电力牵引论文HXD型电力机车.docx
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电力牵引论文HXD型电力机车
HXD2型电力机车
1、HXD2型电力机车概述
2007年5月18日，由中国北车大同电力机车有限责任公司生产的首台HXD2型电力机车下线出厂，正式投入线路运营。
HXD2型电力机车主要针对铁路重载运输而设计。
机车适用范围广，适用于国内大部分线路情况，完全满足国内大部分铁路的气候环境和煤炭装卸地煤尘污染严重的环境要求。
同时，机车主要材料在-40
低温条件下的良好韧性使机车的适用地域更加广泛。
机车采用交—直—交电传动系统，25KV/50Hz的电压制式，与既有交—直传动机车相比，具有恒功率范围宽、轴功率大、黏着特性好、功率因数高、谐波干扰小、维护率和全寿命运营成本低、运营成本低、运营安全可靠、适用范围广等优点。
机车可实现单机牵引1万t重载列车，通过远程重联可实现双机牵引2万t重载组合列车的运行模式。
机车主要由以下几个子系统有机构成：
由受电弓、真空主断路器、避雷器、高压隔离开关、高压电压互感器、高压电流互感器、主变压器、IGBT四象限整流逆变装置、交流异步电机等组成的主电路系统；由辅助变流装置、充电机、辅助电机等构成的辅助电路系统；基于WordFIP网络通信技术的微机网络控制系统；Eurotrol电空制动系统；贯穿在各子系统内的独立通风冷却系统；由机车运行监控装置、信号设备、Locotrol远程重联控制装置和可控列尾装置、无线电台等组成的列车安全运行控制和监测设备；高强度车体及附属装置；高黏着、低动力作用转向架；机车独立生活间、工具柜、压车铁等附属装置。
在机车的标准配置中，机车整备重量为184t，对应轴重为23t。
加上压车铁轴重可以增加到25t，机车整备重量为200t，以便发挥更大的黏着牵引力。
HXD2型电力机车外观如下图1.1所示
图1.1HXD2型电力机车外观图
HXD2机车采用2（B0-B0）轴式，由双节机车连挂组成，每节机车具有单端司机室，后端设置独立的司机生活间，机械间采用中间走廊两边布置设备模块的形式，两节机车之间的通道采用橡胶风档及渡板连接。
所有的设备组件均安装在700mm宽的中央走廊的两侧，增加了设备的易接近性。
安装在侧墙上的维修门可使日常维修人员进入中央走廊，从而降低了机车寿命周期成本并保持了司机室的内部整洁。
2、HXD2型电力机车技术特点
2.1主变压器
“和谐D2”型电力机车主变压器为模块化的卧式结构，包括1个原边绕组，4个牵引绕组，4个二次滤波电抗器，2个辅助滤波电抗器，强迫油循环风冷却系统以及内置的多种保护电器。
其设计、制造技术基于瑞士ABB变压器产品在国际铁路上成熟、可靠的应用，执行IEC、EN、DIN标准，在安全可靠的漏磁屏蔽技术、高强度的油箱结构技术、F级的绝缘材料的选用配套技术、变压器整体的全寿命周期、轻量化和环保性等方面具有独特优势。
图2.1主变压器外形图
2.2转向架
转向架为Bo-Bo轴式，采用细晶粒高强度钢板焊接而成的“口”字形构架，中间横梁用螺栓与构架联结；异步交流电机鼻式悬挂，封闭式球铁滚动抱轴箱体、承载式球铁齿轮箱改善了部件的应力分布，提高了部件的抗振性能；采用整体辗钢车轮；低位牵引杆保证了高的粘着利用；一系悬挂装置和二系悬挂装置确保安全、快速和运行舒适性；通过一系、二系轴重调整垫实现25t/23t轴重变化；构架、齿轮箱、轴箱、抱轴箱等主要部件都具有符合EN标准要求的-40℃抗低温冲击性能。
具体图如图2.2所示
图2.2转向架图
2.3牵引变流柜
采用ONIX系统将IGBT技术应用于异步交流传动机车。
牵引传动系统的每台牵引电机与1个牵引逆变器和1个四象限整流器相连，组成四个独立的驱动单元，这样每根车轴驱动可以单独切除，因此发生一个单独的故障后，1台机车上仍保持3/4牵引功率。
先进的轴控技术提高了机车的粘着利用，牵引力也得到更好的发挥。
图2.3牵引变流器结构示意图
2.4辅助变流柜
两个独立的辅助变流器均采用IGBT技术。
每个辅助变流器包括降压斩波器和逆变器，直接由主电路中间回路供电，变压器不用设辅助绕组。
在正常模式下，一个辅助变流器为定
频载荷供电，另一个为变频载荷供电。
如果一个辅助变流器驱动失效，另一个将为蓄电池充电器和整个机车的辅助载荷供电。
蓄电池充电器单节车采用冗余设计，每两节车也互为冗余，保证了110V电源的可靠性。
2.5微机网络控制系统
控制网络基于AGATE?
产品系列，AGATE?
是最先进的一种列车控制、监视和维修用车载计算机网络部件，系统是完全可升级的、模块化的产品。
由基本硬件和软件模块组成：
MPU（主处理）、CRT（牵引传动控制模块）、CRA（辅助控制模块）、RIOMS（远程输入输出模块）、DDU（司机室显示器）等。
两台DDU都采用相同的应用程序软件，当其中一台发生故障时，另一台会显示所有必要的信息。
图2.4HXD2机车微机网络控制系统的网络拓扑结构图
2.6车体
整体承载的框架式全钢焊接车体结构。
底架主梁与台架一体化设计，底架为以边梁为主辅以中梁承载的结构；无横梁的波纹板侧墙；可拆卸钢制顶盖；整体可承受纵向压缩3600KN和拉伸2500KN载荷；车体材料具有-40℃低温下良好的冲击韧性值；侧墙上设787mm宽的维修门，避免了设备维修给司机室带来的不洁和顶盖的频繁拆卸；车内中间走廊宽700mm，使设备更易接近；车内地板均具有防滑功能；独立通风系统防止机械间设备污染；机械间风机使车内保持正压。
高强度车钩及大容量缓冲器技术。
重点对车钩最薄弱的环节—钩舌等部分进行了加强，使得车钩的整体强度达到4000kN。
缓冲器的容量达到75kJ以上。
图2.5车体外形图
2.7司机室
司机室采用框架式结构，整体前窗为多层导电膜电加热玻璃；两侧分别设玻璃侧窗和后视镜；两入口门厚重结实、密封性好，上部设上下推拉式玻璃窗与外界沟通；后墙中间为走廊门通向机械间，两侧设添乘座椅；司机室内装修为多孔铝板；整个司机室宽大舒适、气密性高、噪声隔离好。
司机操纵台环绕司机座椅布置，台面上的主要设备分为显示区、牵引控制区、制动控制区、照明控制区和气候控制区等几个区域，下部还设有风笛、无人警惕和撒砂的脚踏开关等。
功能集中、明确，操控方便，满足单司机值乘要求。
图2.6司机控制室图
2.8生活间
为体现“以人为本”的设计理念，满足长交路、单司机值乘的需要，在机车的中部增设了两个专门的生活区，分别安装了冰箱、微波炉、热水器、独立卫生间、卧铺床、衣帽柜、座椅、照明灯等生活设施。
生活间侧面有上下推拉式玻璃窗与外界沟通，前后设门与车内走廊和机车风挡渡板相通。
生活间内部按包厢式结构装修，顶置式空调和电暖风机可保证在-40℃的环境条件下室内温度保持在+20℃左右。
3、HXD2主要技术参数
3.1总体参数
轨距
轴式
机车整备重量
加压车铁后
机车可以从23t轴重转换成25t，也可以从25t轴重转换成23t，机车交车时轴重25t。
轴重
加压车铁后
3.2尺寸限界
机车在平直轨道上受电弓降下时，机车外形尺寸符合“机车车辆限界”GB146.1—83的要求。
车钩中心线距轨面高度（新轮）
受电弓降下时受电弓滑板距轨面高度（新轮）
受电弓滑板距轨面工作高度
齿轮箱底面距轨面高度（在新轮条件下）
机车排障器距轨面高度（在轮缘允许XX范围内可调）
转向架扫石距轨面高度
（可调）
3.3主要结构参数
机车前后车钩中心距
机车车体宽度
机车车体宽度（扶手杆处）
机车车顶距轨面高度
机车转向架中心距（单节车）
机车转向架固定轴距
3.4主要控制参数
电压制式
机车轮周牵引功率（持续制）
机车轮周电制动功率（持续制）
机车起动时黏着牵引力（速度范围内半磨耗的轮周平均牵引力）：
23t轴重时
25t轴重时
机车速度：
持续制速度
23t轴重时
25t轴重时
最高运行速度
最高试验速度（新轮）
机车持续制牵引力：
23t轴重时
25t轴重时
机车最大制动力：
23t轴重时
25t轴重时
恒功率速度范围：
牵引：
23t轴重时
25t轴重时
再生制动：
23t轴重时
25t轴重时
机车功率因数
（机车功率在大于10%额定功率时）
等效干扰电流和原边电流谐波含量（机车在持续制牵引工况下，距牵引变电所10km处测量，接触网每公里
）当一台机车满功率运行时等效干扰电流
机车电传动型式电压型逆变器，三相异步牵引电动机传动
机车总效率
4、HXD2牵引电传动系统
HXD2型大功率交流货运电力机车的牵引电传动系统主要是由网侧电路、主变压器和牵引电路组成,其中牵引电路包括牵引变流器和牵引电机等。
整个系统采用单轴独立控制方式,交-直-交变流技术对牵引电机进行牵引和制动特性控制。
牵引变流柜采用ALSTOM技术设计而成,采用铆接柜体结构,结构强度高,电磁兼容性好,模块化的结构设计,集成度高,性能可靠,其功率模块工艺性好,质量轻,且冷却管路采用快速接头设计,功率模块更换方便,无需进行放水等作业,有完善的电气保护功能和防火保护功能。
牵引电传动系统的结构组成如图4.1所示
图4.1牵引电传动系统的结构组成
4.1网侧电路组成
网侧电路（如图4.2所示）主要由受电弓、高压隔离开关、网侧火花放电间隙、原边电流互感器、原边电流传感器、真空主断路器、避雷器、接地开关、高压电压互感器、高压连接导电杆以及主变压器原边绕组、4组接地回流装置、电能计量装置等组成。
网侧电路主要是用于实现从接触网受流到机车，为机车上的主变压器提供25kV/50Hz的交流电源，作为整个机车工作的动力电源。
在网侧电路中，动力电源能够实现从接触网受流的受电弓PT1，并经过控制动力电路开断的主断路DJ（M），最后通过原边高压电流互感器引入机车主变压器，避雷器PF（M）和火花放电器E-TFP，E-TF1-PP是为防止自然界雷电袭击以及抑制开关操作过电压而设置的；接有用于检测网侧电压和电流信号的传感器TF1-PP、CA（I）TFP、TFI-Q1L（M），为控制电路提供同步信号和电气保护信号；在机车单节故障时,可以使用高压隔离开H（HT）将本节机车网侧电路整体隔离;电能计量装置PJ能够记录和显示机车牵引和制动时所消耗的能量
，并接有用于实现原边绕组短路保护的过流继电器Q1L（M）；另外还装有向轨道回流的车轴接地装置EB1-EB4,以及用于车顶维护时出于安全考虑的接地装置H（O-M）等。
来自接触网的AC25kV/50Hz交流电压通过车顶受电弓、主断路器和穿墙高压绝缘子进入机车内部,通过高压电缆和主变压器的高压端子连接,使主变压器一次线圈和轴端接地装置、车轮、轨道构成供电电压电路,为机车提供动力电源。
机车的控制系统设有多种保护措施,当满足故障条件时通过主断路器的分断,断开与高压电路的连接。
当高压侧原边电路发生短路故障时,机车将通过原边过流继电器Q1L（M）分断主断路器,以保护受电弓和接触网，不致于扩大故障。
当本节机车车顶网侧电路故障时,可通过隔离开关H（HT）的操作,在电气上断开与它节机车的连接，以维持机车的运行；当在接触网下保养或维修机车时,为了确保维修人员的安全,通过接地开关H（O-M），在降弓的状态下，将车顶电路形成接地状态。
电能计量装置PJ用于显示和记录机车牵引时消耗的电能和再生制动时回馈电网的电能。
图4.2网侧电路电路原理图
4.2牵引电路
4.2.1电气原理
整台机车由两台牵引变流柜组成，每个牵引变流柜集成了一个转向架的两个牵引变流系统
、两个牵引变流控制系统及一套冷却系统，一套牵引变流系统基本由预充电接触器、工作接触器、预充电电阻、整流功率模块、降压斩波模块、接地电阻、充电电容、充电电容电压指示灯、中间电压互感器、PWM逆变模块、整流输入电流传感器、逆变器输出电流传感器以及变流系统功率模块冷却用的轴流冷却塔风机等组成。
图4.1为HXD2型电力机车一个轴上的牵引变流系统电气原理图，整台机车的牵引电路包含有原理和结构相同的4套牵引变流器装置，分别布置于两个柜体中。
每套牵引变流器装置是由一个四象限整流器、一个中间电路和一个三相PWM逆变器组成，每套装置驱动一台三相异步牵引电动机，实现整台机车的轴控驱动方式。
图4.3牵引时的工作原理图
在机车处于牵引工况（如图4.3所示）下，主变压器牵引绕组输出的AC950V交流电压通过预充电接触器和工作接触器加到主变流器前级的四象限整流器上。
由于牵引绕组具有较高的短路阻抗，因此，它不仅是四象限整流器的供电电源,同时，也具有四象限整流器正常工作所必须的储能电抗器功能。
AC950V交流电压通过四象限整流器和支撑电容器变换为DC1800V的直流电压。
正常工作时,先闭合预充电接触器通过预充电电阻为中间电路的支撑电容器充电,然后,再闭合工作接触器为四象限整流器正常工作提供电源,这样就避免了合闸瞬间,由于中间电路电容器电流不能突变所引起的大电流冲击。
每个中间直流电路由二次滤波电路、储能电路、测量及保护电路构成。
储能环节由支撑电容器及放电电阻组成，主要起稳定中间电路电压，向牵引电动机提供无功功率作用，同时可对四象限脉冲整流器和牵引电机逆变器产生的高次谐波进行滤波。
在变流器的中间电路中，除了起滤波作用的支撑电容器之外，还有二次滤波电路和电压抑制电路。
在四象限整流器的控制算法和功能实现中，会在直流输出电流中含有两倍于网侧频率的交流分量，这个分量对于后续的逆变器控制和变流器功率的发挥来说是有害的，在此通过由LC串联谐振所组成的二次滤波电路将其滤除，以抑制中间直流电路的电压脉动，谐振电容器位于主变流器柜内，谐振电抗器则置于主变压器油箱中。
电压抑制电路主要是通过斩波限压来实现的，它是由IGBT元件和过压抑制电阻等组成，根据中间电路电压的波动和过压情况控制IGBT元件的通断,将过电压的能量通过吸收电阻将其消耗，从而将中间直流电压抑制在规定范围之内。
图4.4再生制动的工作原理图
三相逆变电路用于将中间电路的DC1800V电压通过PWM脉宽调制控制，变换为电压和频率可变的三相交流输出，为牵引电机提供三相交流电源,实现三相异步牵引电机的速度特性控制。
在再生制动工况
（如图4.4所示）时，异步牵引电机处于发电状态，中间直流电路通过四象限脉冲整流器向牵引绕组馈电，将制动时产生的电能回馈到电网，从而实现机车的再生制动。
在牵引变流器的输入电路、中间电路和三相输出电路中，接有多个电压和电流传感器，用于为相关的控制和保护电路提供实时信号。
主电路的接地保护是通过接地电流传感器来检测，通过相应的控制来实现的。
每个牵引变流器中间电路的负端通过接地电流传感器形成固定接地点，当牵引电路中其他电平的电路接地时，就会在接地电流传感器中检测出电流信号，通过相应的控制进行故障报警或采取相关措施。
在两轴牵引变流器装置的中间电路还接有辅助变流器和库用电源电路，以实现各自的功能。
当机车在调试或者检修库内需要动车时，可以通过车体两侧的库用电源插座向机车送入三相工频380V交流电，通过星/三角形连接变压器、整流器和控制器件，变换为DC1000V的直流电压加到中间电路，再通过相应的控制进行库内动车作业。
主电路入库插座和库内辅机调试共用一个三相电源插座，每节车一个。
机车入库插座设有相序检测控制装置，用于检测三相输入电源相序的正确性，如果相序不符合要求，则不能实现动车作业，并设有空气断路器用于实现库用电路的短路和过载保护以及电路的隔离。
4.2.2四象限整流器
四象限整流器从功能上来说，不但可以实现交流到直流的整流变换功能（1、3象限），而且也能够实现将直流电变换为交流电回馈电网的逆变功能（2、4象限），同时，高的短路阻抗可以滤除一定频率的谐波分量，，改善电网的性能指标。
图4.5四象限整流器等效电路图
如图4.5所示四象限整流器的等效电路图（
为变压器的原边电压，
为变压器的牵引绕组电压，
为牵引绕组的直流电阻，
为牵引绕阻的漏感，
为调制基波电压，
为整流输出直流电压，
为牵引绕组基波电流）根据图4.6四象限整流器控制矢量图，四象限整流器整流时的工作原理实际上是一个斩波升压的过程，在这个过程中，根据波形的特点控制相应桥臂IGBT的导通造成绕阻的短路，由于变压器具有较高的短路阻抗，因此电流的上升率是有限的，能量储存在牵引绕阻的漏感
上，在IGBT关断的过程中，牵引绕组的电压加上储能电感感应的电压就会通过二极管整流后加到整流输出电路，这样通过不断地进行这样的过程，就会在整流输出端得到较高的中间电路直流电压，这个电压高于通过4个整流二极管整流后的电压，如图4.7所示输入电压正半波时四象限整流器的工作原理，在此开通IGBT2或IGBT3，通过相应的二极管形成短路为电感
储能，关断时累加后的电压就会通过二极管1和二极管4整流后输出到中间电路；输入电压负半波时的工作同理是开通IGBT1或IGBT4，关断时累加后的电压就会通过二极管2和二极管3整流输出。
图4.6四象限整流器控制图
图4.7输入电压正半波时四象限整流器的工作原理
在牵引电机再生制动时，四象限整流器工作在逆变状态，此时，简单描述为在正半波时IGBT1和IGBT4导通，负半波时IGBT2和IGBT3导通，实际控制中是通过将与电网同相位的标准正弦波与固定频率的三角形载波比较后形成IGBT的开关脉冲，完成调制后的SPWM波形输出，实现直流到交流的逆变转换，波形如图4.8所示。
图4.8四象限整流器逆变控制波形图
其中
，
为IGBT1、IGBT4门极脉冲，
为IGBT2、IGBT3门极脉冲。
根据图4.5四象限整流器等效电路图，可以得到四象限整流器基本的矢量方程式：
在牵引工况
和
同相位，此时
的相位滞后
，再生制动时，
和
反相位，
的相位超前
。
如图6所示，由于变压器的牵引绕组电压
和漏感
是一定的，那么只要控制了
的幅值和相位,就控制了
的幅值和相位，反之,只要控制了
的的幅值和相位,也就控制了
的幅值和相位。
在实际控制中,通常采用双闭环控制方式,通过控制
的相位来实现
和
同相位,从而使交流侧电网的基波功率因数为1；通过调节
的相位来改变
的幅值,来稳定直流侧电压
。
4.3机车主变流器的原理
图4.9主变流器原理图
结语
纵观世界各国的发展历程，重载铁路有着非常高的效率和效益。
近20年来，我国铁路技术水平装备得到了未有的改变，但由于历史的原因，整体上只相当于发达国家10世纪70年纪的水平，差距很大。
铁路技术装备的现代化已经成为需要迫切解决的问题之一。
我国能源的特点是煤炭资源丰富，油气等资源相对较少，煤炭储量在常规能源中占90%以上，是也界上最大的煤炭生产国和消费国，同时也是少数几个以煤炭为主要能源的国家之一。
长期以来，煤炭在全国一次能源生产和消费中的比重一直保持在70%以上。
随着我国经济发展步伐的加快，全国煤电油运全面紧张，大幅度提高铁路煤炭能力已迫在眉捷。
经科学论证，将列车重量提高到2万t，可以大幅度提高运输能力，同时通过长大重载列车的系统集成创新，将使我国重载运输技术跨入世界先进行列。
在这种形势要求下，为快速提升我国机车车辆装备技术水平，由中国北车集团大同电力机车有限责任公司专门针对重载运输需要研制生产出了最高试验速度132km/h、最高运行速度、总功率为10MWrHXD2型大功率交流传动货运电力机车。
机车整体采用国际先进的技术标准体系，以功能体系为基础的模块化、以维修为导向的全寿命周期设计方法，以交流电传动系统、微机网络控制系统、低动力作用转向架和高强度车体及钩缓装置等国际先进技术为代表，形成了具有明显技术优势和国际竞争力的品牌产品，为中国铁路开行2万t组合列车，解决我国煤运专线的运通运力紧张的问题提供了动力保证。
HXD2型大功率交流传动货运电力机车辅助系统采用国际上先进的设计技术和制作工艺及辅助变流器、充电机、低压控制和网络传输于一体采用模块化的结构设计、人性化的操作面板、完善的电气保护和防火保护采用结构强度和EMC特性良好的铆接柜体结构设计真正体现了机车的先进辅助系统设计技术体现了HXD2机车辅助系统设计和制造的“先进、成熟、安全和可靠”。
参考文献
[1]连级三.电力牵引控制系统[M].北京:
中国铁道出版社,2001
[2]林木生,邵丙衡.电力半导体变流技术[M]北京:
中国铁道出版社,1987.
[3]张曙光HXD2型电力机车[M]北京：
中国铁道出版社，2009.
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