油电混合动力机车交流电气传动系统2013.doc

油电混合动力机车交流电气传动系统 中国船舶重工集团公司第七一二研究所 2013年6月 简介 工矿企业、港口、铁路编组站、轨道施工服务单位大量使用调车机车、工程机车和检修机车（统称为“调车机车”），与干线运输机车相比，该类机车存在平均负荷率低、运行速度低、载荷变化大、连续作业时间短、线路相对固定，机车作业时频繁启停、加速、制动、换向等特点。目前，以上轨道牵引任务几乎全部由内燃液力传动调车机车和内燃交直传动调车机车承担，由于调车机车的以上作业特点，造成了机车燃油经济性差，效率低、能耗高、排放大。然而，随着能源问题和环境问题的日趋严重和我国转变经济发展方式的不断深入，工矿企业对于“节能减排”的要求越来越强烈。 油电混合动力机车（以下简称为“机车”）是以“低碳环保”、“节能减排”和“实用性”为指导思想，专门为工矿企业调车、铁路救援车、施工车等非干线牵引场合开发的串联式混合动力交流电牵引机车。机车动力系统由柴油发电机组和动力蓄电池组组成，通过电力电子变流装置实现二者的能量混合，供给牵引逆变器，进一步驱动牵引电动机，再经过机械传动装置实现机车的牵引。机车控制系统根据机车的使用工况，进行有效的能量管理，实现柴油机和动力电池的最佳功率匹配和制动能量的回收。 组成 机车采用串联式油电混合动力交直交传动方案，可配置成集中动力或分散动力方式，主要设备包括发电柴油机、牵引发电机、牵引变流器、牵引电动机、充电机、电池管理系统、整车控制器、能量分配器和辅助设备等。 图1 机车混合动力系统组成 原理 传统的内燃机液力传动机车或内燃电传机车只有柴油机一个动力源，柴油机需满足机车最大牵引功率需求，然而在调车工况运行时，机车启停频繁、牵引功率变化频繁，站场用调车机车的典型运行工况如图2所示。从图中可看出，调车机车的平均牵引功率约占到最大功率的1/2～1/3，因此导致柴油机长期工作在远离经济区的区域，特别是在怠速时，柴油机发出的全部能量消耗在机械损失上，效率为零。此外，由于液力传动箱的效率较低，造成整车效率非常低下，油耗高，排放大。 图2 典型调车机车的功率分布 油电混合动力机车采用一台小功率柴油发电机组提供平均功率，结合能量存贮装置（动力蓄电池组）为机车提供峰值功率。当负载功率低于柴油发电机组输出功率或机车制动时，动力蓄电池组吸收并存贮多余的能量；当负载需求功率大于柴油发电机组的输出能力时，通过动力蓄电池组释放储存的能量补偿浮动功率。与传统的内燃机液力传动机车相比，混合动力机车可保证较小功率的柴油发电机组大部分时间工作在经济特性区，降低油耗和排放。 特点 （1）串联混合模式 发动机工作状态不受车辆行驶工况的影响，始终在最佳工作区域内稳定运行，因此，发动机具有良好的经济性和低排放性能。 发动机与牵引电机之间无机械连接，整车的结构布置自由度较大。 与并联式混合动力系统相比，牵引电机的功率大，制动能量回收的潜力大，系统能量利用效率高。 （2）直接耦合混合动力方式 系统将柴油发电机组经过整流装置与动力蓄电池组直接耦合，通过能量控制程序对柴油机、发电机和整流装置进行协调控制，实现柴油发电机组与动力蓄电池组的功率分配。与常见的混合动力系统相比，该方式减少了动力蓄电池组与直流母线间的大功率DC/DC变换器，从而简化了系统，同时大大降低了设备投入。 （3）共直流母线方式 共直流母线方式将机车动力系统分为前功率链和后功率链两部分，实现了前后功率链的完全解耦，使系统更加简单易控，为机车完美的动力性能和可靠性创造了有力的基础。 （4）可逆牵引逆变器+变频牵引电动机传动方式 变频牵引电动机的特性与机车固有牵引特性完满结合，充分利用机车轴重和黏着力，通过先进的矢量控制策略实现牵引电动机的四象限运行、转矩/功率控制模式和机车黏着力控制，使机车具有优异的牵引性能运行可靠，重量轻，效率较高而且价格低廉 近年来利用其传动领域的技术优势、工程经验积累和试验保障条件，七一二研究所成功开发了矿山电铲、混合动力机车、矿用大型电动轮自卸车等大型交流牵引传动系统，在多个领域填补了国内空白。