浅析HXD3电力机车电力传动.docx

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浅析HXD3电力机车电力传动

毕业设计（论文）

浅析HXD3型电力机车电力传动

黑龙江交通职业技术学院

2014年12月

毕业设计（论文）

浅析HXD3型电力机车电力传动

姓名

：

指导教师

：

专业

：

铁道机车车辆（电力机车）专业

学院

：

机车车辆学院

答辩日期

：

2014年12月

单位

：

黑龙江交通职业技术学院

摘 要

随着变流技术,微机控制技术的发展,交流调速系统的研究和开发已引起世界各国的高度重视。

交流传动系统无论在性能指标,装置体积,设备维护还是节能乃至环保等方面均体现出了巨大优势。

HXD3型电力机车的主传动系统和辅助传动系统均采用了交流传动技术和微机网络控制技术,整个电气系统的设计坚持起点高、技术领先的原则,并充分考虑大功率货运电力机车的实际需要,采用先进、成熟、可靠的技术,按照标准化、系列化、模块化、信息化的总体要求,进行全方位设计的[1]。

本论文主要以HXD3型电力机车为设计原型,以交直交传动系统为研究对象,通过介绍交直交传动系统的结构和分析其工作原理,结合我国铁路机车近几年来飞速发展和济南铁路局济南西机务段自引进HXD3型机车以来检修与运用现状,介绍交直交传动系统在铁路机车上的运用情况。

论文第一章为绪论,从总体上介绍交流传动系统的配置情况,机车采用交流传动技术的优势和机车上的运用情况,并对HXD3型电力机车的特征及其电传动系统的作了简单概述。

关键词：

HXD3型电力机车；交-直-交传动；四象限整流器；电路

Abstract

Withthedevelopmentofconvertertechnologyandcomputercontroltechnology,ACspeedregulationsystemhasattractedworldattention.ACdrivesystemsshowstremendousadvantagesintheperformanceindicators,thedevicevolume,equipmentmaintenance,energysavingandeventheenvironmentalprotection.BoththemaindrivesystemandtheauxiliarydrivesystemofHXD3typeelectriclocomotiveadoptsACdrivetechnologyandcomputercontroltechnology,theentireelectricalsystemdesignadheretothehighstartingpoint,theleadingprinciple,andfullyconsidertheactualneedsofthehighpowerfreightelectriclocomotive.Whatismore,ituseadvanced,mature,reliabletechnologyandundertakeall-arounddesignaccordingtothedemandofstandardization,series,modular,information.AccordingtotherapiddevelopmentofChina’srailway,therailwaylocomotives’researchismoreandmoreextensiveanddeep.ThispapermainlyintroducestheHXD3typeelectriclocomotiveandtheAC-DC-ACtransmissionsysteminrailwaylocomotiveoperationandmaintenanceofthesituation.Thefirstchapteristheintroduction,introducestheconfigurationoftheACdrivesystem,theadvantagesofACdrivetechnology,thecharacteristicsoftheHXD3electriclocomotiveandtheelectricdrivesystem.

Keywords:

HXD3electriclocomotive,AC-DC-ACdrive,four-quadrantrectifier,electriccircuit

目 录

摘 要  I

Abstract  II

第1章绪 论  1

1.1课题背景  1

1.2选题意义及主要研究内容  1

1.3交流传动电力机车的优势  2

1.3.1我国交流传动电力机车的现状  3

第2章电气线路主电路  5

2.1主电路及其部件  5

2.2网侧电路作用及其主电路  6

2.3牵引变流器  7

2.3.1牵引电动机供电电路  8

2.4保护电路  8

2.5主要故障及处理  8

2.6本章小结  9

第3章辅助电路  10

3.1三相辅助电路及辅助变流器  10

3.2辅助变流器供电电路  11

3.2.1电动机电路  12

3.3辅助电动机电路的保护系统  12

3.4主要故障及处理  13

3.5本章小结  13

第4章控制电路  14

4.1控制电源电路  14

4.2机车逻辑控制和保护电路  15

4.3辅助变流器控制电路  16

4.4牵引变流器控制电路  16

4.4.1保护电路  17

4.5主要故障及处理  17

4.6本章小结  17

结 论  18

参考文献  19

致 谢  20

第一章绪 论

1.1课题背景

自20世纪70年代后，随着半导体技术、电子技术、现代控制理论、计算机等的发展，三相交流传动技术有了质的飞跃。

交流传动技术在机车上得到应用的初始阶段，曾有过多种方案。

若按所用的交流电动机来分类，可分为交流同步电动机和交流异步电动机两种，在交流异步电动机传动系统中，机车上常使用鼠笼型感应电动机。

交流同步电动机传动系统，可以使用较为简单的变流器，随着可关断元件的问世，变流技术有了长足进步，因此近年来，同步交流电动机已让位给感应电动机，因为后者有更好的能量指标，如功率因数、谐波电流等。

但是我们应该看到，永磁同步电动机的进展，将来又有可能替代感应电动机，因为永磁同步电动机的结构更为简单，有更高的效率13[2]。

1.2选题意义及主要研究内容

随着变流技术，微机控制技术的发展，交流调速系统的研究和开发已引起世界各国的高度重视，并且人们已经在生产实践中领略到交流调速所带来的巨大收益。

交流传动系统无论在性能指标，装置体积，设备维护，还是节能乃至环保等方面，均体现出了巨大优势。

但是对我国来说，机车车辆的交流传动技术，无论从理论上，还是实用上，还有一定的距离。

本文的愿望在于理清交一直一交电力机车有关技术的一些理论问题。

为了更符合实际，因此结合HXD3交流货运电力机车来加以讨论。

当然由于其复杂性，只能尽力而为，也可能会有明显的错误，望加指正。

HXD3交流货运电力机车的主传动和辅助传动均采用了交流传动控制技术。

在整个电气系统的设计中，充分考虑大功率货运电力机车的实际需要，按照铁道部的先进、成熟、可靠的原则，和标准化、系列化、模块化、信息化的总体要求，来进行设计。

在这些要求和原则指导下，体现在HXD3交流货运电力机车的设计中，具有如下的主要特点：

（1）电传动系统采用IGBT水冷变流机组，1250kW大转矩异步牵引电动机。

机车具有起动（持续）牵引力大、恒功率速度范围宽、粘着性能好、功率因数高等特点。

（2）辅助电气系统采用2组辅助变流器，能分别提供VVVF和CVCF三相辅助电源，对辅助机组进行分类供电。

该系统冗余性强，一组辅助变流器故障后可以由另一组辅助变流器对全部辅助机组供电。

（3）采用微机控制系统，实现了逻辑控制、自诊断功能，实现了机车的网络重联功能，并具有信息储存和转储功能。

（4）总体设计采用高度集成化、模块化的设计思路，电气屏柜和各种辅助机组斜对称布置在中间走廊的两侧；采用了规范化司机室，有利于机车的安全运行。

（5）采用带有中梁的、整体承载的框架式车体结构，有利于提高车体的强度和刚度。

（6）转向架采用滚动抱轴承半悬挂结构，二系支承采用高圆螺旋弹簧；采用轮盘制动及整体轴箱、低位牵引等技术。

（7）采用下悬式安装方式的一体化多绕组（全去耦）变压器，具有高阻抗、重量轻等特点，并采用强迫导向油循环风冷技术。

（8）采用独立通风冷却技术。

牵引电机采用由侧墙百叶窗进风的独立通风冷却；牵引变流器的水冷和主变压器的油冷，采用水、油复合型全铝板翅式冷却器，由车顶直接进风冷却；辅助变流器也采用车外进风冷却的方式；另外还考虑了司机室的换气和机械间的微正压。

（9）采用了集成化的空气制动系统，具有空电联合制动功能。

（10）采用了新型的膜式空气干燥器，与螺杆式空气压缩机做成一体式结构，有利于压缩空气的干燥，减少制动系统阀件的故障率[3]。

目前该车已成功运用于南京东机务段和武汉江岸机务段。

1.3交流传动电力机车的优势

本文仅讨论目前广泛使用的交一直一交电力机车。

通常所说的交一直一交电力机车是指由交流电网供电（交），由整流器整流成直流（直），再逆变成交流，去驱动异步交流电动机（交）的机车。

从技术上说，经多年努力，世界上各大公司已解决了技术理论上的难点，又有了成熟的制造经验。

随着电力电子技术、异步电动机的控制技术（矢量控制、直接扭矩控制）、微机和网络技术在机车、动车上的应用，机车性能不断得到提高，交流传动已成为机车、动车发展的主流。

目前，订购和采用交流传动机车、动车的浪潮，从前西德开始席卷整个欧洲，然后是北美，现在这股浪潮己冲到了亚洲和非洲。

越来越多的交流传动电力机车、动车，以其优越的性能奔驰在世界上许多国家的铁路网上11”引。

自上世纪九十年代开始，国外已停止生产整流器式电力机车（交一直机车）。

只生产交一直一交机车。

与前者比较，交一直一交机车的优点为：

（1）交一直一交电力机车使用感应电动机，电动机无直流电动机的换向器，维修工作量极小；感应电动机有更高的转速，同样功率的电动机，体积更小，重量更轻；这表明，在机车转向架有限的安装空间内，可以装备更大功率的牵引电动机。

（2）交一直一交电力机车使用无触点的半导体元件组成整流器和逆变器，机车不再需要“前一后"、“牵一制”转换开关。

所用的接触器及其他开关电器也

大量减少，因此电器的维修工作量小；

（3）交一直一交电力机车使用四象限PWM脉宽调制整流器，机车的功率系数可接近于1，等效干扰电流小于3．5A，有极好的电磁兼容性；

（4）交流传动机车轴功率可达1700kW，对货物列车编组质量较小的西殴国家，可设计成客货通用的电力机车；

（5）对西殴和日本等国来说，由于劳动工时关系，交一直一交电力机车比交一直电力机车成本更低，价格更便宜，运用费用可减少三分之一。

基于上述原因，我国今后研制的机车、动车，当然也应该紧跟技术发展的趋势，以交一直一交电力机车、动车为发展方向[4]。

1.3.1我国交流传动电力机车的现状

我国交流传动电力机车的研制，开始于上世纪八十年代中期，几乎与国际上同步。

虽然九十年代制造了AC4000型电力机车，但是由于基础技术落后和理论上还未完全掌握，未能达到商业运用。

上世纪九十年代，在自主研制交流传动电力机车的同时，利用ADtranz的电气传动部件研制了几种机车和动力集中方式的动车，同时也开始动力分散方式动车的研制，经过多年的研究和探索，目前已经有多种新车型问世：

·AC4000交流传动机车一一1994年年底出厂，因技术起点低和设计缺陷，现已作为科研教学车。

·“熊猫”号机车与“蓝箭”动车组一一落成于2000年，其关键部件（牵引变流器，辅助变流器，计算机控制，交流电动机）共十套均购自ADtranz公司。

·“奥星"号机车与“中原之星"动力分散式动车组一一于2001年10月出厂，系我国自主研制的有技术产权的产品。

·“先锋”号动车组一一于2001年下半年出厂，变流器及控制系统购自日本三菱公司。

·“中华之星’’高速列车一一交流传动技术与“奥星”类似，2002年12月落成，现正在线路上试运行。

从上可以看出，我国在交流传动电力机车方面的研制，已经有了长足的发展，但是，目前主要集中在客运机车和动车方面[5]。

在国内运行的交流传动货运电力机车，仅有购自德国Seimens公司的DJl型电力机车。

该机车为8轴机车，B0转向架，轴功率为800kW。

对交流货运电力机车来说，该机车的轴功率偏小，显然不太合理，应选用更大功率的牵引电动机为好。

在机车的设计上，由于我国国情与欧洲不同，因此不能套用他们的设计思想。

可参照的有俄罗斯、印度、澳大利亚等国的铁路，它们都是以大货运量为主的国家。

欧洲各国列车编组质量通常为2000t左右，客、货列车运行速度差别不太显

著，为减少机车种类，因此常采用客货通用的电力机车。

我国铁路线根据不同的等级，在曲线半径、限制坡道、到发线长度上差异较大；从货物列车编组质量看，多为3500t、5000t，在运煤专线上甚至为万吨列车；而客运列车的编组质量约1000t左右。

因此客、货在编组质量、列车运行速度方面的差别极为显著，所以客货通用的电力机车，对我国并不合适。

由于我国各铁路线货物列车的编组质量差异较大，因此从我国国情出发，应该研制不同轴式、不同功率等级的货运电力机车，．形成系列，来满足不同编组、不同路况的需求。

正是本着这个契机，大连厂与同本东芝公司联合开发试制了HXD3交流货运电力机车，填补了国内六轴交流货运电力机车型谱的空白。

使国内交流货运电力机车，可以以6轴和8轴轴式的货运电力机车为基础，来构成12轴、16轴、18轴、24轴?

的重联组合，供不同的列车编组、不同的线路断面所需，以满足我国铁路重载的需求。

第二章电气线路主电路

HXD3电力机车上各种电机、电器设备按其功能和作用、电压等级分别组成几个独立的电路系统。

即主电路、辅助电路、控制电路。

三个电路通过电一磁、电一机、电一空等联系起来，对机车进行控制。

2.1主电路及其部件

机车主电路是产生机车牵引力和制动力的电气设备电路。

机车主电路主要由网侧电路、主变压器、牵引变流器及牵引电动机等组成。

具体电路如图2．2HXD3型电力机车主电路原理图所示[6]。

主电路所完成的功能是电能和机械能间的相互转换。

机车牵引工况时，机车主变压器原边通过受电弓、高压隔离开关和主断路器获得5kV交流电，经过主变压器的降压，由主变压器次边6个独立的牵引绕组分别向6组交直交支路供电。

每组交直交电路由一个两点式单相四象限PWM整流器和一个两点式三相WVF逆变器等组成。

三相WVF逆变器向牵引电动机供电，牵引电动机在电动机状态下工作，实现电能向机械能的转换，变为机车的牵引力和速度。

机车制动工况时，则进行与上述相反的转换。

这时电动机在发电机状态下工作，将列车的动能或位能转换为电能，向接触网回馈电能，这时牵引时按整流器工作的变流器，变为逆变器工作。

全车共有6组变流器，加上相应的电器，分别安装在两套变流器机柜中。

牵引变流器的控制采用单轴独立控制方式，机车的单轴输出功率达1200kW。

图2．2HXD3型电力机车主电路原理图

2.2网侧电路作用及其主电路器

（1）网侧电路

网侧电路由2台受电弓、2台高压隔离开关、1个高压电流互感器、1个高压电压互感器、1台主断路器、1台避雷器、主变压器原边绕组、2个低压电流互感器和回流装置等组成。

机车通过受电弓APl或AP2从接触网受流，经高压隔离开关QSl或QS2和主断路器QFl，通过高压电流互感器TAl进入车内，经25kV高压电缆与主变压器A端子相连，经主变压器原边AX后，通过6个并联的回流装置EBl一EB6从轮对回流至钢轨。

①受电弓

采用DSA型受电弓。

该弓采用原装德国进口件，在国内组装。

各项性能指标均高于国内同类产品，弓内装有自动降弓装置，当弓网故障时，可自动降弓保护。

②高压隔离开关

采用目前国内成熟产品，具有手动操作功能。

当一台受电弓发生故障接地时，可通过手动操作高压隔离开关，切除故障的受电弓，由另一台受电弓维持机车维持运行，以减少机破故障，提高机车运用可靠性。

③高压电压互感器

采用新设计的干式高压电压互感器，其次边输出分别送到牵引变流器1和牵引变流器2的控制单元，作为牵引变流器控制的同步信号使用，还可作为原边电

压的检测和为电度表的计量提供电压输入。

④主断路器

采用原装进口真空断路器。

该电器的作用为正常状态下的电路的开闭及故障状态下电路的开断，后者包含机车接地和短路等故障。

由于故障电流增长快、电流大，因此要求断路器在尽可能短的时间内动作，并能开断极大的短路电流。

⑤高压电流互感器对主变压器原边电流进行检测，用以驱动保护继电器，起原边过流保护作用。

⑥避雷器避雷器接在主断路器和高压电流互感器之间，用以抑制操作过电压及雷击过电压。

⑦高压接地开关在机车停电进行高压设备或需上车项检修时（同时必须接上接地棒）需通过打开机车天窗门，转换高压接地开关，使车顶网侧部分接地，以确保人身安全。

⑧低压电流互感器一只低压电流互感器为电度表的计量提供原边电流信号，并为机车微机控制系统提供原边电流信号，另一只低压电流互感器给TCMS送入原边电流信号，用于微机显示屏显示。

⑨回流装黄

保证网侧电流向钢轨的回流作用，同时保护机车轮对轴承不受电蚀以及机车可靠的接地性能。

（2）主变压器

主变压器的六个1450V牵引绕组分别用于两套牵引变流器的供电，两个399V辅助绕组分别用于辅助变流器的供电[7]。

2.3牵引变流器

①牵引变流器的构成

牵引变流器UMl内部可以看成由3个独立的整流一中间电路一逆变环节构成，每个环节分别有2个接触器、1个输入电流互感器、1个充电电阻、1个四象限变流器、中间电路、1个PWM逆变器、2个输出电流互感器等组成。

3个整流一中间电路一逆变环节的主电路和控制电路相对独立，分别提供给3个牵引电动机。

当其中一组或几组发生故障时，可自动切除，剩余单元可继续工作。

②牵引变流器工作原理

在变流器的输入端，设有变流器充电电路。

当中间电压为零时，主变压器的牵引绕组通过充电电阻向四象限整流器，给中间直流回路支撑电容充电。

若不接入充电电阻，当电源接入时，电容上的电压不能突变，因此电源相当于通过二极管形成短路，，会形成很大的冲击电流。

当中间直流电压达到2000V时，中间电路预充电完成，充电接触器切除充电电阻。

这时，牵引绕组向中间直流回路支撑电容继续充电，直至2800V。

整个充电过程完成后，逆变器可以投入工作。

在

再生制动时，逆变器工作在整流状态，整流器工作在逆变状态。

由牵引电动机向主变压器牵引绕组馈电，将电能回馈至接触网。

输入电流互感器起控制和监测充电电流及牵引绕组短路电流的作用。

输出电流互感器起监测牵引电动机输入电流的作用。

中间直流电路由中间电压支撑电容、瞬时过电压限制电路和主接地保护电路组成。

瞬时过电压限制电路由IGBT和限流电阻组成。

当支撑电容上的中间电压超过允许电压范围时，IGBT元件导通，通过限流电阻放电，以使中间电压保持在允许的电压值内。

2.3.1牵引电动机供电电路

机车的牵引电动机M1～3由牵引变流器UMl的3个PWM逆变器分别单独供电，实现牵引电动机的独立控制。

这样，整台机车的6个轴的轮径差、轴重转移及空转等可能引起的负载分配不均匀，均可以通过牵引变流器的控制进行适当的补偿，以实现最大限度地发挥机车牵引力。

当一台机组故障时，只须切除一台机组，机车仍能保持六分之五的牵引动力[8]。

2.4保护电路

①主变压器牵引绕组的过流保护

当主变压器牵引绕组发生过流时，通过牵引变流器中的相应电流传感器发出过流信号，通过控制单元对相应的变流器环节实施封锁保护。

②接地保护电路

跨接在中间回路2个串联电容的中点的1个接地信号检测传感器组成了主接地保护电路。

当主电路J下常时，由于只有1点接地，接地保护电路中流过的电流为零，接地信号检测传感器无信号输出。

当主电路某一点接地时，则形成回路，将在接地信号传感器中流过接地故障电流，传感器输出电流信号，使保护装置动作，去开断主断路器。

可以通过接地故障的转换开关，实施对接地保护的隔离。

每一变流器柜分别含三套接地保护电路，可以分别对三个交直交电路进行检测和保护，接地检测信号送TCMS，显示接地故障[9]。

③牵引电动机过流保护

当牵引电动机发生过流时，通过牵引变流器中的相应电流传感器发出过流信号，由变流器控制单元对相应的变流器环节实施封锁保护。

2.5主要故障及处理

主变流器（MPU）故障，主要分3类：

①由于电线路连接部位松虚、IGBT击穿、中间直流环节电容发生爆裂引发的烧损故障。

典型案例是2007年6月3日HXD3-0040机车第四主变流器连线松脱烧损。

②由于变流器工作不稳定，发

生瞬间过压、过流产生的封锁保护。

该种故障经常发生。

③复合冷却液泄漏或者车内污水外流，导致牵引电机接线端子部位积水而发生主电路接地故障；典型故障是2007年7月18日HXD3-0072机车复合冷却液泄漏流入第四牵引电动机接线端子导致接地故障。

解决措施：

针对HXD3机车运用初期出现的变流器烧损故障，将信息反馈到制造公司，提高机车的组装质量。

针对瞬间故障后封锁保护，可以通过断电复位使其重新投入工作，或者手触微机屏幕切除某组主变流器维持机车运行。

这种措施适用于机车运行中的司机进行应急处理。

针对主电路接地故障的解决措施是：

一方面通过检查整修，消除变流器管路冷却液的泄漏；另一方面通过加强管理，禁止在车内倾倒废水、污水。

2.6本章小结

HXt3型交流传动电力机车是根据大连机车车辆有限公司、日本东芝公司与铁道部签署的大功率交流

传动电力机车采购和技术引进项目研制的，是我国铁路第六次大提速中的货运干线主型机车之一。

其最高

行驶速度为120km／h，能够满足牵引5000t以上列车的需要，为我国的铁路货运运输正在做出巨大的贡献。

机车主传动及其控制系统的任务在于通过对机车牵引变流器的控制，实现对牵引电动机的控制，从而实现机车牵引和动力制动的特性控制。

机车主电路是产生机车牵引力和制动力的电气设备电路．主要由网侧电路、传动系统电路及库用动车电路等组成。