IN地铁时刻•番外番V07C:低地板有轨电车牵引系统的轻量化方案——以THP1和TGM1为例

时代电气自2014年起,积极为多条有轨电车线路提供电气产品,包括但不限于蒙自有轨电车、德令哈有轨电车、长水机场捷运系统,以及后来的一系列智轨项目。
在广东,时代电气为佛山高明有轨电车示范线(TGM1)和广州黄埔有轨电车1号线(THP1)提供牵引及辅助系统。
佛山高明有轨电车示范线(TGM1)
TGM1 是佛山市高明区的首条有轨电车线路,亦是世界首条商用氢能源有轨电车线路,其首期工程(沧江路~智湖)于2019年12月30日开通,总长约 6.57 km,设站10座。

TGM1 使用的列车由中车四方旗下的佛山中车四方轨道车辆有限公司生产,为 2.5M+0.5T 编组:Mc1-M1-TMc2,对应 GM1A0X-GM1B0X-GM1C0X。
车顶设备配置可参考下图,大部分与该图吻合,不过 DC-DC 电源箱位于水冷装置和高压电器箱之间,氢燃料电池与储氢瓶的相对位置则与图中的相反。


车顶设备具体而言:
司机室和客室的空调机组均为山东朗进科技制
氢燃料电池为巴拉德动力系统制 FCveloCity-SFHD-200 型,由六个 140 L 储氢瓶供能,每个储氢瓶的额定工作压力为 35 MPa,列车加注一次氢气后可持续行驶 80~100 km
钛酸锂蓄电池为北京北交新能科技制,用以弥补氢燃料电池输出功率受限的不足,提高氢燃料的能量利用率

高压电器箱为中车时代电气制,额定输入电压 DC 750 V,额定输出电流 1000 A
DC-DC 电源箱为北京北交思远发展科技制,额定功率 200 kW,其本质上是直流变压器,将氢燃料电池输出的 DC 350 V ~ 680 V 不稳定电压转换为 DC 750 V 稳定电压,为列车的牵引及辅助系统供电,亦可在整车负载功率较低时给钛酸锂蓄电池充电
牵引逆变器在 GM1A0X 单元安装两台、在 GM1C0X 单元安装一台,对应于每列车的三台动力转向架(后文中与 THP1 对比)

每台牵引逆变器搭配一台 tPower-HL3 型水冷装置,其水冷散热功率为 20 kW

辅助逆变器在 GM1C0X 单元安装一台,内置高频软开关和 DC 24 V 的充电机(后文中与 THP1 对比)
广州黄埔有轨电车1号线(THP1)
THP1 是广州市黄埔区的首条有轨电车线路,其首期工程总长约 14.3 km,设站20座,其中北段(地铁长平~新丰路)于2020年7月1日开通,南段(地铁香雪~北师大实验学校)于同年12月28日开通,未来北端还将延伸至永和片区。

THP1 使用的列车由中车株机旗下的广州中车轨道交通装备有限公司生产,为 3M1T 编组:Mc1-T-M-Mc2,对应 1XXA-1XXB-1XXC-1XXD。
记 1XXA 侧为左侧,1XXD 侧为右侧,车顶设备由左至右的配置为:
1XXA:空调机组、充电机、蓄电池低压箱、牵引逆变器、储能电源
1XXB:空调机组、储能电源、高压电器箱
1XXC:牵引逆变器、钛酸锂蓄电池、空调机组
1XXD:储能电源、牵引逆变器、双向充电装置、充电机、空调机组

车顶设备具体而言:
所有空调机组均为王牌冷气(石家庄国祥)制
钛酸锂蓄电池为北京北交新能科技制,包含10并182串计1820个电池单体,额定电压 420 V,工作电压范围 360~477 V,额定电量 42 kWh,持续充电电流 600 A,持续放电功率 125 kW,峰值放电功率 300 kW,不仅快充性能优异,而且具有智能预警功能
蓄电池低压箱为中车株洲电力机车制,额定电压 DC 24 V
储能电源为中车株洲电力机车制 EC316A(与深圳龙华有轨电车使用的产品相同,衍生自海珠有轨电车 THZ1 的 EC316)型超级电容器,单台质量 1500 kg,额定电压 DC 900 V,额定容量 55.2 F,包含2并344串计688个电容单体,可在列车制动时回收 80% 以上的制动能量
1XXA、1XXC、1XXD 单元各安装一台牵引逆变器(后文中与 TGM1 对比)

1XXA、1XXD 单元各安装一台充电机(后文中与 TGM1 对比)
双向充电装置在 1XXD 单元安装一台,质量 372 kg,防护等级 IP55(功能后述)
TGM1 与 THP1 的牵引系统对比

在 TGM1 的列车中,每列车共有四台转向架,其中位于 GM1B0X 单元前后的两台为铰接式转向架,位于 GM1C0X 单元末端的一台为非动力转向架,每台动力转向架搭载四台安装在轮边的永磁同步牵引电机。

在 THP1 的列车中,每列车共有四台转向架,包括三台动力转向架和一台非动力转向架;所有转向架均采用独立车轮结构,每台动力转向架安装两套驱动单元,每套驱动单元都连接至一台三相异步牵引电机(参见李达、曹文祥《广州黄埔有轨电车1号线车辆设计》)。
由此,不难理解 tPower-TN8 系列和 tPower-TN9 系列牵引逆变器的控制方式。
TN8 系列驱动永磁电机,必然是1C1M,每台动力转向架安装四台电机,即为1C1M4群。
TN9 系列驱动异步电机,且每台动力转向架安装两台电机,因此为1C2M1群,其基本电路可参照下图。

TGM1 与 THP1 的辅助系统对比
在 TGM1 的列车中,GM1C0X 单元安装一台辅助逆变器,其型式为 tPower-AA23,内置高频软开关和 DC 24V · 10 kW 的充电机。

在 THP1 的列车中,充电机和双向充电装置都是辅助供电系统的组成部分。
每列车的两台直流充电机通过高频逆变、变压器隔离和全波整流,为列车的低压负载提供电源,亦可并联为钛酸锂蓄电池充电。充电机型式为 tPower-AC21 (750/CP3) ,重量 195 kg,输入电压 DC 750 V ,输出电压 DC 27 V,输出功率 12 kW。
列车采用以超级电容器为主、钛酸锂蓄电池为辅的复合储能方案,由双向充电装置控制钛酸锂蓄电池的充放电。双向充电装置为深圳通业科技制 ES11 型,低压侧电压范围 DC 280 V ~ 450 V,高压侧电压范围 DC 500 V ~ 900 V,其在超级电容器充满电时启用钛酸锂蓄电池的充电功能,在超级电容器电量不足时让钛酸锂蓄电池向列车供电,具体的充放电策略可参见陈文海、周莹《一种有轨电车车载复合储能系统及其充放电策略》。


以上,便是对 TGM1 和 THP1 列车的车顶设备,以及时代电气的两类低地板有轨电车用牵引系统的介绍。除了服务于普通的地铁和有轨电车车辆,时代电气在它二十多年来的发展历程中,还为一些特殊车型开发过 TGA17 系列、 TGA19 系列、 TGA23 系列、 TGN66 系列、tPower-TN27 系列等产品,这些会在后续介绍发展史的专栏里进一步展开说明。