閆柏輝，陳 湘，王亞敏

（1.株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001；2.長沙師范學(xué)院，湖南 長沙 410100）

0 引言

在烏魯木齊機(jī)務(wù)段的運(yùn)行區(qū)段內(nèi)，夏季最高氣溫達(dá)47℃左右，地表最高溫度達(dá)80℃以上，冬季最低溫度達(dá)零下40℃左右[1]，運(yùn)行環(huán)境氣溫偏差較大。但機(jī)車新造接車、高等級(jí)維修和發(fā)生故障回送維修時(shí)，回送機(jī)車全部設(shè)置為無火回送模式，根據(jù)《鐵路機(jī)車無火回送處理辦法》的規(guī)定，機(jī)車無火回送的過程中嚴(yán)禁升弓、合閘，故機(jī)車通風(fēng)、燒水、熱飯、取暖和照明等基本生活設(shè)施無法使用，值乘乘務(wù)人員防寒保溫、防暑降溫、基本生活條件和工作環(huán)境十分惡劣。

本文針對(duì)嚴(yán)寒、高溫環(huán)境下，以不影響機(jī)車正常回送為前提，研究和設(shè)計(jì)出回送升壓隔離裝置及控制軟件程序系統(tǒng)，最大地減少改造量，在不升受電弓和沒有外電源引入狀態(tài)下，利用牽引電機(jī)再生制動(dòng)發(fā)電，穩(wěn)定牽引變流器的直流電壓，再利用輔逆模塊逆變輸出三相交流電壓，給機(jī)車輔助設(shè)備、設(shè)施供電，提升乘務(wù)員工作環(huán)境和生活質(zhì)量。

1 HXD1D電力機(jī)車簡(jiǎn)介

根據(jù)HXD1D型機(jī)車整體制造設(shè)計(jì)，該車設(shè)計(jì)速度160km/h，總功率7200kW。該車型采用主輔一體化的主電路模式，也就是牽引變流器和輔助變流器共用一個(gè)直流回路，使變流器結(jié)構(gòu)更緊湊，具有更高的可靠性。牽引變流器的輔逆模塊將穩(wěn)定的DC3600V的直流電壓逆變輸出三相PWM電壓，通過柜外的降壓變壓器（變比1672V：440V）以及其漏感組成的LC濾波器，將 PWM電壓濾為準(zhǔn)正弦波電壓給輔助負(fù)載供電。其主電路示意圖見圖1[2]。

圖1 主牽引電路和輔助電路功能示意圖Fig.1 Schematic diagram of themain traction circuit and auxiliary circuit

2 無動(dòng)力回送途中發(fā)電方案研究

2.1 方案選擇

為解決機(jī)車無動(dòng)力回送狀態(tài)無外電源供電的情況下，將機(jī)車設(shè)計(jì)配置的基本生活設(shè)施能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，根據(jù)機(jī)車設(shè)計(jì)原理預(yù)想方案主要有以下四種：

方案一：采用太陽能發(fā)電，需設(shè)計(jì)專用太陽能發(fā)電設(shè)備，同時(shí)必須在機(jī)車頂部進(jìn)行加裝。

方案二：采用風(fēng)力發(fā)電，需設(shè)計(jì)專用風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，同時(shí)必須在機(jī)車頂部進(jìn)行加裝。

方案三：安裝專用電機(jī)發(fā)電，根據(jù)機(jī)車走行部轉(zhuǎn)速傳感器安裝尺寸設(shè)計(jì)，制造專用電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，設(shè)備必須在機(jī)車走行部輪軸軸頭上進(jìn)行加裝。

方案四：利用機(jī)車牽引電機(jī)發(fā)電，將牽引電機(jī)由電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)，機(jī)車頂部及走行部無需加裝設(shè)備，利用車內(nèi)預(yù)留空間加裝升壓轉(zhuǎn)換設(shè)備和電路改進(jìn)即可。

其中方案一、方案二和方案三存在主要問題是：設(shè)備獨(dú)立配置，總體尺寸較大，必須在庫內(nèi)由專業(yè)人員進(jìn)行安裝，安裝困難且時(shí)間較長，設(shè)備全部車外安裝，存在脫落的安全隱患，同時(shí)還存在配置地點(diǎn)、配置數(shù)量、配置后管理等一系列問題。方案四主要問題是：如何給牽引電機(jī)提供勵(lì)磁電流，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)，牽引電機(jī)發(fā)電后如何控制輸出電壓和電流的穩(wěn)定，但該方案設(shè)備隨車安裝，只進(jìn)行轉(zhuǎn)換操作即可。

綜合分析各方案利弊，最終采用方案4。根據(jù)HXD1D型機(jī)車的牽引變流器主輔一體化的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，為無火回送發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一定的基礎(chǔ)，通過對(duì)機(jī)車整體電路分析、機(jī)車結(jié)構(gòu)布局、無火回送操作方法和回送途中需投入使用的設(shè)備功率等因素綜合分析，為有效利用機(jī)車整體設(shè)備功能發(fā)揮和電路設(shè)計(jì)布局，保證已調(diào)整好的無火回送操作模式不受影響，機(jī)車能夠在無火狀態(tài)下正?；厮停钚』母倪M(jìn)機(jī)車控制模式和完成裝置的設(shè)備加裝工作。

2.2 牽引電機(jī)再生制動(dòng)原理

當(dāng)牽引電機(jī)實(shí)施再生制動(dòng)時(shí)，機(jī)車的動(dòng)能經(jīng)過齒輪傳動(dòng)，輸出到異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為交流電能。當(dāng)電機(jī)工作于再生發(fā)電狀態(tài)時(shí)，電機(jī)內(nèi)部將發(fā)生以下變化過程：牽引變流器拖動(dòng)電機(jī)降速，電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度超過給定頻率下的同步轉(zhuǎn)速，造成轉(zhuǎn)子切割磁力線的方向。由于轉(zhuǎn)子電流的勵(lì)磁分量不會(huì)發(fā)生變化，所變化的只是轉(zhuǎn)子電流中的轉(zhuǎn)矩分量，而轉(zhuǎn)子電流轉(zhuǎn)矩分量的變化又引起定子電流轉(zhuǎn)矩分量的變化。牽引變流器直流環(huán)節(jié)吸收制動(dòng)電能，穩(wěn)定直流電壓，便于輔逆輸出三相交流電壓。

由于牽引電機(jī)需要從牽引變流器側(cè)吸收勵(lì)磁電流以建立電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)，維持電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。因此需要牽引變流器先輸出逆變變壓，之后才能進(jìn)入再生制動(dòng)狀態(tài)。在不升弓的情況下，機(jī)車上只有DC110蓄電池電壓，因此只能利用該電壓來建立輸出電壓。而在直流電壓只有110V的情況下，根據(jù)式（1）[3]得出輸出電壓為0.78，通過計(jì)算得到為85.8V。

式中：UAB—輸出線電壓；Ud—直流電壓。

牽引電機(jī)一般采用三相異步電機(jī)，異步電動(dòng)機(jī)的T型等效電路[4]見圖2。定子電流為：

式中：U1—定子電壓；E1—定子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；r1—電子電阻；x1—定子漏電感。

圖2 異步電機(jī)T型等效電路Fig.2 Asynchronous motor T-type equivalent circuit

在該電壓的情況下，定子電流不足以驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。因此需要將DC110V電源通過升壓斬波裝置，將直流電壓升高到可以建立勵(lì)磁電流，再通過逆變模塊實(shí)現(xiàn)四象限整流的功能，將牽引電機(jī)電壓再生制動(dòng)升高到DC1800V，滿足輔逆的逆變輸出電壓需求。

在斬波升壓裝置中，假設(shè)內(nèi)部的升壓電感電流連續(xù)時(shí)，斬波輸出電壓與輸入電壓滿足公式（3）的關(guān)系。

式中：VO—斬波輸出電壓；VS—輸入電壓；D—占空比。

2.3 再生制動(dòng)能量計(jì)算以及輔助功率負(fù)載

機(jī)車在無火回送模式下，由它車拖動(dòng)運(yùn)行。假設(shè)n為牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)速（r/min），J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m2），則牽引電機(jī)具有的動(dòng)能為

式中：W—牽引電機(jī)再生發(fā)電功率。

當(dāng)牽引電機(jī)的速度從n1減速到n2時(shí)，釋放的能量為：

無火回送的發(fā)電基本原理就是將機(jī)車的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能以維持本車的中間直流電壓穩(wěn)定，并為輔助系統(tǒng)供電。假設(shè)W2為整個(gè)過程中因阻力、效率等所損耗的能量，W2為輔助負(fù)載所需要的能量[5]。根據(jù)能量守恒原則，則有：

機(jī)車無火回送需要投入的設(shè)備有：

（1）控制系統(tǒng)正常工作（CCU、MIO、CIO、IDU、TCU 均需上電）。

（2）無火回送裝置對(duì)應(yīng)牽引變流器所帶水泵、油泵、牽引風(fēng)機(jī)、輔助濾波柜風(fēng)機(jī)、冷卻塔風(fēng)機(jī)投入工作。

（3）充電機(jī)、冰箱、空調(diào)裝置、電風(fēng)扇、電爐子、微波爐、車內(nèi)照明燈和充電插座投入工作。

上述負(fù)載可以解決乘務(wù)員機(jī)車回送途中照明、燒水、熱飯、食物儲(chǔ)藏、防暑降溫和防寒取暖等問題，通過計(jì)算最大輔助負(fù)載的功率為83.7kW。

2.4 無火回送工作邏輯說明

機(jī)車無火回送模式下，乘務(wù)員只需按如下步驟進(jìn)行操作，機(jī)車負(fù)載就能實(shí)現(xiàn)供電，其功能實(shí)現(xiàn)示意圖如圖3所示。

（1）將蓄電池的DC110V電源通過升壓裝置進(jìn)行升壓，輸入到牽引變流器，為中間回路支撐電容預(yù)充電；

（2）控制系統(tǒng)利用預(yù)充電的能量，完成電機(jī)預(yù)勵(lì)磁，牽引電機(jī)工作在再生制動(dòng)狀態(tài)下，將中間電壓整流到DC1800V。

（3）在一定運(yùn)行速度之上，牽引變流器控制系統(tǒng)釋放輔逆脈沖，輔助負(fù)載就能正常工作。

圖3 無火回送發(fā)電模式功能示意圖Fig.3 Schematic diagram of the function of no fire return power generation mode

3 無動(dòng)力回送發(fā)電系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 庫內(nèi)靜態(tài)高壓試驗(yàn)

為了驗(yàn)證升壓裝置通過蓄電池為牽引變流器中間直流回路供電功能，多次對(duì)中間直流回路進(jìn)行升壓試驗(yàn)，升壓裝置功能正常，能夠?qū)⒅绷麟妷簲夭ǖ?00V，升壓波形見圖4所示。

3.2 線路試驗(yàn)

圖4 無火回送發(fā)電預(yù)充電升壓波形圖Fig.4 No fire return power generation pre-charge boost waveform diagram

圖5 無火回送發(fā)電勵(lì)磁過程中間電壓升壓波形圖Fig.5 Middle voltage boost waveform diagram of excitation process without fire returning power generation

機(jī)車運(yùn)行速度達(dá)到30km/h時(shí)輔助逆變器帶負(fù)載啟動(dòng)，中間電壓會(huì)稍微下降，隨即快速恢復(fù)到目標(biāo)值，低于該速度輔助逆變器無法帶載啟動(dòng)。機(jī)車運(yùn)行速度達(dá)到35km/h時(shí)輔助逆變器帶負(fù)載啟動(dòng)，中間直流電壓基本保持恒定，見圖5。根據(jù)公式（4）可以看出，速度越高，具有能量越大，再生制動(dòng)效果越好。

4 結(jié)束語

本文針對(duì)HXD1D機(jī)車在嚴(yán)寒、高溫環(huán)境下，機(jī)車無火回送時(shí)，通過設(shè)計(jì)和研究出無火回送發(fā)電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)車設(shè)計(jì)配置的基本生活設(shè)施正常運(yùn)轉(zhuǎn)，提升了乘務(wù)員工作環(huán)境和生活質(zhì)量，防止嚴(yán)寒凍傷或高溫中暑事件的發(fā)生，消除人身安全事故隱患，大幅度的改善在機(jī)車無火回送過程中乘務(wù)員的工作環(huán)境和質(zhì)量，真正體現(xiàn)了以人為本的理念。