（机械工程专业论文）hxd3电力机车交流传动系统设计研究.pdf

摘要 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。h x d 3 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。 本文首先对h x d 3 型电力机车电气系统的组成做了简要的阐述，对整车的电路部分 按照主电路、辅助电路、控制电路分类做了系统的分析，并对其中的关键电气部件做了 说明；本文的重点是结合h x d 3 电力机车，对交流传动技术以及微机网络控制技术在机 车上的应用进行了分析研究，对h x d 3 电力机车的交流主传动系统、交流辅助传动系统 和微机网络控制系统的构成、功能、特点等进行了分类研究和归纳总结；文章最后对电 力机车的电磁干扰现象进行了简单的归纳，并对h x d 3 电力机车在提高电磁兼容方面所 采取的屏蔽、接地等措施进行了简单的分析。 关键词：电力机车；交流传动技术；微机网络控制技术；电磁兼容 大连交通人学t 程硕十学位论文 a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fc o n v e r t e rt e c h n o l o g y ，c o m p u t e rc o n t r o lt e c h n o l o g y ，t h er e s e a r c h a n de x p l o i t u r eo fa cs p e e dr e g u l a t i o nh a sa r o u s e dg r e a ta t t e n t i o na l lo v e rt h ew o r l d t h ea c d r i v es y s t e mi nt e r m so fp e r f o r m a n c ei n d e x ，s i z ed e v i c e s ，e q u i p m e n tm a i n t a i no re v e n e n e r g y s a v i n g e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na r er e f l e c t e di nah u g ea d v a n t a g e n l em a i nd r i v e s y s t e ma n da u x i l i a r yd r i v es y s t e mo fh x d 3 e l e c t r i cl o c o m o t i v eb o t hu s i n gt h ea cd r i v e t e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rn e t w o r kc o n t r o lt e c h n o l o g y ，t h ed e s i g no fw h o l ee l e c t r i c a ls y s t e m a d h e r et ot h ep r i n c i p l eo fh i g hs t a r t i n gp o i n ta n dl e a d i n gt e c h n o l o g y ，t a k i n gi n t oa c c o u n tt h e a c t u a ln e e d so fh i g h - p o w e rf r e i g h te l e c t r i cl o c o m o t i v e ，u s i n ga d v a n c e d ，m a t u r ea n dr e l i a b l e t e c h n o l o g y ，a c c o r d i n gt os t a n d a r d i z e d ，s e r i a l i z e d ，m o d u l a r ，i n f o r m a t i o n b a s e dg e n e r a l r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e s i g no ft h ea l l r o u n d f i r s t ，t h i sa r t i c l eh a sd o n eab r i e fe x p l a n a t i o no nt h ec o m p o s eo fp o w e rs y s t e mo ft h e h x d 3e l e c t r i cl o c o m o t i v e t h ea n a l y s i so ft h ev e h i c l e sc i r c u i tp a r ti na c c o r d a n c ew i t l lt h e m a i nc i r c u i t ，t h ea u x i l i a r yc i r c u i ta n dc o n t r o lc i r c u i t a n dm a k ea ne x p l a n a t i o nf o rt h ek e y e l e c t r i c a l c o m p o n e n t s ；t h ee m p h a s i so ft h i s a r t i c l ei sc o m b i n e dw i t hh x d 3e l e c t r i c l o c o m o t i v e ，a n a l y z e da n dr e s e a r c h e dt h ea p p l i e do ft h ea cd r i v et e c h n o l o g ya n dc o m p u t e r n e t w o r kc o n t r o lt e c h n o l o g yi nt h el o c o m o t i v e s ；b e s i d e s ，i tc l a s s i f i e dr e s e a r c ha n ds u m m a r i z e d t h ec o m p o s i n g f u n c t i o n f e a t u r eo ft h eh x d 3e l e c t r i cl o c o m o t i v eo nt h em a i na cd r i v e s y s t e m ，t h ea ca u x i l i a r yd r i v es y s t e ma n dc o m p u t e rn e t w o r kc o n t r o ls y s t e m ；t h ee n do ft h e a r t i c l ec o n c l u d e dt h ep h e n o m e n o no ft h e e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ei nt h ee l e c t r i c l o c o m o t i v e ，a n ds i m p l ea n a l y z e dt h es h i e l d i n g ，g r o u n d i n g ，a n do t h e rm e a s u r e sf o ri m p r o v i n g t h ee l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t yo fh x d 3e l e c t r i cl o c o m o t i v e k e yw o r d s ：e l e c t r i cl o c o m o t i v e ；a cd r i v et e c h n o l o g y ； c o m p u t e rn e t w o r kc o n t r o lt e c h n o l o g y ； e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y i l 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太整塞通太堂一或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：张忠、玉 日期：2 g 年f 2 - 月f 牛日 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太整塞通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太蓬交通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太董塞通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太整塞通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 、 又。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：张息、互导师签名： 日期：2 印子年fz 月竹日 日期：膨年f 7 月f 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：乞嗵秆子l 太臣扑季手手酾眠饺舄扣糍畦电话：d 川一孑牛忏孑7 7 占 通讯地址：大凌牵沙订矽区中氏了峙扣季驻杈童邮编：f 形口2 电子信箱：如吁幽呀歹叭f 7 7 了侈绍幻，h 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题背景 自2 0 世纪7 0 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1 3 5 1 引。 1 1 1 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1 1 ”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p w m 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 5 a ，有极好的电磁兼容性； 大连交通人学t 手 硕十学伊论文 ( 4 ) 交流传动机车轴功率可达1 7 0 0 k w ，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。 1 1 2 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a c 4 0 0 0 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 a d t r a n z 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： a c 4 0 0 0 交流传动机车一一1 9 9 4 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2 0 0 0 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a d t r a n z 公司。 “奥星 号机车与“中原之星 动力分散式动车组一一于2 0 0 1 年1 0 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2 0 0 1 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，2 0 0 2 年1 2 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。 在国内运行的交流传动货运电力机车，仅有购自德国s e i m e n s 公司的d j l 型电力机 车。该机车为8 轴机车，b 0 转向架，轴功率为8 0 0k w 。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2 0 0 0 t 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3 5 0 0 t 、5 0 0 0 t ，在运煤专线上甚至为万吨列车；而客运列车 2 第一章绪论 的编组质量约1 0 0 0 t 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h x d 3 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1 2 轴、1 6 轴、1 8 轴、2 4 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。 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h x d 3 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。 h x d 3 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h x d 3 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i g b t 水冷变流机组，1 2 5 0 k w 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v v v f 和c v c f 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。 大连交通人学t 稃硕十学伊论文 ( 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。 ( 1 0 ) 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。 目前该车已成功运用于南京东机务段和武汉江岸机务段。 4 第二章h x d 3 电力机车电气系统的组成及电气线路的设计 第二章h x d 3 电力机车电气系统的组成及电气线路的设计 2 1 电气系统的设计理念 h x d 3 交流传动货运电力机车是大连机车车辆有限公司与东芝公司联合开发的 7 2 0 0 k w 交流传动6 轴货运电力机车，遵循的设计原则为： ( 1 ) 孥持设计起点高、技术领先的原则。根据大功率货运电力机车实际需要，尽 量采用成熟、可靠的先进技术。 ( 2 ) 坚持采用国际先进技术、可靠技术和国内成熟技术相结合的原则，以求获得 最高的性能价格比。 ( 3 ) 全面满足现代化铁路装备的要求。力争实现操纵方便、运行可靠、检修容易。 ( 4 ) 坚持大小齐抓原则。在优化选择关键电器部件的同时，抓好机车电气系统的 每一个细小环节的设计，彻底解决目前电力机车存在的“小问题”。 综上所述，具体的技术措施，表现在下列几个方面： ( 1 ) 采用世界上成熟的交流传动技术 机车主传动采用日本东芝公司研制的交流传动控制技术。主要有大功率水冷i g b t 变流器控制技术、交流牵引电动机的矢量控制技术、机车转向架单轴控制技术和高粘着 控制技术。 ( 2 ) 机车采用微机控制和网络控制 机车控制采用t o s h i b a 公司成熟的，在机车、动车上使用的微机控制和监测技术， 采用分布式控制网络。机车控制系统主要分为机车控制级和变流器控制级，它们之间通 过网络进行信息传递。 ( 3 ) 采用国内成熟的机车安全综合信息监控系统 为了保证机车在中国广大铁路上的运行，采用铁道部统一的机车安全综合信息监控 系统。 ( 4 ) 采用国内成熟的空电联合制动技术。 为了保证在长大坡道运行的安全需要，保证列车制动的可靠性，充分发挥大功率电 力机车的优势，机车上采用了空电联合制动。 2 2 电气系统的组成 机车的电气系统主要由主传动及其控制系统、辅助传动及其控制系统和机车控制与 监视系统组成。具体结构模式如图2 1 所示。 大连交通人学t 稃硕十学位论文 固一1 躅 固一一一一一囡 团土一画 图2 1h x d 3 电力机车电气系统框图 f i g2 1t h ee l e c t r i cp o w e rm o t o r c y c l ee l e c t r i c i t ys y s t e mf r a m ed i a g r a mo fh x d 3 注：b a t ：蓄电池 d k l ：空气制动逻辑控制装置 a t p ：行车安全控制装置 v c b - 真空断路器 p a n t ：受电弓 c o m p ：空气压缩机 s a n d ：撒沙装置 m c ：主司机控制器 a c ：辅助司机控制器 d i s p l a y u n i t ：显示单元 a p u ：辅变流装置 c i ：主变流装置 b l o w e r ：风机 c a be q u i p ：司机室设备 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。设计方案主要依据日本东芝 公司交流传动机车变流技术的设计，牵引变流器采用以水冷i g b t 为核心的交直交变流 器。 机车辅助传动及其控制系统的任务是实现对机车辅助电动机的控制，辅助电动机按 照其工作特性，可以分成两类：一类是对牵引电动机和冷却塔的冷却用通风机电动机的 6 第二章h x d 3 电力机车电气系统的组成及电气线路的设计 控制，它们可以按变频变压方式工作；另一类是驱动压缩机等负载的电动机，它们只能 在定频定压方式工作。因此分别采用两套辅助变流器供电。设计方案是依据日本东芝公 司现有成熟的辅助传动变流技术确定的。 机车微机控制和监控系统( 简称t c m s ) 是机车控制的核心，司机的一切命令和主 要控制电器的控制信号，如：辅助电动机自动开关等，均通过t c m s 进行输入，经过 t c m s 与机车牵引变流器控制单元、辅助变流器控制单元、a t p 控制单元、电空制动控 制单元等进行通信、数据交换，实现信息传递。一些辅助控制电器信号则直接送到牵引 变流器控制单元，实现相关逻辑控制和保护。机车控制的各种信息通过设置在司机室的 微机控制显示屏进行显示。机车安全综合信息系统的信息通过设置在司机室的监控系统 显示屏进行显示。两个显示屏的信息相对独立。 2 3 电气线路的设计 h x d 3 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。 。 7 大连交通大学t 稃硕十学位论文 2 3 1 主电路及其部件的设计 图2 2h x d 3 型电力机车主电路原理图 f i g2 2m a i ne l e c t r i cc i r c u i tp r i n c i p l ed i a g r a mo fh x d 3 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 2 所示。 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 2 5 k v 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p w m 整流器和一个两点式 三相w v f 逆变器等组成。三相w v f 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1 2 0 0 k w 。 现将各电路的作用分述如下： 8 第二章h x d 3 电力机印电气系统的细成及电气线路的设计 ( 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a p l 或a p 2 从接触网受流，经高压隔离开关q s l 或q s 2 和主断路 器q f l ，通过高压电流互感器t a l 进入车内，经2 5 k v 高压电缆与主变压器a 端子相 连，经主变压器原边a x 后，通过6 个并联的回流装置e b l 一e b 6 从轮对回流至钢轨。 受电弓 采用d s a 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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t c m s 送入原边电流信号，用于微机显示屏 显示。 9 大连交通人学t 柙硕+ 学伊论文 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1 4 5 0 v 牵引绕组分别用于两套牵引变流器的供电，两个3 9 9 v 辅助 绕组分别用于辅助变流器的供电。 ( 3 ) 牵引变流器和牵引电动机电路 牵引变流器的构成 牵引变流器u m l 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p w m 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。 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2 0 0 0 v 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2 8 0 0 v 。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i g b t 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，i g b t 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。 牵引电动机供电电路 机车的牵引电动机m 1 3 由牵引变流器u m l 的3 个p w m 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 1 0 第二二章h x d 3 电力机屯电气系统的组成及电气线路的设计 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。 ( 4 ) 保护电路 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。 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t c m s ，显示接地故障。 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。 ( 5 ) 其他 电能的计量 机车上装有2 块电度表，分别计量机车牵引、再生制动时的电能，电度表由原边低 压电流互感器和高压电压互感器提供电流、电压信号。 库内动车 机车库内动车时，由单相低压库用电源供电。库用电源通过单相插座送n - 位或五 位牵引电动机的四象限整流器的输入端，由于电压低，不用考虑电流冲击。此时，四象 限整流器按桥式全波整流工作，整流电压处于较低的数值，由逆变器输出较低频率的电 压，驱动牵引电动机以低速运行，完成机车的库内动车。 机车共设置两个主电路入库插座和主电路入库转换开关，方便机车库内动车的需 要。 2 3 2 辅助电路的设计 h x d 3 型交流传动货运电力机车的辅助电气系统是由辅助变流器、各辅助机组及辅 助加热设备等组成。该系统具有电压稳定、平衡、节能、低噪音、维护工作量小等优点， 有利于各辅助电机运行。该系统采用冗余设计，保障了机车的正常运用。辅助变流器是 向通风机和压缩机等辅助机组提供3 相交流电源的电源装置，系统根据负载特性不同， 大连交通人学t 程硕十学何论文 具有可变电压、可变频率的v v v f 控制和固定电压、固定频率的c v c f 控制两种功能。 为了确保根据机车实际运行状况而提供足够的冷却风量和降低运转噪音，其中2 台冷却 塔通风机和6 台牵引电机通风机设定为v v v f 控制模式，其他负载采用c v c f 控制模 式进行控制。 对机车来说，每辆机车装载有2 组辅助变流器。正常工作时，一组( u a l1 ) 实行v v v f 控制，另一组( u a l 2 ) 实行c v c f 控制。但是，当某一组辅助变流器出现故障时，另外一 组辅助变流器满负载投入，以c v c f 控制模式提供能量。 ( 1 ) 三相辅助电路 h x d 3 型交流货运电力机车辅助变流系统的供电电路是由主变压器辅助绕组、辅助 变流器、滤波电感和滤波电容、接触器、自动开关、辅助电动机等组成，具体电路见图 2 3 所示。 辅助变流器u a l l 、u a l 2 分别由主变压器的两个辅助绕组供电，两个辅助绕组的 电压均为3 9 9 v 。每个辅助变流器的输出侧都加有滤波电感和滤波电容组成的正弦波滤 波器，这样将传统逆变器输出的正弦脉宽调制( s p w m ) 波变换为正弦波给各辅机供电， 从而大大降低了对辅机绕组匝间绝缘的要求，提高了辅机的使用寿命。机车上的各辅助 电动机均通过各自的自动开关与正弦波滤波器连接，除2 台空气压缩机外，均不设电磁 接触器，使辅助电动机电路简单、可靠。 ( 2 ) 辅助变流器 一台机车共设置有2 套辅助变流器，分别同2 套牵引变流器安装在一起，组成牵引 变流装置。 1 2 第二章h x d 3 电力机车电气系统的组成及电气线路的设计 图2 3h x d 3 犁电力机车辅助电动机供电电路原理图 f i g2 3l e n ds u p p o r tt oe l e c t r i cm o t o rp o w e rs u p p l ye l e c t r i cc i r c u i tp r i n c i p l ed i a g r a mo fh x d 3 每一组辅助变流器由整流电路、中间直流环节、逆变电路组成。 整流电路采用四象限整流，并串有平波电抗器。 为了保证逆变器输入电压的稳定，在整流输出电路并联电容器。因此可以看成为恒 压源。 每套辅助逆变器的输出均可有v v v f 和c v c f 两种工作方式，可以按连接的辅助 电动机的情况需要，工作在适当的方式。在正常情况下，2 套辅助变流器基本上以5 0 的 额定容量工作，辅助变流器1 ( a p u l ) 工作在v v v f 方式，辅助变流器2 ( a p u 2 ) 工 作在c v c f 方式，分别为机车辅助电动机供电。在某一套辅助变流器发生故障时，另一 套辅助变流器可以承担机车全部的辅助电动机负载，不需要切除任何辅助电动机。此时， 辅助变流器按照c v c f 方式工作，仍能保证辅助电动机能满功率运行，从而确保机车辅 助供电系统的冗余性。辅助电动机负载功率转换的控制由机车微机控制系统自动来完 成。 由于变压器辅助绕组的电压为3 9 9 v ，即使接触网电压在1 7 5 3 1 5 k v 范围内变化， 整流电压仍能保证辅助逆变器的输出电压达到3 8 0 v ，保证辅助电动机正常工作。 辅助变流器内设有过压、过流、接地保护。 ( 3 ) 辅助变流器供电电路 辅助变流器u a ll 的输出首先经过正弦波滤波器l c l ，再经过接触器k m l1 给牵引 风机电动机m a l1 、m a l 2 、m a l 、m a l 4 、m a l 5 、m a l 6 和复合冷却风机电动机m a l 7 、 m a l 8 供电。由于以上负载属于风机类负载，辅助变流器可工作在变频变压状态。 辅助变流器u a l 2 的输出首先经过正弦波滤波器l c 2 ，再经过接触器k m l 2 给空气 压缩机电动机m a l 9 、m a 2 0 、主变压器油泵m a 2 1 、m a 2 2 、司机室空调e v l1 、e v l 2 、 2 台牵引变流器水泵w p 、2 台辅助变流器通风机a p b m 以及其他辅助设备( 加热器、 厕所等) 供电。由于以上负载属于泵类负载，辅助变流器工作在定频定压状态。 同时辅助变流器u a l l 、u a l 2 的中间直流还向u c ( d c l l 0 v 电源装置) 供电。 在辅助变流器1 或辅助变流器2 发生故障的情况下，开断其相应的输出接触器k m l l 或输出接触器k m l 2 ，再闭合故障转换接触器k m 2 0 ，把故障辅助变流器的负载切换到 另一个辅助变流器上，由该辅助变流器对全车的三相辅助电动机供电。 在库内对机车的辅助变流器和辅助电动机系统进行试验时，可通过辅助电路库用插 座和辅助电路库用转换开关引入地面的单相工频交流电进行试验。试验可以两套辅助变 流器分别进行，或两套辅助变流器同时进行。 ( 4 ) 辅助电动机电路 大连交通夫学t 稗硕+ 学伊论文 机车上的各辅助电动机均通过各自的自动开关与辅助变流器连接，除2 台空气压缩 机外，均不设电磁接触器，使得辅助电动机电路更简化、更可靠。当辅助变流器采用软 起动方式进行起动，除空气压缩机电动机外，其他辅助电动机也随之起动。空气压缩机 的起动受电磁接触器的控制，电磁接触器受机车司机控制扳键开关和总风缸空气压力继 电器的控制 ( 5 ) 辅助电动机电路的保护系统 辅助系统主电路接地保护 在辅助变流器u a l1 、u a l 2 内部，分别设有1 套接地保护装置，进行辅助系统主 电路的接地保护。当对应辅助回路发生接地故障且确认只有一点接地时，可以将控制电 器柜内对应的接地故障转换开关置“中立位”，继续维持机车运行，回段后再作处理，也 可将故障的辅助变流器切除，机车维持一组辅助变流器供电，回段后再作处理。 辅助变流器的过流和过载保护 在每一组辅助变流器的输入回路中，设有输入电流互感器a c c t ，起控制和监视辅 助变流器充电电流及辅助绕组短路电流的作用，其动作保护值为1 6 0 0 a 。保护发生时， 四象限整流器的门极均被封锁，工作接触器k 、a k 均断开，同时向微机控制系统发出 跳主断的信号，该故障消除后1 0 s 内自动复位，如果此故障在2 分钟内连续发生两次， 该辅助变流器将被锁死，必须切断辅助变流器的控制电源，才可解锁。 在每一组辅助变流器的输出回路中，设有输出电流互感器c t u 和c t w ，对辅助电 动机回路过载及辅助电动机三相不平衡起控制和监视保护作用，辅助电动机回路过载保 护的动作值为8 5 0 a 。保护发生时，逆变器的门极均被封锁，同时向微机控制系统发出 跳主断的信号。该故障消除后1 0 s 内自动复位，如果此故障在2 分钟内连续发生6 次， 该辅助变流器将被锁死，必须切断辅助变流器的控制电源，才可解锁。 辅助变流器中间直流回路电压保护 辅助变流器中间直流回路设有两组电压监测环节，其中d c p t 4 是用于四象限整流 器的控制，d c p t 5 是用于逆变器的控制：当d c p t 5 监测到中间回路电压大于等于8 2 5 v 或小于等于6 7 5 v 时，中间回路电压保护环节动作，逆变器门极被封锁，逆变器停止输 出；当d c p t 4 监测到中间回路电压大于等于8 2 5 v 或小于等于6 7 5 v 时，四象限整流器 门极被封锁，四象限整流器停止输出。 辅助变流器输入电压的保护 当辅助变流器的输入电压( 即辅助绕组的输出电压) 低于2 8 3 v 时( 即网压低于 1 7 5 k v 时) ，低压保护环节动作，四象限整流器器的门极被封锁，工作接触器k 、a k 断开，四象限整流器停止输出。当辅助变流器的输入电压高于5 0 2 v 时( 即网压高于 1 4 第- 章h x d 3 电力机车电气系统的组成及电气线路的设计 3 1 5 k v 时) ，过压保护环节动作，四象限整流器器的门极被封锁，工作接触器k 、a k 断开，四象限整流器停止输出。 11 0 v 充电模块输入电源的短路过载保护 每组辅助变流器均可向11 0 v 充电模块提供d c 7 5 0 电源，输出电源回路通过熔断器 d f 进行短路过载保护，熔丝额定值为2 1 5 a 。当d f 出现熔断后，辅助变流器将通知微 机控制系统t c m s ，进行1 1 0 v 充电模块输入电源的转换，由另一组的辅助变流器向1 1 0 v 充电模块提供直流电源，同时微机显示屏也进行相应故障显示和记录。 2 3 3 控制电路的设计 机车的控制系统是以日本东芝公司的机车微机控制与监视控制系统( 简称t c m s ) 为核心，结合目前国内成熟的机车行车安全综合信息监控系统、机车轴温监控系统、机 车空气电气联合制动系统，配以机车外围电路来进行设计。 t c m s 主要功能是实现机车特性控制、逻辑控制、故障监视和诊断，能将有关信息 送到司机室内的机车控制状态显示装置。t c m s 包括一个控制装置和两个显示单元，其 中控制装置采用冗余设计，设有两套控制环节，一套为主控制环节，一套为备用控制环 节。 机车的控制电路系统主要完成的功能是： 顺序逻辑控制：如升、降受电弓，分、合主断路器，闭合辅助接触器、启动辅助变 流器等。 机车特性控制：采用恒牵引力n 动力+ 准恒速控制牵引电动机，实现对机车的控制。 定速控制：根据机车运行速度可以实现牵引、电制动的自动转换，有利于机车根据 线路情况的实现限速运行。 辅助电动机的控制：除空气压缩机外，机车各辅助电动机根据机车准备情况，在外 部条件具备的前提下，由t c m s 发出指令起动、运行。空气压缩机则根据总风缸压力情 况由接触器的分合来实现控制。 空电联合制动控制：同交直传动货运机车( 如s s 4 改机车) 相同。 机车粘着控制：包括防空转、防滑行控制、轴重转移补偿控制。 故障诊断、显示与保护：显示机车正常运行的状态信息，如：级位、牵引电动机电 流、速度，正常的设备工作状态，如：接触网电压、牵引变流器输出电压、蓄电池电压 等；正常的设备开关状态，如：主断路器、辅助接触器、各种故障转换开关；显示机车 即时发生的故障信息，发生故障的设备、故障处理的方法等，并将故障发生时的有关数 据记忆。 机车重联控制：可以实施同型号的机车重联。 机车的控制电路可以分成以下几部分： 人连交通大学1 - 仔h 硕十学位论文 ( 1 ) 控制电源电路( d c l1 0 v 电源装置