HXD3型交流传动货运电力机车的电气线路.docx

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HXD3型交流传动货运电力机车的电气线路

第五节HXD3型交流传动货运电力机车的电气线路

HXD3型交流传动货运电力机车的电气线路主要由主电路、辅助电路、控制电路、行车安全综合信息监控系统电路和空气管路系统电路组成。

一主电路

机车主电路主要由网侧电路、主变压器、主变流器及牵引电动机等组成,具体电路附后，见TractionCircuit3W3RA217R11。

1网侧电路

网侧电路由2台受电弓AP1、AP2、2台高压隔离开关QS1、QS2、1个高压电流互感器TA1、1个高压电压互感器TV1、1台主断路器QF1、1台高压接地开关QS10、1台避雷器F1、主变压器原边绕组AX、1个低压电流互感器TA2和回流装置EB1～6等组成。

接触网电流通过受电弓AP1或AP2进入机车，经高压隔离开关QS1或QS2和主断路器QF1，通过高压电流互感器TA1进入车内，经25kV高压电缆与主变压器原边1U端子相连，经过主变压器原边，从1V端子流出，通过6个并联的回流装置EB1～EB6，从轮对回流至钢轨。

2主变流器和牵引电动机电路

机车采用两组主变流器UM1、UM2，分别由主变压器的牵引绕组2U1~2V6供电，主变流器再分别给牵引电动机M1、M2、M3和M4、M5、M6供电。

两套主变流器的电路完全相同，以下就主变流器UM1的电路进行说明。

主变流器UM1内部可以看成由3个独立的"整流—中间电路—逆变"环节（称为牵引变流器）构成。

每组牵引变流器分别有2个接触器、1个输入电流互感器、1个充电电阻、1个四象限整流器、中间电路、1个PWM逆变器、2个输出电流互感器等组成。

机车6组牵引变流器的主电路和控制电路相对独立，分别为6个牵引电动机提供交流变频电源。

当其中一组或几组发生故障时，可通过TCMS微机显示屏，利用触摸开关将故障的牵引变流器切除，剩余单元仍可继续工作,实现整车的冗余控制。

工作原理:

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供电，给中间直流回路支撑电容充电。

当中间直流电压达到2000V时，充电接触器切除充电电阻，中间电路预充电完成。

在逆变器工作之前，牵引绕组迅速向中间直流回路支撑电容充电，直至2800V。

此时，牵引变流器起动充电过程完成，逆变器可以投入工作。

机车再生制动时，逆变器工作在整流状态，四象限整流器工作在逆变状态，并通过中

间直流回路向主变压器牵引绕组馈电，将再生能量回馈至接触网。

（1）四象限整流器是一个脉宽调制变流器，它将电源的交流电压，通过脉冲宽度控制，控制中间直流电压的幅值和流入变流器的交流电流相位，使交流电流的波形尽量接近正弦，使得交流侧的基波电压和基波电流的相位差接近于0，这样既限制了谐波电流分量，又提高了机车功率因数。

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。

对HXD3型电力机车，6组四象限整流器的调制波相位是一致的，但载波的相位不一致．依次相差30°、60°¼180°，从而达到消除谐波的目的，通过这样做还可以保证等效干扰电流Jp£2.5A。

（2）中间直流电路。

机车采用的是电压型逆变器，为了稳定中间回路电压，并联了大容量的支撑电容，同时它还对四象限脉冲整流器和逆变器产生的高次谐波电流进行滤波。

中间直流电路主要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。

该车中间直流电路与欧洲和国内以往的交流传动电力机车不同，取消了二次滤波电路，它是通过逆变器的软件控制，来消除二次谐波电压的影响，大幅度抑制牵引电机电流脉动现象和转矩脉动现象。

瞬时过电压限制电路由IGBT和限流电阻组成。

主接地保护电路由跨接在中间回路的两个串联电容和一个接地信号传感器组成。

每台主变流器含有三套独立的接地保护电路，可以分别对3组牵引变流器进行接地监测和保护。

接地检测信息送至TCMS，可以实现故障显示。

可以通过接地故障转换开关，实施对接地保护的隔离。

3保护电路

（1）主变压器牵引绕组过流保护。

在每组牵引变流器的输入回路中，设有1个输入电流互感器ACCT，起控制和监视变流器充电电流及牵引绕组短路电流的作用，其动作保护值为1960A。

保护发生时，四象限脉冲整流器和逆变器的门极均被封锁，输入回路中的工作接触器断开，同时向微机控制系统发出跳主断信号，通过复位开关可进行恢复。

若这种故障在3分钟内连续发生两次，故障将被锁定，必须切断CI控制电源，才能恢复正常。

（2）主接地保护电路。

电路构成如上所述。

主牵引回路正常时，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。

当主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，其动作保护值为10A。

保护发生时，四象限脉冲整流器和逆变器的门极均被封锁，输入回路中的工作接触器断开，同时向微机控制系统发出跳主断信号。

此时司机可将故障支路的变流器切除,机车还剩5／6的牵引动力，继续维持机车运行，回段后再作处理。

若确认只有一点接地，也可将控制电器柜上对应的接地开关打至"中立位"，继续维持机车运行，回段后再作处理。

（3）牵引电动机过流保护。

在每组牵引变流器的输出回路中，设有输出电流互感器CTU、CTW，对牵引电机过载及牵引电机三相不平衡起控制和监视保护作用。

牵引电机过载保护的动作值为1400A。

当保护发生时，四象限脉冲整流器和逆变器的门极均被封锁，输入回路中的工作接触器断开，同时主变流器控制单元向微机柜TCMS发出CI过流信息，实施跳主断。

（4）原边电压保护。

当原边网压高于32kV且持续10ms或者是高于35kV且持续1ms时，CI实施保护，四象限脉冲整流器和逆变器的门极均被封锁，输入回路中的工作接触器断开，同时向微机控制系统发出原边过电压信息。

当原边网压低于16kV且持续10ms时，CI实施保护，四象限脉冲整流器和逆变器的门极均被封锁，输入回路中的工作接触器断开，同时向微机控制系统发出原边欠压信息。

（5）瞬时过电压保护。

在机车出现空转、滑行或者受电弓离线造成的网压中断等情况时，牵引变流器的中间回路上可能出现瞬时过电压，为了防止这种过电压对变流器造成损坏，在中间直流回路设有瞬时过电压限制电路，由IGBT和限流电阻组成，通过牵引变流器中间直流回路电压传感器的监测。

这是一种多次重复方式的保护，当过电压存在时，该IGBT将导通，直流回路能量经限流电阻放电和释放，消除过电压。

当中间回路电压大于等于3200V时，瞬时过电压保护环节动作，四象限脉冲整流器和逆变器的门极均被封锁，输入回路中的工作接触器断开。

此外，当中间回路电压小于等于2000V时，中间回路低电压保护环节动作，四象限脉冲整流器和逆变器的门极均被封锁，输入回路中的工作接触器断开（库内动车除外）。

（6）牵引变流器的检修安全连锁保护。

在检查或操作牵引变流器之前，须断开真空主断路器，降下受电弓，然后闭合主变流器的试验开关，通过司机台上的微机显示屏确认设备内的电容器已放电完毕（小于36V）或观察故障显示灯中的"预备"灯灭后，才能进行检查操作，否则中间回路的支撑电容上有很高的电压，未及时放完会危及人身安全。

4其它控制

（1）原边电压显示机车设置2块网压表PV1、PV2。

当受电弓升起后，可分别用来显示接触网电压。

在机车控制系统自检正常后，通过微机显示屏也可观察到原边电流和网压。

（2）库内动车库内电源通过单相插座送到二、五位牵引电动机的牵引变流器环节，进行库内动车作业。

机车共设置2个主电路入库插座和2个主电路入库转换开关，方便库内动车需要。

当需要用牵引电动机M2动车时，在主电路入库插座XSM1处接入库内动车电源引线，转换主电路入库转换开关QS3，再闭合地面电源，通过操纵司机控制器机车便可以向前、后移动；当需要用牵引电动机M5动车时，在主电路入库插座XSM2处接入库内动车电源引线，转换主电路入库转换开关QS4，再闭合地面电源，通过操纵司机控制器机车便可以向前、后移动。

二辅助电路

机车辅助电路可以分成相对独立的三部分：

辅助电动机供电电路和辅助加热装置电路。

1辅助变流供电电路

辅助电动机供电电路由辅助变流器、辅助滤波装置、电磁接触器、自动开关、辅助电动机等组成。

辅助变流器是辅助电动机供电电路的核心。

机车共设置有2套辅助变流器UA11、UA12（又称作APU1、APU2），分别同2套主变流器UM1、UM2安装在一起。

辅助变流器UA11、UA12都有VVVF和CVCF两种工作方式，可以依据连接的辅助电动机情况进行设置。

机车正常运行时，辅助变流器UA11工作在VVVF方式，辅助变流器UA12工作在CVCF方式，分别为机车辅助电动机供电。

每一台辅助变流器的额定容量是按照独立带整车辅机的情况设计的，因此正常情况下，辅助变流器UA11、UA12基本上以50%的额定容量工作。

当某一套辅助变流器发生故障时，不需要切除任何辅助电动机，另一套辅助变流器可以承担机车全部的辅助电动机负载。

此时，该辅助变流器按照CVCF方式工作，辅助电动机系统按全功率运行，惟有两台压缩机中，只有操纵端压缩机可以投入工作，从而确保机车辅助电动机供电系统的可靠性。

辅助变流器的故障转换控制由机车微机控制系统（TCMS）自动完成。

辅助变流器的中间直流回路同时给110V电源充电模块供电。

辅助变流器UA12的输出还经隔离变压器，给司机室各加热设备及低温预热回路辅助变流器内设有元器件过压、过流保护。

辅助变流器UA11、UA12的额定容量均为230kVA，分别由主变压器TM1的两个辅助绕组3U1、3U2供电，辅助绕组的电压均为399V。

辅助变流器UA11的输出，经过辅助滤波器LC，通过输出接触器KM11给牵引风机电动机MA11、MA12、MA13、MA14、MA15、MA16和冷却塔风机电动机MA17、MA18供电。

辅助变流器UA12的输出，同样经过辅助滤波器LC，通过输出接触器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、主变流器内部的水泵WP1、WP2、辅助变流器风机APBM1、APBM2供电，同时UA12还经过AT1隔离变压器，分别向司机室内的辅助加热设备、卫生间及压缩机加热回路和低温预热设备提供AC220V和AC110V交流电源。

在辅助变流器UA11或辅助变流器UA12发生故障的情况下，TCMS将自动断开其相应的输出接触器KM11或输出接触器KM12，再闭合故障转换接触器KM20，把发生故障的辅助变流器的负载切换到另一套辅助变流器上，由该辅助变流器对全车的三相辅助电动

机供电。

当在库内需要对机车的辅助电动机进行动作及转向确认时，可通过辅助电路库用插座XSA1，并操作辅助电路库用转换开关QS11将DC600V库内电源引入辅助变流器UA12，进行辅助系统库内600V动作试验。

为了确保所有辅机均可工作，应通过微机显示屏将辅助变流器UA11隔离。

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。

在辅助变流器UA11、UA12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。

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，必须切断辅助变流器的控制电源，才可解锁。

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580V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270V时，四象限整流器门极被封锁，四象限整流器停止输出。

当辅助变流器的输入电压低于279V即网压低于17.5KV时，低压保护环节动作，四象限整流器门极被封锁，工作接触器K、AK断开，四象限整流器停止输出。

当辅助变流器的输入电压高于502V即网压高于31.5KV时，过压保护环节动作，四象限整流器器的门极被封锁，工作接触器K、AK断开，四象限整流器停止输出。

每组辅助变流器，均可向110V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32A。

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，由非故障的辅助变流器向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。

2辅助加热装置电路

机车辅助加热装置主要有电热玻璃EH11-12、膝炉EH15-18、侧墙暖风机EH19-22、脚炉EH23-26、后墙暖风机EH27-30、司机室多功能热水器EH31-32及低温预热回路等，它们均由UA12通过隔离变压器AT1进行供电。

在膝炉、侧墙暖风机、脚炉、后墙暖风机支路上设置了功能转换开关SA11、SA12，进行投入和切除转换，并设置了空气自动开关QA31A和QA31B进行过流保护。

在电热玻璃支路上设置了功能转换开关SA13、SA14，进行投入和切除转换，并设置了空气自动开关QA32进行过流保护。

在司机室多功能热水器支路上设置了空气自动开关QA33进行过流保护。

另外，还设置了2个司机室电源插座XSA3、XSA4，给司机室提供220V交流电源，方便机车的需要。

机车辅助加热回路中，还设有低温预热回路，最初采用DC110V低温预热，机车一旦可以升弓合主断，辅助变流器可以工作，就转由AC110V低温预热。

当机车需要低温预热时，首先闭合自动开关QA56、QA72，接触器KM22闭合，将采用DC110V低温预热方式，

对辅助变流器、110V电源充电模块、TCMS微机系统等进行加热。

预热一定时间，当微机可以升弓合主断，辅助变流器正常工作后，继电器KE11和接触器KM21闭合，接触器KM22断开，转由AC110V进行低温预热，对主变流器、辅助变流器、110V电源充电模块、总风压力开关、重联插座等进行加热。

通过闭合自动开关QA73，可以对撒砂装置进行加热。

通过闭合自动开关QA74，可以对压缩机进行低温加热，通过温控开关TR-1，可以实现压缩机低温加热的自动投入和切除，当压缩机进行低温加热时压缩机不能工作。

在压缩机的控制回路里，还设有温度保护开关TS-1和压力保护开关PS-1，通过其常闭连锁，实现对压缩机的安全保护。

三控制电路

机车的控制系统是以日本东芝公司的机车微机控制监视系统（简称TCMS）为核心，结合目前国内现有的机车行车安全综合信息监控系统和克诺尔的CCB-Ⅱ电控制动系统，配以机车外围电路来进行设计的。

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，并将有关信息送到司机操纵台上的微机显示屏。

TCMS包括1个主控制装置和2个显示单元，其中主CPU采用冗余设计，设有两套控制环节，一套为主控制环节

（Master），一套为热备控制环节（Slave）。

当主控制环节（Master）发生故障时，备用控制环节（Slave）立即自动投入工作。

机车的控制电路系统主要完成下列功能：

（1）顺序逻辑控制：

如升、降受电弓，分、合主断路器，司机控制器的换向、牵引、制动，辅助电动机的逻辑控制，机车库内动车逻辑控制，主辅变流器库内试验逻辑控制等。

（2）机车特性控制：

采用恒牵引力/制动力+准恒速特性控制，实现对机车的控制要求。

（3）定速控制：

根据机车运行速度，可以实现牵引工况下机车恒定速度控制。

（4）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，与辅助变流器同时启动、运行。

空气压缩机则根据总风缸压力情况，通过控制接触器的分合来实现控制。

（5）CCB-Ⅱ制动机的电空网络控制和机车防滑行保护。

（6）机车粘着控制：

包括防空转、防滑行控制、轴重转移补偿控制。

（7）故障诊断、显示与保护：

通过设在司机室的微机屏显示机车正常运行的状态信息，如：

网压、原边电流、机车工况、级位、机车牵引力、机车速度等，正常的设备工作状态，如：

主变流器、辅助变流器等；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。

（8）机车重联控制：

最多可以实施同型号的4台机车重联。

机车的控制电路具体分述如下：

1控制电源电路

机车DC110V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UA11或UA12的中间回路电源，当UA11和UA12均正常时，由UA12向PSU输入DC750V电源，当UA12故障时，转由UA11向PSU输入DC750V电源。

DC110V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DC110V±2%，额定输出电流为55A，输出功率为6050W（25℃），采用自冷方式，控制电源电压采用DC750V。

PSU电源模块上设有两个转换开关SW1和SW2，其中SW1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1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。

控制电路自动开关有：

微机1控制自动开关QA41、微机2控制自动开关QA42、司机控制1自动开关QA43、司机控制2自动开关QA44、机车控制自动开关QA45、主变流器自动开关QA46、辅助变流器自动开关QA47、车内照明自动开关QA48、车外照明自动开关QA49、前照灯自动开关QA50、辅助设备自动开关QA51、无线电台自动开关QA52、自动信号自动开关QA53、监控装置自动开关QA54、电控制动自动开关QA55、低温预热自动开关QA56，110V电源控制自动开关QA106、门控开关QA102、自动过分相控制开关QA71、空调机组控制开关QA104、QA105、撒砂加热控制开关QA73等。

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。

2司机指令与信息显示电路

具体电路附后，见ControlCircuit3W3RA220-1R17和3W3RA220-2R17。

在机车I、II端司机室设置了完全相同的控制指令开关，可以分别对机车微机控制监视系统发出命令，实现对机车的控制。

下面以I端司机室控制指令为例进行说明，同时将II端对应的控制器件代号用"（）"进行表示。

（1）司机电钥匙开关SA49（SA50）：

有两个位置：

"合"、"分"，当置"合"位置时，机车I

端即被设定为操纵端。

（2）主司机控制器AC41（AC42）：

有两个手柄：

方向手柄和调速手柄。

方向手柄有"向前"、"向后"和"0"三个位置。

调速手柄可以提供牵引级位0～13级，制动级位*～12级。

（3）两个手柄之间设有机械连锁：

当调速手柄在"0"位时，方向手柄方可进行转换；方向手柄在"0"位时，调速手柄不能移动，只能在"0"位。

（4）受电弓扳键开关SB41（SB42）：

有三个位置，分别为"前受电弓"、"后受电弓"、"0"位。

当SB41置"前受电弓"或"后受电弓"位时，受电弓电空阀YV41或YV42线圈得电，在空气管路压力正常的前提下，受电弓AP1或受电弓AP2升起；当SB41置"0"位，受电弓AP1或受电弓AP2均降下。

（5）主断路器扳键开关SB43（SB44）：

有三个位置，分别为"主断分"、"主断合"、"0"位。

该扳键开关为自复式，正常位置是"0"位。

当开关置"主断合"位1次时，如果主断闭合的相关逻辑正常，主断路器QF1线圈得电，在空气管路压力正常的前提下，主断路器QF1闭合；当扳键开关置"主断分"位1次时，主断路器QF1线圈失电，主断路器QF1分断。

（6）空气压缩机扳键开关SB45（SB45）：

有三个位置，分别为"主压缩机"、"强泵"、"0"

位。

在辅助变流器工作的前提条件下，当开关置"主压缩机"位，并且总风缸空气压力继电器KP51-1、KP51-2（KP51-1：

风压低于750kPa时闭合，风压高于900kPa时断开；KP51-2：

风压低于825kPa时闭合，风压高于900kPa时断开）闭合时，空气压缩机接触器KM13、KM14依次得电闭合，空气压缩机1、2依次投入工作。

当风压低于825kPa时KP51-2闭合，但KP51-1打开，此时只有操纵端压缩机工作。

当开关置"0"位，空气压缩机接触器KM13或KM14失电分断，空气压缩机停止工作。

若总风缸空气压力继电器KP51发生故障，空气压力开关不能正常闭合时，可以将扳键开关置"强泵"位，强制空气压缩机接触器KM13、KM14得电闭合，空气压缩机1、2投入工作。

（7）机车故障复位按钮SB61（SB