IN地鐵時刻?番外番V07C:低地板有軌電車牽引系統(tǒng)的輕量化方案——以THP1和TGM1為例

時代電氣自2014年起,積極為多條有軌電車線路提供電氣產(chǎn)品,包括但不限于蒙自有軌電車、德令哈有軌電車、長水機場捷運系統(tǒng),以及后來的一系列智軌項目。
在廣東,時代電氣為佛山高明有軌電車示范線(TGM1)和廣州黃埔有軌電車1號線(THP1)提供牽引及輔助系統(tǒng)。
佛山高明有軌電車示范線(TGM1)
TGM1 是佛山市高明區(qū)的首條有軌電車線路,亦是世界首條商用氫能源有軌電車線路,其首期工程(滄江路~智湖)于2019年12月30日開通,總長約 6.57 km,設(shè)站10座。

TGM1 使用的列車由中車四方旗下的佛山中車四方軌道車輛有限公司生產(chǎn),為 2.5M+0.5T 編組:Mc1-M1-TMc2,對應 GM1A0X-GM1B0X-GM1C0X。
車頂設(shè)備配置可參考下圖,大部分與該圖吻合,不過?DC-DC 電源箱位于水冷裝置和高壓電器箱之間,氫燃料電池與儲氫瓶的相對位置則與圖中的相反。


車頂設(shè)備具體而言:
司機室和客室的空調(diào)機組均為山東朗進科技制
氫燃料電池為巴拉德動力系統(tǒng)制?FCveloCity-SFHD-200 型,由六個?140 L 儲氫瓶供能,每個儲氫瓶的額定工作壓力為 35 MPa,列車加注一次氫氣后可持續(xù)行駛?80~100 km
鈦酸鋰蓄電池為北京北交新能科技制,用以彌補氫燃料電池輸出功率受限的不足,提高氫燃料的能量利用率

高壓電器箱為中車時代電氣制,額定輸入電壓?DC 750 V,額定輸出電流 1000 A
DC-DC 電源箱為北京北交思遠發(fā)展科技制,額定功率 200 kW,其本質(zhì)上是直流變壓器,將氫燃料電池輸出的 DC 350 V ~ 680 V 不穩(wěn)定電壓轉(zhuǎn)換為?DC 750 V 穩(wěn)定電壓,為列車的牽引及輔助系統(tǒng)供電,亦可在整車負載功率較低時給鈦酸鋰蓄電池充電
牽引逆變器在 GM1A0X 單元安裝兩臺、在 GM1C0X 單元安裝一臺,對應于每列車的三臺動力轉(zhuǎn)向架(后文中與 THP1 對比)

每臺牽引逆變器搭配一臺?tPower-HL3?型水冷裝置,其水冷散熱功率為?20 kW

輔助逆變器在?GM1C0X?單元安裝一臺,內(nèi)置高頻軟開關(guān)和 DC 24 V 的充電機(后文中與?THP1?對比)
廣州黃埔有軌電車1號線(THP1)
THP1 是廣州市黃埔區(qū)的首條有軌電車線路,其首期工程總長約 14.3 km,設(shè)站20座,其中北段(地鐵長平~新豐路)于2020年7月1日開通,南段(地鐵香雪~北師大實驗學校)于同年12月28日開通,未來北端還將延伸至永和片區(qū)。

THP1?使用的列車由中車株機旗下的廣州中車軌道交通裝備有限公司生產(chǎn),為 3M1T 編組:Mc1-T-M-Mc2,對應 1XXA-1XXB-1XXC-1XXD。
記 1XXA 側(cè)為左側(cè),1XXD 側(cè)為右側(cè),車頂設(shè)備由左至右的配置為:
1XXA:空調(diào)機組、充電機、蓄電池低壓箱、牽引逆變器、儲能電源
1XXB:空調(diào)機組、儲能電源、高壓電器箱
1XXC:牽引逆變器、鈦酸鋰蓄電池、空調(diào)機組
1XXD:儲能電源、牽引逆變器、雙向充電裝置、充電機、空調(diào)機組

車頂設(shè)備具體而言:
所有空調(diào)機組均為王牌冷氣(石家莊國祥)制
鈦酸鋰蓄電池為北京北交新能科技制,包含10并182串計1820個電池單體,額定電壓 420 V,工作電壓范圍 360~477 V,額定電量 42 kWh,持續(xù)充電電流 600 A,持續(xù)放電功率 125 kW,峰值放電功率 300 kW,不僅快充性能優(yōu)異,而且具有智能預警功能
蓄電池低壓箱為中車株洲電力機車制,額定電壓 DC 24 V
儲能電源為中車株洲電力機車制 EC316A(與深圳龍華有軌電車使用的產(chǎn)品相同,衍生自海珠有軌電車?THZ1 的 EC316)型超級電容器,單臺質(zhì)量?1500 kg,額定電壓 DC 900 V,額定容量 55.2 F,包含2并344串計688個電容單體,可在列車制動時回收?80% 以上的制動能量
1XXA、1XXC、1XXD?單元各安裝一臺牽引逆變器(后文中與 TGM1 對比)

1XXA、1XXD 單元各安裝一臺充電機(后文中與 TGM1 對比)
雙向充電裝置在 1XXD?單元安裝一臺,質(zhì)量?372 kg,防護等級 IP55(功能后述)
TGM1 與 THP1 的牽引系統(tǒng)對比

在 TGM1 的列車中,每列車共有四臺轉(zhuǎn)向架,其中位于 GM1B0X 單元前后的兩臺為鉸接式轉(zhuǎn)向架,位于?GM1C0X?單元末端的一臺為非動力轉(zhuǎn)向架,每臺動力轉(zhuǎn)向架搭載四臺安裝在輪邊的永磁同步牽引電機。

在?THP1?的列車中,每列車共有四臺轉(zhuǎn)向架,包括三臺動力轉(zhuǎn)向架和一臺非動力轉(zhuǎn)向架;所有轉(zhuǎn)向架均采用獨立車輪結(jié)構(gòu),每臺動力轉(zhuǎn)向架安裝兩套驅(qū)動單元,每套驅(qū)動單元都連接至一臺三相異步牽引電機(參見李達、曹文祥《廣州黃埔有軌電車1號線車輛設(shè)計》)。
由此,不難理解 tPower-TN8?系列和?tPower-TN9?系列牽引逆變器的控制方式。
TN8 系列驅(qū)動永磁電機,必然是1C1M,每臺動力轉(zhuǎn)向架安裝四臺電機,即為1C1M4群。
TN9?系列驅(qū)動異步電機,且每臺動力轉(zhuǎn)向架安裝兩臺電機,因此為1C2M1群,其基本電路可參照下圖。

TGM1 與 THP1 的輔助系統(tǒng)對比
在 TGM1?的列車中,GM1C0X 單元安裝一臺輔助逆變器,其型式為?tPower-AA23,內(nèi)置高頻軟開關(guān)和 DC 24V · 10 kW 的充電機。

在 THP1 的列車中,充電機和雙向充電裝置都是輔助供電系統(tǒng)的組成部分。
每列車的兩臺直流充電機通過高頻逆變、變壓器隔離和全波整流,為列車的低壓負載提供電源,亦可并聯(lián)為鈦酸鋰蓄電池充電。充電機型式為?tPower-AC21?(750/CP3) ,重量?195 kg,輸入電壓 DC 750 V ,輸出電壓 DC 27 V,輸出功率 12 kW。
列車采用以超級電容器為主、鈦酸鋰蓄電池為輔的復合儲能方案,由雙向充電裝置控制鈦酸鋰蓄電池的充放電。雙向充電裝置為深圳通業(yè)科技制 ES11 型,低壓側(cè)電壓范圍?DC 280?V?~?450 V,高壓側(cè)電壓范圍?DC?500?V?~?900 V,其在超級電容器充滿電時啟用鈦酸鋰蓄電池的充電功能,在超級電容器電量不足時讓鈦酸鋰蓄電池向列車供電,具體的充放電策略可參見陳文海、周瑩《一種有軌電車車載復合儲能系統(tǒng)及其充放電策略》。


以上,便是對 TGM1 和 THP1 列車的車頂設(shè)備,以及時代電氣的兩類低地板有軌電車用牽引系統(tǒng)的介紹。除了服務于普通的地鐵和有軌電車車輛,時代電氣在它二十多年來的發(fā)展歷程中,還為一些特殊車型開發(fā)過 TGA17 系列、?TGA19 系列、?TGA23 系列、?TGN66 系列、tPower-TN27?系列等產(chǎn)品,這些會在后續(xù)介紹發(fā)展史的專欄里進一步展開說明。