HX_D3型交流传动电力机车.pdf

H XD3 型交流传动电力机车 杨守君, 刘会岩 (中国北车集团大连机车车辆有限公司,辽宁 大连1 1 6 0 2 1) 摘要:H XD3型电力机车是大连机车车辆有限公司与日本东芝公司联合设计、 开发的6轴大功率交流传动货运电力 机车。机车额定功率为7 2 0 0 k W, 最高速度为1 2 0 k m / h, 电传动系统采用I G B T水冷变流机组。文章介绍了该机车的主要 特点、 技术参数、 设备布置、 通风系统、 电气系统、 机械系统、 制动及供风系统等。 关键词:交流电力机车;电气系统;机械系统;牵引特性;制动特性 中图分类号:U 2 6 4 . 2 +2 3 文献标识码:A文章编号:1 6 7 2 - 1 1 8 7(2 0 0 7)0 4 - 0 0 0 9 - 0 5 T y p e H XD3 A Cd r i v e e l e c t r i c l o c o mo t i v e Y A N GS h o u - j u n,L I UH u i - y a n (C N RD a l i a n L o c o m o t i v e e l e c t r i c a l s y s t e m;m e c h a n i c a l s y s t e m;t r a c t i o n c h a r a c t e r i s t i c;b r a k e c h a r a c t e r i s t i c 电力机车与城轨车辆 E l e c t r i cL o c o m o t i v e s 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, 二系采用高 圆螺旋弹簧; 采用整体轴箱、 推挽式低位牵引杆等技术。 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。牵引电机采用由顶盖百 叶窗进风的独立通风冷却方式;主变流器水冷和主变压 器油冷采用水、 油复合式铝板冷却器, 由车顶直接进风冷 - 9 - 电力机车与城轨车辆2 0 0 7年第4期 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通风。 9) 采用了集成化气路的空气制动系统, 具有空电制 动功能。机械制动采用轮盘制动。 1 0) 采用了新型的膜式空气干燥器, 有利于压缩空气 的干燥, 减少制动系统阀件的故障率。 2性能技术参数 电流制单相交流,5 0 H z 额定电压/ k V2 5 机车功率特性如图1所示。 图1 H XD3型机车功率特性 电传动方式交直交传动 持续功率/ k W7 2 0 0 持续制速度/ k mh - 1 7 0(2 3 t轴重) ,6 5(2 5 t轴重) 最高速度/ k mh - 1 1 2 0 起动牵引力/ k N5 2 0(2 3 t轴重) ,5 7 0(2 5 t轴重) 持续牵引力 (半磨耗轮)/ k N3 7 0(2 3 t轴重) , 4 0 0(2 5 t轴重) 恒功率速度范围/ k mh - 1 6 5 1 2 0(2 5 t轴重) , 7 0 1 2 0(2 3 t轴重) 电制动方式再生制动 电制动功率/ k W7 2 0 0(7 0 1 2 0 k m / h) (2 3 t轴重) , 7 2 0 0(6 5 1 2 0 k m / h) (2 5 t轴重) 最大电制动力/ k N3 7 0(1 5 7 0 k m / h) (2 3 t轴重) , 4 0 0(1 5 6 5 k m / h) (2 5 t轴重) 轨距/ m m1 4 3 5 轴式C 0- C0 机车总重/ t1 3 8 + 4 . 1 4 - 1 . 3 8 (2 3 t轴重) ,1 5 0 + 1 . 5 - 4 . 5 (2 5 t轴重) 轴重/ t2 3 + 2 受电弓落下时滑板顶面距轨面高度/ m m 4 7 7 5 3 0 受电弓滑板距轨面的工作范围/ m m5 2 0 0 6 5 0 0 功率因数 (1 0 %及以上额定功率时)0 . 9 8 等效干扰电流 (J P)/ A2 . 5(额定功率时, 机车在 持续制牵引工况下, 在距牵 引变电所1 0 k m处测量) 机车总效率0 . 8 5(额定网压下, 在牵引工 况发挥持续功率时) 机车能以5k m / h速度安全通过半径为1 2 5m的曲 线, 并能在半径2 5 0 m的曲线上进行正常摘挂作业。 最大制动距离 (1 2 0 k m / h)/ m8 0 0(2 3 t轴重) , 9 0 0(2 5 t轴重) 机车牵引特性为恒牵引力、 准恒速特性控制 (见图2) , 机车制动特性为恒制动力、 准恒速特性控制 (见图3) 。 图2牵引特性控制曲线 (2 5 t轴重) 图3制动特性控制曲线 (2 5 t轴重) 3设备布置 H XD3型电力机车为6轴货运机车,在机车的两端各 设有一个司机室, 两个司机室的中间为机械室。 在机械室 内设有6 0 0 m m宽的中央通道, 在通道左右两侧设有主变 换装置、 通风机、 空气压缩机等机器。在车体下设有两台 3轴的转向架及主变压器, 在顶盖上设有高压电器。车内 设备布置以平面斜对称布置为主, 设备成套安装, 有利于 机车的重量分配、 机车的制造、 检修和部件的互换。机车 设备布置如图4所示。 3 . 1司机室设备布置 司机室的结构和设备布置按规范化司机室要求设 计。司机室内设有操纵台、 八灯显示器、 司机座椅、 端子 柜、 热水器、 紧急放风阀、 灭火器、 暖风机等设备。司机室 顶部设有空调装置 (冷热) 、 风扇、 头灯、 司机室照明等设 备。司机室前窗采用电加热玻璃, 窗外设有电动刮雨器, 窗内设有电动遮阳帘; 侧窗外设有机车后视镜。 在操纵台 上设有T C M S显示器、A T P显示器、 压力组合模块、 司机 控制器、 制动控制器、 扳键开关组、 制动装置显示器、 冰 箱、 脚炉和膝炉等设备。 - 1 0 - 杨守君 等H XD3型交流传动电力机车2 0 0 7年第4期 1前照 灯;2牵引 电机通 风 机 组 ;3受 电 弓 ;4主 断 路 器 ; 5高 压 电 压 互 感 器 ;6高 压 隔 离 开 关 ;7标 志 灯 ;8操 纵 台 ; 9司机室座椅;1 0滤波柜;1 1蓄电池充电器;1 2复合冷却器通风 机组;1 3复合冷却器;1 4主变压器;1 5变流器;1 6牵引电动机; 1 7空气压缩机;1 8干燥器;1 9总风缸;2 0卫生间;2 1通讯柜; 2 2微机及监控柜;2 3控制电器柜。 图4机车设备布置图 3 . 2机械室设备布置 机械室分为I端机械室、 中央机械室和I I端机械室。I 端机械室紧邻I端司机室,设备布置以电气系统设备为 主, 内部布置有牵引电机通风机组、 更衣箱、 卫生间、 蓄电 池充电装置、 蓄电池柜、 滤波装置、 微机及监控柜、 控制电 器柜、 综合通信柜、 辅助变压器等设备。I I端机械室紧邻 I I端司机室, 设备布置以空气系统设备为主, 内部布置有 牵引电机通风机组、 空压机、 主风缸、 辅助风缸、 干燥器、 制动屏柜等设备。在I端机械室和I I端机械室之间设有 中央机械室, 室内布置有主变流装置、 复合冷却器及复合 冷却器通风机组等设备。 3 . 3车顶设备 机车顶盖由3个顶盖组成,I端顶盖、I I端顶盖上布置 有受电弓, 中央顶盖上布置有高压隔离开关、 高压电压互 感器、 真空断路器、 避雷器、 接地开关等高压电器。 在中央 顶盖上设有检修用天窗,由此上车顶进行检修和维修作 业。为确保安全, 天窗设置了钥匙联锁装置。 3 . 4车下设备 主变压器悬挂在机车中部,以变压器为中心对称布 置了2台转向架。 在转向架上配置有牵引电动机等设备。 另外在车下还配置了动车用插座、辅助/控制电路外接 电源插座、 行灯插座、 机车电子标签、 速度传感器等设备。 4通风系统 H XD3型电力机车的通风冷却系统由牵引通风机冷却 系统、 复合通风冷却系统、 辅助电源通风冷却系统、 车内 换气系统等组成。 4 . 1牵引通风机冷却系统 牵引电动机通风冷却采用独立冷却方式。冷却空气 通过车体侧墙百叶窗过滤后进入冷却风道,经过轴流风 机、 惯性过滤器后冷却牵引电动机, 最后由牵引电动机的 出风口排出车外。 每个风道内设有惯性过滤器, 对空气进 行二级除尘,在每个牵引通风道处设有一个向车内排风 的旁风口, 旁风口处设有过滤网, 为空气压缩机等用风设 备提供洁净的风源, 也使车内形成微正压。 4 . 2复合通风冷却系统 复合冷却器冷却采用独立冷却方式。复合冷却器采 用油冷对主变压器冷却, 采用水冷对主变流装置冷却。 冷 却空气通过车顶过滤网进入冷却风道, 经过轴流风机、 复 合冷却器后排出车外。 4 . 3辅助电源通风冷却系统 机车辅助电源通风冷却采用独立的冷却方式。冷却 空气由车体顶盖上的百叶窗进入变流器的通风风道, 经 通风机、 辅助变流器元件后排向车底大气。 4 . 4车内换气与保温 当环境温度在4 0 的时候, 为了保证机车车内温度 在5 0 以下, 机车设置有换气口, 车内的正压空气通过 换气口与车外换气; 为保持冬季的机械室内的温度, 空气 压缩机的排风口处设置有挡板,用于转换向车内或车外 排出暖风。 5电气系统 该机车采用轴控技术, 电气系统主要包含有主电路、 辅助电路及控制电路。 5 . 1主电路 机车主电路由网侧电路、传动系统电路和库用动车 电路等组成。 机车网侧电路主要完成网侧电压的采集, 供 司乘人员观察、 电度表计量和控制系统控制。 传动系统电 路由主变压器、 主变流器和牵引电动机等组成 (见图5) 。 图5电气传动系统图 (一组) - 1 1 - 电力机车与城轨车辆2 0 0 7年第4期 主变压器原边通过受电弓和主断路器得电,2 5 k V电压通 过主变压器降压成1 4 5 0 V, 主变压器次边的6个独立的 牵引绕组分别向两台主变流器的6个四象限整流器供 电, 每个四象限整流器分别对应一个独立的中间电路, 它 们分别向一个电压型P WM逆变器供电, 提供给6台牵引 电动机。再生制动过程与此相反。 四象限整流器的主要技术参数如下: 额定输入电压/ VA C1 4 5 0 额定输入电流/ A9 6 6 额定输入容量/ k V A1 2 8 0 输入频率/ H z5 0 中间电压/ V2 8 0 0 元件类型I G B T(4 5 0 0 V,9 0 0 A) 牵引逆变器主要技术参数如下: 输出电压/ V三相A C0 2 1 5 0 输出电流/ A0 5 2 0 额定输出电压/ V2 1 5 0 额定输出电流/ A3 9 0 输出频率/ H z0 1 2 0 元件类型I G B T(4 5 0 0 V,9 0 0 A) 异步牵引电动机主要技术参数如下: 持续功率/ k W1 2 5 0 额定电压/ V2 1 5 0 额定电流/ A3 9 0 额定频率/ H z4 6 额定转速/ rm i n - 1 1 3 6 5 最高转速/ rm i n - 1 2 6 6 2 极数4 功率因数0 . 9 1 额定效率/ %9 5 绝缘等级2 0 0级 冷却方式强迫风冷 通风量/ m 3 m i n - 1 9 6 主电路设有原边过流保护、主变压器牵引绕组过流 保护、 主电路接地保护、 牵引电动机过流保护等。 5 . 2辅助电路 辅助电路由辅助变流器供电电路、 辅助电动机电路、 辅助库用电路、 制冷及采暖电路等组成, 见图6。机车上 共安装两套完全相同的辅助变流器,分别按照V V V F和 C V C F方式工作。考虑到辅助变流系统的冗余, 每套辅助 变流器的容量为2 3 0 k V A,以满足在一套辅助变流器故 障的情况下,机车上的所有辅助电器全部可以切换到另 一套辅助变流器上工作。 设有辅助系统主接地保护、 过压保护、 变流器过流保 护、 电动机故障保护、 加热装置保护等。 5 . 3控制电路 控制电路是以机车微机控制与监视控制系统 (简称 T C M S) 为核心, 由控制电源电路、 司机指令与信息显示电 路、 机车逻辑控制和保护电路、 辅助变流器控制电路、 主 变流器控制电路以及行车安全综合信息监控系统、空电 联合制动系统和外围电路等组成。控制系统网络如图7 所示。 机车控制电路主要功能有:机车预备的顺序逻辑综 合控制, 机车牵引力和制动力控制, 辅助电动机控制, 机 车空电联合制动控制, 机车主、 辅电路过流、 过压、 欠压、 接地等保护控制, 机车空转/滑行保护控制, 机车黏着控 制, 机车重联控制, 机车轴重转移补偿控制, 机车定速控 制 , 停车状态下微机控制系统自诊断功能, 行驶过程中 对被控对象进行实时在线监测诊断功能,故障信息的记 录、 保存和显示功能, 故障记录的转储功能。 6机械部分 6 . 1车体 车体采用整体承载结构,按满足牵引万吨列车的要 图6辅助电路电气系统图 (一组) - 1 2 - 求设计,沿车钩中心线水平位置施加3 4 0 0 k N的纵向静 压力和2 7 0 0 k N的静拉力时, 车体不会产生永久性变形。 车体采用框架结构, 包括司机室钢结构、 底架、 侧墙、 联接 横梁、 底架盖板、 车钩等部分。 车体侧梁外设有4个检修作业用的吊车销孔,车体 前后牵引梁两旁还分别设有救援用的吊车销孔,车体侧 梁上设有4个供检修用的架车支承座。车体和转向架之 间设有备用的连接装置,以便在需要时将车体同转向架 一并吊起。 机车入口门设置在司机室的左右侧墙上, 司机 室后墙中部设有通往设备室的过道门,直通的中间走廊 将两端司机室连接起来。采用1 3号下作用式E级钢车 钩、Q K X 1 0 0型胶泥缓冲器, 车钩及缓冲器能在不架起车 体的情况下进行拆装检修。 车体主要技术参数如下: 前后车钩中心距/ m m2 0 8 4 6 车体底架长度/ m m1 9 6 3 0 车体宽度/ m m3 1 0 0 车体高度 (新轮)/ m m4 1 0 0 车钩中心线距轨面高度 (新轮)/ m m8 8 0 1 0 6 . 2转向架 机车装有两台结构相同的3轴转向架。每台转向架 由构架、 轮对装配、 驱动装置、 电动机悬挂装置、 基础制动 装置、 支承装配、 牵引装置和附件装配等组成。牵引电机 采用滚动抱轴承半悬挂结构;牵引力的传递采用低位牵 引, 保证机车具有良好的黏着性能; 一系悬挂采用圆弹簧 +垂向油压减振器结构; 二系悬挂采用高圆螺旋弹簧+垂 向油压减振器+抗蛇行油压减振器结构;基础制动装置 采用轮盘制动器, 停车制动采用储能制动器; 采用整体驱 动装置; 装有轮缘润滑装置。转向架组装图如图8所示。 图8转向架组装图 转向架主要技术参数如下: 轴距/ m m2 2 5 0 +2 0 0 0 轮径/ m m1 2 5 0(新轮) 构造速度/ k mh - 1 1 2 0 牵引点距轨面高度/ m m2 3 0 牵引电机悬挂方式滚动抱轴式半悬挂 传动比4 . 8 0 9 5(1 0 1 / 2 1) 7制动及供风系统 制动及供风系统主要包括风源及干燥系统、制动控 制系统 (含司机室主要设备) 、 基础制动系统和撒砂系统 等。 7 . 1风源及干燥系统 主要包括有主空气压缩机、 主空气干燥器和过滤器、 主风缸、 辅助空气压缩机、 辅助空气干燥器和过滤器、 辅 助风缸等。 机车装有两台螺杆式空气压缩机, 额定风压1 0 0 0 k P a, 保证机车制动系统、 风笛、 升弓等用风装置的用风要求。 总风缸容积为1 2 0 0 L。 空气压力调节器的开断电路压力值为 (9 0 0 2 0)k P a, 单空压机打风闭合电路压力值为 (7 5 0 2 0)k P a, 双空压 机打风闭合电路压力值为 (6 8 0 2 0)k P a, 安全阀的动作 压力值为 (9 5 0 2 0)k P a。 7 . 2制动控制系统 制动控制系统是基于微机控制的电空控制系统, 所 有逻辑及控制都是通过计算机进行控制。系统通过电子 制动阀控制微机, 电子制动阀装置属网络系统中节点。 制 动系统控制单元通过车辆总线与机车控制系统进行数据 交换, 实现机车制动系统的控制、 故障信息显示、 故障诊 断等功能。 机车制动控制系统有动力制动、 自动空气制动、 单独制动、 紧急制动、 弹簧储能的停放制动等制动功能。 7 . 3基础制动系统 机车基础制动采用轮盘制动。制动盘为整体夹嵌式, 由独立的盘形制动单元 (1、6轴带蓄能停放制动器) 、 制动 单元与夹钳机构、 M - C P U主处理单元 (其中M a s t e r为主微机,S l a v e为辅助微机) ;D i s p l a y U n i t 微机显示屏;M C司控器;P G速度传感器;A T P监控控制系统;V C B主断路 器;P a n t受电弓;C O M P空气压缩机;S A N D撒沙装置;A P U辅助变流器控制 单元;C I牵引变流器控制单元;B L O WE R通风机组;B A T蓄电池;T e m p e r a t u r e s e n s o r温度传感器。 图7控制系统网络图 杨守君 等H XD3型交流传动电力机车2 0 0 7年第4期 (下转第1 9页) - 1 3 - 合成闸片分装在转向架构架左右侧, 具有闸片间隙自动调整机构。 机车还安装有踏面清扫器。 7 . 4撒砂系统 机车设有8个砂箱,容积为8 1 0 0 L,撒砂量能在 0 . 7 1 . 5 L / m i n范围内调节。砂子中二氧化硅的含量不少 于6 0 %, 没有金属化合物或具有水硬性的成分。 8结束语 首台国产化H XD3型交流传动货运电力机车于2 0 0 7 年1月完成了型式试验, 机车最高试验速度达到1 3 2 k m / h。 首批6 0台该型机车配属上海铁路局南京机务段和武汉 铁路局江岸机务段, 机车于2 0 0 7年3月已经全部交付使 用。机车在线路上单机牵引5 0 0 0 t货物列车运行,最高 运行速度达1 2 0 k m / h。机车体现出牵引力大、 恒功率速度 范围宽、 黏着性能好、 效率高、 能源消耗低、 维护量少等许 多优点。 参考文献: 1 连级三.电传动机车概论 M .成都: 西南交通大学出版社,2 0 0 1 . 2 张有松, 朱龙驹.韶山4型电力机车 M .北京; 中国铁道出版社, 1 9 9 8 . 3 李华德.交流调速控制系统 M .北京: 电子工业出版社,2 0 0 4 . 4 王兆安.谐波抑制和无功功率补偿 M . 2版.北京: 机械工业出版 社,2 0 0 6 . 5 叶 斌.电力电子应用技术 M .北京: 清华大学出版社,2 0 0 6 . 图1 7车头碰撞力的时间历程图 图1 8碰撞7 7 m s时应力应变图 4结论 在本次计算中, 本应该是一辆整备重量的车体以 2 5 k m / h的初速度撞击另一辆静止且制动的车体, 但是为 了减少计算量, 把计算条件设定得更苛刻了, 以一辆整备 重量的车体以2 5 k m / h的初速度撞击刚性墙。 仿真设定条 件中, 减少了另外一车的一对防爬器, 减去了车钩吸能装 置。计算结果车体客室没有明显变