XQG45-600P新能源燃料电池轻轨车

雒焕骥,李伟宏,李向庆

(1 永济新时速电机电器有限责任公司,山西永济044502;2 中国北车集团 兰州机车有限责任公司,甘肃兰州730050)

燃料电池轻轨车利用氢气作为燃料电池可再生能源,实现了无污染,无温室气体排放;并首次将永磁同步牵引电机及控制变频器成功应用该车上承担主牵引驱动功能。因永磁同步牵引电机具有功率大、效率高、恒功范围宽以及良好的转矩平稳性和低振动、低噪声的特点,在众多领域得到成功应用。

燃料电池轻轨车交流传动系统采用直—交电传动技术,其原理是采用燃料电池作电源供电,经2台200 kVA的牵引变流器将直流电转换成为频率、电压可调的三相交流电,控制2台120 kW交流永磁同步电动机驱动机车运行;走行部采用两轴车轴齿轮箱式转向架,整体焊接的箱形结构构架;制动系统采用性能可靠的JZ-7G型空气制动机,基础制动采用带有闸瓦间隙自动调节器的单元式制动器,可实现机车运行过程中的可靠制动和停车制动。

1 总体布置

燃料电池轻轨车主要结构分机械和电气两大部分。机械部分由车体、走行转向架、牵引装置、空气制动系统等组成;电气系统由燃料电池、牵引逆变器、永磁同步牵引电机、电气操纵控制系统、制动电阻、照明、喇叭等组成。总体布置见图1。

2 技术特性

(1)技术参数

整备质量 45±3%t;

传动方式 直-交流电传动;

轴式 B-B;

轮径 840 mm;

轨距 1 435 mm;

车钩型式 13号上作用式车钩;

通过最小曲线半径 80 m;

图1 新能源燃料电池轻轨车布置图

制动型式 空气制动+驻车制动;

制动机型号 JZ-7G;

基础制动 单元式制动器;

车钩中心线距轨面高 880±10 mm;

轴距 2 000 mm;

转向架中心距 6 180 mm;

外形尺寸 13 500×2 600×3 600(长×宽×高);

持续速度 21 km/h;

最高运用速度 65 km/h;

构造速度 100 km/h;

持续牵引力 36.5 kN;

起动牵引力 50 kN;

牵引电机功率 120×2 kW。

(2)牵引特性曲线

燃料电池轻轨车牵引特性曲线如图2所示。

图2 燃料电池轻轨车牵引特性曲线

3 结构组成

(1)车体。燃料电池轻轨车为内走廊棚式车体,底架承载全焊接钢结构。底架焊有牵引销座,通过牵引销与转向架相连,用以传递牵引力。车架设有吊车孔及架车座,供吊起机车和架车用。

排障器为全钢焊接中间突出呈尖状向左右倾斜的封闭型结构。排障器上设有脚踏板,便于工作人员调车作业。

牵引装置按标准TB 1594-1996上作用式车钩和ST型缓冲器组成。轻轨车在全整备质量下,车钩中心线距轨面高度为(880±10)mm。

(2)操纵台。机车上设置Ⅰ端和Ⅱ端操纵台,两端操纵台布置基本相同。操纵台设计为左侧驾驶。正司机位处台面上设置有JZ-7G制动机和司机控制器,这是司机操纵时的主要工具;两者之间布置有8个扳键开关和总控锁开关,用于照明、信号等辅助功能;司机控制器右侧布置有鸣笛、驻车制动及燃料电池启动/停机等开关、按钮。制动机上方斜面板上,设置有3个双针压力表,分别显示各风缸的压力值。Ⅰ端操纵台司控器上方的斜面板上设置有主电流电压表、辅助电压表、机车速度表等机车信息显示仪表,在它右边有燃料电池信息显示屏、燃料电池报警及复位开关。在主司机操纵台的下方设置有脚踏鸣笛开关。操纵台上同时设置有刮雨器控制开关。

(3)空气制动系统。空气制动系统是为完成燃料电池轻轨车的制动、鸣笛、撒沙和自动控制等作用而设的一套装置。燃料电池轻轨车空气制动机选用双端操纵的JZ-7G型空气制动机,该制动机性能良好,操纵灵活,检修方便,是铁路目前使用最广泛的一种制动机。两端司机室均设置操作机构,可独立操作。能实现全列车的制动、保压和缓解,同时又可实现燃料电池轻轨车的单独制动、保压和缓解。系统还具有无动力回送功能。

(4)转向架。车体下部是两个两轴齿轮箱式走行转向架,两个转向架结构相同,对称布置,牵引电机的输出轴通过万向联轴器与转向架的齿轮箱相连,驱动机车运行。转向架的基础制动装置,采用单侧单元制动器+合成闸瓦形式。在制动器箱体内,安装有制动杠杆和闸瓦间隙自动调整器,制动器箱体处安装制动缸、闸瓦和闸瓦托吊杆,每个制动器安装有两块闸瓦。组装好的制动器作为一个独立部件用螺栓连接在构架的制动器安装座上。

(5)燃料电池。燃料电池是高效、环保的新型发电装置,具有低运行温度、高功率密度、快速响应、快速启动能力、稳定性好以及当使用纯氢气时不会造成环境污染的特点。氢燃料电池在进行电化学反应的同时,电子在外电路形成电流,向负载输出电能,生成的水随尾气排出。

该车使用的氢燃料电池电堆是国外某公司生产的HD6-150 K型电堆,它的总功率是150 kW。氢燃料电池的供气系统和控制系统为自主开发技术。

(6)电气系统

①主电路。机车采用直-交电传动系统。主电路由燃料电池、主接触器、牵引逆变器、牵引电动机、制动电阻等组成。燃料电池产生400～800 V直流电供给牵引逆变器。逆变器将直流电逆变成频率、电压可调的三相交流电,驱动永磁同步牵引电动机运行。

②辅助电路。辅助电路包括24 V电源电路、空压机电路、空调电路等。燃料电池产生的高压直流电经24 V电源变换器变成低压直流电,供给24 V蓄电池,满足低压电路需要。燃料电池产生的高压直流电经打风逆变器逆变成三相380 V交流电供给空压机,满足空压机电动机用电需要。燃料电池产生的高压直流电经空调逆变器逆变成单相220 V交流电供给空调,满足空调用电需要。

③控制电路。控制电路分电源控制和牵引传动控制。

电源控制包括总控开关、总控锁开关、电源输出开关、燃料电池启动与停止开关。牵引传动控制包括驻车制动与缓解制动按钮、司机控制器。

④显示电路。显示电路包括高压电压表、高压电流表、低压电压表、速度表、里程计及各种信号指示灯。

⑤照明电路。照明电路包括前照灯、辅照灯、司机室灯、仪表照明等。

4 结束语

作为一种高效、环保、节能的新型机车,新能源燃料电池轻轨车将极大促进轨道交通系统的重大改革和发展,是一种具有巨大潜力的新型轨道交通工具。虽然目前燃料电池的功率还很有限,但相信随着燃料电池技术的发展,燃料电池的功率等问题会得到逐步解决,基于燃料电池的电动机车的前景更看好。

[1] 陈维荣,钱清泉,李 奇.关于发展燃料电池混合动力列车的思考[Z].2008全国博士生学术论坛—电报工程,2008.

[2] 孙竹生,鲍维千.内燃机车总体及走行部[M].中国铁道出版社,1995.