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(yīng)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(lǐng)域得到成功應(yīng)用。

燃料電池輕軌車交流傳動系統(tǒng)采用直—交電傳動技術(shù),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(jié)構(gòu)構(gòu)架;制動系統(tǒng)采用性能可靠的JZ-7G型空氣制動機,基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)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?？傮w布置見圖1。

2 技術(shù)特性

(1)技術(shù)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(chǔ)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(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。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(shè)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(jié)構(gòu)。排障器上設(shè)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(shè)置Ⅰ端和Ⅱ端操縱臺,兩端操縱臺布置基本相同。操縱臺設(shè)計為左側(cè)駕駛。正司機位處臺面上設(shè)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(guān)和總控鎖開關(guān),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(guān)、按鈕。制動機上方斜面板上,設(shè)置有3個雙針壓力表,分別顯示各風(fēng)缸的壓力值。Ⅰ端操縱臺司控器上方的斜面板上設(shè)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(fù)位開關(guān)。在主司機操縱臺的下方設(shè)置有腳踏鳴笛開關(guān)。操縱臺上同時設(shè)置有刮雨器控制開關(guān)。

(3)空氣制動系統(tǒng)。空氣制動系統(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(shè)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(shè)置操作機構(gòu),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(jié)構(gòu)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(chǔ)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(gòu)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(yīng)、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(xué)反應(yīng)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(shù)。

(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(fēng)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啤?/p>

電源控制包括總控開關(guān)、總控鎖開關(guān)、電源輸出開關(guān)、燃料電池啟動與停止開關(guān)。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(jié)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(shù)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(guān)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(xué)術(shù)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.