ZE R7型双动力源地铁工程车

在国内地铁工程车领域，内燃工程车占据了主要市场，同时也出现了电网+蓄电池电源形式的工程车。新车型在节能减排降噪等方面有很好的优势，但由于受蓄电池性能的影响，在环境温度适应性、持续工作时间和电池寿命等方面并不占优，尚不能得到用户的普遍接受。 以直流或交流电网和车载柴油发电机组供电的电力—内燃双动力源工程车在国内尚无应用报道，但在国外已经投入运用。如加拿大Bo m bardier公司、西班牙IN G E T E A M　公司都曾制造和销售了电力—内燃双动力源机车。其结合了内燃机和电网牵引的传统优势，对线路和环境温度的适应性大幅增强。 ZE R7型地铁工程维护车是借鉴南车株洲电力机车有限公司既有的工程车平台的设计运用经验，开发的一款适用于D C 1500 V接触网供电和车载柴油发电机组供电的新型四轴交流传动双动力源工程车。其中，接触网供电作为工程车的主要牵引方式，柴油发电机组供电则作为备用牵引。相对内燃工程车而言，可以大幅降低对柴油机的依赖性，提高电网的利用率。该车主要用于地铁列车车辆的牵引、调车作业及网轨检测车牵引、线路工务作业、接触网新线热滑等，能够满足国内大多数地铁工程车市场的需求。 1　工程车运用条件 2　工程车总体部分 2.1　设备布置 工程车为单司机室和双侧外走廊结构，整车分为车上设备布置和车下设备布置两部分。车上设备依次为：空气管路柜、司机室（顶置受电弓）、控制电源柜、低压电器柜、辅助逆变柜、整流柜和柴油发电机组，车下设备为：压缩机、线路电抗器、牵引逆变器、高压电器柜、高速断路器、制动电阻柜（2台）和转向架等。设备总体布置特点主要表现在：依托本公司ZE R3型电力工程车结构平台，同时兼顾传统内燃工程车的结构特点；单司机室置于工程车一端，远离机组，可以有效降低司机室噪声和振动，提高司乘人员舒适度；人行通道合理；柴油发电机组及其燃油箱为一体化结构；车下设备多为高电压、散热量大、干扰性强的电气部件，充分利用了车体的隔离、屏蔽作用。 整车设备布局合理，司机视野良好，设备安装、操作及维护方便。工程车总体设备布置见图1。 2.2　总体参数 图1　工程车总体设备布置 2.3　牵引特性 工程车牵引特性曲线见图2。 图2　牵引特性曲线 轮周功率/k W 最高速度/（km·h-1） 起动牵引力/k N 2.4　电制动特性 工程车电制动特性见图3。 轮周电制动功率/k W 3　工程车电气部分 3.1　主传动方式 工程车在接触网供电时为直—交主传动方式，在柴油发电机组供电时为交—直—交主传动方式，如图4。发电机组输出电压为三相AC690 V/60 H z，经三相整流输出的额定电压为DC900V。牵引逆变器内的两组牵引模块按照架控方式控制4台牵引电机，工程车电制动能量可以反馈至接触网或制动电阻及辅机系统。 图3　电制动特性曲线 3.2　辅助电路 工程车的辅助电源为三相AC380V/50Hz，辅助逆变器由接触网或中间电路取电，可以向车内、外负载供电。辅助电路还设计了库内三相AC380 V充电电路，可以满足库内柴油机的低温预热及工程车控制蓄电池的充电。 图4　主传动电路结构图 3.3　网络控制系统 工程车的网络控制系统采用IEC 标准的列车通信网络系统，柴油机和发电机的实时参数由MRS16型机组控制器接收，经RS485总线由RCM模块读取，并上传至司机室网络终端。如图5。 图5　网络系统架构图 4　工程车主要部件 4.1　柴油发电机组4.2 整流器 整流器采用三相全波整流电路，主要参数如下： 4.3　牵引逆变器 4.4　牵引电机 5　工程车主要特点 电力—内燃双动力源工程车是在D C 1 500 V接触网供电的交流传动电力工程车的技术平台上集成内燃电传动系统，且内燃机组作为辅助和备用牵引电源。因此，该车型主要特点如下： 5.1　柴油机组系统 柴油机组是集成在电力工程车平台上的重要部件。柴油机与发电机采用单轴承结构，总成后的机组经弹性减振装置安装在共同的基座上，基座内部设置了燃油箱；基座、油箱、电器柜与机组总装后加装静音箱。其中，燃油箱设计为双层结构，以防止燃油的泄漏；燃油箱与机组的一体化结构可以消除分体时进油管及回油管可能造成的泄漏，防止污染车上、车下电气设备和线缆。 由于燃油箱没有布置在工程车中央，需要考虑燃油质量变动对整车质量分配的影响；同时，由于燃油箱安装在基座内部，高度有限，为提高燃油的利用率，在燃油箱上部（静音箱内）增加了副油箱，柴油机的吸油口设置在副油箱内。 机组的冷却进风口设置如图6所示，循环后的热风由排风室顶部格栅排出，该方式可以消除工程车前、后方向运行时排风背压对机组功率的影响，同时，向上的排风也可将机组排烟吹散，减少对站台内墙壁上广告设施的污染。 图6　柴油发电机组通风示意图 柴油机组的发电机输出电源为三相AC 690 V，经过三相整流后，额定工况下输出DC 900 V电源，此值选择在满足牵引负荷功率需求同时，还考虑了空载输出电压值和柴油机组突然卸载时可能出现的瞬间较高电压，从而使整流器输出电压抬高，对主电路造成不利影响。 柴油发电机组的恒速恒压控制系统具备电源的自调节能力，以维持不同负载功率情况下的电源电压和频率恒定。对于中小功率的柴油机组，采用恒定中高转速控制技术不仅成熟可靠，而且可以有效避免机组与工程车间发生共振现象。同时，相对于传统的内燃电传动控制方式，由于机组控制系统与整车控制系统解耦，使得电力工程车控制系统不必改变并可以兼容内燃机组系统，简化了此类电力—内燃双动力源工程车的控制方式。 5.2　控制系统 与传统的内燃电传动工程车控制系统相比，本项目中，柴油发电机组的控制系统（ECU和AVR）独立于工程车牵引逆变器—牵引电机组成的负载调整控制系统（DCU）。由于考虑空间、本身质量等因素，柴油发电机组的功率裕量不会很大，因此，在柴油机功率基本满足负载需求时，柴油发电机组的控制系统能否满足工程车在牵引工况下的功率调整率的要求就至关重要。由于柴油机组功率输出是对工程车负载需求的自适应调节，且功率调整受油门调整时间影响，若负载增加过快，当输出功率无法满足时，将可能导致柴油机熄火，尤其在柴油机组功率超过50%以后。因此需要适当延长负载调整控制系统（DCU）的加载时间，降低功率调整率，使两种控制系统有更好的匹配性。本项目通过降低负载调整控制系统（DCU）的加载调整率予以解决。工程车0至100%功率突加、减载试验参数曲线见图7，试验中，将0至250 k W功率的加载时间设置为3 s。 图7　柴油发电机组负载突变试验 试验中监测柴油发电机组的输出电源功率、电压、电流和频率。在0至100%功率突加过程中，在不到4 s的时间内，机组输出功率就达到了最大值，期间其他参数均有波动，但波动值均在牵引逆变器输入值的允许范围内。机组满载运行约24 s后，负载突降至0，机组响应迅速，没有出现飞车现象。整个过程柴油机运行正常。 柴油发电机组配备了完善的检测保护装置，关键参数，如油压、转速、水温、电压等都设置一级报警值和停机保护值。机组的重要参数都通过总线传输至司机室终端，但机组不会通过总线发出工程车控制指令。 表1　基于代码生成的逻辑控制矩阵项目　设计要求　实测值司机室噪声（50 km/h）/dB（A）78　68机组振动烈度（50 km/h）　不低于B级　A级（0.5 m m/s）0～100%加载频率偏差%，恢复时间/s　±，6.4 0～100%加载电压偏差%，恢复时间/s　±，2.1机组通讯传输（图5功能）数据显示正确　良好 6　结束语 工程车组装完成后，依据设计要求和电力机车、内燃机车和柴油发电机组等的相关标准编制了ZE R7型双动力源地铁工程车的型式试验和例行试验大纲，并在厂内和现场进行了试验和设计改进。在重点关注的柴油发电机组牵引工况时的主要技术性能指标方面，如噪声、振动、网络兼容性、电源调节能力与工程车负载调节匹配性等的试验结果见表1： 各主要参数实测值均满足设计和相关规范要求，整车也通过了型式试验和例行试验。经过现场调试运用，工程车双电源工况转换灵活，工作稳定可靠；尤其是电力牵引，性能优于传统的内燃工程车，获得了用户认可。

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