HX_D3B型交流传动电力机车概述.pdf

0引言 HXD3B型机车是根据大连机车车辆有限公司与铁道 部签署的大功率交流传动电力机车采购项目研制的 以 HXD3 型交流传动电力机车为技术平台 以在国内主干线 上进行重载货运牵引为目的 拥有自主知识产权 机车采 用先进成熟的 IGBT水冷变流器 分布式微机网络控制等 技术 尽量考虑对环境的保护 减少维修工作量 另外 考 虑能够在全国范围内运行 机车满足环境温度在 40 40 海拔高度不超过 2 500 m的运行条件 机车可以实 现 3 台机车重联运行 1HXD3B型机车的主要特点和技术参数 1 1主要特点 HXD3B型机车主要特点有 1 C0 C0轴式 交直交电传动系统 采用 3 组 IGBT水 冷变流器 1 632 kW 大转矩异步牵引电动机 具有启动 持续 牵引力大 持续速度高 黏着性能好 功率因数高 等特点 2 每组牵引变流器内集成 1 台由中间直流回路供电 的辅助变流器 分别提供 2 组 VVVF 和 1 组 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 在机车通过分相区时 辅助系统可以维持供电 3 采用分布式微机网络控制系统 实现了逻辑控制 自诊断功能 而且实现了机车的网络重联功能 4 机械间内设有高压柜 真空主断路器 接地开关 高压隔离开关 避雷器 高压电压互感器 高压电流传感 器等集成在高压柜内 极大地降低了雾 雪 粉尘等条件 下高压设备的故障率 提高了机车的可靠性 5 车体采用整体承载的框架式焊接结构 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 低位斜牵引杆技术 小齿轮双端支撑驱动装 置 7 采用下悬式一体化多绕组牵引主变压器 除牵引 绕组和辅助供电绕组外 还集成三台谐振电抗器 冷却方 式为强迫导向油循环风冷 HXD3B型交流传动电力机车概述 代兴军 王明杰 王永良 中国北车集团大连机车车辆有限公司 辽宁 大连116022 摘要 HXD3B 型机车是大连机车车辆有限公司自主开发的六轴大功率交流传动货运电力机车 机车额定功率为 9 600 kW 最高运行速度为 120 km h 电传动系统采用 IGBT水冷变流机组 文章主要介绍了该型机车的主要特点 主要技 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 U260文献标识码 A文章编号 1672 1187 2010 02 0001 04 Summarization on type HXD3B AC drive electric locomotive DAI Xing jun WANGMing jie WANGYong liang Dalian Locomotive and RollingStock Co Ltd CNR Group Dalian 116022 China Abstract Type HXD3B locomotive is a 6 axle high power AC transmission freight electric locomotive which designed and developed by Dalian Locomotive Rolling Stock Co Ltd Its rated power is 9 600 kW and maximum operating speed is 120 km h Propulsion system adopts IGBTconverter and inverter sets cooled by water This paper presents the locomotive s main characteristic technicaldata equipmentlayout ventilation system electricsystem mechanicalsystem brakeand compressed airsupplysystem etc Key words ACelectric locomotive electric system mechanical system traction characteristic brake characteristic 研究开发 收稿日期 2009 12 14 作者简介 代兴军 高级工程师 1999 年毕业于西南交通大学电力牵引与传动控制专业 长期从事机车设计工作 电力机车与城轨车辆 Electric Locomotives Mass Transit Vehicles 第 33 卷第 2 期 2010 年 3 月 20 日 Vol 33 No 2 Mar 20th 2010 1 电力机车与城轨车辆 2010 年第 2 期 8 机车顶盖设有密闭风腔 冷却风源从风腔进入车 内 保证了风源的清洁性 减少尘埃对被冷却设备的污 染 改善冷却效果 每个转向架的 3 台牵引电机由 1 台通 风机冷却 主变流器水冷和主变压器油冷采用水 油复合 式冷却塔 另外还设置了车体通风机来保证机械间的微 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 10 采用预布线 预布管技术 车内中间走廊的下层 排列制动管路 中间层和上层排列动力电缆 控制导线及 光缆排布在侧墙的线槽内 降低电磁干扰 提高控制系统 可靠性 1 2主要技术参数 在 22 5 30 kV 网压下 机车功率为 9 600 kW 在 19 kV 网压下 机车功率为 8 064 kW 网压为 19 17 5 kV 时 机车牵引功率线性降为零 但辅助功率仍然有效 网 压为 30 31 kV 时 机车牵引功率线性地降为零 再生制 动时此限制范围延至 29 31 kV 功率特性如图 1 所示 图 1机车功率特性 机车限界满足 GB146 1 83 标准 轨距 mm1 435 轴式C0 C0 机车总重 t 轴重 t 电传动方式交直交传动 持续功率 kW9 600 持续速度 km h 168 2 最高速度 km h 1120 启动牵引力 kN570 持续牵引力 半磨耗轮 kN506 恒功率速度范围 km h 168 2 120 电制动方式再生制动 电制动功率 kW9 600 最大电制动力 kN480 车钩中心线距轨面高度 新轮 mm880 10 受电弓降弓状态时滑板距轨面高度 新轮 mm 4 622 受电弓滑板距轨面工作高度 mm5 200 6 500 齿轮箱最低点距轨面高度 新轮 mm 120 排障器距轨面高度 踏面允许磨耗范围内可调 mm 扫石器距轨面高度 踏面允许磨耗范围内可调 mm 30 功率因数 网压不高于 27 5 kV 发挥 10 及以上额 定功率 0 98 最大制动距离 120 km h m 1 100 额定功率时 机车在持续工况下 距离牵引变电所 10 km 处测量 接触网每公里 0 83 65 22 等效干扰 电流不大于 0 8 A 谐波含量不大于 0 4 额定网压下 在 牵引工况发挥持续功率时 机车总效率不小于 0 85 最优 值 0 88 机车能以 5 km h 速度安全通过半径为 125 m的 曲线 并能在半径为 250 m的曲线上进行正常摘挂作业 机车牵引采用恒力矩 准恒速特性控制 司机控制器 牵引手柄为 13 级 级间能平滑调节 其特性曲线如图 2 所示 图 2牵引特性控制曲线 机车制动采用恒力矩特性控制 司机控制器制动手 柄为 12 级 级间能平滑调节 其特性曲线如图 3 所示 图 3制动特性控制曲线 2设备布置 机车设备采用模块化的结构 两端各设有 1 个司机 室 2 个司机室的中间为机械室 机械室内设备沿车内中 间走廊两侧平行布置 采用导轨安装方式固定 中间走廊 150 25 110 2 代兴军 等 HXD3B型交流传动电力机车概述 2010 年第 2 期 宽度为 600 mm 中间走廊两侧设有变流器 冷却塔 空气 压缩机 空调机组等 车体下方设有 2 台三轴转向架及主 变压器 顶盖上设有 2 架受电弓和 2 个车顶避雷器 车内 设备以平面斜对称布置为主 成套安装 有利于机车的重 量分配 制造 检修和部件的互换 机车设备布置如图 4 所示 1 受电弓 2 空压机组 3 牵引电机通风机 4 高压电器柜 5 低压电源柜 6 主变压器 7 变流器 8 冷却塔 9 TCMS 柜 10 空调机组 11 行车安全柜 12 控制电器柜 13 卫生间 14 辅 助滤波柜 15 制动柜 16 总风缸 17 操纵台 图 4机车设备布置图 司机室的结构和设备布置参照规范化司机室要求 考虑人机工程进行优化设计 司机室内设有操纵台 司机 座椅 八灯显示器 紧急放风阀 灭火器 暖风机等设备 司机室顶部设有风扇 头灯 司机室照明灯 阅读灯等设 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 内部设有 手动遮阳帘 操纵台设有微机显示屏 监控显示屏 压力 组合模块 速度表 网压 控制电压表 牵引 制动力表 司机控制器 制动控制器 扳键开关组 冰箱 微波炉 脚 炉 膝炉及各种控制开关和按钮等 机车顶部由 3 个顶盖组成 两端的顶盖上均布置有 受电弓 车顶避雷器及高压电缆车顶高压套管 在中央顶 盖上设有检修用天窗 以便车顶检修和维修作业 为确保 安全 天窗设置了钥匙联锁装置 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机等设备 另 外 车下还配置了 AC380 V库用插座 DC110 V库用插 座 行灯插座 机车电子标签 过分相装置感应器 速度传 感器等设备 3通风系统 HXD3B型机车的通风冷却系统由牵引通风机冷却系 统 变压器变流器冷却用油水冷却塔通风系统 机械间辅 助通风系统 空调通风系统等组成 空调的入风口在车体 侧墙处 其它通风支路的风源来自车顶盖的风腔 3 1牵引通风机冷却系统 整车共有两台牵引通风机 每一台牵引通风机用来 冷却转向架的三台牵引电机 冷却空气由顶部风腔进入 经过风机后 在进入牵引电机前分成三个通风道 分别通 过软管和牵引电机的入口相连接 然后进入牵引电机 最 后由牵引电机的出风口排出车外 3 2油水冷却塔通风系统 每台机车设有 2 台油水冷却塔 通过各自的回路分 别与变流器和变压器连接 变流器回路中 使用水和乙 二醇的混合物作为传热介质 变压器回路中 传热介质 为矿物油 整体的散热器由 2 个隔开的流体回路组成 变压器的热量通过油循环回路进入冷却塔散热器下层 变流器的热量通过水循环回路进入冷却塔散热器上层 在冷却风机的作用下 冷却空气通过车顶风腔进入 先吸 收水回路的热量 再吸收油回路的热量 然后由车底排向 大气 3 3机械间辅助通风系统 机车设有 2 个车体通风机 分别安装在两端的顶盖 上 冷却空气由车顶风腔进入机械间 向空气压缩机 变 流器控制模块提供风源 并保证机械间内部的微正压 3 4空调通风系统 在机械间内靠近两端司机室的后墙位置各设有 1 个 空调机组 空调的入风口设置在车体侧墙开口处 空气经 过机组处理后 通过布置在司机室地板下面的风道送到 司机室前端部 空调系统具有通风 制冷 制热等功能 由 于新风风机的作用 送入司机室的新风使司机室保持一 定的正压 保证司机室的卫生要求 4电气系统 4 1主电路 机车电传动系统设计满足 AC25 kV和 50 Hz的牵引 供电制式 机车网侧电路由 2 架受电弓 2 个避雷器 1 个 真空主断路器 1 个高压电压互感器 3 个网侧电流传感 器 6 个轴头接地装置等组成 传动系统电路由变压器 变流器和牵引电机等组成 变压器原边通过受电弓和主 断路器得电 变压器次边的 6 个独立的牵引绕组分别向 3 台主变流器的 6 个四象限整流器供电 每个变流器的 2 个四象限整流器向对应的 1 个中间回路供电 1 个中间 回路向 2 个电机变流器供电 每个电机变流器单独给 1 台牵引电机供电 机车制动采用再生制动 再生制动产生 的电能反馈回电网 达到了节能的效果 变压器主要技术参数如下 1 原边绕组 额定容量为 11 622 kVA 额定电压为 25 kV 额定电流为 464 9 A 2 牵引绕组 额定容量为 1 937 kVA 额定电压为 1 500 V 额定电流为 1 291 3 A 变流器主要技术参数如下 3 电力机车与城轨车辆 2010 年第 2 期 额定输入电压 V1 500 额定输入电流 A2 1 300 额定输入频率 Hz50 中间电压 V2 800 额定输出电压 V0 2 183 额定输出电流 A550 牵引电机主要技术参数如下 持续功率 kW1 632 额定电压 V2 183 额定电流 A498 额定效率 95 绝缘等级200 冷却方式强迫风冷 4 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 辅助变流器集成在牵引变流器中 同牵引回路共用 中间直流环节 机车设有 3 个辅助变流器 通过辅助变 压器和滤波电容对输出电压进行调压和滤波后 提供近 似正弦波的三相交流电源 正常情况下 辅助电源 1 输 出为变频变压方式 115 460 V 15 60 Hz 向冷却塔风 机供电 辅助电源 2 输出为变频变压方式 115 460 V 15 60 Hz 向牵引通风机供电 辅助电源 3 输出为恒 频恒压方式 460 V 60 Hz 向水泵 油泵 空调及主 压缩机 蓄电池充电机 加热器等负载供电 辅助供电 采用了冗余设计 一旦 1 个辅助电源出现故障 系统自动 转换由另外 2 个辅助电源承担所有辅助负载 保证机车 正常运行 4 3控制电路 HXD3B型机车微机网络控制系统采用了庞巴迪公司 生产的 MITRAC 系列产品 基于 TCN 网络标准结构形 式 通过 MVB 车辆总线连接车上各相关设备 重联机车 之间采用 WTB列车总线联结 机车的牵引控制系统是由 多微机环境组成 包括列车控制级 机车控制级和驱动控 制级 此外还包括 CCB 制动系统的微机网络控制系统 及行车安全装置的微机网络控制系统 列车及机车级功能由机车控制单元 VCU 实现 驱动 控制级功能由驱动控制单元 DCU实现 外围设备信号输 入及输出由分布的 I O 模块完成 CCB 制动系统由 IPM集成处理模块完成 行车安全装置由其自带的微机 网络系统完成 5机械部分 5 1车体 车体为双司机室内走廊高强度整体承载结构框架 机车车体分成 3 部分 两端为司机室 中间为机械间 机 械间与司机室之间具有可拆卸的司机室后墙 车体钢结 构是一个等强度的刚体 主要由材质为 Q345E 的钢板焊 接而成 保证机车能在 40 低温环境工作 采用 E 级钢 13 号下作用式车钩 QKX100 型大容量 胶泥缓冲器 为保护车钩 缓冲器及车体 在缓冲器后面 增加压溃管 以提高机车的安全性和经济性 机车车顶有 3 块可拆卸的活动顶盖 方便部件从车 体上方吊入机械间安装 顶盖内部设有风腔夹层 侧部斜 面开有通风系统用的进风口 车体主要技术参数如下 前后车钩中心距 mm22 781 车体宽度 mm2 950 车体高度 新轮 mm4 249 车钩中心线距轨面高度 新轮 mm880 10 5 2转向架 机车装有 2 台结构相同的转向架 转向架为三轴半 悬挂 主要由构架 一系悬挂装置 轮对装配 二系悬挂装 置 基础制动装置 驱动装置 电动机悬挂装置 牵引装 置 轮缘润滑装置 配管及进风道等组成 构架采用焊接 结构 构架强度比较均匀 驱动装置采用先进的主动齿轮 两端承载 与电机轴弹性连接 承载齿轮箱轴悬挂结构 在第三 四轴 按机车前进方向 装有推挽式单牵引拉杆 一系悬挂采用圆弹簧加垂向油压减振器结构 二系悬挂 采用高圆螺旋弹簧加垂向油压减振器结构 采用轮盘制 动和弹簧停放制动 主要技术参数如下 轴距 mm1 950 构造速度 km h 1120 轮径 新轮 mm1 250 传动比4 952 6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 6 1风源及干燥系统 主要包括主空气压缩机 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 每台机车装有 2 台螺杆式空气压缩机 总风缸容积 为 1 600 L 保证机车制动系统 风笛 升弓等装置的用风 要求 空气压力调节器的开断电路压力值为 900 20 kPa 下转第9页 4 单个空气压缩机打风闭合电路压力值 为 750 20 kPa 双空气压缩机打风闭合电路压力值为 680 20 kPa 安全阀的动作压力值为 950 20 kPa 6 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完成的 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 弹簧储能停放制动等功能 6 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 有独立的盘形制动单元 1 3 4 6 轴单侧带蓄能停放制动 器 制动单元与夹钳机构 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 6 4撒砂系统 机车设有 8 个砂箱 容积为 8 35 L 撒砂量能在 0 7 1 5 L min 范围内调节 7结束语 HXD3B型交流传动货运电力机车为 C0 C0轴式 轴重 25 t 采用中间走廊结构 3 组 IGBT 水冷变流器 内部集 成高压电器柜 分布式微机网络控制系统 首台机车于 2008 年 12 月 29 日在中国北车集团大连机车车辆有限公 司剪彩下线 目前已经配属到段进行运用考核 机车运行 稳定 性能优越 该车型将担当国内干线重载牵引任务 机车的批量生产和投入使用 将大大提高中国铁路的货 运能力 为国民经济的发展做出重大贡献 参考文献 1 连级三 电传动机车概论 M