HX_D3型机车牵引变流器的结构原理与可靠性设计_武磊.pdf

第10 期(总第452 期)内燃机车2011 年10 月HXD3 型机车牵引变流器的结构原理与可靠性设计武磊(合肥机务段，安徽 合肥 230011)摘要:介绍了 HXD3 型机车牵引变流器的基本组成、结构原理、主要部件的技术参数，对可靠性设计方法进行了说明。关键词:HXD3 型机车;牵引变流器;可靠性设计中图分类号:U264 3+7文献标识码:B文章编号:1003-1820(2011)10-0022-03收修回稿日期:2011 02 11作者简介:武磊(1983)，男，安徽合肥人，工程师。1引言HXD3 型机车的牵引变流器采用了当今世界上先进的大功率 IGBT 元件技术、水冷技术和单轴控制技术等，并且采用了优良的可靠性设计，确保了牵引变流器的运行可靠性，最大限度地发挥了机车牵引功率。机车具有起动平稳、加速性能好、抑制空转和滑行能力强、牵引电机故障隔离便捷等特点，深受用户好评。2牵引变流器的基本组成2 1牵引变流器简介每台机车装有 2 台变流装置，每台变流装置内含有 3 组牵引变流器。牵引变流器为牵引电动机提供三相变压变频电源。每组牵引变流器主要由四象限整流单元、中间直流电路和 PWM 逆变单元等主电路部分和无接点控制单元等的控制电路部分构成。根据机车运行状态和司机控制命令，通过矢量控制，精确快速地控制牵引电动机的转矩和转速。机车端转向架的牵引电动机 13 分别由牵引变流器 1 的 3 个独立的交直交功率单元供电，端转向架的牵引电动机 46 分别由牵引变流器 2的 3 个独立的交直交功率单元供电，实现牵引电动机的独立控制。机车 6 根动轴的轮径差、轴重转移及空转等可能引起的负载分配不均匀，都可以通过牵引变流器的控制进行适当补偿，从而最大限度地发挥牵引电动机的牵引力。牵引变流器主要技术参数如下。额定输入电压/V1 450额定输入电流/A965中间电压/V2 800额定输出电压/V2 150额定输出电流/A390牵引变流器电气原理图如图 1 所示。2 2主要部件对牵引变流器来说，功率模块是核心部件，由上下桥臂的两组 IGBT 元件和反并联二极管构成，还包括冷却元件的水冷散热片和控制 IGBT 的驱动电路板。四象限整流单元由 U 相、V 相 2 个功率模块构成，逆变器单元由 U 相、V 相、W 相3 个功率模块构成。由于四象限整流单元和逆变单元的电流值要求不同，因此四象限整流单元是由 2 个 IGBT元件并联后组成功率模块，逆变单元则是由单个IGBT 元件构成功率模块，因此，四象限整流单元和逆变单元的功率模块不能互换。2 2 1四象限整流单元四象限整流单元可实现变流器单相输入侧与中间直流侧的能量双向流动。牵引工况时，将来自牵引绕组的交流侧能量向直流侧转换，送给牵引逆变器;再生制动工况(简称制动工况)时，将牵引逆变器输送到直流侧的再生电能向交流侧转换，通过变压器送到牵引电网。通过对四象限整流单元中图 1牵引变流器电气原理图IGBT 的脉宽调制 PWM 控制，将由牵引变压器二次侧绕组输出的 1 450 V、50 Hz 的交流电压整流为稳定的 2 800 V 直流电压。2 2 2中间直流电路中间直流电路由支撑滤波电容、接地电容、瞬时过电压限制电路和主接地保护电路等组成。滤波电容减小中间直流电压的脉动，使其更加平稳。接地电容除了具备滤波电容功用外，还能提供主回路接地故障检测的中性点。瞬时过电压限制电路由 IGBT 和限流电阻组成。当电压传感器检测到中间电路过电压时，使 IGBT 导通，通过限流电阻构成泄放回路，以降低中间电压。主接地保护电路由跨接在中间回路的 2 个串联电容和 1 个接地信号传感器组成。每套牵引变流器内分别含 3 套接地保护电路，可以分别对 3 个交直交单元电路进行检测和保护，接地检测信号送微机控制系统。2 2 3逆变单元牵引逆变器的主要功能是将中间直流电压逆变为三相电压幅度和频率都可调的交流电压驱动牵引电机，对电机的速度和力矩进行控制，满足牵引特性和制动特性的要求。牵引逆变器可实现能量的双向传递。牵引时，将直流侧能量传给牵引电机，控制电机产生牵引力;制动时，将牵引电机再生能量送到直流环节，控制牵引电机产生制动力。逆变电路是由 U、V、W 三相逆变单元构成的。将四象限整流单元输出的直流电逆变转换为变频变压的交流电来驱动牵引电机，通过改变逆变电路的输出电压和输出频率来控制牵引电机的转矩和转速。3牵引变流器的可靠性设计3 1基础设计3 1 1主要元器件的选择和故障保护连锁设计元器件，特别是采集传感器、开关 IGBT、中间支路电容器等的选择至关重要，必须采用有效的设计方法，对其主要的技术参数和指标进行严格限制。对于像风机、水泵、接触器等重要的执行部件来说，在控制系统设计时必须考虑一旦由于某种原因造成它们没有按照预先的控制命令进行运行情况下的信息反馈因素，否则，会发生控制失效。3 1 2模块化设计牵引变流器的主要部件是功率模块，功率模块必须做到在机车内能方便拆装，功率模块的重量限制必须确保一个人可以不借助外力抬起，与柜体连接的水路和电路都必须设计在前侧，且连接便利。3 1 3牵引变流器结构设计在进行牵引变流器的结构设计时，不仅仅要考虑到柜体结构强度因素，还必须兼顾到器件的发热、散热设计，维修安全性设计。一般来说，主要发热元件，如 IGBT，必须对专用的冷却系统进行设计计算，而且必须考虑到剩余的热量对周边器件的影响。这一点很容易被忽视。电力牵引变流器安装在电力机车上的狭小空间内，必须进行安全防护设计，必须确保在乘务员检修等操作失误时也不能对其人身构成伤害。3 1 4针对特殊应用环境的设计由于电力机车是一个高速运行的设备，电力牵32第10 期(总第452 期)武磊:HXD3 型机车牵引变流器的结构原理与可靠性设计引变流器在机车上使用必须考虑到运行工况带来的环境变化，主要表现为:设备的长期振动、负载的频繁变化、电网电压的波动和瞬时丢失，这些必须在设计的过程中全面考虑和系统分析。3 2例行试验例行试验是牵引变流器的重要试验，每台牵引变流器在出厂时都必须进行严格的例行试验，例行试验除必须按照国际标准进行常规通用项目的检查外，还必须按照本牵引变流器的设计特点、控制策略、应用环境等补充进行有关的试验项目。(1)各保护电路相关部件发生失效时的连锁动作逻辑试验。检查在检测环节发生失效时连锁动作是否起到作用。(2)工作环境温度检查试验。必须检查，防止发热部件对其周围的部件起到加热作用。(3)绝缘件的安装检查试验。检查绝缘部件与金属柜体之间的连接和接触情况。(4)拆装部件的重量指示和尖利部位的检查。针对大中型部件，为防止拆装时发生人身伤害，必须检查是否在明显位置给出了警示。(5)各种标识的检查。针对可能带电部件，为防止拆装时发生人身电击，必须检查是否在明显位置给出了警示。3 3定期检查维护牵引变流器是机车牵引系统的核心部件，又有其专业技术特殊性，要确保其正常、稳定、可靠地运行，仅按照常规的电气设备日常检查是不够的，还需要有针对本牵引变流器的特殊性制定的检查项目和检查方法。(1)对于驱动电路板等部件要经常进行灰尘清扫，防止因灰尘而导致的短路故障。(2)对于短时大电流运行的部件，如充电电阻、放电电阻等，要定期进行外观检查，观察有无外观颜色变化，以防止发生局部损伤而导致的故障扩大。(3)检查导线连接处连接螺栓的紧固性和可靠性，与金属结构接触处的绝缘状态，以及导线外部绝缘材料的外观，以防止发生局部损伤而导致的故障扩大。(4)牵引变流器控制单元的通讯检查，要定期通过模拟控制开关启动控制单元内的故障诊断系统，确保在牵引变流器发生故障后能将故障信息及时传递给整车控制系统和司乘人员。4结语在 HXD3 型机车牵引变流器的设计过程中，全面地进行了故障树的分析，将故障进行了分级，展开了全方位的可靠性设计，有针对性地贯穿在牵引变流器的基础设计、例行试验和定期维护检查中，从而确保了牵引变流器的技术性能和各项指标达到预期的效果。参考文献:1陈开运 牵引电气设备及系统的可靠性设计初探J 机车电传动，2004，(4)2张健，陈勇 HXD3 型大功率交流传动货运电力机车特点和故障处理 J 机车电传动，2008，(3)3杨守君，刘会岩 HXD3 型交流传动电力机车 J 电力机车与城轨车辆，2007，(4)檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷【上接第 5 页】稳。所以改进后机车在极限状态下的非线性临界速度为140km/h，满足设计要求。同时，机车以不同速度通过激扰后，轮对的横向位移也能迅速收敛，且小于0.5mm 的极限环振幅，稳定性仍然非常好。通过上面分析可以发现，轮对横向等效定位刚度增大以后，无论是在正常状态下还是极限状态下，在机车正常行驶速度范围内，轮对横向振动极限环振幅都很小，其横向运动稳定性非常好。7结语(1)NJ2型机车转向架，在其轴箱自由间隙内，轮对横向定位刚度仅由一系弹簧提供，刚度值太小，当机车受线路激扰后，这个刚度不足以有效抑制轮对横向振动，导致轮对横向振动极限环振幅较大，机车稳定性不好;当轴箱导框处于极限状态时，机车的横向稳定性已经不能满足运行要求。(2)在转向架构架与端轴电机之间加横向约束，可以增大轮对等效横向定位刚度，该措施能明显改善机车横向稳定性，减小轮对电机的横向振动，即使轴箱导框处于极限状态时，在正常运用速度范围内，机车的稳定性也非常好。参考文献:1吴延民 NJ2型机车主要技术特点及初期运用情况(上)J 内燃机车，2009，(1)2缪炳荣，罗仁，王哲，阳光武 SIMPACK 动力学分析高级教程M 成都:西南交通大学出版社，2010 3王福天 车辆系统动力学 M 北京:中国铁道出版社，199442内燃机车2011 年