HXD3型电力机车电路分析Word文件下载.docx

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电力机车没有空气污染，且善于保养，牵引列车速度可达几百千米，所以高速列车都是电力机车牵引的。

电力机车另一个优点就是能够在短时间内完成启动和制动，这个性能比蒸汽机车和内燃机车要优秀很多。

所以在世界范围内，正大力发展电气化铁路。

在绿色环保的今天，电力机车的发展更加受到重视[1]。

由于我国的电气化铁路较少，所以会选择把原本无电气化的铁路经电气化改造。

电气化改造后的铁路速度将从100-120km/h提高到160-200km/h，这样不仅能缩短列车的运输时间，还能达到5000t以上的货运列车运输。

如今，走向“高铁时代”的中国，正大力发展电气化铁路。

1.2历史沿革

历史简介：

1835年荷兰的斯特拉廷和贝克尔两人就试着制以电池供电的二轴小型铁路车辆。

1842年苏格兰人R.戴维森首先造出一台用40组电池供电的重5吨的标准轨距电力机车。

由于电动机很原始，机车只能勉强工作。

1879年德国人W.von西门子驾驶一辆他设计的小型电力机车，拖着乘坐18人的三辆车，在柏林夏季展览会上表演。

机车电源由外部150伏直流发电机供应,通过两轨道中间绝缘的第三轨向机车输电。

这是电力机车首次成功的实验。

电力机车用于营业是从地下铁道开始的。

1890年英国伦敦首先用电力机车在5.6公里长的一段地下铁道上牵引车辆。

干线电力机车在1895年应用于美国的巴尔的摩铁路隧道区段，采用675伏直流电，自重97吨,功率1070千瓦。

19世纪末，德国对交流电力机车进行了试验,1903年德国三相交流电力机车创造了每小时210.2公里的高速纪录[2]。

中国于1914年在抚顺煤矿使用1500伏直流电力机车。

干线铁路电力机车采用单相交流25000伏50赫电流制。

1958年制成第一台以引燃管整流的“韶山”型电力机车。

1968年改用硅整流器成功,称“韶山1”型，持续功率为3780千瓦。

近年来干线电力机车向大功率、高速、耐用方面发展，客运电力机车速度已从每小时160公里增加到200公里，并向250公里迈进。

1.3电力机车的类型

电力机车是从接触网上获取电能的，接触网供给电力机车的电流有直流和交流两种。

由于电流制不同，所用的电力机车也不一样，基本上可以分为三类：

直—直流电力机车采用直流制供电时，牵引变电所内设有整流装置，它将三相交流电变成直流电后，再送到接触网上。

因此，电力机车可直接从接触网上取得直流电供给直流串励牵引电动机使用，简化了机车上的设备。

直流制的缺点是接触网的电压低，一般为1500V或3000V，接触导线要求很粗，要消耗大量的有色金属，加大了建设投资[3]。

交—直流电力机车在交流制中，目前世界上大多数国家都采用工频（50Hz）交流制，或25Hz低频交流制。

在这种供电制下，牵引变电所将三相交流电改变成25kV工业频率单相交流串励电动机，把交流电变成直流电的任务在机车上完成。

由于接触网电压比直流制时提高了很多，接触导线的直径可以相对减小，减少了有色金属的消耗和建设投资。

因此，工频交流制得到了广泛采用，世界上绝大多数电力机车也是交—直流电力机车。

交—直—交电力机车采用直流串励电动机的最大优点是调速简单，只要改变电动机的端电压，就能很方便地在较大范围内实现对机车的调速。

但是这种电机由于带有整流子，使制造和维修很复杂，体积也较大。

而交流无整流子牵引电动机（即三相异步电动机）在制造、性能、功能、体积、重量、成本、及可靠性等方面远比整流子电机优越得多。

它之所以迟迟不能在电力机车上应用，主要原因是调速比较困难。

改变端电压不能使这种电机在较大范围内改变速度，而只有改变电流的频率才能达到目的。

因此，只有当电子技术和大功率晶闸管变流装置得到迅速发展的今天，才能生产出采用三相交流电机的先进电力机车。

交—直—交电力机车从接触网上引入的仍然是单相交流电，它首先把单相交流电整流成直流电，然后再把直流电逆变成可以使频率变化的三相交流电供三相异步电动机使用。

这种机车具有优良的牵引能力，很有发展前途[4]。

1.4选题意义

随着交流技术，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，还是在节能乃至环保等方面，均体现出了巨大优势。

但对于我国而言，机车车辆的交流传动技术，无论是从理论，还是实用上，与发达国家还有一定的差距。

本文结合HXD3交流货运电车的电路分析，理清交—直—交电力机车的理论问题。

第二章HXD3电力机车电气系统的组成

2.1电气系统的设计概念

HXD3交流传动货运电力机车是大连机车车辆有限公司与东芝公司联合开发的7200KW交流传动6轴货运电力机车，遵循设计原则为：

（1）坚持设计起点高、技术领先的原则，根据大功率货运电力机车实际需要，尽量采用成熟、可靠的先进技术。

（2）坚持采用国际先进技术、可靠的技术和国内成熟的技术相结合的原则，以求获得最高的性能价格比。

（3）全面满足现代化铁路装备的要求。

力争实现操纵方便、运行可靠、检修容易。

（4）坚持大小齐抓原则。

在优化选择关键电器部件的同时，抓好机车电气系统的每一个细小环节的设计，彻底解决目前电力机车存在的“小问题”。

2.2电气系统的组成

机车的电气系统主要由主传动及控制系统、辅助传动及控制系统和机车控制与监测系统组成。

具体结构如图所示[5]。

注：

BAT：

蓄电池MC：

主司机控制器

DKL：

空气制动逻辑控制装置AC：

辅助司机控制器

ATP：

行车安全控制装置DISPLAYUNIT：

显示单元

VCB：

真空断路器APU：

辅变流装置

PANT：

受电弓CI：

主变流装置

COMP：

空气压缩机BLOWER：

风机

SAND：

撒砂装置CABEQUIP：

司机室设备

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，实现对机车牵引电动机的控制，从而实现机车的牵引和动力制动的特性控制。

机车辅助传动及其控制系统的任务是实现对机车辅助电路的控制，辅助电动机按照其工作特性，可以分为两类：

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，它们可以用变频变压的方式工作；

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。

因此分别采用两套辅助变流器供电。

机车微机控制和监测系统（简称TCMS）的机车控制的核心，司机的一切命令和主要控制电器的控制信号，如：

辅助电动机自动开关等，均通过TCMS进行输入，经过TCMS与机车牵引变流器控制单元、辅助变流器控制单元、ATP控制单元、电空制动控制单元等进行通信、数据交换，实现信息传递。

一些辅助控制电器信号则直接送到牵引交流器控制单元，实现相关逻辑控制和保护。

机车控制的各种信息通过设置在司机室的微机控制显示屏进行显示。

2.3HXD3电力机车的电气线路

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—磁、电—机、电—空等联系起来，对机车进行控制。

2.3.1主电路及其部件

图2.2HXD3型电力机车主电路原理图

机车主电路是产生机车牵引力和制动力的电器设备电路。

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。

具体如图2.2所示。

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25KV交流电经过主变压器的降压，有主变压器次边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VVVF逆变器组成。

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，实现机械能的转换，变为机车的牵引力和速度。

机车在制动工况时，则进行与上述相反的转换。

这是电动机在发电机状态工作，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，变为逆流器工作。

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独独立控制方式，机车的单轴输出功率为1200KW[6]。

现将各电路的作用分述如下：

（1）网侧电路

网侧电路由2台受电弓、2台高压隔离开关、1个高压电压互感器、1个高压电流互感器、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AP1或AP2从接触网受流，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EB1—EB6从轮对回流至钢轨。

①受电弓

采用DSA型受电弓，弓内装有自动降弓装置，当弓网故障时，可自动降弓。

②高压隔离开关

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，切除故障受电弓，有另一台受电弓维持级车运行，以减少机破故障，提高机车运行可靠。

③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，还可以作为原边电压的检测和为电度表的计量提供电压输入。

④主断路器

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。

由于鼓掌电流增长快、电流大，因此要求断路器尽可能短时间内动作，并能开断极大的短路电流。

⑤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。

⑥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。

⑦高压接地开关

在机车停电进行高压设备或在车顶检修时（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.

⑧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，用于危机显示屏显示。

⑨回流装置

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

主变压器有6个1450V牵引绕组分别用于两套牵引变流器供电，两个399V辅助绕组分别用于辅助变流器的供电。

（3）牵引变流器和牵引电动机电路

①牵引变流器的组成

牵引变流器UM1内部可以看出3个独立的整流—中间电路—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、中间电器、1个PWM逆变器、2个输出电流互感器等组成。

3个整流—中间电路—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，可自定切除，剩余单元可继续工作。

②牵引变流器工作原理

在变流器输入端，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短路，会形成相当大的冲击电流。

当中间直流电压达到2000V时，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持电容继续充电，直至2800V。

整个充电过程完成后，逆变器可以投入使用。

在再生制动时，逆变器工作在整流状态，整流器工作在你变状态。

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检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和限流电路组成。

档支撑电容上的中间电压超过允许电压范围时，IGBT元件导通，通过限流电阻放大，使中间电压保持在允许电压值内。

③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UM1的3个PWM逆变器分别单独供电，实现牵引电动机的单独控制。

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负载分配不均，均可以通过牵引变流器的控制进行适当的补偿，以实现最大限度的发挥机车牵引力。

当一台机组故障时，只需切除一组机组，机车仍能保持六分之五的牵引动力。

（4）保护电路

①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行封闭保护。

②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。

当主电路正常时，由于只有一个接地，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，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，是保护装置动作，断开主断路器。

可以通过接地故障的转换开关，实施接地保护隔离。

每一个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。

③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。

2.3.2辅助电路

HXD3型交流传动货运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。

对于机车来说，每辆机车装载有2组辅助变流器，正常工作时，一组（UA11）实行VVVF控制，另一组（UA12）实行CACF控制。

但是，当某一个辅助变流器发生故障时，另一组辅助变流器则满载投入，以CACF控制模式提供能量[7].

（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。

具体电路如图2.3所示。

辅助变流器UA11、UA12分别有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，这样逆变器输出的正弦波给各辅机供电，从而大大的降低了对辅助绕组匝间绝缘的要求，提高辅机的使用寿命，机车上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[8]。

图2.3HXD3型电力机车辅助电动机供电电路原理图

（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、逆变电路等组成。

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稳定，在整流输出电路并联电容器，因此可以看成是恒压源。

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一50%的额定容量工作，辅助变流器1（APU1）工作在VVVF方式，辅助变流器2（APU2）工作在CVCF方式，分别为辅助电动机供电。

当某一套发生故障时，另一套可以承担机车全部辅助电动机的负载，不需要切除任何辅助电动机。

此时，辅助变流器在CVCF方式工作，仍能保证辅助电动机能满功率运行，辅助电动机负载功率的控制由机车微机控制系统自动来完成。

由于辅助绕组的电压为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，保证辅助电动机的正常运行。

辅助变压器内部设有过压、过流、接地保护。

（3）辅助变流器供电电路

辅助变流器UA11的输出首先经过正弦波滤波器LC1，在经过接触器KM11给牵引风机电动机MA11、MA12、MA1、MA14、MA15、MA16和复合冷却风机电动机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，在经过接触器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（加热器等）供电。

由于以上负载属于泵类负载，辅助变流器工作在定頻定压状态。

同时辅助变流器UA11、UA12的中间直流还向UC（DC110V电源装置）供电。

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KM11或输出接触器KM12，在闭合故障转换装置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。

（4）辅助电动机电路

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启动方式启动时，除空气压缩机电动机外，其他辅助电动机也随之启动。

空压缩机的启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。

（5）辅助电动机电路的保护系统

①辅助系统主电路接地保护

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故障且只有一点接地时，可以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，回段后再行处理，或者将故障的辅助变流器切除，机车维持一组辅助变流器供电，回段后再行处理。

②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2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入回路中，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之为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。

③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675V时，四象限整流器门极被封锁，四象限整流器停止输出。

④辅助变流器输入电压的保护

当辅助变流器的输入电压（即辅助绕组的输出电压）低于283V时（即网压低于17.5KV时），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时（即网压高于31.5KV时），过压保护环节动作，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。

⑤110V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215A。

当DF出现熔断后，辅助变流器将通过微机控制系统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，同事微机显示屏也进行相应的故障记录和显示。

2.3.3控制电路

机车的控制系统简称TCMS

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[9]。

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/制动力+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，在外条件具备的前提下，由TCMS发出指令启动、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。

机车的控制电路可以分为以下几个部分：

（1）控制电源电路（DC110V电源装置）

机车控制电源的核心部件是DC110V充电电源模块PSU，具体如图2.4所示

图2.4DC110V充电电源模块电路

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，在通过自动开关分别送到各个支路，如微机控制、机车控制、主变路器、车内照明、车外照明等。

PSU的输入电源来自辅助变流器UA11或UA12的中间回路电源，点UA11或UA12均正常时，由UA12向PSU输入DC750V电源，当UA12故障时，转向有UA11向PSU输入750V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，故障时另一组电源开始供电，每组电源模块的输入电压为DC750V，输出电压为DC1