HD型电力机车牵引电传动系统分析完整版.docx
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HD型电力机车牵引电传动系统分析完整版
HUAsystemofficeroom【HUA16H-TTMS2A-HUAS8Q8-HUAH1688】
HD型电力机车牵引电传动系统分析
毕业设计说明书
课题名称：
HXD1型电力机车牵引电传动系统分析
专业系轨道交通系
班级城轨091
学生姓名李耀双
指导老师邓木生
完成日期2011年12月
2012届毕业设计任务书
一、课题名称：
HXD1型电力机车牵引电传动系统分析
二、指导教师：
邓木生
三、设计内容与要求
课题概述
HXD1型电力机车电传动系统是按AC25kV、50Hz牵引供电制式设计的，并能适应我国铁路接触网电压范围较宽的特点。
两节车各自配备了独立的、相同的电传动系统，它们的网侧电路可通过车顶高压连接器相连，既可固定重联运用，也可解编后各自独立运用，同时还具有外重联功能。
每节机车有一套完整的网侧电路和电传动系统，每节车的电传动系统由一台拥有1个原边绕组、4个牵引绕组和2个二次谐振电抗器的主变压器，通过4个四象限整流器（4QC）向两个独立的中间直流回路充电。
每台转向架上的2台三相异步电动机作为一组负载，由连接在中间直流回路上的1个脉宽调制逆变器供电。
因为两路中间直流回路相互独立，所以整台机车的牵引力有75﹪的冗余，从而提高了机车的可利用率。
中间直流回路还连接有二次谐振电路、过压保护电路和接地检测电路等。
机车采用再生制动，再生制动时机车能量反馈回电网，达到节能的效果。
四象限整流器和PWM逆变器采用水冷IGBT模块。
1.设计内容及要求
内容：
1）HXD1型电力机车介绍
2）牵引系统原理阐述分析
3）分析系统的原理得出是否有不足及相关单位的改进措施，自己的意见和看法。
要求：
1）通过检索文献或其他方式，深入了解设计内容所需要的各种信息
2）按要求撰写毕业设计说明书
四、设计参考书
《HXD1型电力机车》中国铁道出版社主编张曙光
《电力电子技术》高等教育出版社主编徐丽娟
五、设计说明书要求
1、封面
2、目录
3、内容摘要（200~400字左右，中英文）
4、引言
5、正文（设计方案比较与选择，设计方案原理、计算、分析、论证，设计结果的说明及特点）
6、结束语
7、附录（参考文献、图纸、材料清单等）
六、毕业设计进程安排
1.头一周熟悉任务书、确定方案
2．查阅资料，完成设计要求说明及课题内容辅导用时一周
3．五周时间做内容的设计，完成初稿
4．检查，修改，完善毕业设计一周时间
5．准备毕业答辩与综合成绩评定准备一周
七、毕业设计答辩及论文要求
1、毕业设计答辩要求
答辩前三天，每个学生应按时将毕业设计说明书或毕业论文、专题报告等必要资料交指导教师审阅，由指导教师写出审阅意见。
学生答辩时对自述部分应写出书面提纲，内容包括课题的任务、目的和意义，所采用的原始资料或参考文献、设计的基本内容和主要方法、成果结论和评价。
答辩小组质询课题的关键问题，质询与课题密切相关的基本理论、知识、设计与计算方法、实验方法、测试方法，鉴别学生独立工作能力、创新能力。
2、毕业设计论文要求
文字要求:
说明书要求打印（除图纸外），不能手写。
文字通顺，语言流畅，排版合理，无错别字，不允许抄袭。
图纸要求:
按工程制图标准制图，图面整洁，布局合理，线条粗细均匀，圆弧连接光滑，尺寸标注规范，文字注释必须使用工程字书写。
曲线图表要求：
所有曲线、图表、线路图、程序框图、示意图等不准用徒手画，必须按国家规定的标准或工程要求绘制。
摘要
和谐系列货运电力机车是南车集团和北车集团与国外企业合作，引进消化技术，并国产化的新一代交流传动货运机车。
分为每轴1200KW的和谐1、2、3型（1、2型为八轴，3型为六轴），以及六轴，每轴1600KW的和谐1B、2B、3B两代9600KW大功率机车。
设计最高时速均为120km/h。
HXD1型电力机车是干线货运用8轴大功率交流电传动电力机车。
该型机车是中国铁路由中外企业联合研发的交流电传动电力机车产品之一。
本文主要介绍了和谐大功率交流传动机车的牵引电传动，辅助电器和设备布置与通风系统的描述。
详细介绍了牵引传动系统的原理、部件和主要技术参数。
主要包括主电路的工作原理，牵引变压器结构、特点、技术参数，牵引变流器的结构、工作原理、主要技术参数，对变频调速异步牵引电动机的主要结构、特点、技术参数、维护等进行了较为详细的描述。
关键词：
交流传动变压器变流器变频调速
Abstract
HarmonySerieslocomotivesCSRandCNRcooperationwithforeignenterprises,theintroductionofdigestion,andthelocalizationofanewgenerationofACdrivelocomotives.Eachaxisisdividedintotheharmonyof1,2,31200KWtype（types1and2fortheeight-axis,type3forthesix-axis）,andsix-axis,eachaxis1600KWharmony1B,2B,3Bgenerations9600KWpowerlocomotives.Weredesignedmaximumspeedof120km/h.HXD1trunkfreightelectriclocomotiveis8-axishigh-powerACdriveelectriclocomotive.Kind,carsandforeignenterprisesinChinabythejointrail1electriclocomotiveHarmonyACdriveelectriclocomotivedevelopedbyoneoftheproducts.
Thispaperdescribesaharmonioushigh-powerACdriveelectriclocomotivetractiondrives,auxiliaryappliancesandequipmentlayoutandventilationsystemdescription.Describedindetailtheprincipleoftractiondrivesystem,componentsandmaintechnicalparameters.Includingthemaincircuitworks,tractiontransformerstructure,characteristics,technicalparameters,tractionconverterstructure,workingprinciple,themaintechnicalparametersoftheinverter-driveninductiontractionmotorofthemainstructure,characteristics,technicalparameters,maintenance,etc.amoredetaileddescription.
Keyword:
ACdriveTransformerConverterFrequency
第一章引言……………………………………………………7
第二章HXD1型电力机车概述…………………………………8
第三章辅助电气系统…………………………………………12
3.1概述…………………………………………………………………………12
3.2辅助电路……………………………………………………………………12
3.3辅助变压器…………………………………………………………………15
第四章主电路分析……………………………………………18
4.1机车的单节车主电路结构…………………………………………………18
4.2四象限整流电路…………………………………………………………22
4.3牵引电机……………………………………………………………………26
第五章交流传动HXD1电力机车谐振原因分析与对策……30
5.1电力机车PWM四象限交流器动态模型的建立………………………………30
5.3数据测试与结果分析………………………………………………………36
5.2谐振产生的原因……………………………………………………………36
5.4试验结果分析………………………………………………………………39
5.5解决振荡的原因……………………………………………………………42
第六章毕业设计制作心得体会………………………………44
参考文献………………………………………………………48
附录（材料、图纸）……………………………………………49
第１章引言
HXD1型电力机车项目从2004年开始启动，2007年完成型式试验，并交付使用和实现了大批量生产。
截至2008年11月，株洲电力机车有限公司已累计批量生产180台机车并全部交付机务段，总运行公里数约2452万km，现已担任大秦线的货运任务，运行状况良好。
实现了大秦线开行2万t重载货物列车的目标，为大秦线实现3.5亿t运量乃至更高运量打下了坚实的技术基础，并进一步验证2万t重载组合列车的可行性和适应性，使国内运营线路大幅提高运力成为可能。
自2006年以来，和谐型大功率交流传动机车诞生及批量投入运用，标志着我国铁路机车行业成功实现了由直流传动向交流传动的转化，机车技术平台达到世界先进水平，机车装备现代化和机车装备制造业现代化发展迈入了新的历史阶段。
和谐型大功率交流传动机车具有牵引性能优越、功率大、黏着利用率高、启动加速性能好、可靠性高、节能减排好等特点，代表了世界先进铁路机车技术发展方向。
以和谐型系列大功率交流传动电力机车为亮点的铁路重载货物运输，显着地释放了运输能力，在既有繁忙干线实现了单机牵引5500至6000吨重载列车，在大同到秦皇岛煤炭运输专用线上实现了单机牵引1万吨、双机牵引2万吨重载列车，有力地促进了国民经济的发展。
在铁道部提出“快速扩充铁路运输能力，快速提升技术装备水平，加快实现铁路现代化”的发展思路和“先进、成熟、经济、适用、可靠”的方针的指引下，我国铁路机车制造业开发研制了和谐型系列大功率交流传动电力机车和内燃机车，其中包括单轴功率1200千瓦的六轴、八轴货运电力机车和单轴功率1600千瓦的六轴货运电力机车，以及6000马力、低排放内燃机车。
和谐型大功率交流传动电力机车和内燃机车在系统集成技术、交流传动技术、网络控制技术、重载车体与转向架技术、重载制动技术、人机工程技术、节能环保技术以及大功率电喷控制柴油机技术等方面达到了世界先进水平。
第二章HXD1型电力机车概述
2.1HXD1型电力机车总体概述
HXD1型电力机车是一种8轴双节重连重载交流传动电力机车。
整车最大轮周牵引/电制动功率9600kW/h，最高试验速度132km/h运营速度120km/h。
这款机车是由中外公司共同研发的产品之一，在被命名为“和谐”型以前，被称为DJ4，当中DJ4共有两个款式，第一款是由株洲电力机车及德国西门子研发，编号由0001起；另一款则由大同电力机车及法国阿尔斯通研发，编号由6001起。
两款机车均采用交流牵引电动机，使用交直交传动及双机重联，单机轴式为Bo-Bo，即前后各一个两轴转向架。
DJ4机车系八轴双节机车，轴式为Bo'Bo'+Bo’Bo’。
机车设计为重联牵引：
最多为两台双节机车重联，或者作为一个LOCOTROL牵引组合，由两台双节机车、列车、两台双节机车组合而成。
一台DJ4双节机车始终至少包括两个单节机车并以重联模式运行。
根据方向手柄的位置，一个单节机车被选定为本务机车、另一单节机车为从控机车。
2004底2005年初，中国铁路为提高大秦运煤专线的运能，同时也为促进铁路装备技术的现代化，2004年12月分别同株洲电力机车有限公司－西门子联合体，大同电力机车有限公司－阿尔斯通联合体各签订了180台（360节）采用欧洲技术的8轴大功率交流传动电力机车HXD1型电力机车，合同总值73.4亿元人民币。
这款机车以EuroSprinter系列作为技术平台，采用SIBAS32控制系统、SIBAC180014SP2ST01型IGBT功率模块牵引逆变器、MVB及WTB等技术。
受电弓使用株洲九方电器设备制造的TSG15型，其技术由西门子旗下的MWW公司提供。
株洲电力机车有限公司－西门子联合体的HXD1项目，分为两个阶段，第一阶段48台机车为散件国内组装阶段；第二阶段的132台机车为国产化阶段。
项目中西门子为技术支持方，所有180台机车均在中国南方机车车辆集团株洲电力机车有限公司进行生产制造。
HXD1机车是在西门子的“欧洲短跑手”机车平台上，结合其DJ1在中国大秦线上的运用经验而研制的一款适用于中国干线铁路重载货运的新型机车，其在设计中尤其考虑到了大秦运煤专线的特殊环境。
这些大功率机车主要会用于牵引货运列车上，届时会是全球最大功率的交传货运电力机车，株洲制造的首辆机车已于2006年11月8日出厂，编号为DJ40001A及0001B。
在出厂初期，媒体曾称之为“神龙号”。
首两组机车在出厂后不久，其型号被改称为“和谐型”（HXD），编号也改为HXD10xxx。
这些机车全数均用于大秦铁路，牵引运煤货物列车。
截至2007年年底，株洲厂共造出120多台HXD1型机车，其中2007年度出厂的有110台。
铁道部于2007年8月18日再与株洲及西门子签约，订购500辆六轴版本的EuroSprinter电力机车，合同总值超过3.34亿欧元。
新车型号被定为HXD1B型。
技术特点：
1主电路形式：
机车采用交-直-交电传动技术，每节车配装一台水冷IGBT变流器，给四台三相异步动机供电，辅助逆变器集成在主变流器中；
2控制系统：
采用西门子SIBAS32系列的微机控制，TCN网络通讯技术；
3车体采用中央梁承载方式；
4采用独立通风方式；
5转向架，采用低位牵引杆，基础制动采用轮盘制动；
6空气制动系统采用CCBII制动系统,电制动采用再生制动；
7机车具有外重联控制功能，司机可以在一个司机室对两台重联机车进行控制；
8根据铁道部要求，机车装有LOCOTROL远程重联控制系统，适合于多机分布式重载牵引；
9根据用户的需要，车上装备卫生间、床等必要的生活设施。
机车的主要参数：
动力种类电力
车辆设计西门子
车辆建造株洲电力机车
型号DJ4/HXD1
建造年份2006年—2008年
总产量180
UIC轴式Bo'Bo'+Bo'Bo'
轨距1435mm
轮径1250mm
长度35222mm（车钩中心距）
轴重23/25t
电力系统AC25kV50Hz
牵引电动机1TB2624-0TD02x8
最高速度120km/h
输出功率9600kW
牵引力700/760kN（起动）
494/532kN（持续）
服役于大秦铁路
编号HXD10001-HXD10180
2.2设备布置概述
机车设备采用模块化的结构，以便有效地缩短组装时间，使系统和部件能独立的在机车外进行预组装和预试验。
车顶有4块可拆卸的活动顶盖,机车车顶高压电器集中安装在靠近后端的一块活动顶盖和后端墙上固定顶盖上,这些设备为受电弓、主断路器、高压接地开关、高压电压互感器、避雷器、高压隔离开关、高压穿墙套管、高压连接器、及车顶支撑绝缘子。
而通讯用的天线设备分别安装在司机室顶和其它几块活动顶盖上。
机械间设备布置图
机械间设备布置图
主变压器采用卧式悬挂，并与机车蓄电池柜一起吊装在机车两转向架之间的底架上。
车顶高压电器集中安装在靠后端的一块活动顶盖和后端墙上固定顶盖上，这些设备包括：
受电弓、主断路器、高压接地开关、高压电器互感器、避雷器、高压隔离开关、高压穿墙套管、高压连接器及车顶支撑绝缘子。
通讯用的天线设备分别安装在司机室顶和其它几块活动顶盖上。
司机室的设备布置符合规范化司机室的要求，同时适应于单司机操纵。
两端司机室采用相同布置。
在司机室的左右两侧布置符合UIC标准的司机座椅，右侧为主司机驾驶位，所操控设备均设置在主司机侧、主要的仪表和显示屏也布置在住司机侧。
司机左右侧台面为制动控制器，右手侧为司机控制器，从左至右，仪表盘分布为制动显示屏、监控显示屏、速度表、力矩表、机车微机显示屏、通讯显示屏、和压力表等。
显示屏自带加热装置，可以在-40℃时加热启动。
司机室内布置有调节室内空气条件的空调，空调安装在司机右手侧的台面下，空调的控制面板安装在司机右手侧的柜门上。
在司机台面的正下方布置有司机脚踏，脚踏板的高度可以调节，满足不同身高司机的要求。
在主司机侧和副司机侧的柜门上布置有烟灰盒和茶杯托架，副司机侧后墙柜内布置有电热炉等生活设施。
司机室后侧设有两个司机室后墙柜，两套CCU装置及常用保护开关、转换开关和按钮安装在司机侧后墙内。
每个司机室侧面设有两个带联动锁的入口门，以及上下启动的活动侧窗，在前窗还布置有遮阳帘。
司机室后墙设有通往机械室的门。
第三章辅助电气系统
3.1概述
为保证机车正常功能发挥和提供舒适的司乘环境，HXD1型电力机车配备了相应的辅助机组和辅助设施，构成了辅助电气系统。
按每个辅助机组/辅助设施的使用要求，辅助电气系统分成下面4个负载组：
（1）三项变频变压支路，负载包括4个牵引通风机组和1个冷却塔通风机组。
（2）440V，60Hz三相恒频恒压支路，负载有压缩机、水泵、油泵、空调、蓄电池和充电机、440V/230V变压器等。
（3）230V,60Hz单/三相交流支路负载包括电炉、前窗玻璃加热器、屏柜加热器等。
（4）直流负载支路，负载包括照明灯、辅助压缩机、冰箱、230V/60Hz电脑电源等。
HXD1型电力机车辅助电气系统由集成在牵引变流器内的辅助逆变器供电。
两个辅助逆变器分别从牵引变流器的一路中间直流环节取电，通过滤波变压器和一组滤波电容器滤波后向两个三相支路供电。
230V/60Hz单相交流支路由一个440V/230V变压器从三相恒频恒压支路取电。
直流负载支路由蓄电池充电机供电。
除卫生间、微波炉、冰箱等生活设施全车只有一套外，HXD1型电力机车的两节车具有完全相同的辅助电气系统。
3.2辅助电路
HXD1型电力机车的两个辅助逆变器集成在牵引变流器中，分别由一路中间直流回路供电，在正常状况下，这两个辅助逆变器一个工作在变频变压模式，一个工作在恒频恒压模式。
辅助逆变器供电采用冗余设计，两个辅助逆变器的输出接触器之后设置了一个故障转换用的接触器，当一个辅助逆变器出现故障时，系统重新配置，故障辅助逆变器后面的输出接触器断开，故障转换用接触器闭合，另一个辅助逆变器将承担所有负载。
此时所有辅助设备都以恒频恒压方式工作，负载投入不受限制。
每个辅助逆变器后接有一个辅助变压器和一组滤液电容器。
辅助电气系统结构图
变频变压支路的滤波电容器固定连接在辅助变压器之后，共同将辅助逆变器提供的含有大量谐波的三相变频电源降压滤波后供给4个牵引风机电机和一个冷却塔风机电机。
滤波电容器后电路电压为三相机电机。
滤波电容器后电路电压为三相AC80V/10Hz~440V/60Hz，U/f曲线。
恒频恒压支路的滤波电容器通过一个三相接触器连接在辅助变压器之后，在机车升弓收电状态下该接触器都是闭合的。
滤波电容器后电路电压为三相AC440V60Hz。
该支路的负载有变压器油泵、牵引变流器水泵、机械间风机电机、空调、司机室后墙加热器、制动柜加热器、主压缩机、三相AC440V/230V变压器和蓄电池充电机等。
在库内供电和库内动车时恒频恒压支路的滤波电容器不投入，即它的投入接触器是断开的。
库内三相380V电源通过机车两侧的库用插座引入，经过熔断器和输出接触器连接在恒频恒压支路上。
为保证库内电源引入机车时相序正确，在每个输入接触器前设置了一个相序继电器，只有当输入的相序正确后输入接触器才能闭合。
库内动车时辅助变压器的输出接触器断开，通过与输出接触器并联的限流电阻将库内电源经辅助变压器、辅助逆变器引入到主变流器中的中间直流贿赂，讲中间直流回路充电至大约500V。
然后通过PWM逆变器给牵引电机供电，足以驱动机车以月5km/h的速度运行。
此时机车由司机台的主控制器进行操纵。
两个辅助变压器也进行了冗余设计，在各自的输出接触器之后也设置了一个故障转换用接触器，当一个辅助变压器出现故障时，系统重新配置，故障辅助逆变器也停止工作，另一个辅助变压器将同时承担故障变压器所带负载。
此时所有辅助设备都以恒频恒压方式工作，此时负载投入要受辅助变压器容量的限制，具体限制投入的负载会在微机屏上提示。
230V，60Hz单/三相交流支路负载有电炉（插座）、微波炉、前窗玻璃加热器、低压柜加热器和信号柜加热器、低压柜风机电机、8个撒砂加热器、空调润滑油加热器、两个后墙加热器风扇等.
直流负载支路有8个机械间照明灯、2套司机室顶棚灯、辅助压缩机、冰箱、230V/50Hz电脑电源、头灯和辅照灯/标志灯用24V电源等。
库内电源输出采用熔断器保护，所有三相负载都采用西门子3VU系列自动开关进行过流和缺项保护，单相负载采用西门子5SX系列自动开关进行过流保护。
同时在三相变频变压支路、440V60Hz三相恒频恒压支路和230V60Hz单/三相交流支路各使用一个接地检测装置完成辅助电气系统的接地保护，采用“直流叠加法”原理测量被测电路对地绝缘电阻，通过电阻值大小来判断电路是否接地。
辅助电路保护措施:
序
保护项目
保护部件
保护措施
1
牵引风机缺相保护试验
三相断路器
辅助系统启动后，三相断路器如果断开，在显示器上有三相断路器的状态和故障信息：
TPCB断开的信息，相应逆变器封锁，机车可以继续运行。
2
牵引风机短路保护试验
三相断路器
辅助系统启动后，三相断路器如果断开，在显示器上有三相断路器的状态和故障信息：
TPCB断开的信息，相应逆变器封锁，机车可以继续运行。
3
油水冷却塔风机缺相保护试验
三相断路器
辅助系统启动后，三相断路器断开，在显示器上有三相断路器的状态和故障信息：
TPCB断开的信息，机车可以继续运行。
4
油水冷却塔风机短路保护试验
三相断路器
辅助系统启动后，三相断路器如果断开，在显示器上有三相断路器的状态和故障信息：
TPCB断开的信息，机车可以继续运行。
5
主压缩机缺相保护试验
三相断路器
辅助系统启动后，三相断路器如果断开，在显示器上有三相断路器的状态和故障信息：
TPCB断开的信息，机车可以继续运行。
6
主压缩机短路保护试验
三相断路器
辅助系统启动后，三相断路器如果断开，在显示器上有三相断路器的状态和故障信息。
7
油泵缺相保护试验
三相断路器
辅助系统启动后，三相断路器如果断开，在显示器上有三相断路器的状态和故障信息。
8
油泵短路保护试验
三相断路器
辅助系统启动后，三相断路器如果断开，在显示器上有三相断路器的状态和故障信息。
9
水泵缺相保护试验
三相断路
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