《铁路机车车辆》课件 项目七 交流传动内燃机车电传动系统

铁路机车车辆教师：×××项目七交流传动内燃机车电传动系统目录01交流传动技术的性能优势02牵引传动系统03辅助电气系统04微机控制系统任务一交流传动技术的性能优势一、不同类型交流传动的特点分析集中控制方式交流传动如图7-1所示，其优、缺点见表7-1。1.集中控制方式交流传动一、不同类型交流传动的特点分析轴控制方式交流传动如图7-2所示，每台逆变器单独给一台交流异步电动机供电，由于各逆变器相互独立性较强，不受各台电机特性差异及轮径差异的影响，有利于提高每个轮对的黏着利用系数，提高机车的起动牵引力。设备冗余度高，一旦某台逆变器发生故障，可将故障逆变器切除，这样只损失一台牵引电动机的功率，机车仍能保证运行。但逆变器数量较多，造价较高，设备占有空间相对较大，一般用于大功率机车。2.轴控制方式交流传动二、内燃机车采用交流传动的优越性内燃机车的技术背景对比见表7-2。1.技术背景对比二、内燃机车采用交流传动的优越性1）牵引电动机参数对比（见表7-3）2.机械与电气性能对比二、内燃机车采用交流传动的优越性2.机械与电气性能对比2）关键优势分析机械可靠性：DF4B型内燃机车的电刷寿命仅500h，HXN5型内燃机车取消电刷后维护周期延长至8年；和谐型机车牵引电机故障率降至0.05次/百万千米，较东风型降低90%。环境适应性：DF4B型内燃机车在青藏铁路（海拔5072m）上的功率衰减至65%，HXN5高原型内燃机车的功率保持率≥92%；FXN3C型内燃机车通过-40℃低温起动试验，直流电机在-25℃时需预热1h。二、内燃机车采用交流传动的优越性1）牵引特性曲线对比不同机型的牵引特性曲线对比见表7-4。3.牵引性能与能效提升二、内燃机车采用交流传动的优越性3.牵引性能与能效提升2）能效与经济性燃油消耗：DF4B型内燃机车万吨千米油耗28.5L，HXN5型内燃机车降至19.8L，节油率30.5%；FXN3C型内燃机车采用智能起停技术，怠速油耗再降15%。维护成本：DF4B型内燃机车年均维护费用18万元，HXN5型内燃机车降至4.2万元；和谐型机车大修周期延长至180万km（东风型为90万km）。二、内燃机车采用交流传动的优越性4.黏着控制与智能化升级2）智能化功能拓展远程诊断系统：和谐型机车搭载PHM（故障预测与健康管理），故障定位准确率达95%。自动驾驶兼容：FXN3C

型内燃机车支持ATO-G级（GoA2）自动驾驶，控制指令响应时间≤50ms。1）黏着利用率突破DF4B

型内燃机车：机械式空转保护，黏着系数为0.25～0.28。HXN3型内燃机车：基于模型预测控制（MPC），黏着系数提升至0.33～0.35（大秦线实测数据）。FXN3C

型内燃机车：融合轮轨振动频谱分析，动态修正蠕滑率，黏着系数达0.37。二、内燃机车采用交流传动的优越性5.典型应用案例验证1）大秦铁路重载验证HXN3型内燃机车双机牵引2万t列车，较DF4B型内燃机车三机牵引方案的牵引效率提升36%；轮轨磨耗降低42%。2）中老铁路热带气候考验HXN型内燃机车在湿度90%、温度40℃环境下连续运行，电机温升≤65K（设计限值80K）；无绝缘击穿故障记录。任务二牵引传动系统一、牵引变流器的原理分析牵引变流器的原理如图7-3所示。1.牵引变流器的原理一、牵引变流器的原理分析图7-4所示为牵引逆变器INV1的电气原理。该逆变器主要由支撑电容（C11、C12）、IGBT器件（P1AP～P1CP、P1AN～P1CN）、电流传感器（CM1A、CM1B）、电压传感器（VAM10）、快速熔断器（F1A1～F1C1、F1A2～F1C2）、IGBT驱动电源（GDPI）及牵引控制器（TMC）构成。2.牵引逆变器的电气原理二、接地检测电路分析图7-5所示为牵引传动系统接地故障检测电路。图中仅绘出了HXN5型内燃机车的电阻制动电路中3个电阻单元中的一个和供电给牵引电动机的6个逆变器中的一个。1.接地故障检测电路二、接地检测电路分析2.检测原理1）主发电机接地故障主回路通过等效漏电阻与机车底架形成接地通路时，接地漏电流流经等效漏电阻至底架，再通过检测电阻R100

或R101。该交流漏电流会在R100

或R101

上产生交流电压信号，经VAM8模块转换后传输至CIO板，CIO解析信号后向智能显示器DS3上报故障信息。2）电源转换与配电装置接地故障若主回路通过等效漏电阻RG2

接地，漏电流将流经RG2

至机车底架，并最终通过检测电阻R100

或R101。此类故障电流通常为直流特性（也可能含交流分量）：当RG2

位于母线负极侧时，R100

上的直流电压值随漏电流增大而升高；若RG2

位于母线正极侧，则R101上的直流电压值增加，而R100上的电压值相应减少。增加CIO通过VAM8实时采集电压变化数据，并将异常信息传输至DS3。二、接地检测电路分析2.检测原理3）电阻制动电路接地故障如图7-5中的虚线框所示，当等效漏电阻RG3

形成制动电路至机车底架的接地通路时，漏电流（通常为直流特性）将流经R100

或R101。其检测逻辑与第2类故障一致：CIO通过监测R100/R101

上的电压变化识别故障，并向DS3发送告警信号。4）逆变器与牵引电动机接地故障此类故障表现为逆变器或牵引电动机回路通过等效漏电阻RG4

接地（图7-5右侧）。漏电流可能呈现交流或直流特性：交流漏电流将在R100

或R101

上产生交流电压信号；直流漏电流则引发检测电阻的直流电压偏移。VAM8将电压信号传输至CIO，CIO通过特征分析判定故障类型后，向DS3提交诊断结果。任务三辅助电气系统一、辅助发电机1.辅助发电机的特点辅助发电机的三套绕组输出三个不同等级的三相交流电，分别供给主辅发电机励磁电路、冷却风扇等辅助回路及蓄电池充电电路。按负载不同，这三套绕组分为励磁供电绕组、辅助电动机供电绕组、蓄电池充电供电绕组，如图7-6所示。一、辅助发电机2.辅助发电机的起动1）起动条件辅助发电机的起动由控制系统控制，必须同时满足三个条件：一是在未起动时，实时获取柴油机转速等运行参数；二是起动阶段机车所有辅助柜的柜门都要闭合，满足安全联锁要求；三是要对辅助发电机断路开关状态做出响应。2）起动过程当起动辅助发电机的三个条件得到满足时，控制系统便开始起动辅助发电机，过程如下。（1）蓄电池给辅助发电机提供励磁（2）蓄电池与AAC同时给辅助发电机提供励磁（3）辅助发电机的AAC励磁及输出调节二、辅助发电机励磁供电电路辅助发电机的励磁供电绕组输出的交流电，经励磁控制器转换为直流电，供给牵引发电机和辅助发电机的励磁绕组，使两者分别输出交流电，对应供给牵引回路和辅助回路。辅助发电机励磁供电电路如图7-8所示。三、蓄电池充电电路辅助发电机三个输出绕组中的第二个是蓄电池充电供电绕组。在起动柴油机后，该绕组可为蓄电池充电。同时，蓄电池充电电路也为其他的低压电气设备，如加热器、空调、计算机电源等供电。蓄电池充电电路如图7-9所示。三、蓄电池充电电路当司机控制器手柄提到第8挡位时，AA蓄电池充电供电绕组输出达到最大值AC201V（线电压），该交流电输入蓄电池充电控制器（BCC），在DS3的控制下，BCC将交流电转换为直流电，同时对输出的直流电压进行调节。为了减弱BCC输出中含有的交流脉动成分，线路中设计有一些滤波设备。蓄电池充电电感器（LS）具有阻止电流变化的特性，控制电源滤波器（CPF）具有平稳电压波形的作用。经过LS和CPF的滤波，BCC施加到负载的电源将拥有较好的品质。当机车起动后，蓄电池开关（BS）处于闭合状态，而经过滤波的直流电源则为蓄电池充电。1.工作原理三、蓄电池充电电路由图7-10可知，当蓄电池开关闭合时，这三个电阻通过串联跨接到蓄电池两端。若蓄电池充电电路无接地故障，由蓄电池端电压为DC74V可得到分配到每个电阻上的电压。为了防止输入CIO的电压超过15V，对电阻的阻值分配要注意。机车实际的阻值分配如图7-10所示。2.蓄电池充电电路接地检测四、辅助电动机供电电路辅助发电机的最后一个输出绕组是辅助电动机供电绕组，该绕组为机车的7台辅助电动机供电。这7台电动机有2台冷却风扇电动机、1台牵引电动机通风机电动机、1台交流发电机通风机电动机，第5台是用于对燃烧空气系统和牵引电动机冷却空气系统中的除尘器进行真空清理的排风机电动机，最后2台是空压机电动机。四、辅助电动机供电电路HXN5型内燃机车为冷却风扇电动机及牵引电机通风机组配置了跳波控制驱动系统。其技术背景源于辅助发电机的输出频率与柴油机转速呈线性关联，若将电动机直接接入辅助发电机供电网络，将使设备持续处于与柴油机最高转速匹配的满频工作状态，造成能源效率低下与燃油经济性恶化。为了让冷却风扇电动机和牵引电机通风机电动机在保证冷却能力的情况下以最经济的方式运行，机车配置了一种跳波控制器。1.跳波控制电路四、辅助电动机供电电路图7-11所示为直接驱动电路，它为排风机电动机和交流发电机通风机电动机供电。2.直接驱动电路四、辅助电动机供电电路2.直接驱动电路排风机电路交流发电机通风机电路1）排风机电动机是由辅助发电机直接供电的，一个排风机电动机断路器（EMB）接在辅助电动机AA供电绕组与排风机电动机（EM）之间。DS3通过CIO中的一个输入信号监测EMB的状态。2）交流发电机通风机电路仅包含直接驱动电路中显示的两个器件，即辅助电动机AA供电绕组和交流发电机通风机电动机（ABM）。四、辅助电动机供电电路3.接触器控制电路HXN5型内燃机车的空压机电动机（CDM1、CDM2）由辅助电动机AA供电绕组供电。三个一组的接触器控制每台空压机的运行。为了让空压机在柴油机整个转速范围中都获得较高的打风速率，DS3通过控制接触器的连接方式来改变CDM1、CDM2的磁极数，从而达到改变空压机电动机转速的目的。五、柴油机起动电路1.CCA电路没有CCA（集中控制体系结构），就不会有HXN5

型内燃机车的动作。智能显示器是机车的“大脑”，其他的设备，诸如CIO控制板、牵引电机控制器（TMC）和柴油机控制单元均受其控制。DS3控制起动过程，它通过CIO控制各个起动接触器和柴油机起动转换开关（CTS）动作。TMC为DS3提供方法以便控制主、辅起动逆变器的运行，同时监视逆变器的功能是否出现问题。DS3同时控制着柴油机的燃油供给，并通过ECU在起动过程中监控它的性能。五、柴油机起动电路2.起动电路HXN5

型内燃机车使用牵引逆变器来起动柴油机，它共有2种逆变器，一种为主，另一种为辅，以便提供一定的故障冗余。在实际运用中选择逆变器6作为主起动逆变器。在通常情况下逆变器2和逆变器5比其他逆变器工作的时间要短，所以决定将其中一个设为辅助起动逆变器。由于牵引发电机的电缆布置与牵引电动机5（TM5）的电缆布置趋于同一方向，所以选择逆变器5作为辅助起动逆变器。五、柴油机起动电路3.起动控制电路柴油机起动控制电路如图7-12所示。所有这些装置均由DS3通过CIO板来控制。大部分装置都由CIO直接驱动。然而，CTS却是被间接控制的。CIO的输出被连接到两个继电器（C5R和C6R）上，这两个继电器用来控制CTS中直流电动机的运行。这使得CTS将牵引系统设置为三种工作模式中的一种，即牵引、主起动或辅助起动。CRBL是位于辅助间CA2中的一个警铃，它在CCA起动柴油机之前响铃30s。RCBL是一个备用警铃，它也位于交流电动机室内。任务四微机控制系统一、微机控制系统的拓扑结构HXN5

型内燃机车的微机控制核心（CCA）继承并优化了AC6000型机车（搭载智能显示终端）的控制架构，其控制中枢由三台智能显示器（DS1、DS2、DS3）组成，作为主控节点通过串行通信架构，实现对车载子系统及功能模块的集成化管理。各单元间通过符合ANSIARCnet标准的工业总线网络（简称ARC网）实现数据交互与分层控制，形成分布式运算拓扑。图7-13所示为控制系统拓扑结构，将CCA控制系统中各模块单元之间的连接方式和等级关系展现得十分清晰。二、微机控制系统的功能智能显示器是HXN5

型内燃机车上的控制微机单元，它们既是控制系统的终端显示接口，又是整个控制系统的处理核心。它们接收机车司机的指令，并读取机车的运行状态。在协调这些信息后，智能显示器产生一组指令并将之传送到HXN5

型内燃机车控制系统其他模块单元上，以实现操作人员的命令，达到对机车的智能控制和保护。1.智能显示器二、微机控制系统的功能智能显示器为HXN5

型内燃机车上的每台牵引电机提供指令信号，而牵引电机控制器，即TMC的任务是将这些信号转换成可用来驱动与牵引电机相连接的逆变器的信息，换句话说，TMC