HXD3型机车的辅助变流系统.doc

HXD3型机车的辅助变流系统第1期(总第443期)内燃机车2011年1月HXD3型机车的辅助变流系统李碉珩2,朱建伟(1.大连交通大学,辽宁大连116028;2.大连机车车辆有限公司,辽宁大连116022)摘要:介绍了HXD3型交流传动货运电力机车辅助变流系统的特点,工作原理以及关键部件技术参数,同时简要介绍了辅助变流器在正常,故障状态下的负载分配.关键词:HXD3型机车;辅助变流器;四象限整流器;逆变器中图分类号:U264.37文献标识码:B文章编号:1003-1820(2011)01-0028-O41引言HXD3型交流传动货运电力机车的辅助供电系统是由辅助变流器向机车的各辅助设备供电,代替了传统的劈相机供电模式.该系统三相输出电压稳定,平衡,具有节能,低噪音,维护工作量小等优点,利于各辅助电机运行,且该系统采用冗余设计,有力地保障了机车的正常运用.2三相辅助变流系统的构成及特点HXD3型机车的辅助变流系统及其供电电路如图1所示.该车采用两组辅助变流器UA11和UA12,分别由主变压器辅助绕组3U1,3V1和3U2,3V2供电.两组辅助变流器经过整流,逆变及滤波后向辅助电路供电,两组辅助变流器分别工作在VVVF和CVCF模式下对辅助电机分类供电.变流器的功率均为230kVA.UA11和UA12分别同2套牵引变流器安装在一起,组成两组功率变流柜,斜对称地安放在机车变流器室内.牵引变流器风冷部分与辅助变流器共用一个通风机和通风道,简化了机车通风系统,利于设备安装,检修和维护.每套辅助变流器由四象限整流器,中问直流电路,逆变器及相关控制电路等组成,每一部分的基本结构和工作原理如下.2.1预充电电路收稿日期:2010-O4-21作者简介:李弱珩(198O一),女,辽宁本溪人,工程师;朱建伟(1957一),男,浙江义乌人,副教授.四象限整流器的负载为直流回路支撑电容.电容器上的电压不能突变,如果没有限流电阻,在K闭合瞬间,主变压器辅助绕组,整流器中的续流二极管和中间电容形成回路,将造成很大的电流冲击,预充电电路的目的在于减小这种电流冲击.预充电电路由充电接触器AK,工作接触器K和限流电阻CHR组成.当中问直流回路电压为零时,先闭合充电接触器AK,主变压器的辅助绕组通过充电电阻向四象限整流器供电,给中间直流回路支撑电容充电.当中间直流电压建立后,闭合工作接触器K,断开充电接触器AK,在切除充电电阻的同时,继续向中问直流回路支撑电容充电,直至中间直流回路电压达到750V.至此,辅助变流器预充电过程完成.2.2四象限整流器电路四象限整流器电路的主要技术参数如下.额定输入电压(AC)/V399(单相)额定输入频-,/Hz50中间直流回路电压/V750元件类型IGBT(1700V,1200A)四象限整流电路是一个脉宽调制变流器,是为解决相控桥式整流电路存在的问题而于近些年发展起来的.它将升压斩波与整流电路结合起来,使输入电流近似正弦波并与网压同相.其特点是属于升压整流方式,要求输入电压低于输出电压,其输入侧功率因数较高,接近于1,同时限制了谐波电流分量.因此与相控整流器比较,四象限整流器有很高的功率因数,谐波电流含量也小得多.采用第1期(总第443期)李明珩等:ttXD3型机车的辅助变流系统29图1辅助变流系统及其供电电路IGBT作为其功率器件后,调制频率提高,因而控制响应速度加快,当其输入端或输出端发生变化时,控制系统能很快作出响应,快速调节使输出保持稳定.2.3中间直流电路中间直流回路由中间电压支撑电容,中间电压测量电路和辅接地保护电路组成.辅助变流器采用的是电压逆变器,为了稳定中间回路电压,并联了大量的支撑电容,同时还对四象限脉冲整流器产生的高次谐波电流进行滤波.每个辅助变流器的接地保护系统都是由跨接在中间回路的2个串联电容和1个接地信号检测传感器组成.辅助回路正常时,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.当辅助电路某一点接地时则形成回路,接地检测回路有故障电流流过,传感器输出电流信号,使保护装置动作.保护发生时,相控整流器和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.可以通过接地故障转换开关,实施对接地保护的隔离.2.4逆变器电路HXD3型机车辅助变流器的逆变器具有工作频率高,自我保护能力强,控制较简单等优势.逆变器的任务是将直流电压转换成三相交流电压向负载电机供电,其输出方式既可以选择变压变频(VVVF)方式,也可以选择恒压恒频(CVCF)方式,以满足不同负载的需要.辅助变流器正常工作时,将所有泵类负载如压缩机,油泵,空调机组由一组辅助变流器供电,采用CVCF方式;而所有风机类负载如牵引风机,冷却塔风机等,由另一组辅助变流器供电,采用VVVF方式;当任何一组辅助变流器出现故障时,通过微机控制监视系统的信息传递和故障切换,可以实现由另一组辅助变流器以CVCF方式对全部辅助机组供电,完成机车辅助变流系统的冗余控制,提高了机车辅助变流系统的可靠性.逆变器主要技术参数如下.CVCF变流器输出容=/kVA230输出电压(AC)/V380(三相)输出频率/Hz50元件类型IGBT(1700V,1200A)VVVF变流器输出容量/kVA230输出电压(AC)/V238030内燃机车2011年输出频率/Hz25O元件类型IGBT(1700V,1200A)2.5辅助变流器的冷却系统辅助变流器冷却系统如图2所示,采用强迫通风冷却方式.冷却空气由车顶百叶窗进入,经离心风机冷却部件后由车下排出.离心风机主要技术参数:风量,0.5m/s;电机功率,2kW;电压,400V.入风(MAX40*C)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.管道图3辅助变流器额定功率一网压变化曲线机辅助变流器电动送风机图2辅助变流器冷却系统2.6辅助变流器的功率随网压的变化特性机车辅助变流器随网压的变化,额定功率的输出曲线如图3所示.由图3可知,当网压在1831kV范围内,机车辅助变流器能满功率运行;当网压在1817.5kV和3131.5kV范围内变化时,机车辅助变流器输出的功率线性下降至零.2.7HXIx3型电力机车辅助变流器的供电电路HXD3型交流货运电力机车辅助变流系统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1).辅助变流器UA11,UA12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399V.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(SPWM)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问绝缘的要求,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,除辅助变流器UA11的输出首先经过正弦波滤波器LC1,再经过接触器KM11给牵引风机电动机MAl1,MA12,MA13,MA14,MA15,MA16和冷却塔风机电动机MA17,MA18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UA12的输出首先经过正弦波滤波器LC2,再经过接触器KM12给空气压缩机电动机MA19,MA20,主变压器油泵MA21,MA22,司机室空调EV11,EV12,2台牵引变流器水泵WP,2台辅助变流器通风机APBM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,辅助变流器必须工作在定频定压状态.同时辅助变流器UA11,UA12的中间直流还向UC(DC110V电源装置)供电.2.8辅助变流器的负载分配正常工作时,辅助变流器的负载分配情况如表1所列.在辅助变流器UA11或辅助变流器UA12发生故障的情况下,系统将自动断开其相应的输出接触器KM11或KM12,再闭合故障转换接触器KM20,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.3辅助电路的过流,过载,过压和欠压保护在每一组辅助变流器的输入回路中,设有输入表1辅助变流器的负载功率分配kVA第1期(总第443期)李明珩等:HXD3型机车的辅助变流系统3I【上接第27页】经计算,不同轨距的轴承座端车轴的转角如表2所列.表2不同轨距下轴承座端车轴的转角值所选轴承要求轴承座端车轴的转角最大值不超过4.由表2可知:满足两端轴承对转角的要求.3材料所选用车轴的材料为35CrMoA,属于中低碳钢的一类,适合滚压加工轴身和过渡圆弧.35CrMoA材料价格比较高,市场报价约4.5万元(人民币)/t.在进行车轴结构设计时,可比较工艺成本,采用空心轴结构,以降低成本.4结论通过以上的设计分析,可以得出以下结论:(1)为了满足变轨距试验的要求,尤其是小轨距试验时对车轴的挠度变形要求较高,通过增大轴身的横截面积,保证了车轴的挠度和车轴跨度的比值/l=0.00036在要求的范围内.(2)满足轴承对转角的要求.(3)车轴除承受着弯曲正应力和扭转剪应力外,还承受着由于配合引起的接触应力等.车轴配合部位应力状态较为复杂,疲劳强度较低.通过对车轴配合部位结构(如阶梯轴