浅析HXD3电力机车电力传动.doc

毕业设计 论文 毕业设计 论文 浅析 HXD3 型电力机车电力传动 黑龙江交通职业技术学院黑龙江交通职业技术学院 2014 年年 12 月月 毕业设计 论文 毕业设计 论文 浅析 HXD3 型电力机车电力传动 姓名 指导教师 专业 铁道机车车辆 电力机车 专业 学院 机车车辆学院 答 辩 日 期 2014 年 12 月 单位 黑龙江交通职业技术学院 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 HXD3 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 1 本论文主要以 HXD3 型电力机车为设计原型 以交直交传动系统为研究对象 通 过介绍交直交传动系统的结构和分析其工作原理 结合我国铁路机车近几年来飞速 发展和济南铁路局济南西机务段自引进 HXD3 型机车以来检修与运用现状 介绍交 直交传动系统在铁路机车上的运用情况 论文第一章为绪论 从总体上介绍交流传 动系统的配置情况 机车采用交流传动技术的优势和机车上的运用情况 并对 HXD3 型电力机车的特征及其电传动系统的作了简单概述 关键词 HXD3 型电力机车 交 直 交传动 四象限整流器 电路 Abstract II Abstract With the development of converter technology and computer control technology AC speed regulation system has attracted world attention AC drive systems shows tremendous advantages in the performance indicators the device volume equipment maintenance energy saving and even the environmental protection Both the main drive system and the auxiliary drive system of HXD3 type electric locomotive adopts AC drive technology and computer control technology the entire electrical system design adhere to the high starting point the leading principle and fully consider the actual needs of the high power freight electric locomotive What is more it use advanced mature reliable technology and undertake all around design according to the demand of standardization series modular information According to the rapid development of China s railway the railway locomotives research is more and more extensive and deep This paper mainly introduces the HXD3 type electric locomotive and the AC DC AC transmission system in railway locomotive operation and maintenance of the situation The first chapter is the introduction introduces the configuration of the AC drive system the advantages of AC drive technology the characteristics of the HXD3 electric locomotive and the electric drive system Keywords HXD3 electric locomotive AC DC AC drive four quadrant rectifier electric circuit 目 录 II 目 录 摘 要 I Abstract II 第 1 章 绪 论 1 1 1 课题背景 1 1 2 选题意义及主要研究内容 1 1 3 交流传动电力机车的优势 2 1 3 1 我国交流传动电力机车的现状 3 第 2 章 电气线路主电路 5 2 1 主电路及其部件 5 2 2 网侧电路作用及其主电路 6 2 3 牵引变流器 7 2 3 1 牵引电动机供电电路 8 2 4 保护电路 8 2 5 主要故障及处理 8 2 6 本章小结 9 第 3 章 辅助电路 10 3 1 三相辅助电路及辅助变流器 10 3 2 辅助变流器供电电路 11 3 2 1 电动机电路 12 3 3 辅助电动机电路的保护系统 12 3 4 主要故障及处理 13 3 5 本章小结 13 第 4 章 控制电路 14 4 1 控制电源电路 14 4 2 机车逻辑控制和保护电路 15 4 3 辅助变流器控制电路 16 4 4 牵引变流器控制电路 16 4 4 1 保护电路 17 4 5 主要故障及处理 17 4 6 本章小结 17 结 论 18 参考文献 19 致 谢 20 第一章 绪论 1 第一章 绪 论 1 1 课题背景 自 20 世纪 70 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 13 2 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 HXD3 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 HXD3 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 HXD3 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 IGBT 水冷变流机组 1250kW 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 VVVF 和 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 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 黑龙江交通职业技术学院毕业设计 论文 2 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 10 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 3 目前该车已成功运用于南京东机务段和武汉江岸机务段 1 3 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 11 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 第一章 绪论 3 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 PWM 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 5A 有极好的电磁兼容性 4 交流传动机车轴功率可达 1700kW 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 4 1 3 1 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 AC4000 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 ADtranz 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 AC4000 交流传动机车一一 1994 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 2000 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 ADtranz 公司 奥星 号机车与 中原之星 动力分散式动车组一一于 2001 年 10 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 2001 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 2002 年 12 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 5 在国内运行的交流传动货运电力机车 仅有购自德国 Seimens 公司的 DJl 型电力机车 该机车为 8 轴机车 B0 转向架 轴功率为 800 kW 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 第一章 绪论 4 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 2000t 左右 客 货列车运行速度差别不太 显 黑龙江交通职业技术学院毕业设计 论文 5 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 3500t 5000t 在运煤专线上甚至为万吨 列车 而客运列车的编组质量约 1000t 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 HXD3 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 12 轴 16 轴 18 轴 24 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 第二章 电气线路主电路 6 第二章 电气线路主电路 HXD3 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 2 1 主电路及其部件 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 2HXD3 型电力机车主电路原理图所示 6 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 5kV 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 PWM 整流器和一个两点式三相 WVF 逆变器等组成 三相 WVF 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 1200kW 黑龙江交通职业技术学院毕业设计 论文 7 图 2 2 HXD3 型电力机车主电路原理图 2 2 网侧电路作用及其主电路器 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 APl 或 AP2 从接触网受流 经高压隔离开关 QSl 或 QS2 和主断路器 QFl 通过高压电流互感器 TAl 进入车内 经 25kV 高压电缆与主 变压器 A 端子相连 经主变压器原边 AX 后 通过 6 个并联的回流装置 EBl 一 EB6 从轮对回流至钢轨 受电弓 采用 DSA 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 黑龙江交通职业技术学院毕业设计 论文 8 边电 第二章 电气线路主电路 9 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 TCMS 送 入原边电流信号 用于微机显示屏显示 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 1450V 牵引绕组分别用于两套牵引变流器的供电 两个 399V 辅助绕组分别用于辅助变流器的供电 7 2 3 牵引变流器 牵引变流器的构成 牵引变流器 UMl 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 PWM 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 2000V 时 第二章 电气线路主电路 10 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 2800V 整个充电过程完成后 逆变器可以投入 工作 在 黑龙江交通职业技术学院毕业设计 论文 11 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 IGBT 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 IGBT 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 牵引电动机供电电路 机车的牵引电动机 M1 3 由牵引变流器 UMl 的 3 个 PWM 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 8 2 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 TCMS 显示接地故障 9 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 5 主要故障及处理 主变流器 MPU 故障 主要分 3 类 由于电线路连接部位松虚 IGBT 击穿 中间直流环节电容发生爆裂引发的烧损故障 典型案例是 2007 年 6 月 3 黑龙江交通职业技术学院毕业设计 论文 12 日 HXD3 0040 机车第四主变流器连线松脱烧损 由于变流器工作不稳定 发 第二章 电气线路主电路 13 生瞬间过压 过流产生的封锁保护 该种故障经常发生 复合冷却液泄漏或 者车内污水外流 导致牵引电机接线端子部位积水而发生主电路接地故障 典 型故障是 2007 年 7 月 18 日 HXD3 0072 机车复合冷却液泄漏流入第四牵引电动 机接线端子导致接地故障 解决措施 针对 HXD3 机车运用初期出现的变流 器烧损故障 将信息反馈到制造公司 提高机车的组装质量 针对瞬间故障后 封锁保护 可以通过断电复位使其重新投入工作 或者手触微机屏幕切除某组 主变流器维持机车运行 这种措施适用于机车运行中的司机进行应急处理 针 对主电路接地故障的解决措施是 一方面通过检查整修 消除变流器管路冷却 液的泄漏 另一方面通过加强管理 禁止在车内倾倒废水 污水 2 6 本章小结 HXt 3 型交流传动电力机车是根据大连机车车辆有限公司 日本东芝公司与 铁道部签署的大功率交流 传动电力机车采购和技术引进项目研制的 是我国铁路第六次大提速中的货运 干线主型机车之一 其最高 行驶速度为 120 km h 能够满足牵引 5 000 t 以上列车的需要 为我国的铁路 货运运输正在做出巨大的贡献 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 机车主电路 是产生机车牵引力和制动力的电气设备电路 主要由网侧电路 传动系统电路 及库用动车电路等组成 机车主电路所完成的功能是电能和机械能问的相互转换 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 25 kV 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 组交一直 一交支路供电 每组交 直一交电路由一个两点式单相四象限 PWM 整流器和 一个两点式三相 VVVF 逆变器等组成 三相 VVVF 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 满足机车牵引运 行要求 机车制动 lT 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 而牵引时按整流 器工作的变流器 变为逆变器工作 10 第三章 辅助电路 14 第三章 辅助电路 HXD3 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 具有可变电压 可变频率的 VVVF 控制 和固定电压 固定频率的 CVCF 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 VVVF 控制模式 其他负载采用 CVCF 控制模式进行控制 11 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 UAl 1 实行 VVVF 控制 另一组 UAl2 实行 CVCF 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 CVCF 控制模式提供能量 3 1 三相辅助电路及辅助变流器 1 三相辅助电路 HXD3 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 3 2HXD3 犁电力机车辅助电动机供电电路原理图所示 辅助变流器 UAll UAl2 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 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 VVVF 和 CVCF 两种工作方式 可以按连接 第三章 辅助电路 15 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 50 的额定容量工作 辅助变流器 1 APUl 工作在 VVVF 方式 辅 助 黑龙江交通职业技术学院毕业设计 论文 16 变流器 2 APU2 工作在 CVCF 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 CVCF 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 12 由于变压器辅助绕组的电压为 399V 即使接触网电压在 17 5 31 5kV 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 380v 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 图 3 2 HXD3 型电力机车辅助电动机供电电路原理图 3 2 辅助变流器供电电路 1 辅助变流器供电电路 辅助变流器 UAl l 的输出首先经过正弦波滤波器 LCl 再经过接触器 KMl 1 给牵引风机电动机 MAl 1 MAl2 MAl MAl4 MAl5 MAl6 和复合冷却风 机电动机 MAl7 MAl8 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 13 辅助变流器 UAl2 的输出首先经过正弦波滤波器 LC2 再经过接触器 KMl2 给空气压缩机电动机 MAl9 MA20 主变压器油泵 MA21 MA22 司机室空 调 EVl 1 EVl2 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 器工作在定频定压状态 第三章 辅助电路 17 同时辅助变流器 UAll UAl2 的中间直流还向 UC DCll0V 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 KMll 或输出接触器 KMl2 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 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 3 2 1 电动机电路 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 14 3 3 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 UAl 1 UAl2 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 ACCT 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 1600A 保护发生时 四象限整流器的门极均被封锁 工作接触器 K AK 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 10s 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 CTU 和 CTW 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 850A 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 10s 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 第三章 辅助电路 18 器的控制 黑龙江交通职业技术学院毕业设计 论文 19 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 DCPT4 是用于四象 限整流器的控制 DCPT5 是用于逆变器的控制 当 DCPT5 监测到中间回路电 压大于等于 825V 或小于等于 675V 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 DCPT4 监测到中间回路电压大于等于 825V 或 小于等于 675V 时 四象限整流器门极被封锁 四象限整流器停止输出 1 10V 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 1 10V 充电模块提供 DC750 电源 输出电源回路通 过熔断器 DF 进行短路过载保护 熔丝额定值为 215A 当 DF 出现熔断后 辅 助变流器将通知微机控制系统 TCMS 进行 110V 充电模块输入电源的转换 由另一组的辅助变流器向 110V 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 15 3 4 主要故障及处理 由于变流器部件制造质量问题或组装不良导致烧损故障 2007 年 12 月 5 日 HXD3 0085 机车辅助变流器烧损 变流器工作过程中出现的瞬间故障 微 机封锁变流器进行保护 可以重新启动复位 此类故障在机车投入运用初期经 常发生 运行过程中故障应急处理 通过手触微机显示屏 切除故障的一组辅 助变流器 用另外一组代替其工作 3 5 本章小结 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 HXD3 型机车辅助变流系统的供电电路由变压器辅助绕组 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 HXo3 型机车 设有两套辅助变流器 UA11 和 UA12 在正常情况下 辅助变流器 UA11 和 UAl2 都正常工作 基本上以 50 的额定容量工作 辅助变流器 UA11 工作在 VVVF 方式 辅助变流器 UA12 工作在 CVCF 方式 分别为辅助电动机供电 第四章 控制电路 20 第四章 控制电路 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 TCMS 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 TCMS 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 TCMS 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 TCMS 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 SS4 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 16 机车重联控制 可以实施同型号的机车重联 4 1 控制电源电路 机车控制电源的核心部件是 DCll0V 充电电源模块 PSU 具体电路如图 4 2DC110V 充电电源模块电路所示 机车 DCll0V 控制电源采用的是高频电源模块 PSU 与蓄电池并联 共同输 出的工作方式 再通过自动开关分别送到各条支路 如微机控制 机车控制 主变流器 辅助变流器 车内照明 车外照明等 PSU 的输入电源来自辅助变流器 UAl 1 或 UAl2 的中间回路电源 当 UAll 黑龙江交通职业技术学院毕业设计 论文 21 和 UAl2 均正常时 由 UAl2 向 PSU 输入 DC750V 电源 当 UAl2 故障时 转 由 UAl 1 向 PSU 输入 DC750V 电源 DCl 10V 充电电源模块 PSU 含两组电源 通常只有一组电源工作 故障发生时另外一组电源自动启动 每组电源模块的 输入电压为 DC750V 输出电压为 DCl 10V 2 额定输出电流为 55A 输出 功率为 6050W 25 采用自冷却方式 控制电源电压采用 DC750V 17 PSU 电源模块上设有两个转换开关 SWl 和 SW2 其中 SWl 有两档 TCMS 和 手动控制 SW2 也有两档 电源 1 和 电源 2 其中 TCMS 档表示由微机自动控制 奇数日 电源 l 工作 偶数日 电源 2 工作 如果其中一组电源出现故障 可自动切换 手动控制 表示人为设定 如果 SW2 置 电源 1 表示电源 1 工作 如果 SW2 置 电源 2 表示电源 2 工 作 如果在手动状态下 电源出现故障 不能自动切换 在控制电器柜上设置了控制电源电压表 PV71 在两端操纵台上也设置了控 制电源电压表 PV41 PV42 用于随时监视控制电源的电压情况 并且通过微 机显示屏也可监视控制电源的电压情况 在蓄电池充电器 PSD 上安装有蓄电池检测仪 用于监测蓄电池的充放电流 和电压 并能根据事先设定的参数进行数据存储或即时报警 图 4 2 DC110V 充电电源模块电路 4 2 机车逻辑控制和保护电路 机车的逻辑控制和保护电路主要是各自动开关 各流速继电器故障隔离开 黑龙江交通职业技术学院毕业设计 论文 22 关 高压故障隔离开关 压缩机接触器状态 主断路器状态 辅助变流器的库 内试验开关 牵引变流器试验开关 各种接地保护 空气管路系统压力继电器 等与 第四章 控制电路 23 TCMS 接口 主要用于机车的各种工作逻辑控制 保护逻辑控制 并通过通信 将有关控制指令送到牵引变流器 机车牵引 制动特性控制是通过 TCMS 与主 辅助变流器的控制来实现 当机车处于库内动车工况 TCMS 将控制牵引变流器按照专门的程序工作 当机车处于辅助电动机系统库内试验工况时 机车辅助变流器可以单独起 动 当机车处于正常运行工况下时 一旦发生辅助电动机故障 风速继电器动 作等时 机车牵引变流器的工作状态发生相应的改变 4 3 辅助变流器控制电路 在机车主断路器闭合后 由 TCMS 发出命令 闭合辅助变流器输出电磁接 触器 并将信息传递给辅助变流器控制单元 由辅助变流器控制单元发出指令 控制机车辅助变流器起动 在机车某一辅助变流器发生故障 无论是辅助变流器 1 或辅助变流器 2 后 故障的辅助变流器能及时地将信息通知 TCMS 完成故障情况下输出电磁接触 器的动作转换 同时将信息传递给另一组辅助变流器控制单元 故障的辅助变 流器被隔离 所有辅助电动机全部由另一套辅助变流器供电 这时 该辅助变 流器工作在 CVCF 状态 不受司机控制器级位指令等的控制 牵引电动机通风 机和冷却塔通风机也正常满功率工作 18 辅助变流器的隔离也可以由手动控制 辅助变流器故障隔离开关 来实现 对应两套辅助变流器 机车上设两个 辅助变流器故障隔离开关 可以分别 实施两套辅助变流器的故障隔离运行 在某一台辅助变流器发生过流 短路等故障时 能自动实施电磁接触器的 故障转换 并将信息送 TCMS 在辅助变流器发生接地故障时 跳主断路器 并将信息送 TCMS 由司机完成辅助变流器接地故障的故障隔离 4 4 牵引变流器控制电路 机车牵引变流器的控制主要是按照司机控制器给定的指令 由 TCMS 传递 给牵引变流器 完成对牵引电动机按照机车牵引制动特性的控制 并同时参与 控制 VVVF 辅助变流器的输出电压和频率 牵引变流器发生接地 次边过流 牵引电动机过流 牵引变流器自身器件 发生故障时 跳主断路器 并送 TCMS 进行自动故障隔离 并指导司机进行 有关故障隔离操作 牵引变流器的故障可以通过按动 故障复位 按钮进行恢 复 第四章 控制电路 24 可以通过控制 牵引电动机故障隔离开关 对每个牵引电动机进行隔离 便于对牵引电动机进行单独的试验 对应六台牵引电动机 机车上设有六个 牵 黑龙江交通职业技术学院毕业设计 论文 25 引电动机故障隔离开关 这些信号直接送到牵引变流器控制单元 可以分别对 牵引电动机实施隔离 4 4 1 保护电路 机车牵引电动机的牵引风机风速继电器的信号直接送到牵引变流器中 可 以很方便地实现风速保护 各牵引电动机速度传感器的信号直接送到牵引变流器中 用于对牵引变流 器的控制 有效地实施机车的防空转 防滑行 并对机车的轴重转移进行补偿 库内动车信号也送到牵引变流器控制单元 当机车在库内动车时 使机车 牵引变流器按照特定的程序工作 19 4 5 主要故障及处理 蓄电池电量消耗一部分后 电源模块 PSU 进行补充电时 充电电流较大 这段时间内启动用电设备等操作 容易引起 PSU 负载电流的波动 当波动幅度 超过保护值 约 50A 时 微机系统将控制封锁 PSU 的输出 机车运用初期此 类故障经常发生 机车原设计当一组 PSU 故障后 能自动切换到另外一组工作 但是在实际的使用中机车未能实现这一功能 加上机车上没有蓄电池充放电的 警示装置 若乘务员没有及时发现 PSU 故障 往往又导致了蓄电池过度放电的 故障 4 6 本章小结 本章对 HXD3 电力机车电气系统的设计理念 系统构成及整车电路做了系 统介绍 1 HXD3 电力机车电气系统的设计采用了世界上先进的 成熟的交流电机 矢量控 制技术和国内成熟的机车安全综合信息监控系统和空电联合制动技术 2 HXD3 电力机车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 本章对各系统的构成特点及控制模式做了简要阐 述 3 HXD3 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 本章对各电路的构 成特点及主要部件做了详细阐述 20 结 论 26 结论 随着越来越多的交流传动电力机车以其优越的性能奔驰在世界许多国家的 铁路网上 交流传动电力机车已成为今后我国电力机车发展的方向 正是本着 这个契机 大连厂与日本东芝公司联合开发研制了 HXD3 型交流传动货运电力 机车 该车时速 120Km h 轴功率 1200KW 填补了国内六轴交流货运电力 机车型谱的空白 HXD3 型交流传动货运电力机车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 本文首先对 HXD3 型电力机车的电气系统构成及整车电路设计做了简要的分析和研究 然后主要 针 HXD3 型交流货运电力机车的主传动系统 辅助传动系统和微机网络控制系 统进行了系统的分析研究 并对该车在提高电磁兼容性方面 所采取的接地 屏蔽 布线等措施也进行了具体的阐述 该车电气系统主要具备以下特点 1 电传动系统采用 IGBT