HXD2型大功率交流货运电力机车主电路系统.doc

HXD2型大功率交流货运电力机车主电路系统第29卷第6期2009年12月铁道机车车辆RAWAYLOCOM0TTVE&CARV01.29No.6Det.2009文章编号:10087842(20O9)06002304HXD2型大功率交流货运电力机车主电路系统任广慧,史红梅(1中国北车集团公司大同电力机车有限责任公司技术中心,山西大同037038;2北京交通大学机械与电子控制工程学院,北京100044)摘要介绍了HXD2型大功率交流货运电力机车主电路系统的构成及功能原理,并详细分析了HXD2型电力机车牵引变流系统的组成,工作原理,主要功能参数等,为国内大功率交流货运电力机车牵引变流系统的研制与开发提供思路.关键词HXD2型大功率交流传动电力机车;整流器;逆变器中图分类号:U264.3文献标志码:AI-IX2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,交一直一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AL.STOM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.1网侧电路的组成网侧电路(如图1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.图1网侧电路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,并经过控制动力电路开断的主断路器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ETFP,ETF一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TF】一PP,CA(I)TFP,TFIQ1L(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关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EB1EB4,以及用于车顶维护时出于安全考虑的接地装置H(0一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任广慧(1975一)男(蒙古族),内蒙赤峰人,工程师(收稿日期:20090415)铁道机车车辆第29卷车时,为了确保维修人员的安全,通过接地开关H(OM),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.2牵引电路2.1牵引变流柜的构成整台机车由两台牵引变流柜(如图2所示)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2牵引变流柜2.2牵引变流系统原理图3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A(I)PMCF0NDLUf:(Is)PMcFl甲士一1jIillff图3牵引变流系统强CA(U)PMCF电能计量装置)到CRT3)刭CRT2)图4牵引工况CA(I)2-OND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.在机车处于牵引工况(如图4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,主要起稳定中问电路电压,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.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1c一OND图5再生制动工况第6期HXD2型大功率交流货运电力机车主电路系统三相交流输出,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5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.在牵引变流器的输人电路,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.2.3四象限整流器的工作原理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6中.为变压器的原边电压;U.为变压器的图6四象限整流器等效电路图牵引绕组电压;R.为牵引绕组的直流电阻;.为牵引绕阻的漏感;pmcf为调制基波电压;U.为整流输出直流电压;,.为牵引绕组基波电流.1.U|0(a)牵引工况(b)再生工况图7四象限整流器控制矢量图如图6所示四象限整流器的等效电路图,图7为四象限整流器的控制矢量图,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8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或图8输入电压正半波时四象限整流器的工作原理铁道机车车辆第29卷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IGBT.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.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9所示.髓酪辚簿IFupmof,?,Vor瓣弱=fjl:脏舡:j=司:LPIGF=删.万Ue=12,otmi瓣撵拄一IGBT开关频率gmi一IGBT最小工作时间200k&一_一?1._H=:抖+1们H一4o0蠡丽右面图9四象限整流器逆变控制波形图其中pg1一,VLegl为IGBTl,IGBT4门极脉冲;k为IGBT2,IGBT3门极脉冲.根据图6四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:U.=U.mcf+R.,.+j乩,.在牵引工况U.和,.同相位,此时Upmcf的相位滞后J,再生制动时,U.和J反相位,Upmcf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Upmcf的幅值和相位,就控制了J的幅值和相位;反之,只要控制了J的的幅值和相位,也就控制了Upmcf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f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;通过调节一的相位来改变J的幅值,来稳定直流侧电压.2.4主要电气参数(1)主变压器网侧绕组额定电压25000V;网侧绕组额定电流258A;牵引绕组额定电压牵引绕组额定电流(2)四象限整流器额定输入电压额定输入电流频率额定输出电压额定输出电流冷却方式(3)中间电路额定电压额定电流(4)三相逆变器额定输入电压额定输入电流最大输出电流冷却方式(5)异步牵引电动机极数额定功率额定电压额定电流冷却方式3结束语950V:1698A.900V;166OA;50Hz;DC1800V:620A;水冷.DC1800V:620A.DC1800V;850A;1900A;水冷.6极;1275kW:1391V;620A(基波);强迫风冷.HX.2型大功率交流传动电力机车是根据中国线路具体情况改进设计的8轴双节大功率交流传动干线货运电力机车,优化了结构和配置,延续了模块化,系列化的设计理念,牵引变流系统采用轴控模式,功率模块使用水冷技术,功率半导体元件安装在可拆卸的功率模块内的水冷板上,功率模块带有防漏液压连接器和IGBT门极驱动电路,功率模块的结构保证了可以从屏柜正面快速,方便的维护,通过HXD2机车人机务段一年多的实际运营,体现出了牵引变流系统的安全性,可靠性,可维护性等诸多优势.参考文献1吴安顺.最新实用交流调速系统M.北京:机械工业出版社,1999.2黄俊.半导体变流技术M.北京:机械工业出版社,1980.3连级三.电力牵引控制系统M.北京:中国铁道出版社,2001.4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.kkkkkkkkIkkkkk枷嚣搦勰A/A/第6期HXD2型大功率交流货运电力机车主电路系统27MainCircuitSystemforHighPowerACFreightHXD2LocomotiveRENGuanghui,.SHI11ongmei(1TechnologyCenter,DatongElecericLocomotiveCarCo.,Ltd,CNRGROP,Datong037038SharLxi,China;2SchoolofMechanical,ElectronicandControlEngineering,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China)Abstract:ThepaperintroducestheconfigurationandfunctionprincipleofmaincircuitsystemofHXD2highpowerACdrivenelectricfreightlocomotive,thecomposition,workprinciple,mainfunctionsandparameters,etc.oftractionconvertingsystemofHXD2electriclocomotiveindetailsaswell,whichprovidesanewideaforresearchinganddevelopingoftractionconvertingsystemofdomestichighpowerACfreightelectriclocomotive.Keywords:HXD2highpowerACelectriclocomotive;converter;inverter;ACDC(上接第2页)表2翼板制动减速度O.35O.300.25目0.20饕o|15昼0.100.05O.ooO.051,_-ljl一.一,缠缉壅t408.5一tr硐组强亩腮Ij.Itl暑I4?f一,f一l】ll.rl列车运行速度/(kin?h)图6翼板制动减速度一图7流线4列车车身气动力阻力的变化由于翼板对气流扰动,见图7,气流对列车的作用将被减弱,建立了翼板非工作状态的列车模型.列车迎风面积为5.673m2,翼板处于非工作状态时,3车的阻力系数为0.315,翼板处于工作状态时,3车的阻力系数为0.302,可见气动力的降低很小.5结束语翼板制动作为一种辅助制动,可以和传统制动方式互补,达到列车的安全,有效制动.采用翼板制动的列车运行速度应在300km/h以上.列车行车速度很高时,翼板将提供较大的气动阻力,鉴于列车的行车安全和翼板的强度,不能使用过大的减速度,翼板的工作高度应设计为可以调整的.另外,将翼板制动应用到工程上,要求翼板有合理的形状,提供足够大气动阻力的同时,不产生其他附加气动力.翼板在列车上的位置分布也要合理,既能提供足够的气动阻力,也要便于安装,同时又要满足列车限界的要求.翼板及作动装置的结构应合理.与其他制动方式不同,翼板制动的制动作用在列车顶部,需要考察翼板制动对列车的稳定性,平稳性的影响.另外,要综合考虑再生制动,空气制动和翼板制动的合理匹配.参考文献(1张曙光.京沪高速铁路系统优化研究M_.北京:中国铁道出版社,2009.2王伯铭.高速动车组总体及转向架M.成都:西南交通大学出版社,2008.3张卫华.机车车辆动态模拟M.北京:中国铁道出版社,2007.【4RauS.Raghunatham,H.一D.Khnb,T.Setoguchic.AerodynamicsofhighspeedrailwaytrainJ.AerospaceSciences,2002,38:469514.5MasahikoHoriuchi.OutlineofShinkansenHighspeedTestTrainTypeE955J.JREASTTechnicalReview,8:610.6武青海,周虹伟,朱勇更.高速列车湍流流场数值仿真计算探讨J.铁道,2002,24(3):99103.AerodynamicQualityAnalysis0fWingPlat