和谐D3B交流电力传动机车

本文格式为Word版，下载可任意编辑——和谐D3B交流电力传动机车大连交通大学2023届本科生毕业设计（论文）

1.2.1HXD3B的主电路

HXD3B机车电传动系统设计满足AC25kV和50Hz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。

图1-2机车主电路示意图

1.2.2HXD3B的辅助电路

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。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个辅助电源承受所有辅助负载，保证机车正常运行。

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图1-3机车辅助电路简图

1.2.3HXD3B的控制电路

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-Ⅱ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-Ⅱ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。

1.3本文要做的研究工作

由于课题为研究类课题，所以本文主要做的工作为研究HXD3B的电气系统。在这之

中，重点研究的是HXD3B的主电路。HXD3B的主电路主要由牵引变压器，牵引变流器即四象限脉冲整流器和逆变器，牵引电机几部分组成。其过程为25kv受电弓传输的交流单向高压带电经过牵引变压器变为单相交流低压电，再经过4QS变为稳定的直流电，在经过逆变器变为幅值、频率连续可调的三相交流电，通过牵引电机传输给轮对从而实现其交—直—交的转换过程。由此可得，本文主要研究的是HXD3B中所使用的变压器、变流器、牵引电机的结构及组成，以及它们是如何实现交—直—交转换的。详细来说即，变压器的铁心，线圈，引线的研究；四象限脉冲整流器结构及原理的研究，其控制方式及分析；

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HXD3B的逆变器的结构及原理的研究，及其调制方式的研究；牵引电机的选择及结构原理，调速方式的研究等等。同时由于是研究电气系统，所以其辅助电路和控制电路也要简单进行介绍。最终将这些内容整合起来，完成论文。

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其次章HXD3B电力机车牵引变压器的研究

2.1HXD3B变压器的概述

HXD3B型机车主变压器是该车牵引系统的重要部件。变压器的型号为JQFP-11620/25。它的主要作用是将25000V的网压转变成1500V送至网侧变流器中，再经中间直流回路、电机侧变流器，向6台三相交流异步牵引电机供电，同时，由中间直流回路经辅助变流器向辅机供电。在机车电制动状态时，机车通过主变压器向接触网回馈能量。在结构形式上HXD3B变压器采认真式结构、线圈布置采用层式。合理选择油泵、散热器和风机及其它附件。主要技术参数为：

型号JQFP-11620/25额定容量/kVA11620/193636额定电压/V25000/1500额定电流/A466/129136

联结组I-I0,I0,I0,I0,I0,I0频率50HZ冷却方式ODAF油流量/m3/h7232

负载损耗/kW320（基波，换算到85℃）阻抗电压48﹪空载损耗3KW空载电流0.16/%质量/kg13800油量2700/kg外形尺寸/mm29003263431487

图2-1主变压器电气原理图

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图2-2JQFP-11620/25型主变压器外形图

1—油箱；2—箱盖；3—压力释放阀；4—温度传感器；5—蝶阀；6—端子箱；7—放油阀；8—油泵；9—低压套管；10—油流继电器；11—油样活门；12—高压套管。

2.2HXD3B变压器的铁心参数

牵引变压器铁芯为拉螺杆心式结构，主要组成部分是硅钢片、上夹件、下夹件、拉螺杆等。HXD3B型电力机车变压器铁心为心式，直接缝，心柱截面采用多级圆结构，铁扼截面为矩形，心柱上开工艺孔，铁辘上开孔使用穿心螺杆紧固件。铁芯上、下夹件由不锈钢板焊接而成。为了实现强迫导向冷却，下夹件除用作夹紧铁芯外，尚具有集油腔的功能。两个下夹件通过联接纳路，使油压均衡，同时提高了夹件的刚度，不易变形。上下夹件依靠6根不锈钢拉螺杆紧固器身。

表2-1铁芯参数表

2.3HXD3B变压器的线圈

牵引变压器有左、右柱2个线圈，每柱线圈各有3个牵引绕组以及和其相对应的3个高压绕组，牵引绕组在内，高压绕组在外。线圈采用全分裂结构。6个高压绕组相互并联；6个牵引绕组之间互不相连，相互退耦。线圈采用层式结构，绕制较为便利。线圈采用多层小油道的结构，与油道层数少的大油道线圈相比，在一致的线圈体积下，增大了线圈导体的散热面积，使得一致重量的导体载荷量可以增加30%。

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表2-2绕组技术参数表

图2-3线圈结构图

A段—高压绕组；B段—牵引绕组

表2-3线圈设计参数

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2.4HXD3B变压器的引线

在变压器线圈外部连接线圈各引出端的导线称为引线，它将外部电源电能输入变压器，又将传输电能输出变压器。引线不用铜排，采用纸包电缆出线，电流大的引线采用多根并联，可以随意弯曲，占用空间少。采用先集中后分散的结构。在线圈上方的布线板上布置各引线端子的导电杆；充分利用器身中部的空间，采用引线架先将所有引线电缆集中在一起，再分别引向各自的出线端子。相对以往的引线结构，变压器的高度可以降低100mm左右，并且结构更紧凑。引线电缆连接不采用明火焊接，而采用冷压接工艺，操作简单。

2.5HXD3B变压器的的冷却系统

主变压器的冷却方式采用强迫导向油循环风冷，两个冷却循环回路由1、2号冷却塔、油泵、连接纳路等组成，其中2号冷却塔还设有主变压器储油柜和主变压器气体保护装置。1号冷却塔

油散热器冷却功率/kW200风机电机功率/kW29风机电源制式三相460V/60Hz通风量/m3／s12.9风机静压/Pa1650

2号冷却塔

油散热器冷却功率/kW200风机电机功率/kW19

风机电源制式三相460V/60Hz

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通风量/m3∕s9.4风机静压/Pa1505整车设有两台冷却塔，是主变压器冷却系统的主要部件，两个冷却塔的油散热器冷却功率一致。2号冷却塔还设有主变压器储油柜，容积为350L，主变压器顶部连接油管通过2号冷却塔外部的储油柜连接快速接头，经内部管路及2号冷却塔内部设置的瓦斯继电器与储油柜连接，储油柜的顶部还设有吸湿器。1号冷却塔外形结构见图2-3，2号冷却塔外形结构见图2-4。

图2-31号冷却塔外形结构图

图2-42号冷却塔外形结构图

2.6HXD3B变压器变压原理

变压器是电力系统中主要用来改变电压、传递电能的重要设备，是电网安全、经济运行的基础。变压器主要是根据电磁感应原理进行工作的。在闭合的铁芯上，绕有两个相互绝缘的绕组，其中，接入电源的一侧叫一次绕组，输出电能的一侧叫二次绕组。当交流电源电压加到一次侧绕组后，就有交流电流通过该绕组，在铁芯中产生交变磁通。这个交变磁通不仅穿过一次侧绕组，同时也穿过二次侧绕组，两个绕组中分别产生感应电势E1和E2。这时，假使二次侧绕组与外电路的负载接通，便有电流流入负载，即二次侧绕组有电能输出。

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第三章HXD3B的牵引变流器研究

3.1机车牵引变流器的功能

牵引变流器是交流传动系统的核心部件，要能够实现四象限运行，满足列车牵引、制动需要。牵引变流器的基本功能是把来自接触网或其他交流电源的电压，最终转变成为频率、幅值可调的三相交流电压，供给交流牵引电动机，将电能转化为机械能，输出转矩驱动动轮旋转，在轮轨间产生牵引力，驱动列车运行。在列车电力传动系统中，由于受调速范围限制，只能采用交-直-交传动控制。

3.2HXD3B的牵引变流器的主要技术参数

变流器主要技术参数如下：

额定输入电压/V1500额定输入电流/A231300额定输入频率/Hz50中间电压/V2800额定输出电压/V0～2183额定输出电流/A550

3.3机车牵引变流器的组成及作用

交-直-交传动系统中，牵引变流器由网侧整流器、直流中间环节、电动机侧逆变器及控制装置组成。整流器的作用是把来自接触网的单相交流电压或同步发电机产生的三项交流电压变换为直流。直流中间环节由滤波电容器或电感组成，其作用是储能和滤波，获得平直的直流电。逆变器的作用是将中间环节平直的直流电，通过一定的控制策略，变换为频率、电压可调的三相脉冲交流电，供给交流牵引电动机，通过能量转换驱动列车。

牵引变流器根据中间直流环节滤波元件的不同，可分为电压型和电流型两种。电力机车牵引变流器由网侧整流器和电动机侧逆变器两部分组成，无论是网侧的整流器还是电动机侧的逆变器都属于开关电路，电路中开关器件的周期性通断，从根本上破坏了交流电压、电流的正弦波形和连续性，在电压、电流中产生了高次谐波，不仅污染了电网，而且是电动机运行性能恶化，谐波电流产生的脉冲转矩将使电动机产生振动、噪音，影响稳定运行。减小谐波分量最为有效的方式是牵引变流器采用PWM控制。

3.4HXD3B牵引变流器的组成

HXD3B电力机车，网侧变流器为四象限整流器，它是传动系统的一个重要组成环节。HXD3B的中间直流电路由中间电压支撑电容、二次滤波LC谐振电路、中间直流电路过压保护环节、接地保护电路、接地监测电路、放电电阻和电压传感器等构成，见图3-1。HXD3B型机车的电机变流器是由IGBT元件组成的PWM变流器，每个变流柜的2个电机变

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流器共用一套中间直流回路，分别采用变压变频（VVVF）方式向2台牵引电动机供电。电机变流器采用了庞巴迪公司最新研制的直接磁通（DFC）控制策略，即通过电压矢量转换，建立定子电流和定子磁链，实现定子磁链定向控制，从而使机车在整个速度范围内力矩的波动最小，并且在轨面状态不好的状况下获得最大限度的利用。由于采用轴控方式，当机车的6个轴因轮径差、轴重转移及空转等可能引起负载分派不均匀时，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。

3.5HXD3B电力传动机车网侧变流器（4QS）的研究

四象限脉冲整流器的参数如下：

每台机车使用数量3额定输入电压1500V/50Hz额定输入电流231300A中间电路标称电压2800VDC额定输出电压3AC0-2183V额定输出电流556A效率≥98%

冷却方式水冷－水-乙二醇的混合液（47％＋53％）

3.5.1HXD3B网侧变流器选择四象限脉冲整流器的原因

由于科技的不断发展，电力电子器件的发展经历了好多阶段。从普通晶闸管到现在的双极性晶体管、门极可关断晶闸管以及绝缘栅双极晶体管和功率场效应晶体管等等。二十世纪八十年代，各国开始了对PWM变流器及其控制策略的研究。在1982年，BusseAlfred等人提出了三相桥变流器拓扑结构和电流幅相控制策略。1984年，Akagi、Hirofumi等人提出无功补偿器控制策略同。二十世纪八十年代末，A.wGreen等人提出了整流器的离散动态数学模型与控制方法。自二十世纪九十年代到现在，PWM变流器获得了快速的发展，PWM变流器及其控制技术日益完善。

HXD3B选择四象限脉冲整流器是由于其所用的变流元件为IGBT元件，有显著地优势。四象限变流器可以保持电网功率因数接近1，并使电网电流接近正弦波，提高了电网的经济效益，减少了对环境的电磁干扰；同时，四象限变流器具有良好的稳压效果，当负载和网压发生变化时，能维持中间直流电压的恒定，还可以便利地实现牵引和再生工况的转换。现在国内外交流传动机车均已实现四象限变流器控制。

3.5.2四象限脉冲整流器的结构及原理

网侧变流器首先进行预充电：网侧变流器的控制装置根据微机控制系统来的信号，先闭合充电接触器，经过充电电阻限流，相连的网侧变流器向中间直流回路支撑电容充电。充电完成后，充电接触器切除充电电阻，两个牵引绕组通过线路接触器同时向两台网侧变流器供电。网侧变流器主要实现以下几个功能：1）网侧变流器使中间直流回路电压保持在规定值范围内，HXD3B型机车在正常运转条件下，中间直流电压的标称值为2

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800V；2）网侧变流器提供了正弦调制的，带有预置超前/滞后相位（寻常相位角为零）的低干扰电流波形，同时保证机车的基波功率因数接近于1；3）机车在牵引模式下，网侧变流器必需保证牵引电动机从中间直流回路获取的电能就是电网供给的电能；机车在再生制动模式下，网侧变流器必需保证牵引电动机回馈给中间直流回路的电能就是脉冲整流器反馈回电网的电能。

一．四象限脉冲整流器的结构

网侧变流器原理示意图如图3-1所示。每个变流柜由两组网侧变流器构成，它们共用一套预充电回路，即由一个充电接触器、一个充电电阻和两个工作接触器构成。其作用是防止接入网侧变流器时的电流冲击。主变压器两个次边绕组提供的交流电通过两组网侧变流器转换成直流电，并联向同一中间直流环节供电。网侧变流器每一桥臂由两个IGBT元件并联组成，两组网侧变流器共同受控于DCU2/L驱动控制单元。

四象限变流器电路原理如图3-2所示。IGBT和二极管反并联构成两组功率开关，两组功率开关与限流电感LN、中间直流环节支撑电容器Cd和二次谐波滤波器（L2和C2串联），共同实现四象限交-直流的变换功能。其等效图为图3-3.

图3-1网侧变流器原理示意图

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图3-2四象限变流器基本电路原理图

图3-3四象限变流器基本电路原理图等效图

图3-4电压型四象限脉冲整流器的理想电路

二．四象限脉冲整流器的原理

（一）电压型四象限脉冲整流器的基本原理如图3-4所示，储能器与直流侧负载并联。若令变流器的电压比为Ku,则调制电压Us与Ud的关系为

UsKu?Udc?Ud（1）

设电源电压为uN?Umsin(wNt)?uS，将其代入式（1），并令

k?UmUdc13

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则电压比为：

ku?1ksin(wNt)（2）

在理想状况下，变流器中既没有损耗也没有储能，所以按功率平衡的概念，可以得出：

uNiN?usiN?udcidc（3）

从而可求得电流比为：

ki?idcus1???ksin(wNt)（4）iNudcku若供电网中的交流波形为正弦波，且相位与交流电压一致，那么交流电流应表示为：

iNuN?UmIm/2?UdId

在理想变流器中，其直流功率和交流功率的平均值应当相等，即：

iNuN?UmIm/2?UdId（5）

考虑到式（2），得到交流电流的幅值为：

2Im??Id（6）

k所以，变流器的直流侧电流可通过式（4）求得：

idc?kiiN?2Idsin2(wNt)?Id[1?cos(2wNt)]（7）

由关系式i2?idc?id，可以求得流过储能器的电流为：

i2?Idcos2(wNt)（8）

由式（8）可知，储能器所接受的电流是正弦波电流，其频率为供电频率的2倍，幅值恰好等于直流侧负载电流，而加在该储能器上的电压是一个纯直流电压。所以对于这个储能电抗二段网络来说，加在其上的直流电压不会产生电流，而流过2倍网频的交流电流也不会在其端子上引起电压。显然，最简单的电容器和电抗器串接的谐振电路能满足这些特性要求，其谐振频率必需等于2倍的网频。

从以上分析可看出，假若设计的变流器，其电流变比符合式⑷的要求，按正弦规律变化，它与具有2倍网频的电容-电抗串联谐振储能器一起，将构成理想的交-直流变流器，既保证了直流侧电流量平直的要求，又满足了交流侧畸变和无功功率尽可能小的要求。

至于变流器的电流变比Ki按正弦规律变化的要求，可以类似于PWM逆变器的控制思路，通过脉宽调制的方法来实现。假使逆变器是把输入的直流电压通过脉宽调制技术变换成正弦波形的输出电压，那么在理想的交直流变流器中，则是在输出直流电流的状况下，通过脉宽调制来保证交流电流为正弦型，并与交流电压同相位，即uN同。

（二）四象限脉冲整流器的工作原理如下：

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iN相位相

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四象限脉冲整流器应当具备以下功能:⑴在直流环节电压应当是恒定的；⑵交流侧电流的谐波电流应当尽可能少，变流波形畸变系数接近1；⑶牵引工况下，变流侧电压电流同相位，电气制动工况下，电流电压反向。

在图3-2中，Un为变压器二次侧电压矢量，In为变压器二次侧电流的基波矢量，Us为四象限变流器调制电压的基波矢量，Ud为四象限变流器的输出直流电压。

设电网电压：uN?2UNsin(wNt)（9）

由于交流电路接有限流电感器Ln，四象限变流器输入控制电压的基波：

uS?iN?2USsin(wNt??)（10）2sin(wNt??)（11）

变压器二次侧电流的基波：

因此，四象限变流器输入电路基波电压方程式为：

2UNsin(wNt)?2USsin(wNt??)?2INwNLNcos(wNt??)（12）

四象限变流器输出电压Ud要求为恒定值，因此，四象限变流器的电压传输比：

h?uS/Ud?Ksin(wNt??)（13）

在式（13）中，K?2US/Ud为输入控制电压的基波幅值与输出直流电压之比，表示四

象限变流器的调制深度。

假使方程（??12）用矢量表示，则有：???

UN?US?jwNLNIN（14）

方程（14）的电压矢量图如图3-5所示

该方程中的IN通过直流电压闭环确定，即按满足直流电压稳定的需求即可确定IN的有效值，在确定了IN的有效值后，可依据电压方程，按牵引工况或制动工况时，IN和

UN的关系，即可确定US的矢量，即电压US的有效值和相位，在US的有效值、相位确

定后，即可按PWM控制原理控制四象限脉冲整流器的运行，从而能满足所有功能要求。

3.5.3四象限脉冲整流器控制系统

从式（14）和图3-5我们可以看出，四象限变流器控制的实质，就是控制US的幅值和相角?。在控制过程中，通过调整US矢量的相角?，就可以控制四象限的输出

???功率，从而稳定输出直流电压Ud；同时保证UN矢量和jwNLNIN矢量正交，就可以确保输入的电网基波功率因数为1。图3-6为四象限变流器控制方案原理框图。

上述四象限变流器控制方案在牵引工况时的工作原理如下：中间直流电压给定值

**Udg和中间直流电落实际反馈值Ud进行比较，当Ud?Udg时，误差值?E?0，说明四象

*限变流器需要输出更大的功率，必需增加?角；当Ud?Udg时，误差值?E?0，说明四

象限变流器需要降低输出功率，必需减少?角；当误差值?E?0，PI调理器将保持恒定的输出，说明四象限变流器直流侧和交流侧达到功率平衡。因此，PI调理器输出值Ψ*反映了四象限变流器所要求功率的变化。通过检测四象限变流器输入电流iN和电网电压

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UN的过零时间，可以求得它们之间的夹角??。当???0时，说明输入电流iN滞后于电

???网电压UN，必需加大控制电压US的幅值，迫使UN矢量和jwNLNIN矢量正交；当

???0时，说明输入电流iN超前于电网电压UN，必需减小控制电压US的幅值，同样迫

???使UN矢量和jwNLNIN矢量正交；当???0时，说明输入电流iN和电网电压UN同相位，

???*UN矢量和jwNLNIN矢量处于正交状态。因此，PI调理器输出值Us反映了四象限变流器所要求功率因数的变化。

图3-5电网侧电压矢量图

图3-6四象限变流器控制方案原理框图

3.6HXD3B的直流中间环节

3.6.1HXD3B的直流中间环节的组成结构

1.为电能存储设备的中间回路电容；与四象限脉冲整流器、逆变器交换无功功率和谐波功率；与异步电机和四象限电抗器交换无功功率，并支撑中间回路电压，使其保持稳定。

2.监控中间回路电压的电压传感器；对电压进行实时检测，能保证各元器件能在适

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当的时间起到应有的作用。

3.过压保护斩波器；在快速变化的粘着状况下，由于车轮间歇地空转及网侧变流器实际提供的功率与电动机功率不平衡时，就可能产生突然的电压增加，这时通过过压保护斩波器来稳定直流环节的滤波电压。

4.电容放电电阻；与电容器并联，当发生故障，控制系统要求阻塞或关闭网侧电流器时，要求直流环节放电，这时放电电阻器对电容器放电，使电容器电压低于50V。

5.接地故障检测装置。主接地保护电路由两个串联电容和一个接地信号传感器组成，接地信号传感器一端接在串联电容的中点，另一端接地。当主电路正常时，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。当主电路某一点接地时则形成回路，有故障电流流过，传感器输出电流信号，使保护装置动作。可以通过转换接地故障开关，实施对接地保护的隔离。

中间直流电路是网侧变流器、电机侧逆变器和辅助变流器之间的中间环节，在三相交流传动系统中，中间直流电路起着很重要的作用。见图3-7。

图3-7中间直流电路示意图

3.6.2二次滤波电路

二次滤波电路的谐振频率为100Hz。主变压器内设有3组滤波电抗器，分别与变流柜内的谐振电容串联构成3组二次滤波电路，并联于变流柜的中间直流回路，用于吸收网侧单相电压引起的二次功率脉动，并与中间直流回路的电容一起实现从网侧变流器到电机变流器的解耦。

3.6.3HXD3B的直流中间环节的作用

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在三相交流传动系统中，中间直流电路的作用，主要表现为：1）在网侧整流器和电机侧逆变器之间实现瞬时功率平衡；2）储能电容向牵引电动机提供基波无功功率和高次谐波的通路；3）变流器换流能力直接受中间电路电压的影响，逆变器的调制电压质量也取决于其平衡程度，因此对它要求较高。总之，中间直流电路是保证交—直—交系统正常工作的一个重要环节。

3.7HXD3B电力传动机车电机变流器（逆变器）的研究3.7.1牵引逆变器的概述

逆变器与整流器工作过程相反，它是将直流电转换为交流电的装置。逆变器可分为无源逆变器和有源逆变器，若交流侧接负载则为无源逆变器，若交流侧接电网则为有源逆变器。

交-直-交变流器由交-直变换和直-交变换两部分组成。直-交变换就是逆变器，如干电池、蓄电池和太阳能电池等直流电源向交流负载供电时，需要依靠逆变器进行变换。交流异步电动机调速、不休止电源、感应加热电源等电力电子装置的核心部分，就是逆变电路。

牵引逆变器的作用是把中间直流电压变换成三相交流电压，为异步牵引电动机提供频率和幅值可调的三相交流电源，同时通过调理三相输出电压波形控制牵引电动机的磁通和转矩。因此，异步牵引电动机的驱动性能主要取决于逆变器的控制。提高逆变器的开关频率，采用磁场定向矢量控制和直接转矩控制等高动态性能控制技术，有利于表达异步牵引电动机其优良的牵引性能。牵引逆变器一般均采用电压型，依照输出特性，分为六阶波形和PWM型。PWM型按输出电平数目的不同，可分为两电平（两点式）和三电平（三点式）两种。

3.7.2HXD3B逆变器的组成及原理3.7.2.1HXD3B逆变器的组成

HXD3B型机车的电机变流器是由IGBT元件（4.5kV/600A）组成的PWM变流器，三个变流柜内的3组辅助变流器可以独立提供2组PWM控制的变压变频（VVVF）三相电源和1组PWM控制的定压定频（CVCF）三相电源，其输出送入AFC辅助滤波柜，经过降压、隔离和滤波，向各类辅机供电。具体电路见图3-8。逆变电路是由U、V、W三相逆变单元构成的。将PWM整流单元输出的直流电转换为交流电来驱动牵引电机。通过改变逆变电路的输出电压和输出频率来控制牵引电机的转矩和转速。电机变流器采用了庞巴迪公司最新研制的直接磁通（DFC）控制策略，即通过电压矢量转换，建立定子电流和定子磁链，实现定子磁链定向控制，从而使机车在整个速度范围内力矩的波动最小，并且在轨面状态不好的状况下获得最大限度的利用。由于采用轴控方式，当机车的6个轴因轮径差、轴重转移及空转等可能引起负载分派不均匀时，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。机车采用集成式辅助变流器，省去了独立式辅助电源模式下的整流回路和中间回路，简化了整车变流器电路，提高了

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变流元件的利用率；机车辅助变流器与牵引变流器共用冷却系统和机械结构，有效降低了变流设备的重量、体积、成本，提高了变流系统的可靠性；取消辅助绕组，简化了主变压器结构，降低了主变压器的重量、体积和成本。机车牵引变流器和辅助逆变器共用中间直流回路，当机车通过分相区时，机车可转为再生制动工况，利用再生制动产生的能量维持中间直流环节电压，保证辅助系统和蓄电池充电模块实现不休止供电，从而大大减少辅机起动次数，提高辅机寿命。

图3-8电机变流器示意图

3.7.2.2HXD3B逆变器的技术参数

电机变流器的参数如下：

每台机车使用数量3额定输入电压1500V/50Hz额定输入电流231300A中间电路标称电压2800VDC额定输出电压3AC0-2183V额定输出电流556A效率≥98%

冷却方式水冷－水-乙二醇的混合液（47％＋53％）

3.7.2.3HXD3B逆变器的工作原理

逆变器的原理图如图3-9所示，三相逆变器的功能是将直流电压变为幅值、频率连续

可调的三相交流电的电子电力装置，该装置应当能满足三相异步电动机VVVF控制的要求。由于三相逆变器在工作时，每相输出端通过电子开关接到直流电源的正、负相，因此，在每相输出端只能得到+E／2或者-E／2两种电位。在逆变器工作过程中，通过对逆变器每相正、负开关的有效控制可使逆变器每相周期性的输出一个正负交替，宽度不等

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的电压脉冲序列。通过对每相脉冲序列宽度的有效控制，就可有效控制每相输出基波的有效值和相位，并抑制有害的谐波，清除危害较大的谐波，满足三相异步电动机VVVF控制的需要，这样就可产生满足VVVF控制的周期为T1有效值为U1，彼此相位差为120°的三相交流电压，而且都为连续可调的。

图3-9逆变器的基本操作

3.7.3HXD3B逆变器的操作

以单相逆变器为例，说明直流如何转换成交流（逆变器操作）

图3-10（a）说明开关A和D闭合时的工作状态，而图3-10（b）说明开关BC闭合时的

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工作状态。虽然该电路采用直流电源，操作这些开关可以将施加在负载上的电压反向，即，通过操作这些开关，交流电压可以施加在负载上。这是直流-交流转换的基本原理。

图3-10逆变器的工作原理

图3-8说明一个三相逆变器的操作，使用的是IGBT元件来代替上图中的开关。根据表中模式1到模式6的导通和关断过程，通过闭合或者挂断这些元件，可获得U、V、W相由电压E和0组成的矩形波，然后，每两个相之间则有线点压UV、VW、WU。由此，可获得相位差为120°的三相交流电压。图3-9和图3-11说明在60°到120°、180°到240°、300°到360°区域内各相相电流的流通路径。

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图3-11三相逆变器基本电路和工作方式

为了获得PWM（脉宽调制）控制，逆变器必需控制开关元件IGBT的导通和关断过程。通过把载波信号与同步于逆变器输出电压基波部分的正弦波（调制波）比较，来确定IGBT的导通和关断过程。图3-12是导通和关断过程的一个例子。为了控制逆变器输出电压的大小，我们采用了控制电压平均值的方法。通过闭合、关断开关元件IGBT，可把一个不变的电压截成数块，以此来改变电压的平均值。因此，这种方法被称之为“脉宽调制控制〞。如图3-13所示，恒波高的电压被切开数块，通过改变这些被切开数块的宽度来控制电压平均值。为了控制逆变器输出频率，则采用改变单位时间的开关频率，即改变IGBT或其他开关元件的开关频率。图3-12说明当改变开关元件的开关频率而保持器闭合时间不变时的一个逆变器输出波。

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图3-12开关定时

图3-13PWM原理

3.8HXD3B的牵引变流器的控制

机车变流器是通过驱动控制单元板DCU2和标准驱动接口板SPIF等控制电子系统来

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完成变流器的调理、控制操纵、监视、保护及与整车的信息传递等。机车变流器控制单元的构成如图3-14所示，每个变流柜内包含4个硬件一致但软件不同的驱动控制单元板DCU2和1个标准驱动接口板SPIF，他们均有独立的控制电源PSU。其中变流柜内的两个网侧变流器统一由驱动控制单元板DCU2/L来执行相关的运算、控制、监视和保护；辅助变流器由驱动控制单元板DCU2/A来执行相关的运算、控制、监视和保护；电机变流器1和中间过压斩波器OVP由驱动控制单元板DCU2/M1来执行相关的运算、控制、监视和保护；电机变流器2和变流柜冷却系统由驱动控制单元板DCU2/M2来执行相关的运算、控制、监视和保护。标准驱动接口板SPIF作为每个变流柜的总线管理器，是柜内各变流器与机车级VCU的MVB中转接口，用于协调与驱动级MVB相连的各个不同变流器控制单元DCU。通过标准驱动接口板SPIF，机车级VCU可实现与柜内各DCU的指令信息和实施监控信息的传递，完成机车牵引制动特性、辅助电源供电、空转滑行保护等的控制。

图3-14变流器控制单元构成

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第四章HXD3B电力传动机车电机牵引电机的研究

4.1牵引电机概述

利用电磁现象进行电能和机械能相互转换的机械称为电机。将机械能转换成电能的电机称为发电机；将电能转换为机械能的电机称为电动机，电动机可分为交流电动机和直流电动机。而在机车上使用的电动机一般为交流电动机。交流电动机分为同步电动机和异步电动机，异步电动机又分为三相电动机和单相电动机。机车所用为三相异步电动机。三相异步电动机分成两个基本部分：定子(固定部分)和转子(旋转部分)。根据构造上的不同分为两种形式：笼型和绕线型。笼型电动机与绕线型电动机的的比较：笼型结构简单、价格低廉、工作可靠；不能人为改变电动机的机械特性。绕线型：结构繁杂、价格较贵、维护工作量大；转子外加电阻可人为改变电动机的机械特性。机车一般用三相鼠笼异步电动机。异步电动机旋转的基本原理为：在定子三相绕组通入三相交流电，产生旋转磁场；由于有旋转磁场，在转子导体中产生了感应电流而载流导体在磁场中又受到电磁力的作用，于是使转子转动。联接方式为Y/?接法。如图4-1。

图4-1Y/?接法

4.2异步牵引电动机的基本原理

在三相异步电动机的定子上嵌放着对称三相绕组AX、BY、CZ，三相绕组一般采用“Y〞接法，如图4-2所示。当对称的三相交流电流通入定子铁心上的对称三相绕组时，

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就在定子内建立起一个在空间连续旋转的磁场，称为旋转磁场。所谓对称三相电流是指正弦波电流幅值相等、相位互差120°电角度，即

图4-2定子三相绕组

图4-3对称三相电流波形

定子磁场随着电流的交变在空间不断旋转，旋转的转速称为同步转速n1，如图4-4所示。

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图4-4定子旋转磁场产生原理

当定子三相绕组中通入三相电流，则产生一个转速为n1，按一定方向旋转的磁场。转子导体与旋转磁场之间存在相对运动，必然在转子导体中产生感应电势，其方向可用右手定则确定。由于转子绕组是闭合的，则感应电势在转子导体中产生感应电流。转子导体中的感应电流与旋转磁场相互作用产生电磁力F，其方向可用左手定则确定。电磁力F作用在转子上形成电磁转矩，使转子按旋转磁场的旋转方向转动，如图4-5所示。

为了在转子导体中产生感应电势和电流，转子与旋转磁场之间必需存在相对运动，则异步电机转子转速n总是小于同步转速n1，故称“异步电动机〞。异步电动机转子转速n与同步转速n1的差异用转差率S来表示。

异步电动机（转子）转速：

式中：f1—定子频率；f—转子频率；f2—转差频率；p—电机磁极对数；

n1=60f1/p—同步转速。

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图4-5旋转磁场所感应的转子电流

图4-6不同磁极对数三相异步电机的旋转磁场

4.3异步电动机的特性4.3.1电磁转矩特性

异步电动机的电磁转矩T可用以下公式表示：

⑴

式中：

——电机结构常数；

——旋转磁场每极磁通（wb）；——转子电流（A）；

——转子电路功率因数；

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S——转差率，；

——同步转速，（f1—电源频率，p—磁极对数）；

n——转子实际转速（r/min）；——转子电势，

——转子电路电阻（Ω）；

。

；

XL2——转子漏感抗，

式（1）中，若异步电动机外加电压U1频率f1变时，由U1≈E1=4.44Kwf1φ可知，磁通φ也可认为不变，R2与XL20都是常数，则电磁转矩M仅随转差率S而变，其变化曲线如图4-7所示，称为转矩—转差率曲线。由图示曲线可知，在0大连交通大学2023届本科生毕业设计（论文）

异步电机运行是可逆的，它既可工作于电动机状态来实施驱动（牵引），又可工作于发电机状态或电磁制动器状态来实施电气制动。当发电机的电能反馈电网时，称为再生制动。

1.再生制动（S大连交通大学2023届本科生毕业设计（论文）

图5-1辅助电动机供电电路

5.3辅助变流器

辅助变流器的参数如下：

每台机车使用数量3额定输入电压2800VDC输出电压1130V/60HzAC辅助逆变器额定容量：180kVA辅助逆变器最大容量（短时）：250kVA辅助逆变器1、2变频变压输出

辅助逆变器3以软起动方式定频定压输出

辅助变流器采用最新的IGBT组件（4.5kV/600A），其输入电源取自网侧变流器的中间直流回路，输出送入AFC辅助滤波柜对辅助电源进行降压、隔离和滤波，再向各类辅机供电。

5.4辅助电机供电电路

HXD3B型机车辅助变流器采用由IGBT元件（4.5kV/600A）组成的三相PWM变流器，其输入取自网侧变流器的中间直流回路。

三个变流柜内的3组辅助变流器可以独立提供2组PWM控制的变压变频（VVVF）三相电源和1组PWM控制的定压定频（CVCF）三相电源，其输出送入AFC辅助滤波柜，经过降压、隔离和滤波，向各类辅机供电。

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机车采用集成式辅助变流器，省去了独立式辅助电源模式下的整流回路和中间回路，简化了整车变流器电路，提高了变流元件的利用率；机车辅助变流器与牵引变流器共用冷却系统和机械结构，有效降低了变流设备的重量、体积、成本，提高了变流系统的可靠性；取消辅助绕组，简化了主变压器结构，降低了主变压器的重量、体积和成本。

机车牵引变流器和辅助变流器共用中间直流回路，当机车通过分相区时，机车可转为再生制动工况，利用再生制动产生的能量维持中间直流环节电压，保证辅助系统和蓄电池充电模块实现不休止供电，从而大大减少辅机起动次数，提高辅机寿命。

机车设有3组三相辅助电源，可以以不同的频率向各类辅助负载供电。辅助电源1、2（变频变压电源）

输出电压(可变）115V～460V输出频率(可变）约15到60Hz

辅助电源1经自动开关向两台牵引变压器和变流器的冷却塔通风机电机供电，辅助电源2经过自动开关向两台牵引电机通风机电机供电。

辅助电源3（恒频恒压电源）

输出电压460V输出频率60Hz输出电压谐波含量（滤波后）≤8%

辅助电源3经过自动开关和接触器向对应的空压机、油泵、水泵、变流器风机、司机室空调、机器间通风机、蓄电池充电器、各类单相辅助加热器等供电。

考虑机车牵引力、功率和各个电机的温度等因素的影响，辅助电源1、2的输出电压和频率将根据冷却系统的实际状况进行调整，采用变压变频方式工作；辅助电源3主要针对泵类负载供电，因此采用定频定压方式工作，电压、频率为460V/60Hz。通过采取这些措施，能够最大限度地减小辅助设备的能量消耗，有效地降低风机噪音，最大限度地延长风机轴承的寿命。

辅助电源1和辅助电源2中任何一个故障时，通过故障接触器的切换，转由另一个辅助电源对辅助电源1和辅助电源2的负载共同供电，此时该辅助电源由变频变压改为定频定压供电方式。

当辅助电源3故障时，通过故障接触器的切换，转由辅助电源2对辅助电源3的负载及辅助电源2的负载共同供电，但此时只允许一台压缩机工作，对于辅助装置除必要的加热或制冷外，其他辅助负载均中止工作。

5.5辅助电动机供电电路的特点

1.机车三相辅助电源采用集成式辅助电源模式，没有单独的辅助绕组，与牵引回路共享变压器的牵引绕组，简化了主变压器的绕组结构。

2.机车没有单独的辅助变流器柜，3组辅助变流器分别集成于3个主变流柜中，其电源取自牵引变流器的中间直流电路。辅助变流器与牵引变流器共享四象限整流器电路和

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中间直流电路，省去了独立式辅助电源模式下的整流回路和中间回路，简化了整车变流器电路，提高了牵引变流组件的利用率。由于组件数量的减少，必然降低变流系统的故障率。

3.机车通过分相区时，辅助系统和蓄电池充电模块不休止供电。由于机车采用集成式辅助电源模式，当机车过分相区时自动转为再生工况，利用机车动能再生能量使主变流器中间电压基本保持不变，继续维持辅助变流器供电，使辅机和DC110V充电模块不中止工作，从而大大减少辅机起动次数，提高辅机寿命。

4.由于整车由3组辅助电源构成，任意一组辅助电源故障时，仍可保证机车辅助系统的正常工作，实现机车辅助系统的冗余控制。

5.6库用电源回路

机车设有两个380V/50Hz的三相库内动车电源插座，分布在机车车体两侧，可以满足机车库内动车、辅助电机试验及蓄电池组的充电需要，示意图见图5-2，具体电路见辅助供电电路图5-1。

图5-2库用电源电路示意图

将库用开关打至库用位，再通过库用插座可以将库内三相380V交流电源引入机车。通过微机显示屏选择辅机库用试验界面，可分别完成各类辅机的动作试验和旋向测试；选择库内动车模式，可将三相380V交流电源作为动车电源，通过辅助变流器3整流，向中间直流回路充电，再通过电机逆变器5或6以变压变频方式向其对应牵引电动机供电，实现机车限速3km/h的库内动车。库内动车时，司机通过操纵主司机控制器，可以完成机车运行方向的选择和速度控制。

5.6.1机车库用电源要求

机车采用AC380V/50Hz的三相交流库用电源，具体要求如下：库用电源容量：60kVA；线电压：380V；

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线电压允许变化范围±10%；基波频率：50Hz;基波频率允许变化范围±0.5Hz；谐波含量≤5%；

库用电源应设置短路超载保护、缺相保护、过电压和欠电压保护等功能。

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第六章微机网络控制系统

6.1机车微机网络控制系统特点

采用先进的分布式微机网络控制系统，其通讯方式基于MVB、WTB和Ethernet（以太网）。MVB是为了实现机车的控制而进行信息传递，WTB是为了实现重联机车之间的信息交换，Ethernet主要用于软件下载、信息采集、程序调试及VCU与显示屏之间的信息传递；

车内各电子控制设备采用基于TCN网络标准的结构形式，通过MVB车辆总线实现相关设备之间的信息传递，由TCMS柜去往各设备之间通过星形适配器采用光缆连接，柜内设备之间采用双绞屏蔽电缆连接，以提高其电磁兼容性能；为提高系统的可靠性，MVB被分割成3段，设为第一段、其次段及第三段，三段传递的信息是一致的，对于不具备冗余的重要设备采用双段信息输入，当某一段MVB通讯故障时，其他两段仍可实现信息传递，从而确保机车的安全可靠运行；机车控制单元VCU、网关TCNGW、电缆切换开关、SC星形适配器及输入输出模块（I/O）均采用冗余配置模式，从而提高了机车微机网络控制系统的可靠性，实现了机车的冗余控制；重联机车之间采用WTB列车总线联接，实现机车的重联控制。

6.2微机网络控制系统功能

机车微机网络控制系统可实现列车控制级、机车控制级及驱动控制级的功能。其核心任务就是根据司机指令完成以下功能：

1.机车各部件的顺序规律控制；2.传动系统的时序规律控制；3.机车牵引/再生制动特性控制；

4.网侧变流器、电机变流器和辅助变流器的控制；5.空电联锁制动控制；6.机车重联控制；

7.无人警惕控制和自动过分相控制等；

可以显示机车运行状态，具备完整的故障保护、故障记忆及显示功能，并具有一定程度的故障自排除、自动切换和故障处理指导功能。

机车粘着控制可以实现在不同轨道条件的自动适应，不同列车载荷的自动适应，最正确控制参数的自动设定，转差率的有效限制及轮径差的补偿控制等。

6.3机车定速控制模式

所谓定速控制，就是司机不操纵司控器，由机车微机控制系统参照目标速度和机车实际速度，自动调整机车运行工况，实现机车在目标速度下的恒速运行。

机车微机控制系统采用死循环控制方式，通过对机车实际速度和目标速度的监测和比较实施定速控制：司机按下定速按钮取得定速模式下的目标速度，并通过对机车实际

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速度的监测确认机车实际加速度，将机车实际速度与目标速度比较确认机车目标加速度，通过对机车目标加速度和实际加速度的比较，确定机车是牵引模式还是制动模式或惰行模式，并确定具体的牵引或制动力。

在定速模式下，机车控制系统通过调整牵引/制动力的输出，使机车速度维持在所允许的目标速度范围内。

由于采用加速度方式进行定速模式控制，因此机车在平直道上无论是重车还是轻车或单机，均可实现平稳运行；但是在坡道上运行时，机车在重车模式下最好不要使用定速模式控制，由于牵引制动转换频繁，存在断钩的风险。

6.4机车的牵引制动特性控制

牵引工况时，机车牵引特性依照恒力矩准恒速特性进行调整，并受机车功率曲线和粘着特性曲线限制，具体见图6-1所示。

图6-1牵引特性曲线

制动工况时机车制动特性依照不同手柄级位对应不同机车制动力的模式进行控制，同时受机车功率曲线和粘着特性曲线限制，具体见图6-2所示。

图6-2制动特性曲线

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机车的牵引制动特性曲线与主司机控制器的手柄级位对应，其中牵引区域分为13级，制动区域分为12级，牵引区域和制动区域均采用有挡无级方式进行调整，不同的手柄级位，对应不同的机车牵引制动力。

机车的牵引制动特性曲线及功率限制曲线被预置在微机控制系统VCU内，由VCU根据司机发出的主司机控制器指令，确认机车的目标牵引力，并将该值由VCU送给DCU，DCU根据给定的目标牵引力、机车的实际速度、实际输出的牵引力或制动力，并考虑机车的粘着保护控制及