CN113911146B - 一种环保型内燃机车交直电传动系统 - Google Patents

一种环保型内燃机车交直电传动系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于内燃机车技术领域，涉及一种环保型内燃机车交直电传动系统，包括储能式电源，所述储能式电源连接有多组结构相同且相互独立的电路拓扑结构；采用储能式电源替代柴油机，实现了大功率交直传动内燃机车零排放和低噪音运行；利用现有的电气开关和关键部件，通过对电路拓扑结构的合理布局，在机车牵引工况下将直流电机的并行控制变更为独立控制，优化机车牵引性能，在机车电制动工况下将直流电机励磁的串接控制变更为独立励磁控制，实现直流电机在发电、耗能工况下的独立控制，从而提升机车的制动性能。

Description

一种环保型内燃机车交直电传动系统
技术领域
本发明属于内燃机车技术领域，涉及一种环保型内燃机车交直电传动系统。
背景技术
业内悉知，内燃机车中内燃机和动轮之间需要一套与发动机同等重要并符合内燃机车牵引特性的传动装置，传动装置有三种：机械传动装置、液力传动装置和电力传动装置，电力传动装置分为交直电传动和交直交电传动。
通过对《中国铁路2020年统计公报》显示的数据进行统计分析，国内采用交直电传动的内燃机车拥有量不少于0.5万台，且数量巨大的内燃机车在创造巨大经济效益的时候，同时也带来了不容忽视的问题，即环境污染。内燃机车柴油机排放污染物包括CO、HC、NOx和颗粒(PM)，与汽油机相比，柴油机的HC、CO排放量很低，NOx的排放量与汽油机处于同一数量级，但PM的排放确是汽油机的30～80倍。干线内燃机车柴油机具有较大的机组功率(1000～4000千瓦)，且排气流量达到2～8kg/s，由于其是在4m以上的高度排放，所以在排气流的逸散区可形成极高的局部服务内的大气污染，对人类的健康产生不利影响。
现有交直电传动内燃机车是依靠柴油机工作产生动力，带动交流发电机工作，发出交流电，经过整流装置变换为直流后，提供给六台直流牵引电机工作，以使得驱动机车在不同工况下满足机车性能的要求。机车工况分为前进方向的牵引、前进方向的电制动、后进方向的牵引、后进方向的电制动，不同工况依靠工况转换开关和方向转换开关进行转换，需要满足的机车性能又称为机车牵引特性和制动特性。
典型的机车交直流电传动系统原理示意图参见图1，牵引工况时内燃机车柴油机拖动发电机，将机械功率转换电能，由牵引电机驱动机车运行，内燃机车交直流电传动系统原理示意图(牵引工况)如图2所示，此时直流牵引电机采用串励方式工作于电动机模式，且六台电机以并联方式使用同一套电源，通过控制发电机的励磁控制发电机的输出电压，从而来控制并实现牵引电机的牵引特性。因六台电机使用同一套电源，所以直流机车在牵引时牵引电机的特性无法做到精准，使机车的轴重转移特性和空转滑行特性无法做到最佳。当内燃机车处于电制动工况时，直流电机处于发电机工作模式，柴油机仍然需要输出机械功率，驱动发电机和整流装置输出电能，对直流电机的励磁绕组进行励磁，且依次对六个电机的励磁绕组进行串接励磁；六台电机的电枢绕组输出电能后分别消耗在各自的负载电阻上，内燃机车交直流电传动系统原理示意图(制动工况)如图3所示，通过控制发电机的励磁来控制发电机的输出电流，该电流也是直流牵引电机的励磁电流，使直流电机电枢绕组的输出电功率受控，来实现电传动系统的电制动特性。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种环保型内燃机车交直电传动系统，采用新能源替代柴油机，实现了大功率内燃机车的零排放，同时通过新的电路拓扑结构的改进，优化了机车在牵引及制动工况下的性能。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
这种环保型内燃机车交直电传动系统，包括储能式电源，所述储能式电源连接有多组结构相同且相互独立的电路拓扑结构；
所述电路拓扑结构包括：DC/DC直流变换装置、用于内燃机车牵引/制动工况转换的工况转换开关、直流牵引电机电枢绕组、直流牵引电机励磁绕组及制动电阻；所述工况转换开关包括第一工况转换开关及第二工况转换开关；
当内燃机车处于牵引工况，所述储能式电源的正极与DC/DC直流变换装置连接，所述DC/DC直流变换装置输出的电能经第一工况转换开关进入直流牵引电机电枢绕组，再通过第二工况转换开关进入直流牵引电机励磁绕组，最后经DC/DC直流变换装置返回至储能式电源的负极形成牵引回路；
当内燃机车处于制动工况，所述交直电传动系统通过DC/DC直流变换装置输出的电能实现直流牵引电机在发电工况下的励磁：DC/DC直流变换装置输出的电能经第一工况转换开关进入直流牵引电机励磁绕组，再经DC/DC直流变换装置返回至储能式电源的负极形成制动回路；
所述直流牵引电机电枢绕组通过第一工况转换开关、第二工况转换开关与制动电阻形成能耗制动回路。
进一步，所述牵引回路还包括第一接触器、电流互感器，所述第一接触器串接于储能式电源的正极与DC/DC直流变换装置之间，所述电流互感器串接于直流牵引电机电枢绕组与第二工况转换开关之间。
进一步，所述牵引回路还包括第一方向转换开关及第二方向转换开关，所述第一方向转换开关串接于直流牵引电机励磁绕组的一端与第二工况转换开关之间，所述第二方向转换开关串接于直流牵引电机励磁绕组的另一端与DC/DC直流变换装置之间。
进一步，所述制动回路还包括第一方向转换开关及第二方向转换开关，所述DC/DC直流变换装置输出的电能经第一工况转换开关、第一方向转换开关进入直流牵引电机励磁绕组，再经过第二方向转换开关、DC/DC直流变换装置返回至储能式电源的负极。
进一步，第一方向转换开关、第二方向转换开关均采用单刀双掷开关。
进一步，所述第一工况转换开关、第二工况转换开关均采用单刀双掷开关。
进一步，所述直流牵引电机励磁绕组通过第二接触器与磁场削弱电阻形成削弱磁场回路。
进一步，所述能耗制动回路还包括第三接触器，所述第三接触器的一端与制动电阻的中间抽头端连接，所述第三接触器的另一端经第二工况转换开关与直流牵引电机电枢绕组连接。
进一步，所述储能式电源采用电压为DC590V～DC740V的锂电池。
进一步，DC/DC直流变换装置的输入电压为DC400V～DC900V，输出电压为DC0V～DC800V，输出电流不超过1100A。
与现有技术相比，本发明提供的技术方案包括以下有益效果：采用储能式电源替代柴油机，实现了大功率交直传动内燃机车零排放和低噪音运行；利用现有的电气开关和关键部件，通过对电路拓扑结构的合理布局，在机车牵引工况下将直流电机的并行控制变更为独立控制，优化机车牵引性能，在机车电制动工况下将直流电机励磁的串接控制变更为独立励磁控制，实现直流电机在发电、耗能工况下的独立控制，从而提升机车的制动性能。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，与说明书一起用于解释本发明的原理。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有内燃机车交直流电传动系统的原理图；
图2为现有内燃机车交直流电传动系统在机车牵引工况的原理图；
图3为现有内燃机车交直流电传动系统在机车制动工况的原理图；
图4为本发明提供的环保型内燃机车交直电传动系统的原理框图；
图5为本发明提供的环保型内燃机车交直电传动系统的电路结构图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置的例子。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例
参见图4所示，本发明提供了一种环保型内燃机车交直电传动系统，包括储能式电源，所述储能式电源连接有多组结构相同且相互独立的电路拓扑结构；
所述电路拓扑结构包括：DC/DC直流变换装置、用于内燃机车牵引/制动工况转换的工况转换开关、直流牵引电机电枢绕组、直流牵引电机励磁绕组及制动电阻；所述工况转换开关包括第一工况转换开关及第二工况转换开关；
当内燃机车处于牵引工况，所述储能式电源的正极与DC/DC直流变换装置连接，所述DC/DC直流变换装置输出的电能经第一工况转换开关进入直流牵引电机电枢绕组，再通过第二工况转换开关进入直流牵引电机励磁绕组，最后经DC/DC直流变换装置返回至储能式电源的负极形成牵引回路；
当内燃机车处于制动工况，所述交直电传动系统通过DC/DC直流变换装置输出的电能实现直流牵引电机在发电工况下的励磁：DC/DC直流变换装置输出的电能经第一工况转换开关进入直流牵引电机励磁绕组，再经DC/DC直流变换装置返回至储能式电源的负极形成制动回路；
所述直流牵引电机电枢绕组通过第一工况转换开关、第二工况转换开关与制动电阻形成能耗制动回路。
进一步，所述牵引回路还包括第一接触器、电流互感器，所述第一接触器串接于储能式电源的正极与DC/DC直流变换装置之间，所述电流互感器串接于直流牵引电机电枢绕组与第二工况转换开关之间。
进一步，所述牵引回路还包括第一方向转换开关及第二方向转换开关，所述第一方向转换开关串接于直流牵引电机励磁绕组的一端与第二工况转换开关之间，所述第二方向转换开关串接于直流牵引电机励磁绕组的另一端与DC/DC直流变换装置之间。
进一步，所述制动回路还包括第一方向转换开关及第二方向转换开关，所述DC/DC直流变换装置输出的电能经第一工况转换开关、第一方向转换开关进入直流牵引电机励磁绕组，再经过第二方向转换开关、DC/DC直流变换装置返回至储能式电源的负极。
进一步，第一方向转换开关、第二方向转换开关均采用单刀双掷开关，用于转换电流流向，进而调整直流牵引电机的转向；当内燃机车前进时，第一方向转换开关、第二方向转换开关均打到左端，直流牵引电机励磁绕组的电流流向为c1→c2；当内燃机车后退时，第一方向转换开关、第二方向转换开关均打到右端，直流牵引电机励磁绕组的电流流向为c2→c1。
进一步，所述第一工况转换开关、第二工况转换开关均采用单刀双掷开关。
进一步，所述直流牵引电机励磁绕组通过第二接触器与磁场削弱电阻形成削弱磁场回路。
进一步，所述能耗制动回路还包括第三接触器，所述第三接触器的一端与制动电阻的中间抽头端连接，所述第三接触器的另一端经第二工况转换开关与直流牵引电机电枢绕组连接。
进一步，所述储能式电源采用电压为DC590V～DC740V的锂电池。
进一步，DC/DC直流变换装置的输入电压为DC400V～DC900V，输出电压为DC0V～DC800V，输出电流不超过1100A。
本发明提供的环保型内燃机车交直电传动系统，相对于现有机车交直流电传动系统，取消了柴油机、发电机、整流柜，而以新型储能式电源代替；且工况转换和方向转换均采用原有的开关设备，采用六组结构相同且相互独立的电路拓扑结构来实现，详见图5所示，具体工况如下：
当机车在牵引工况时，储能式电源的正极经接触器与DC/DC直流变换装置连接，通过DC/DC直流变换装置，完成直流电压的可控调节输出，输出电能通过第一工况转换开关(单刀双掷开关打到右端)进入直流牵引电机电枢绕组，再经过电流互感器、第二工况转换开关(单刀双掷开关打到左端)、第一方向转换开关进入直流牵引电机励磁绕组，最后经第二方向转换开关流出经DC/DC直流变换装置返回至储能式电源的负极；同时，可通过闭合第二接触器，使削弱磁场回路导通，实现对磁场的削弱；
当机车在制动工况时，储能式电源的正极经接触器与DC/DC直流变换装置连接，通过DC/DC直流变换装置，完成直流电压的可控调节输出，输出电能通过第一工况转换开关(单刀双掷开关打到左端)、第一方向转换开关进入直流牵引电机励磁绕组，最后经第二方向转换开关流出经DC/DC直流变换装置返回至储能式电源的负极；该制动工况中，直流牵引电机转为发电机模式运行，直流牵引电机电枢绕组输出的电能经过制动电阻、第二工况转换开关(单刀双掷开关打到右端)、电流互感器返回至直流牵引电机电枢绕组，完成直流牵引电机的耗能制动。
此外，当机车车速过低时，可闭合第三接触器，通过减小制动电阻的阻值来增大制动电流，从而提高机车制动效率。
综上，本发明提供的这种环保型内燃机车交直电传动系统，采用储能式电源替代柴油机，实现了大功率交直传动内燃机车零排放和低噪音运行；利用现有的电气开关和关键部件，通过对电路拓扑结构的合理布局，在机车牵引工况下将直流电机的并行控制变更为独立控制，优化机车牵引性能，在机车电制动工况下将直流电机励磁的串接控制变更为独立励磁控制，实现直流电机在发电、耗能工况下的独立控制，从而提升机车的制动性能。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。
应当理解的是，本发明并不局限于上述内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种环保型内燃机车交直电传动系统，其特征在于，包括储能式电源，所述储能式电源连接有多组结构相同且相互独立的电路拓扑结构；
所述电路拓扑结构包括：DC/DC直流变换装置、用于内燃机车牵引/制动工况转换的工况转换开关、直流牵引电机电枢绕组、直流牵引电机励磁绕组及制动电阻；所述工况转换开关包括第一工况转换开关及第二工况转换开关；
当内燃机车处于牵引工况，所述储能式电源的正极与DC/DC直流变换装置连接，所述DC/DC直流变换装置输出的电能经第一工况转换开关进入直流牵引电机电枢绕组，再通过第二工况转换开关进入直流牵引电机励磁绕组，最后经DC/DC直流变换装置返回至储能式电源的负极形成牵引回路；
当内燃机车处于制动工况，所述交直电传动系统通过DC/DC直流变换装置输出的电能实现直流牵引电机在发电工况下的励磁：DC/DC直流变换装置输出的电能经第一工况转换开关进入直流牵引电机励磁绕组，再经DC/DC直流变换装置返回至储能式电源的负极形成制动回路；
所述直流牵引电机电枢绕组通过第一工况转换开关、第二工况转换开关与制动电阻形成能耗制动回路。
2.根据权利要求1所述的环保型内燃机车交直电传动系统，其特征在于，所述牵引回路还包括第一接触器、电流互感器，所述第一接触器串接于储能式电源的正极与DC/DC直流变换装置之间，所述电流互感器串接于直流牵引电机电枢绕组与第二工况转换开关之间。
3.根据权利要求2所述的环保型内燃机车交直电传动系统，其特征在于，所述牵引回路还包括第一方向转换开关及第二方向转换开关，所述第一方向转换开关串接于直流牵引电机励磁绕组的一端与第二工况转换开关之间，所述第二方向转换开关串接于直流牵引电机励磁绕组的另一端与DC/DC直流变换装置之间。
4.根据权利要求1所述的环保型内燃机车交直电传动系统，其特征在于，所述制动回路还包括第一方向转换开关及第二方向转换开关，所述DC/DC直流变换装置输出的电能经第一工况转换开关、第一方向转换开关进入直流牵引电机励磁绕组，再经过第二方向转换开关、DC/DC直流变换装置返回至储能式电源的负极。
5.根据权利要求3或4所述的环保型内燃机车交直电传动系统，其特征在于，第一方向转换开关、第二方向转换开关均采用单刀双掷开关。
6.根据权利要求1所述的环保型内燃机车交直电传动系统，其特征在于，所述第一工况转换开关、第二工况转换开关均采用单刀双掷开关。
7.根据权利要求1所述的环保型内燃机车交直电传动系统，其特征在于，所述直流牵引电机励磁绕组通过第二接触器与磁场削弱电阻形成削弱磁场回路。
8.根据权利要求1所述的环保型内燃机车交直电传动系统，其特征在于，所述能耗制动回路还包括第三接触器，所述第三接触器的一端与制动电阻的中间抽头端连接，所述第三接触器的另一端经第二工况转换开关与直流牵引电机电枢绕组连接。
9.根据权利要求1所述的环保型内燃机车交直电传动系统，其特征在于，所述储能式电源采用电压为DC590V～DC740V的锂电池。
10.根据权利要求1所述的环保型内燃机车交直电传动系统，其特征在于，所述DC/DC直流变换装置的输入电压为DC400V～DC900V，输出电压为DC0V～DC800V，输出电流不超过1100A。
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