HXD3主电路分析与研究.pdf

目录摘要.1一、绪 论.2二、H XD3电 力机车 主电 路 设 计.31.主电 路 及其部 件的 设 计.3三、H XD3电 力机车 主传动系 统 的 设 计 研 究.61.H XD3电 力机车 的 基本技术要 求.62.H XD3电 力机车 主传动系 统 参数及容量 的 确 定.93.牵 引变流器系 统 的 基本结 构及保护策 略.124.牵 引变流器的 冷却系 统.15四、主变压器系 统 的 设 计.161.特 点.162.主要 技术数据.173.结 构.174.部 件.19参考 文献.19致 谢.20附 件.21湖南铁 路 科 技职 业技术学院HXD3型电 力机车 主电 路 分析与研 究摘要本文首 先对H XD 3型电 力机车 电 气系 统 的 组 成做了简 要 的 阐 述，对部 分主电 路、控制电 路 分类 做了分析，并对其中的 关键 电 气部 件做了说 明;本文的 重 点是 结 合H XD3电 力机车，对交流传动技术在机车 上的 应用 进 行 了分析研 究，对H XD3 电 力机车 的 交流主传动系 统 的 构成、功能、特 点等 进 行 了分类 研 究 和归纳 总结;文章 最后对电 力机车 主变压器进 行 了简 单的 归纳 和简 单的 分析。关键词:H XD3电 力机车;主电 路;交流主传动系 统；第1页 共21页湖南铁 路 科 技职 业技术学院 HXD3型电 力机车 主电 路 分析与研 究一、绪 论H XD3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。(1)采 用 世界 上成熟 的 交流传动技术机车 主传动采 用 日本东芝 公司研 制的 交流传动控制技术。主要 有大功率 水冷 IG BT变流器控制技术、交流牵 引电 动机的 矢 量 控制技术、机车 转 向架单轴 控制 技术和高 粘 着 控制技术。(2)机车 采 用 微机控制和网 络 控制机车 控制采 用TOSH IBA公司成熟 的，在机车、动车 上使用 的 微机控制和监 测技术采 用 分布式控制网 络。机车 控制系 统 主要 分为机车 控制级 和变流器控制 级，它们之间 通 过 网 络 进 行 信息传递。(3)采 用 国内成熟 的 机车 安全综 合信息监 控系 统为了保证 机车 在中国广大铁 路 上的 运 行,采 用 铁 道 部 统 一的 机车 安全综 合信 息监 控系 统。(4)采 用 国内成熟 的 空 电 联 合制动技术。为了保证 在长 大坡道 运 行 的 安全需 要，保证 列车 制动的 可靠 性，充分发挥大 功率 电 力机车 的 优势，机车 上采 用 了空 电 联 合制动。H XD3电 力机车 主传动系 统 采 用 了三相 交流异步牵 引技术，IG BT水冷牵 引变 流机在主传动系 统 的 方案设 计 中，考 虑 使用 现 代机车 技术成就的 同时，还 应特 别 关注经 济和环 境问 题 的 特 点。机车 主传动系 统 首 先必须 满足 用 户的 运 输 要 求，具 体地说，就是使主传动系 统 的 输 出特 性覆 盖 用 户所提的 牵 引和制动特 性；在最佳 地利用 轮 轨 间 粘 着 的 情况下，高 效、可靠 地在每一个运 行 速 度点上，发出所需 要 的 牵 引力或制动力。设 计 中，还 对下列几个方面 予以特 别的 关注：设 备的 寿命周期费 用 尽量 低；要 求机车 车 辆 维 修方便，尽可能 达 到不停运 维 修。采 用 经 过 预 试 验 和考 核的 标准化模块和系 统，以减低成本，提高 运 行 可靠 性。目 前电 力电 子技术的 更新周期大约 为5年左右，为了新型元件的 代用，要 合理 地配 置 变流器的 接口，如：机械的、电 气的 和冷却循环 的 接口。第2页 共21页湖南铁 路 科 技职 业技术学院BXD3型电 力机车 主电 路 分析与研 究二、HXD3电 力机车 主电 路 设 计交流传动系 统 的 构成如图2.1电 力电 子技术 模型问 题U、I、n反馈 闭 环 控制电 压等 级 分别组 成现 代控制采 用PWM方式图2.1交流传动系 统 的 构成H XD3电 力机车 上各种 电 机、电 器设 备按其功能 和作用、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 一磁、电 一机、电 一空 等 联 系 起 来，对机车 进 行 控制。1主电 路 及其部 件的 设 计见 图附 件一：H XD3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 气设 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。具体电 路 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，由 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 变器等 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 电 能 向机械能 的 转 换，变为机车 的 牵 引力和速 度。机车 制动工况时，则进 行 与上述 相 反的 转 换。这 时电 动机在发电 机状 态下工 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 变器工作。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 单轴 独 立 控制方式，机车 的 单轴 输 出功率 达1200kWo现 将各电 路 的 作用 分述 如下：(1)网 侧电 路第3页 共21页湖南铁 路 科 技职 业技术学院 HXD3型电 力机车 主电 路 分析与研 究网 侧电 路 由2台受电 弓、2台高 压隔 离 开关、1个高 压电 流互感器、1个 高 压电 压互感器、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API或AP2从接触 网 受流，经 高 压隔 离 开关QS1或QS2 和主断路 器QF 1,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。受电 弓采 用DSA型受电 弓。该 弓采 用 原装 德国进 口件，在国内组 装。各项 性能 指 标均高 于国内同类 产品，弓内装 有自 动降 弓装 置，当弓网 故障 时，可自 动降 弓保 护。高 压隔 离 开关采 用 目 前国内成熟 产品，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 的 受电 弓，由 另一台受电 弓维 持机车 维 持运 行，以减少机破 故障，提高 机车 运 用 可靠 性。高 压电 压互感器采 用 新设 计 的 干式高 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 可作为原 边 电 压的 检测和为电 度表 的 计 量 提供电 压输 入。主断路 器采 用 原装 进 口真 空 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 于故障 电 流增长 快、电 流大，因此要 求断路 器在尽可能 短 的 时间 内动作，并能 开断极大的 短 路 电 流。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。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。高 压接地开关在机车 停电 进 行 高 压设 备或需 上车 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。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 第4页 共21页湖南铁 路 科 技职 业技术学院 HXD3型电 力机车 主电 路 分析与研 究于微机显示 屏显示。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)主变压器主变压器的 六个1450V牵 引绕 组 分别用 于两套牵 引变流器的 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 牵 引变流器的 构成牵 引变流器UM1内部 可以看 成由3个独 立 的 整流一中间 电 路 一逆 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 路、1个PWM逆 变器、2个输 出电 流互感器等 组 成。3个 整流一中间 电 路 一逆 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 动切除，剩余单元可继 续 工作。牵 引变流器工作原理在变流器的 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 形成短 路,，会形成很大的 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 支撑 电 容继 续 充电，直 至2800Vo整个充电 过 程 完成后，逆 变器可以投入工作。在再生 制动时，逆 变器工作在整流状 态，整流器工作在逆 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 和监 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IG BT和限 流电 阻 组 成。当支撑 电 容上的 中间 电 压超 过 允许 电 压范 围时，IG BT元件导通，通 过 限 流电 阻 放电，以使中间 电 压保持在允许 的 电 压值内。牵 引电 动机供电 电 路机车 的 牵 引电 动机Ml3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 独 立 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 的 负 载 分配 不均匀，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。当一台机组 故障 时，只须 切除 一台机组，机车 仍能 保持六分之五的 牵 引动力。第5页 共21页湖南铁 路 科 技职 业技术学院 HXD3型电 力机车 主电 路 分析与研 究(4)保护电 路 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 实施封锁 保护。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，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，使保护装 置 动作，去开断主断路 器。可以通 过 接地故障 的 转 换开关，实施对接地保护的 隔 离。每一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。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。(5)其他 电 能 的 计 量机车 上装 有2块电 度表，分别计 量 机车 牵 引、再生 制动时的 电 能，电 度表 由 原边 低压电 流互感器和高 压电 压互感器提供电 流、电 压信号。库内动车机车 库内动车 时，由 单相 低压库用 电 源供电。库用 电 源通 过 单相 插座送 到二 位或五位牵 引电 动机的 四象 限 整流器的 输 入端，由 于电 压低，不用 考 虑 电 流冲击。此时，四象 限 整流器按桥式全波整流工作，整流电 压处于较 低的 数值，由 逆 变器 输 出较 低频 率 的 电 压，驱 动牵 引电 动机以低速 运 行，完成机车 的 库内动车。机 车 共设 置 两个主电 路 入库插座和主电 路 入库转 换开关，方便机车 库内动车 的 需 要。三、HXD3电 力机车 主传动系 统 的 设 计 研 究1、HXD3电 力机车 的 基本技术要 求根据铁 道 部 科 技司对H XD3电 力机车 下达 的 设 计 任务书的 要 求，机车 主要 牵 引性能 参数如下：电 流制 单相 交流50H z额 定电 压 25kV第6页 共21页湖南铁 路 科 技职 业技术学院BXD3型电 力机车 主电 路 分析与研 究在22.5kV31kV之间 时，机车 能 发挥额 定功率，在22.5kV17.5kV和 17.5kV17.2kV范 围内机车 功率 按不同斜率 线 性下降，在17.2kV时功率 为零;在31kV31.3kV范 围内机车 功率 线 性下降 至 零，如图3.1所示。图3.1机车 功率 随 网 压波动图电 传动方式交_直 _交传动持续 功率7200kW机车 速 度：持续 制速 度70km/h（23t 轴 重）65km/h（25t 轴 重）最高 速 度120km/h起 动牵 引力520kN（23t 轴 重）570kN（25t 轴 重）持续 牵 引力（半磨 耗 轮）370kN（23t 轴 重）400kN（25t 轴 重）恒功率 速 度范 围65km/h120km/h（25t 轴 重）70km/h120km/h（23t 轴 重）电 制动方式再生 制动电 制动功率7200kW（70km/h120km/h）（23t 轴 重）7200kW（65km/h120km/h）（25t 轴 重）最大电 制动力370kN（15km/h70km/h）（23 轴 重）400kN（15km/h65km/h）（25t 轴 重）轨 距1435tniD轴 式CO-CO机车 总重138t%t（23t 轴 重）第7页 共21页湖南铁 路 科 技职 业技术学院HXD3型电 力机车 主电 路 分析与研 究150t%t（25t 轴 重）轴 重 23+2t受电 弓落 下时，滑板顶 面 距 轨 面 高 度 477530mm受电 弓滑板距 轨 面 的 工作范 围 52006500mm功率 因数（当机车 发挥10%及以上额 定功率 时）N0.98额 定功率 时，机车 在持续 制牵 引工况下，在距 牵 引变电 所10km处测量W2.5A额 定网 压下，在牵 引工况发挥持续 功率 时的 机车 总效率NO.85机车 采 用 微机网 络 控制系 统 机车 能 以5km/h速 度安全通 过 半径为125m 的 曲线，并能 在半径250m的 曲线 上进 行 正常摘挂作业。机车 单机以120km/h速 度于平直 道 上施行 紧 急空 气制动时，最大制动距 离W800m（23t 轴 重）W900m（25t 轴 重）机车 牵 引特 性：采 用 恒牵 引力、准恒速 特 性控制，牵 引控制司机控制器手 柄为13级，级 间 能 平滑调 节，如图3.2所示。图3.2牵 引特 性控制曲线（25t轴 重）第8页 共21页湖南铁 路 科 技职 业技术学院 HXD3型电 力机车 主电 路 分析与研 究机车 制动特 性：采 用 恒制动力、准恒速 特 性控制，制动控制司机控制器手为 12级，级 间 能 平滑调 节，如图3.3所示F(kN)图3.3制动特 性控制曲线（25t轴 重）2、HXD3电 力机车 主传动系 统 参数及容量 的 确 定（1）异步牵 引电 机的 容量 和参数确 定机车 的 负 载 是不断变化的 负 载，他随 线 路 坡道、列车 的 编 组 质 量、列车 的 运 行 速 度的 变化而 变化。因而 异步牵 引电 机的 负 载 也在不断变化。为了考 核机车 的 输 出，首 先必须 考 核牵 引电 动机的 额 定容量。电 动机的 额 定功率 受绝 缘 材料允许 温升的 限 制，他是指电 动机在额 定的 电 压、电 流、频 率 和通 风 条件下，达 到稳 定 温升所能 输 出的 功率。电 机的 绕 组 绝 缘 材料允许 的 温升越 高，意味着 同样结 构的 电 机可输 出的 功率 越 大,H XD3电 力机车 的 牵 引电 机采 用 的 是200级 绝 缘 材料。牵 引电 机的 温升还 取决于电 机中的 损耗，由 于H XD3电 力机车 的 牵 引电 机由 逆 变 器供电，在流入牵 引电 机的 电 流中，有大量 的 谐 波电 流，这 些谐 波电 流会在电 机 中产生 附 加损耗。因而 牵 引电 机的 额 定容量 与变流器的 输 出有关。综 上所述，牵 引电 机的 额 定容量，在很大程 度上受到逆 变器的 供电 质 量、冷却效果以及牵 引 电 机本身 选 用 的 绝 缘 材料制约。按照机车 持续 功率 为7200KW,车 轮 直 径为1250mm（新轮）或1200mm（半 磨 耗），牵 引齿 轮 传动比为101/21（刚性、单侧、直 齿），并根据六轴 牵 引模式 下，机车 在6%。坡道 上牵 引5000t货 物 时，可加速 到120 km/h的 要 求，可确 定 异步牵 引电 机的 参数如下：持续 功率 1250kW额 定电 压 2150V额 定电 流 390A第9页 共21页湖南铁 路 科 技职 业技术学院HXD3型电 力机车 主电 路 分析与研 究额 定频 率 额 定转 速 最高 转 速 极数功率 因数 额 定效率 绝 缘 等 级 冷却方式 通 风 量35H z1365(r/min)3195r/min40.995%200级强迫 风 冷96m3/min(静 风 压 1800Pa)异步牵 引电 机的 上述 参数可满足H XD3电 力机车 要 求的 总参数的 需 求。(2)牵 引变流器的 容量 和参数设 计一台变流器的 容量 由 它可能 输 出的 最大电 流和最高 电 压的 乘积 来表 示，主要 受半导体器件中允许 的 最高 结 温和电 场强度所限 制。结 温与变流器的 冷却方式 有关，因为半导体器件的 热容量 很小，因此元器件的 选 定，还 必须 考 虑 短 路 电 流 的 影响。对于机车 这 种 特 定的 应用 对象，变流器的 最大输 出电 流，往往出现 在机 车 启动时。随 着 速 度的 提高，变流器的 输 出电 流逐 渐减小，即使电 动机的 输 出功 率 达 到额 定功率，变流器的 输 出电 流也比启动时小。变流器与牵 引电 机容量 的 合理 匹配 通 常是指机车 在运 行 过 程 中能 较 好地发 挥各自 的 设 计 容量。H XD3电 力机车 的 牵 引特 性曲线 可以分成2个区：即从启动 到额 定速 度VN的 恒力矩 区，以及从额 定速 度到最高 速 度Vmax的 恒功区。在恒 力矩 区，变流器的 输 出u/f近 似为常数；在恒功区，牵 引电 机工作在磁 场削弱 工况。因此在不同的 工况，对逆 变器和牵 引电 机的 要 求也就不同。H XD3电 力机 车 又是重 载 货 运 电 力机车，因此变流器的 容量 应按启动时的 最大电 流Imax和满 功率 输 出时，最高 速 度下的 最高 电 压Umax进 行 设 计，其主要 技术参数如下：四象 限 整流器在早期的 相 控机车 中，使用 相 控整流器，其最大的 缺 点是功率 因数低、谐 波 电 流大。目 前，在交流传动机车 中，已被 四象 限 整流器所取代。H XD3电 力机车 四象 限 整流器单元模块如图3.4所示。主要 技术参数如下：四象 限 整流器的 主要 技术参数如下：额 定输 入电 压 1450V额 定输 入频 率 50H z元件类 型：IG BT(4500V、900A)两个并联每个单元模块重 量 35kg第10页 共21页湖南铁 路 科 技职 业技术学院HXD3型电 力机车 主电 路 分析与研 究图3.4四象 限 整流器的 元件模块PWM逆 变器H XD3电 力机车PWM逆 变器单元模块如图3.5所示。主要 技术参数如下:额 定输 入电 压额 定输 出电 压最大输 出电 流最高 输 出频 率元件类 型：每个单元模块重 量2800VDC2150V520A120H zIG BT(4500V、900A)21kg图3.5 PWM逆 变器的 元件模块H XD3电 力机车 主传动系 统 的 能 量 变换过 程H XD3电 力机车 主电 路 由 网 侧电 路、主变压器、牵 引变流器、牵 引电 动机和 库内动车 电 路 等 组 成。整车 主电 路 经 过 以上环 节 变换，实现 能 量 的 转 换：在牵 引 工况时，四象 限 整流器是一个整流器，将电 网 的 交流电 整成直 流电，再通 过 中间 直 流环 节 和牵 引逆 变器，将中间 直 流电 压逆 变成交流电，供电 给 交流异步电 动机,机车 完成将电 网 的 电 能 转 换成机车 机械能 的 过 程；在再生 制动工况时，牵 引逆 变 第11页 共21页湖南铁 路 科 技职 业技术学院 HXD3型电 力机车 主电 路 分析与研 究器将按整流器运 行，把牵 引电 机发出的 交流电，整流成中间 直 流电 压，而 四象 限 整流器变成逆 变器，将中间 直 流电 压逆 变成交流电 回馈 给 电 网，机车 完成了将列 车 的 动能 转 换成电 网 电 能 的 过 程。3牵 引变流器系 统 的 基本结 构及保护策 略H XD3电 力机车 装 有两个变流器机箱，每一变流器机箱 内含有3组 牵 引变流 器和一组 辅 助变流器。使其结 构紧 凑，便于设 备安装。牵 引变流器由 四象 限 整流器、中间 直 流电 路、牵 引变流器几部 分组 成，每一 部 分的 基本结 构及工作原理 如下：(1)四象 限 整流器四象 限 脉 冲整流器的 作用 是向电 机侧逆 变器提供一个相 匹配 的 恒定的 直 流 电 压源。他由 四象 限 前级 电 路 和四象 限 脉 冲整流电 路 两部 分组 成。四象 限 前级 电 路 由 充电 电 阻、充电 接触 器、工作接触 器构成。在牵 引变流器工作前，牵 引变流 器的 控制装 置 根据微机控制监 视 系 统 来的 信号，先闭 合充电 接触 器，经 过 充电 电 阻 限 流，四象 限 脉 冲整流向中间 直 流回路 充电，建立 初始电 压。接入充电 电 阻 的 目 的 是减少四象 限 脉 冲整流器的 电 流冲击。当检测到中间 电 压到一定值后，闭 合 线 路 接触 器，继 续 向直 流环 节 充电，利用 脉 冲调 制电 流控制技术，控制整流器的 输 出电 压稳 定在直 流2800V,通 过 调 整脉 冲调 制角，使交流侧电 流、电 压为同相 位，从而 使整流器的 功率 因数接近lo(2)中间 直 流电 路中间 直 流电 路 是四象 限 整流器和电 机侧逆 变器之间 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，主要 表 现 为：在网 侧整流器和电 机侧逆 变器之间 实现 瞬 时功率 平衡;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；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；如果脉 动过 大，谐 波电 压可 能 会被 变流器调 制到电 源或电 机电 路 中，从而 引起 振荡，严重 时甚 至 会干扰系 统 正常工作，加剧系 统 谐 波电 压或电 流。总之，中间 直 流电 路 是保证 交一直 一交系 统 正常工作的 一个重 要 环 节。中间 直 流电 路 的 储能 器有两种 形式。对于电 流型 逆 变器，采 用 感性储能 器，在再生 制动时，中间 电 路 电 流方向不变而 电 压极性改 变；对于电 压型逆 变器，采 用 容性储能 器，中间 电 路 电 压极性不变而 电 流方向改 变。H XD3电 力机车 采 用 的 是电 压型逆 变器，中间 直 流电 路 由 中间 电 压支撑电 容、瞬 时过 电 压限 制电 路、主接地保护电 路 和中间 电 压测量 电 路 组 成。与欧洲的 电 力 机车 不同，H XD3电 力机车 取消了二次滤波回路，通 过 控制策 略 来消除 二次滤波 第12页 共21页湖南铁 路 科 技职 业技术学院 HXD3型电 力机车 主电 路 分析与研 究电 压的 影响。中间 电 压支撑电 容主要 起 稳 定中间 回路 电 压，同时可对四象 限 脉 冲整流器 和逆 变器产生 的 高 次谐 波进 行 滤波。瞬 时过 电 压限 制电 路 由IG BT元件、限 流电 阻、中间 电 压测量 电 路 组 成。通 过 电 压传感器对牵 引变流器中间 回路 的 电 压进 行 监 测，保证 牵 引变流器中间 电 压 维 持在正常许 用 值范 围内。当由 于某种 原因造 成中间 回路 电 压升高 而 过 压时，瞬 时过 电 压限 制电 路 的IG BT将导通，直 流回路 能 量 经 限 流电 阻 放电 和释 放，消除 过 电 压。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。(3)牵 引逆 变器牵 引逆 变器即电 机侧变流器，从负 载 来看，它可分为电 压型和电 流型两种。电 压型变流器由 直 流电 压中间 电 路 供给 一个恒定的 直 流电 压，其元件过 电 压的 可 能 性较 小，但由 于中间 电 路 的 内阻 小，负 载 的 故障 和换流失败，易引起 过 电 流。再生 制动时，为了使电 流反向，与晶闸 管 反向并联 了二极管，因此晶闸 管 毋需 反 向耐 压；电 流型变流器由 直 流电 流中间 电 路 供给 一个恒定的 直 流电 流，由 于通 常 将电 感串联 在中间 电 路 中，有较 大的 阻 抗，半导体器件一般 不会产生 过 电 流，但 容易产生 过 电 压。再生 制动，电 压方向改变，毋需 反并联 二极管。就电 流型变流 器和电 压型变流器相 比较，在大功率 牵 引领 域，以电 压型变流器为主。H XD3电 力机车 的 牵 引变流器即为电 压型，其电 路 是由IG BT元件组 成的 PWM逆 变单元组 成，该 逆 变器采 用 矢 量 控制模式，实现 牵 引电 动机的 独 立 控制。由 于感应电 动机具有很硬 的 速 率 特 性，因此轮 径差和电 动机特 性的 差异，都 会引 起 负 载 的 不均匀分配。H XD3电 力机车 采 用 轴 控方式，因而 无论 是轮 径差、电 机 的 特 性差，通 过 牵 引变流器的 用，采 用 轴 控，也可对每轴 进 行 适 当的 补 偿，以实 现 最大限 度地发挥机车 牵 引力。(4)牵 引变流器的 保护策 略过 流和过 载 保护在每一组 牵 引变流器的 输 入回路 中，设 有输 入电 流互感器ACCT,用 以控制 和监 视 逆 变器充电 电 流及牵 引绕 组 短 路 电 流，其动作保护值为1750A。保护发生 时，四象 限 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 主断的 信号；在每一组 牵 引变流器的 输 出回路 中，设 第13页 共21页湖南铁 路 科 技职 业技术学院 HXD3型电 力机车 主电 路 分析与研 究有输 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950A；保护发生 时，四象 限 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 主断的 信号。接地保护牵 引变流器的 接地保护系 统 由 跨 接在中间 回路 的2个串联 电 容和1个接地 信号检测传感器组 成。当主牵 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 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 主断的 信号。瞬 时过 电 压保护在机车 出现 空 转、打滑或者 受电 弓处网 压中断等 的 情况下，牵 引变流器上可 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IG BT和限 流电 阻 组 成。这 是一种 多次重 复方式的 保 护方法。当过 电 压存在时，该IG BT将导通，直 流回路 能 量 经 限 流电 阻 放电 和释 放，消除 过 电 压。整流器器件的 短 路 保护通 过 对门 放大器的 监 测，当出现 门 电 压不一致 时，说 明整流器器件短 路，四 象 限 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 主断的 信号。逆 变器器件的 短 路 保护通 过 对门 放大器的 监 测，当出现 门 电 压不一致 时，说 明逆 变器器件短 路，四象 限 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 主断的 信号。牵 引变流器中间 直 流回路 电 压范 围的 保护通 过 对牵 引变流器中间 直 流回路 电 压传感器的 监 测，当牵 引变流器的 中间 直 流回路 电 压大于或等 于3200V时，中间 回路 过 电 压保护环 节 动作，四象 限 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；当牵 引变流器的 中 间 直 流回路 电 压小于或等 于2000V时，中间 回路 低电 压保护环 节 动作，四象 限 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。牵 引变流器的 控制电 源故障 保护牵 引变流器内部 的 控制电 源故障 时，通 过 微机系 统 内部 检测实施保护，四象 限 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。第14页 共21页湖南铁 路 科 技职 业技术学院HXD3型电 力机车 主电 路 分析与研 究牵 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，断开真 空 断路 器，降 下受电 弓，然后闭 合牵 引 变流器的 试 验 开关SA75,通 过 司机台上的 微机显示 屏确 认 设 备内的 电 容器已放 电 完毕后(小于15V),才能 进 行 检查操作。4、牵 引变流器的 冷却系 统(1)H XD3电 力机车 牵 引变流器的 冷却系 统牵 引变流器冷却系 统 如图3.6所示。它是由 复合冷却器的 水一空 气热交换 器、联 管、阀 门、储水箱、水泵、塞门、流量 计、冷却介质 等 组 成。利用 高 纯 冷 却介质 通 过 热交换器对IG BT器件进 行 冷却，所以具有很好的 冷却效果。人水排水系 统 中除 水一空 气热交换器外，其他部 件都 安装 在变流器柜内。冷却系 统 参数如下：冷却介质:50%乙二醇+50%去离 子水介质 流量：16m3/h水一空 气热交换器流阻：W400mbar水一空 气热交换器散热功率：不小于100kW热交换器进 水端 绝 对水压：4bar水冷却系 统 管 件材料：防 锈 铝(表 面 氧化 5 U),不锈 钢密封材料采 用 氟橡胶 或硅 橡胶(2)H XD3电 力机车 牵 引变流器冷却系 统 的 保护策 略在H XD3电 力机车 牵 引变流器冷却系 统 中，设 定了如下监 视 和保护o(1)通 过 流量 计 的 监 测，完成牵 引变流器进 口水压监 测和失压保护。第15页 共21页湖南铁 路 科 技职 业技术学院 BXD3型电 力机车 主电 路 分析与研 究（2）通 过 对水一空 气热交换器流阻 的 监 测，完成牵 引变流器水电 导率 监 视 和 保护o（3）通 过 热敏电 阻 温度继 电 器对元件的 监 测，完成牵 引变流器进 出水温的 监 视 和保护。（4）通 过 水位计，对储水箱 的 水位进 行 监 视 和低于最低许 用 水位的 保护。四主变压器系 统 的 设 计图3.7主变压器图片H XD3型交流传动货 运 电 力机车 采 用F PWR1型主变压器，将25kV的 接触 网 电 压变换为电 力机车 所需 的 各种 低电 压，以满足 电 力机车 各种 电 机电 器工作的 需 要，主变压器外形图如图3.7所示。1、特 点 采 用 下悬式安装，强迫 导向油循环 风 冷方式，内装 一台主变压器，总重 13to主变压器与冷却装 置、储油柜分开布置。变压器采 用 心式卧放结 构，A级 绝 缘，普通 矿 物 油。高 阻 抗绕 组 结 构，使变压器内部 空 间 磁 场很强，大量 采 用 无磁 结 构件。油箱 采 用 硅 钢 板加铝 屏蔽 的 方式。避 免漏磁 干扰外部 信号。线 圈导线 采 用Nomex纸 绝 缘，具有耐 热等 级 高，机械强度大的 特 点。全铝 板翅 式冷却器，两路 油循环 系 统。高 压套管 采 用 电 缆 盒 结 构，采 用 法国NEXANS公司的1U端 子。在低压 套管 出线 装 置 中采 用 了新型结 构的 出线 装 置，具有安装 拆卸方便，可靠 及使用 寿 命长 的 特 点。第16页 共21页湖南铁 路 科 技职 业技术学院 HXD3型电 力机车 主电 路 分析与研 究2、主要 技术数据型号F PWR1机车 网 压范 围(kV)17.531频 率(H z)50联 结 组I10-10频 率50H z冷却方式强迫 油循环 风 冷ODAF通 风 量234000m3/h油流量48 m3/h出线 端 子号1U;IV;2U1;2V1;2U2;2V2;2U3;2V3;2U4;2V4;2U5;2V5;2U6;2V6;3U1;3V1;3U2;3V2空 载 电 流0.26%空 载 损耗2600W负 载 损耗224kW总重 量13000kg3、结 构(1)内部 接线主变压器接