的JZ-7G型空氣制動機,該制動機性能良好,操縱靈活,檢修方便,是鐵路目前使用最廣泛的一種制動機。兩端司機室均設置操作機構,可獨立操作。能實現(xiàn)全列車的制動、保壓和緩解,同時又可實現(xiàn)燃料電池輕軌車的單獨制動、保壓和緩解。系統(tǒng)還具有無動力回送功能。

(4)轉(zhuǎn)向架。車體下部是兩個兩軸齒輪箱式走行轉(zhuǎn)向架,兩個轉(zhuǎn)向架結構相同,對稱布置,牽引電機的輸出軸通過萬向聯(lián)軸器與轉(zhuǎn)向架的齒輪箱相連,驅(qū)動機車運行。轉(zhuǎn)向架的基礎制動裝置,采用單側(cè)單元制動器+合成閘瓦形式。在制動器箱體內(nèi),安裝有制動杠桿和閘瓦間隙自動調(diào)整器,制動器箱體處安裝制動缸、閘瓦和閘瓦托吊桿,每個制動器安裝有兩塊閘瓦。組裝好的制動器作為一個獨立部件用螺栓連接在構架的制動器安裝座上。

(5)燃料電池。燃料電池是高效、環(huán)保的新型發(fā)電裝置,具有低運行溫度、高功率密度、快速響應、快速啟動能力、穩(wěn)定性好以及當使用純氫氣時不會造成環(huán)境污染的特點。氫燃料電池在進行電化學反應的同時,電子在外電路形成電流,向負載輸出電能,生成的水隨尾氣排出。

該車使用的氫燃料電池電堆是國外某公司生產(chǎn)的HD6-150 K型電堆,它的總功率是150 kW。氫燃料電池的供氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)為自主開發(fā)技術。

(6)電氣系統(tǒng)

①主電路。機車采用直-交電傳動系統(tǒng)。主電路由燃料電池、主接觸器、牽引逆變器、牽引電動機、制動電阻等組成。燃料電池產(chǎn)生400～800 V直流電供給牽引逆變器。逆變器將直流電逆變成頻率、電壓可調(diào)的三相交流電,驅(qū)動永磁同步牽引電動機運行。

②輔助電路。輔助電路包括24 V電源電路、空壓機電路、空調(diào)電路等。燃料電池產(chǎn)生的高壓直流電經(jīng)24 V電源變換器變成低壓直流電,供給24 V蓄電池,滿足低壓電路需要。燃料電池產(chǎn)生的高壓直流電經(jīng)打風逆變器逆變成三相380 V交流電供給空壓機,滿足空壓機電動機用電需要。燃料電池產(chǎn)生的高壓直流電經(jīng)空調(diào)逆變器逆變成單相220 V交流電供給空調(diào),滿足空調(diào)用電需要。

③控制電路?？刂齐娐贩蛛娫纯刂坪蜖恳齻鲃涌刂?。

電源控制包括總控開關、總控鎖開關、電源輸出開關、燃料電池啟動與停止開關。牽引傳動控制包括駐車制動與緩解制動按鈕、司機控制器。

④顯示電路。顯示電路包括高壓電壓表、高壓電流表、低壓電壓表、速度表、里程計及各種信號指示燈。

⑤照明電路。照明電路包括前照燈、輔照燈、司機室燈、儀表照明等。

4 結束語

作為一種高效、環(huán)保、節(jié)能的新型機車,新能源燃料電池輕軌車將極大促進軌道交通系統(tǒng)的重大改革和發(fā)展,是一種具有巨大潛力的新型軌道交通工具。雖然目前燃料電池的功率還很有限,但相信隨著燃料電池技術的發(fā)展,燃料電池的功率等問題會得到逐步解決,基于燃料電池的電動機車的前景更看好。

[1] 陳維榮,錢清泉,李 奇.關于發(fā)展燃料電池混合動力列車的思考[Z].2008全國博士生學術論壇—電報工程,2008.

[2] 孫竹生,鮑維千.內(nèi)燃機車總體及走行部[M].中國鐵道出版社,1995.