（车辆工程专业论文）ssj3型电力机车电气系统的设计研究.pdf

北京交通大学工程硕士专业学位论文 摘要 随着电子技术、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。交流传动电力机车正以其优越的性 能奔驰在世界许多国家的铁路网上，它将成为今后我国电力机车的发展方 向。正是本着这个契机，大连机车车辆有限公司与日本东芝公司联合开发 研制了s s j 3 型交流传动货运电力机车，该车时速1 2 0 k m h ，轴功率 1 2 0 0 k w ，填补了国内六轴交流货运电力机车型谱的空白。然而交流传动 电力机车的设计理论、各类电气参数的选用等问题，尚待深入研究。本文 以s s j 3 型电力机车的电气系统为研究对象，在参考国内外大量资料的基 础上，对诸多问题进行了探讨研究。 首先，作者在阅读了大量的国内外资料的基础上，概述了当前电力机 车电气系统的发展状况，阐明了交流传动系统的优势，提出了本论文要解 决的问题。 然后，对s s j 3 型电力机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研究，对其中关键电气部件做了详细的阐述；重点对 s s j 3 型电力机车的主传动系统、辅助传动系统的构成、参数的选择、各 个环节的作用等进行论述和分析，并对其核心部件牵引变流器、辅助变流 器从结构、原理、冷却方式等予以特别的阐述。 其次，对机车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，对微机网络与有接点控制电路间的逻辑关系、接口电路的 构成、机车信息显示等进行了具体的论述；。 最后，本文对电力机车的电磁干扰现象进行了探究，并对s s j 3 型电 力机车在提高电磁兼容方面所采取的屏蔽、接地、布线等措施进行了归纳 总结。 关键词：s s j 3 型电力机车、交流传动技术、微机网络控制技术、电磁 兼容 ! j ! 室銮堡盔堂型堡主童些堂垡堡塞 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r o n i c ，c o n v e n e rt e c h n i q u e a n dp cc o n t r o l t e c h n i q u e ，t h er e s e a r c h e sb a s e do nt h ea cs p e e d c o n t r o ls y s t e mh a v ea t t r a c t e dt h ef o c u sa r o u n dt h ew o r l d w i t hi t s p r e d o m i n a n tp e r f o r m a n c e ，a c g r a d u a l l ys e r v e dm o r ea n dm o r e p o w e r e l e c t r i cl o c o m o t i v eh a s c o u n t r i e s ，a n di sg o i n gt ob e c o m e ab r a n dn e w d e v e l o p m e n t d i r e c t i o no fe l e c t r i cl o c o m o t i v ei nc h i n a j u s tf o rt h i s m o m e n t ，d l o c od e v e l o p e ds s j 3a cp o w e rf r e i g h t l o c o m o t i v ew i t ht h e c o o p e r a t i o n o ft o s h i b a m a x s p e e d ： 12 0 k m h a x e lp o w e r ：12 0 0 k w s s j 3h a sf i l l u pt h eb l a n ko f t h e s i xa x e l sf r e i g h tl o c o m o t i v ei nc h i n a h o w e v e r , s e v e r a lp r o b l e m s s u c ha st l l e d e s i g nt h e o r yo fa cp o w e re l e c t r i cl o c o m o t i v ea n d s e l e c t i o no f t h ee l e c t r i c a lp a r a m e t e r ss t i un e e dt ob es e v e r e d i nt h i s p 印e r , w ea d o p ts s j 3a cp o w e rl o c o m o t i v ea sr e s e a r c ht o p i c ，w i t h f u l l yr e f e r e n c eo fc o r r e l a t i v em a t e r i a l sw o r l d w i d e ，w eb e g i no u r d i s c u s so ns e v e r a l p r o b l e m s f i r s t l y , a f t e rr e a d i n gl o t s o fc o r r e l a t i v em a t e r i a l sw o r l d w i d e ， w r i t e rs u m m a r i z e sc u r r e n t d e v e l o p m e n t s t a t u so ft h ee l e c t r i c s y s t e mb r i e f l y , i l l u s t r a t e st h ep r e d o m i n a n c eo fa cp o w e rs y s t e m t h e p r o b l e m s t h i sp a d e ra r e g o i n g t os o l v ea r er a i s e d s e c o n d l y , t h i sp 印e rh a st a k e ns s j 3a sa ne x a m p l e ，o fw h i c h t h em a i n c i r c u i t ，a u x i l i a r y c i r c u i t ，c o n t r 0 1c i r c u i ta n d k e y c o m p o n e n t sa r ed e p i c t e dr e s p e c t i v e l y w r i t e rc o n c e n t r a t e so nt h e d i s c u s s i o no ft h e c o n s t i t u t i o n ，t h ef u n c t i o n ，a n dt h ec h a r a c t e r s e l e c t i o no ft h es s j 3m a i na cd r i v es y s t e m ，a u x i l i a r ya cd r i v e s y s t e m m e a n w h i l e t h ew r i t e rg i v e ss p e c i a li n t r o d u c t i o nt ok e y c o m p o n e n t sl i k em a i nc o n v e r t e r , a n da u x i l i a r yc o r r v e r t e rf r o mi t s s t r u c t u r e ，t h e o r ya n dc o o l i n gw a y e t c t h i r d l y , t h es t r u c t u r e ，f u n c t i o na n dc h a r a c t e ro f t h el o c o m o t i v e p cn e t w o r kc o n t r o ls y s t e ma r ei n t r o d u c e dr e s p e c t i v e l y t h el o g i c a l r e l a t i o nb e t w e e nt h ep c n e t w o r ka n dt h ec o n t r o l c i r c u i t ， c o n s t i t u t i o no ft h ec o n n e c t i n gc i r c u i t t h el o c o m o t i v ei n f o r m a t i o n d i s p l a ya r ei n t r o d u c e di nd e t a i l s i nt h ee n d ，t h ee l e c t r o m a g n e t i s md i s t u r b a n c eo nt h el o c o m o t i v e 北京交通大学工程硕士专业学位论文 i si n d u c e db r i e f l y m e a n w h i l e ，t h em e t h o d so fs c r e e na n de a r t hi n o r d e rt oe n h a n c et h ee l e c t r o m a g n e t i s mc o m p a t i b i l i t yo ns s j 3a r e s u m m a r i z e d k e y w o r d s ：s s j 3e 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 i q u e ；p c n e t w o r kc o n t r o l t e c h n i q u e ；e l e c t r o m a g n e t i s m c o m p a t i b i l i t y i i l 北京交通大学工程硕士专业学位论文 1 1 选题背景 第一章绪论 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 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赢一交电力机车。通常所说的交一直 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，从德国开始席卷整个欧洲，然后 是北美，现在这股浪潮已冲到了亚洲和非洲。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。 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，交一直一交电力机车的优 点为： 北京交通大学工程硕士专业学位论文 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减小； 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2 8 a ，有极好的电磁兼容性： 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 西欧国家，可设计成客货通用的电力机车； 5 对西欧和日本等国来说，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，现己作为科研教学车。 “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 北京交通大学工程硕士专业学位论文 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。 “天梭”号机车一一交流传动技术与“奥星”类似，已于2 0 0 3 年 1 月组装完成，目前仍末上线正式启用。 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 o 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 不大显著，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，大连机车车辆有限公司与日本东芝公司联合开发 试制了s s j 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 北京交通大学工程硕士专业学位论文 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s s j 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。 s s j 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，来进行设计的。在这些要求和原则指导下，体现 在s s j 3 型电力机车的设计中，主要具有如下特点： 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 北京交通大学工程硕士专业学位论文 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 扳翅式冷却器，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。 目前该车已通过了铁道部的部级评审和铁科院试验基地进行的型式 试验，正在哈大线上进行运用考核。 我在该车的设计中，主要参与以下研制工作： 1 s s j 3 型电力机车电气系统的构成及电气线路的设计研究； 2 s s j 3 型电力机车主传动系统的设计研究； 3 s s j 3 型电力机车辅助变流系统的设计研究； 4 s s j 3 型电力机车控制监视系统的设计研究； 5 s $ j 3 型电力机车的电磁兼容研究。 北京变通大学工程硕士专业学位论文 第二章s s j 3 型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 s s j 3 型电力机车是大连机车车辆有限公司自主开发的第一代交流传 动货运电力机车，遵循的设计原则为： 1 坚持设计起点高、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 颦持大小齐抓原则。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，具体的技术措旅，表现在下列几个方厦： 2 1 1 采用世界上成熟的交流传动技术 机车主传动系统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 1 2 机车采用微机控制和网络控制 机车控制采用日本东芝公司成熟的，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。 2 1 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。 6 北京交通大学工程硕士专业学位论文 2 1 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。具体结构模式见框图2 2 1 注：b a t ：蓄电池 _ 一一 熹卜粤般糍曩崔： 芒兰当一 一压竺习 s n r j i r co n 】 图2 2 - l ：s s j 3 型电力机车电气系统框图 北京交通大学工程硕士专业学位论文 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 为核心的大功率变流器。 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 北京交通大学工程硕士专业学位论文 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 s s j 3 型电力机车上各种电机、电器设备按其功能、作用、电压等级 分别组成几个独立的电路系统，即主电路、辅助电路和控制电路。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 3 1 主电路及其部件的设计 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 见图2 3 1 。 图2 3 - 1 ：s s j 3 型电力机车主电路原理图 北京交通大学工程硕士专业学位论文 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v v v f 逆变器等组成。三相v v 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： 2 3 1 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、l 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 - e b 6 从轮对回流至钢轨。 2 3 1 _ 1 1 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。 2 3 1 1 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 北京交通大学工程硕士专业学位论文 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。 2 3 1 1 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。 2 3 1 1 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。 2 3 1 1 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。 2 3 1 1 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。 2 3 1 1 7 高压接地开关 在机车停电进行高压设备或需上车顶检修时( 同时必须接上接地棒) 需通过扣开机车天窗门，转换高压接地开关，使车顶网侧部分接地，以确 保人身安全。 2 3 1 1 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t c m s 送入原边 电流信号，用于微机显示屏显示。 2 3 1 1 9 回流装置 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。 北京交通大学工程硕士专业学位论文 2 3 1 _ 2 主变压器 主变压器的六个1 4 5 0 2 v 牵引绕组分别用于两套牵引变流器的供电， 两个8 5 7 8 v 辅助绕组分别用于辅助变流器的供电，2 2 4 7 v 辅助绕组用于 司机室各加热设备的供电，3 8 8 v 控制绕组用于控制电路控制电源，经过 变换提供直流1 i o v 及给蓄电池充电。 2 3 i 3 牵引变流器和牵引电动机电路 2 3 1 3 1 牵引变流器的构成 牵引变流器u m i 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。 2 3 1 3 2 牵引变流器工作原理 在牵引变流器的输入端，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级管形成短路，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f 刮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 北京交通大学工程硕士专业学位论文 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。 2 3 1 3 3 牵引电动机供电电路 机车的牵引电动机m i 3 由牵引变流器u m i 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，以实现最大限度地发挥机车牵引力。当台机组故 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。 2 3 1 4 保护电路 2 3 1 4 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 3 i 4 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。当主电路正常时，由于只有l 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。 2 3 1 4 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 3 1 5 其他 2 3 1 5 1 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。 北京交通大学工程硕士专业学位论文 2 3 1 5 2 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 辅助电路是指机车各类辅助设备的供电电路。这些辅助设备包括提供 三相辅助电源的辅助变流器，各类风机电动机，空气压缩机电动机，油泵 电动机，空调装置，机车各类取暖加热装置等。机车的辅助电路分为相对 独立的两部分电路：三相辅助电路和辅助加热装置电路。 2 3 2 1 三相辅助电路 三相辅助电路由辅助变流器、接触器、自动开关和辅助电动机等组 成。三相辅助电路见图2 3 2 。 2 3 2 1 1 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，组成变流柜。 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。 整流电路采用相控整流，采用的原因是相控整流相对于四象限脉宽整 流电路更为可靠。虽然相控整流的功率因数较低，并有较大的谐波电流。 但因为辅助电路实际使用的功率仅占牵引功率的2 5 ，所以对机车的功 率因数和等效干扰电流不会产生影响。为了保证整流电流的连续性，电路 中串有平波电抗器。 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。 北京交通大学工程硕士专业学位论文 图2 3 - 2 ：s s j 3 型电力机车辅助电动机供电电路原理图 每套辅助逆变器的输出均可有w 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l ( 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8 5 7 8 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。 2 3 2 1 _ 2 辅助变流器供电电路 蜘 师 北京交通大学工程硕士专业学位论文 2 套辅助变流器的额定容量均为2 3 0 k v a ，分别由机车主变压器的两个 辅助绕组供电。绕组电压均为8 5 7 8 v 。分别经辅助电路库内试验转换开 关送至两个辅助变流器。 辅助变流器1 的输出经过输出接触器k m l l 给牵引风机电动机m a l l 、 m a l 2 、m a i 、m a l 4 、m a l 5 、m a l 6 和冷却塔风机电动机m a l 7 、m a l 8 供电。 另外，在辅助变流器1 内部还给辅助变流器风机m a 2 9 供电。 辅助变流器2 的输出经过输出接触器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 l l 、e v l 2 、牵引变流器 水泵m a 2 7 、m a 2 8 供电。另外，在辅助变流器2 内部还给辅助变流器风机 m a 3 0 供电。 正常工作情况下，各辅助电动机的名牌容量及供电分配如下表 辅助变流器2 ( k v a )辅助变流器l ( k v h ) 空气压缩机电动机 2 8 2牵引电动机通风机电动机1 3 6 水泵电动机 4 2 冷却塔通风机电动机 2 4 2 油泵电动机 6 5 2辅助交流器通风机电动机2 空调电动机 5 2 辅助变流器通风机 2 电动机 合计 8 9合计1 2 8 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 i1 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豹单相工频交流电进 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。 2 3 2 1 3 辅助电动机电路 北京交通大学工程硕+ 专业学位论文 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。使辅助电动机电路更简化、更可 靠。除空气压缩机电动机外，其他辅助电动机采用变频变压起动，即所谓 软起动。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的空气压力继电器的控制。 2 3 2 1 4 辅助电动机电路的保护系统 由设置在辅助变流器内部的接地保护装置实施辅助系统电路的接地 保护；由设置在辅助变流器内部的阻容保护实施辅助系统的过 压保护；辅助变流器设置了两级过流保护，第一级用熔断器作为过流保 护，第二级由电流互感器输出过电流信号，把故障信息输入微机控制与监 视系统( t c m s ) ，并给出相应的故障显示信息：当异步电动机中的某个电 动机发生短路、堵转等故障时，通过相应的自动开关实现保护，并给出相 应的故障显示信号。 2 3 2 2 辅助加热装置电路 机车辅助加热装置电路见图2 3 - 3 ，它主要有司机室后墙暖风机、侧 墙暖风机、脚炉、电热玻璃、司机室饮水机等构成。它们均由主变压器的 一个单独的控制绕组2 2 0 v 供电。 辅助加热装置电路设计有专门的接地保护电路、辅助绕组阻容过压吸 收保护电路等，在各支路上还分别设置了相应的功能转换开关和过流短路 保护自动开关，从而确保该电路的安全、实用、可靠。 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 北京交通大学丁程硕士专业学位论文 图2 3 - 3 ：s s j 3 型电力机车辅助加热装置电路原理图 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$ q 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 北京交通大学工程硕士专业学位论文 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。 2 3 3 1 控制电源电路 u 3 3 5 丫 一 3 1 “i 一i 矧 ；b ”i3 x 拶。，j t 功l 协。址塑。h p 翟吲 j “5 3 5 一r 卜州。”f 里1 6 ，强 r ) m7 n 一j k i i 3 n6 4 “j e 、_ ! 3 6 7 1 堕塑，墅 0 “9 ，】3 5 ， z 0 a ，j “ ! ! t ! 羔 4 5 3 ：强 里旦r | 垮 ”剖f j 6 口呲 监，i ! i 0 j3 6 _ u 螋，0 堕，l 一 j 7 4 v x ：i 0 ，。i m 3 1 i2 57 k f7 1 一、 堡j i ? ，上t a 目 邓； 3 ”lo v q 图2 3 - 4 ：s s j 3 型电力机车控制电源电路原理图 机车控制电源的核一l b , 部件是1 l o v 开关电源。机车控制电源电路原理 图见图2 3 4 。开关电源由机车主变压器的2 2 0 v 绕组供电。机车控制电 源采用开关电源与蓄电池并联输出的工作方式，再通过自动开关分别送到 1 9 北京交通大学工程硕士专业学位论文 各条支路，如微机控制、牵引变流器、辅助变流器、车内照明、车外照明 等。另外，还专门设计了1 l o v 2 4 v 变换电路，以提供机车上某些设备所 需的2 4 v 电源。 2 3 3 2 司机指令与信息显示电路 图2 3 - 5 ：s s j 3 型电力机车司机室指令控制电路原理图 s s j 3 型电力机车司机室指令控制电路原理图见图2 3 - 5 。机车2 个司 机室的控制指令通过相应的控制电器，分别送到t c m s 。这些信号有：司 机电钥匙开关信号、主司机控制器换向手柄信号和调速手柄控制级位信 号、辅助司机控制器手柄控制级位信号、受