浅谈HXD3电力机车电传动毕业论文

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摘  要

随着变流技术,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。交流传动系统无论在性能指标,装置体积,设备维护还是节能乃至环保等方面均体现出了巨大优势。HXD3型电力机车的主传动系统和辅助传动系统均采用了交流传动技术和微机网络控制技术,整个电气系统的设计坚持起点高、技术领先的原则,并充分考虑大功率货运电力机车的实际需要,采用先进、成熟、可靠的技术,按照标准化、系列化、模块化、信息化的总体要求,进行全方位设计的[1]。本论文主要以HXD3型电力机车为设计原型,以交直交传动系统为研究对象,通过介绍交直交传动系统的结构和分析其工作原理,结合我国铁路机车近几年来飞速发展和济南铁路局济南西机务段自引进HXD3型机车以来检修与运用现状,介绍交直交传动系统在铁路机车上的运用情况。论文第一章为绪论,从总体上介绍交流传动系统的配置情况,机车采用交流传动技术的优势和机车上的运用情况,并对HXD3型电力机车的特征及其电传动系统的作了简单概述。

 

关键词:HXD3型电力机车;交-直-交传动;四象限整流器;电路

 

Abstract

With the development of converter technology and computer control technology, AC speed regulation system has attracted world attention. AC drive systems shows tremendous advantages in the performance indicators, the device volume, equipment maintenance, energy saving and even the environmental protection. Both the main drive system and the auxiliary drive system of HXD3 type electric locomotive adopts AC drive technology and computer control technology, the entire electrical system design adhere to the high starting point, the leading principle, and fully consider the actual needs of the high power freight electric locomotive. What is more, it use advanced, mature, reliable technology and undertake all-around design according to the demand of standardization, series, modular, information.According to the rapid development of China’s railway, the railway locomotives’research is more and more extensive and deep. This paper mainly introduces the HXD3 type electric locomotive and the AC-DC-AC transmission system in railway locomotive operation and maintenance of the situation.The first chapter is the introduction, introduces the configuration of the AC drive system, the advantages of AC drive technology, the characteristics of the HXD3 electric locomotive and the electric drive system.

 

Keywords: HXD3 electric locomotive , AC-DC-AC drive , four-quadrant rectifier , electric circuit

 

目  录

摘  要............................................................................................................................... I

Abstract............................................................................................................................. II

第1章 绪  论................................................................................................................. 1

1.1 课题背景................................................................................................................ 1

1.2 选题意义及主要研究内容.................................................................................... 1

  1.3 交流传动电力机车的优势.................................................................................... 2

1.3.1 我国交流传动电力机车的现状..................................................................... 3

第2章 电气线路主电路................................................................................................. 5

  2.1 主电路及其部件.................................................................................................... 5

2.2 网侧电路作用及其主电路.................................................................................... 6

2.3 牵引变流器............................................................................................................ 7

  2.3.1 牵引电动机供电电路..................................................................................... 8

  2.4 保护电路................................................................................................................ 8

2.5 主要故障及处理.................................................................................................... 8

2.6 本章小结................................................................................................................ 9

第3章 辅助电路........................................................................................................... 10

3.1 三相辅助电路及辅助变流器.............................................................................. 10

3.2 辅助变流器供电电路.......................................................................................... 11

  3.2.1 电动机电路................................................................................................... 12

3.3 辅助电动机电路的保护系统.............................................................................. 12

  3.4 主要故障及处理.................................................................................................. 13

  3.5 本章小结.............................................................................................................. 13

第4章 控制电路........................................................................................................... 14

4.1 控制电源电路...................................................................................................... 14

4.2 机车逻辑控制和保护电路.................................................................................. 15

4.3 辅助变流器控制电路.......................................................................................... 16

4.4 牵引变流器控制电路.......................................................................................... 16

  4.4.1 保护电路....................................................................................................... 17

4.5 主要故障及处理.................................................................................................. 17

4.6 本章小结.............................................................................................................. 17

结  论............................................................................................................................. 18

参考文献......................................................................................................................... 19

致  谢............................................................................................................................. 20

                                                         

 

第一章 绪  论

1.1 课题背景

自20世纪70年代后,随着半导体技术、电子技术、现代控制理论、计算机等的发展,三相交流传动技术有了质的飞跃。交流传动技术在机车上得到应用的初始阶段,曾有过多种方案。若按所用的交流电动机来分类,可分为交流同步电动机和交流异步电动机两种,在交流异步电动机传动系统中,机车上常使用鼠笼型感应电动机。交流同步电动机传动系统,可以使用较为简单的变流器,随着可关断元件的问世,变流技术有了长足进步,因此近年来,同步交流电动机已让位给感应电动机,因为后者有更好的能量指标,如功率因数、谐波电流等。但是我们应该看到,永磁同步电动机的进展,将来又有可能替代感应电动机,因为永磁同步电动机的结构更为简单,有更高的效率13[2]

1.2 选题意义及主要研究内容

随着变流技术,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所带来的巨大收益。交流传动系统无论在性能指标,装置体积,设备维护,还是节能乃至环保等方面,均体现出了巨大优势。但是对我国来说,机车车辆的交流传动技术,无论从理论上,还是实用上,还有一定的距离。本文的愿望在于理清交一直一交电力机车有关技术的一些理论问题。为了更符合实际,因此结合HXD3交流货运电力机车来加以讨论。当然由于其复杂性,只能尽力而为,也可能会有明显的错误,望加指正。HXD3交流货运电力机车的主传动和辅助传动均采用了交流传动控制技术。在整个电气系统的设计中,充分考虑大功率货运电力机车的实际需要,按照铁道部的先进、成熟、可靠的原则,和标准化、系列化、模块化、信息化的总体要求,来进行设计。在这些要求和原则指导下,体现在HXD3交流货运电力机车的设计中,具有如下的主要特点:

(1)电传动系统采用IGBT水冷变流机组,1250kW大转矩异步牵引电动机。机车具有起动(持续)牵引力大、恒功率速度范围宽、粘着性能好、功率因数高等特点。

(2)辅助电气系统采用2组辅助变流器,能分别提供VVVF和CVCF三相辅助电源,对辅助机组进行分类供电。该系统冗余性强,一组辅助变流器故障后可以由另一组辅助变流器对全部辅助机组供电。

(3)采用微机控制系统,实现了逻辑控制、自诊断功能,实现了机车的网络重联功能,并具有信息储存和转储功能。

 

(4)总体设计采用高度集成化、模块化的设计思路,电气屏柜和各种辅助机组斜对称布置在中间走廊的两侧;采用了规范化司机室,有利于机车的安全运行。

    (5)采用带有中梁的、整体承载的框架式车体结构,有利于提高车体的强度和刚度。

    (6)转向架采用滚动抱轴承半悬挂结构,二系支承采用高圆螺旋弹簧;采用轮盘制动及整体轴箱、低位牵引等技术。

    (7)采用下悬式安装方式的一体化多绕组(全去耦)变压器,具有高阻抗、重量轻等特点,并采用强迫导向油循环风冷技术。

    (8)采用独立通风冷却技术。牵引电机采用由侧墙百叶窗进风的独立通风冷却;牵引变流器的水冷和主变压器的油冷,采用水、油复合型全铝板翅式冷却器,由车顶直接进风冷却;辅助变流器也采用车外进风冷却的方式;另外还考虑了司机室的换气和机械间的微正压。

    (9)采用了集成化的空气制动系统,具有空电联合制动功能。

    (10)采用了新型的膜式空气干燥器,与螺杆式空气压缩机做成一体式结构,有利于压缩空气的干燥,减少制动系统阀件的故障率[3]

    目前该车已成功运用于南京东机务段和武汉江岸机务段。

1.3交流传动电力机车的优势

    本文仅讨论目前广泛使用的交一直一交电力机车。通常所说的交一直一交电力机车是指由交流电网供电(交),由整流器整流成直流(直),再逆变成交流,去驱动异步交流电动机(交)的机车。从技术上说,经多年努力,世界上各大公司已解决了技术理论上的难点,又有了成熟的制造经验。随着电力电子技术、异步电动机的控制技术(矢量控制、直接扭矩控制)、微机和网络技术在机车、动车上的应用,机车性能不断得到提高,交流传动已成为机车、动车发展的主流。目前,订购和采用交流传动机车、动车的浪潮,从前西德开始席卷整个欧洲,然后是北美,现在这股浪潮己冲到了亚洲和非洲。越来越多的交流传动电力机车、动车,以其优越的性能奔驰在世界上许多国家的铁路网上11”引。自上世纪九十年代开始,国外已停止生产整流器式电力机车(交一直机车)。只生产交一直一交机车。与前者比较,交一直一交机车的优点为:

    (1)交一直一交电力机车使用感应电动机,电动机无直流电动机的换向器,维修工作量极小;感应电动机有更高的转速,同样功率的电动机,体积更小,重量更轻;这表明,在机车转向架有限的安装空间内,可以装备更大功率的牵引电动机。

    (2)交一直一交电力机车使用无触点的半导体元件组成整流器和逆变器,机车不再需要“前一后"、“牵一制”转换开关。所用的接触器及其他开关电器也

 

大量减少,因此电器的维修工作量小;

    (3)交一直一交电力机车使用四象限PWM脉宽调制整流器,机车的功率系数可接近于1,等效干扰电流小于3.5A,有极好的电磁兼容性;

    (4)交流传动机车轴功率可达1700kW,对货物列车编组质量较小的西殴国家,可设计成客货通用的电力机车;

    (5)对西殴和日本等国来说,由于劳动工时关系,交一直一交电力机车比交一直电力机车成本更低,价格更便宜,运用费用可减少三分之一。

基于上述原因,我国今后研制的机车、动车,当然也应该紧跟技术发展的趋势,以交一直一交电力机车、动车为发展方向[4]

1.3.1我国交流传动电力机车的现状

    我国交流传动电力机车的研制,开始于上世纪八十年代中期,几乎与国际上同步。虽然九十年代制造了AC4000型电力机车,但是由于基础技术落后和理论上还未完全掌握,未能达到商业运用。上世纪九十年代,在自主研制交流传动电力机车的同时,利用ADtranz的电气传动部件研制了几种机车和动力集中方式的动车,同时也开始动力分散方式动车的研制,经过多年的研究和探索,目前已经有多种新车型问世:

    ·AC4000交流传动机车一一1994年年底出厂,因技术起点低和设计缺陷,现已作为科研教学车。

    ·“熊猫”号机车与“蓝箭”动车组一一落成于2000年,其关键部件(牵引变流器,辅助变流器,计算机控制,交流电动机)共十套均购自ADtranz公司。

    ·“奥星"号机车与“中原之星"动力分散式动车组一一于2001年10月出厂,系我国自主研制的有技术产权的产品。

    ·“先锋”号动车组一一于2001年下半年出厂,变流器及控制系统购自日本三菱公司。

    ·“中华之星’’高速列车一一交流传动技术与“奥星”类似, 2002年12月落成,现正在线路上试运行。从上可以看出,我国在交流传动电力机车方面的研制,已经有了长足的发展,但是,目前主要集中在客运机车和动车方面[5]

    在国内运行的交流传动货运电力机车,仅有购自德国Seimens公司的DJl型电力机车。该机车为8轴机车,B0转向架,轴功率为800 kW。对交流货运电力机车来说,该机车的轴功率偏小,显然不太合理,应选用更大功率的牵引电动机为好。

    在机车的设计上,由于我国国情与欧洲不同,因此不能套用他们的设计思想。可参照的有俄罗斯、印度、澳大利亚等国的铁路,它们都是以大货运量为主的国家。

    欧洲各国列车编组质量通常为2000t左右,客、货列车运行速度差别不太显

 

著,为减少机车种类,因此常采用客货通用的电力机车。

    我国铁路线根据不同的等级,在曲线半径、限制坡道、到发线长度上差异较大;从货物列车编组质量看,多为3500t、5000t,在运煤专线上甚至为万吨列车;而客运列车的编组质量约1000t左右。因此客、货在编组质量、列车运行速度方面的差别极为显著,所以客货通用的电力机车,对我国并不合适。由于我国各铁路线货物列车的编组质量差异较大,因此从我国国情出发,应该研制不同轴式、不同功率等级的货运电力机车,.形成系列,来满足不同编组、不同路况的需求。正是本着这个契机,大连厂与同本东芝公司联合开发试制了HXD3交流货运电力机车,填补了国内六轴交流货运电力机车型谱的空白。使国内交流货运电力机车,可以以6轴和8轴轴式的货运电力机车为基础,来构成12轴、16轴、18轴、24轴⋯的重联组合,供不同的列车编组、不同的线路断面所需,以满足我国铁路重载的需求。

 

第二章 电气线路主电路

    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。三个电路通过电一磁、电一机、电一空等联系起来,对机车进行控制。

2.1 主电路及其部件

   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2.2HXD3型电力机车主电路原理图所示[6]。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5kV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WVF逆变器等组成。三相WVF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1200kW。

 

图2.2 HXD3型电力机车主电路原理图

2.2网侧电路作用及其主电路器

   (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APl或AP2从接触网受流,经高压隔离开关QSl或QS2和主断路器QFl,通过高压电流互感器TAl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EBl一EB6从轮对回流至钢轨。

    ①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。

    ②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。

    ③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。

    ④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。

    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需上车项检修时(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,用于微机显示屏显示。

    ⑨回流装黄

    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[7]

2.3牵引变流器

   ①牵引变流器的构成

    牵引变流器UMl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。

    ②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2800V。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IGBT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,IGBT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。

2.3.1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UMl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[8]

2.4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施封锁保护。

    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J下常时,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[9]

    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。

2.5主要故障及处理

主变流器(MPU)故障,主要分3类:①由于电线路连接部位松虚、IGBT击穿、中间直流环节电容发生爆裂引发的烧损故障。典型案例是2007年6月3日HXD3-0040机车第四主变流器连线松脱烧损。 ②由于变流器工作不稳定,发

 

生瞬间过压、过流产生的封锁保护。该种故障经常发生。 ③复合冷却液泄漏或者车内污水外流,导致牵引电机接线端子部位积水而发生主电路接地故障;典型故障是2007年7月18日HXD3-0072机车复合冷却液泄漏流入第四牵引电动机接线端子导致接地故障。 解决措施:针对HXD3机车运用初期出现的变流器烧损故障,将信息反馈到制造公司,提高机车的组装质量。 针对瞬间故障后封锁保护,可以通过断电复位使其重新投入工作,或者手触微机屏幕切除某组主变流器维持机车运行。这种措施适用于机车运行中的司机进行应急处理。 针对主电路接地故障的解决措施是:一方面通过检查整修,消除变流器管路冷却液的泄漏;另一方面通过加强管理,禁止在车内倾倒废水、污水。

2.6本章小结

   HXt 3型交流传动电力机车是根据大连机车车辆有限公司、日本东芝公司与铁道部签署的大功率交流

传动电力机车采购和技术引进项目研制的,是我国铁路第六次大提速中的货运干线主型机车之一。其最高

行驶速度为120 km/h,能够满足牵引5 000 t以上列车的需要,为我国的铁路货运运输正在做出巨大的贡献。

    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,实现对牵引电动机的控制,从而实现机车牵引和动力制动的特性控制。机车主电路是产生机车牵引力和制动力的电气设备电路.主要由网侧电路、传动系统电路及库用动车电路等组成。

    机车主电路所完成的功能是电能和机械能问的相互转换。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25 kV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组交一直一交支路供电。每组交~ 直一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.满足机车牵引运行要求。

机车制动lT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,而牵引时按整流器工作的变流器,变为逆变器工作[10]

 

第三章 辅助电路

HXD3型交流传动货运电力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。该系统采用冗余设计,保障了机车的正常运用。辅助变流器是向通风机和压缩机等辅助机组提供3相交流电源的电源装置,系统根据负载特性不同,具有可变电压、可变频率的VVVF控制和固定电压、固定频率的CVCF控制两种功能。为了确保根据机车实际运行状况而提供足够的冷却风量和降低运转噪音,其中2台冷却塔通风机和6台牵引电机通风机设定为VVVF控制模式,其他负载采用CVCF控制模式进行控制[11]

    对机车来说,每辆机车装载有2组辅助变流器。正常工作时,一组(UAl 1)实行VVVF控制,另一组(UAl2)实行CVCF控制。但是,当某一组辅助变流器出现故障时,另外一组辅助变流器满负载投入,以CVCF控制模式提供能量。

3.1三相辅助电路及辅助变流器

  (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,具体电路见图3.2HXD3犁电力机车辅助电动机供电电路原理图所示。

    辅助变流器UAll、UAl2分别由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,这样将传统逆变器输出的正弦脉宽调制(SPWM)波变换为正弦波给各辅机供电,从而大大降低了对辅机绕组匝间绝缘的要求,提高了辅机的使用寿命。机车上的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。

    (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的稳定,在整流输出电路并联电容器。因此可以看成为恒压源。

    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以50%的额定容量工作,辅助变流器1(APUl)工作在VVVF方式,辅助

 

变流器2(APU2)工作在CVCF方式,分别为机车辅助电动机供电。在某一套辅助变流器发生故障时,另一套辅助变流器可以承担机车全部的辅助电动机负载,不需要切除任何辅助电动机。此时,辅助变流器按照CVCF方式工作,仍能保证辅助电动机能满功率运行,从而确保机车辅助供电系统的冗余性。辅助电动机负载功率转换的控制由机车微机控制系统自动来完成[12]

    由于变压器辅助绕组的电压为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,保证辅助电动机正常工作。

辅助变流器内设有过压、过流、接地保护。

 

图3.2 HXD3型电力机车辅助电动机供电电路原理图

3.2辅助变流器供电电路

  (1)辅助变流器供电电路

    辅助变流器UAl l的输出首先经过正弦波滤波器LCl,再经过接触器KMl 1给牵引风机电动机MAl 1、MAl2、MAl、MAl4、MAl5、MAl6和复合冷却风机电动机MAl7、MAl8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[13]

    辅助变流器UAl2的输出首先经过正弦波滤波器LC2,再经过接触器KMl2给空气压缩机电动机MAl9、MA20、主变压器油泵MA21、MA22、司机室空调EVl 1、EVl2、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、厕所等)供电。由于以上负载属于泵类负载,辅助变流器工作在定频定压状态。

 

    同时辅助变流器UAll、UAl2的中间直流还向UC(DCll0V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器KMll或输出接触器KMl2,再闭合故障转换接触器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。

    在库内对机车的辅助变流器和辅助电动机系统进行试验时,可通过辅助电路库用插座和辅助电路库用转换开关引入地面的单相工频交流电进行试验。试验可以两套辅助变流器分别进行,或两套辅助变流器同时进行。

3.2.1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[14]

3.3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UAl 1、UAl2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。

    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。

    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等于825V或小于等于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或小于等于675V时,四象限整流器门极被封锁,四象限整流器停止输出。

    ④1 10V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1 10V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,辅助变流器将通知微机控制系统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,同时微机显示屏也进行相应故障显示和记录[15]

3.4主要故障及处理

由于变流器部件制造质量问题或组装不良导致烧损故障。2007年12月5日,HXD3-0085机车辅助变流器烧损。变流器工作过程中出现的瞬间故障,微机封锁变流器进行保护,可以重新启动复位。此类故障在机车投入运用初期经常发生。 运行过程中故障应急处理:通过手触微机显示屏,切除故障的一组辅助变流器,用另外一组代替其工作。

3.5本章小结

    机车辅助传动及其控制系统的任务是实现对机车辅助电动机的控制。辅助电动机按照其工作特性,可以分成两类: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,它们可以按变频变压方式工作;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。

HXD3型机车辅助变流系统的供电电路由变压器辅助绕组、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。HXo3型机车设有两套辅助变流器UA11和UA12。在正常情况下,辅助变流器UA11和UAl2都正常工作,基本上以50%的额定容量工作,辅助变流器UA11工作在VVVF方式,辅助变流器UA12工作在CVCF方式,分别为辅助电动机供电。

 

第四章 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与监视控制系统(简称TCMS)为核心,结合目前国内成熟的机车行车安全综合信息监控系统、机车轴温监控系统、机车空气电气联合制动系统,配以机车外围电路来进行设计。

    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,其中控制装置采用冗余设计,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。

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/N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发出指令起动、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。

    故障诊断、显示与保护:显示机车正常运行的状态信息,如:级位、牵引电动机电流、速度,正常的设备工作状态,如:接触网电压、牵引变流器输出电压、蓄电池电压等;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[16]

机车重联控制:可以实施同型号的机车重联。

4.1控制电源电路

    机车控制电源的核心部件是DCll0V充电电源模块PSU,具体电路如图4.2DC110V充电电源模块电路所示。

    机车DCll0V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的输入电源来自辅助变流器UAl 1或UAl2的中间回路电源,当UAll

 

和UAl2均正常时,由UAl2向PSU输入DC750V电源,当UAl2故障时,转由UAl 1向PSU输入DC750V电源。DCl 10V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DCl 10V±2%,额定输出电流为55A,输出功率为6050W(25℃),采用自冷却方式,控制电源电压采用DC750V[17]

PSU电源模块上设有两个转换开关SWl和SW2,其中SWl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l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。

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。

    在蓄电池充电器PSD上安装有蓄电池检测仪,用于监测蓄电池的充放电流和电压,并能根据事先设定的参数进行数据存储或即时报警。

 

图4.2 DC110V充电电源模块电路

4.2机车逻辑控制和保护电路

    机车的逻辑控制和保护电路主要是各自动开关、各流速继电器故障隔离开关、高压故障隔离开关、压缩机接触器状态、主断路器状态、辅助变流器的库内试验开关、牵引变流器试验开关、各种接地保护、空气管路系统压力继电器等与

 

TCMS接口,主要用于机车的各种工作逻辑控制、保护逻辑控制,并通过通信将有关控制指令送到牵引变流器。

    机车牵引、制动特性控制是通过TCMS与主、辅助变流器的控制来实现。

    当机车处于库内动车工况,TCMS将控制牵引变流器按照专门的程序工作。

    当机车处于辅助电动机系统库内试验工况时,机车辅助变流器可以单独起动。

    当机车处于正常运行工况下时,一旦发生辅助电动机故障、风速继电器动作等时,机车牵引变流器的工作状态发生相应的改变。

4.3辅助变流器控制电路

在机车主断路器闭合后,由TCMS发出命令,闭合辅助变流器输出电磁接触器,并将信息传递给辅助变流器控制单元,由辅助变流器控制单元发出指令,控制机车辅助变流器起动。

    在机车某一辅助变流器发生故障(无论是辅助变流器1或辅助变流器2)后,故障的辅助变流器能及时地将信息通知TCMS,完成故障情况下输出电磁接触器的动作转换。同时将信息传递给另一组辅助变流器控制单元,故障的辅助变流器被隔离。所有辅助电动机全部由另一套辅助变流器供电,这时,该辅助变流器工作在CVCF状态,不受司机控制器级位指令等的控制,牵引电动机通风机和冷却塔通风机也正常满功率工作[18]

    辅助变流器的隔离也可以由手动控制“辅助变流器故障隔离开关"来实现,对应两套辅助变流器,机车上设两个“辅助变流器故障隔离开关”,可以分别实施两套辅助变流器的故障隔离运行。

在某一台辅助变流器发生过流、短路等故障时,能自动实施电磁接触器的故障转换,并将信息送TCMS。在辅助变流器发生接地故障时,跳主断路器,并将信息送TCMS,由司机完成辅助变流器接地故障的故障隔离。

4.4牵引变流器控制电路

   机车牵引变流器的控制主要是按照司机控制器给定的指令,由TCMS传递给牵引变流器,完成对牵引电动机按照机车牵引制动特性的控制,并同时参与控制VVVF辅助变流器的输出电压和频率。

    牵引变流器发生接地、次边过流、牵引电动机过流、牵引变流器自身器件发生故障时,跳主断路器,并送TCMS,进行自动故障隔离,并指导司机进行有关故障隔离操作。牵引变流器的故障可以通过按动“故障复位”按钮进行恢复。

    可以通过控制“牵引电动机故障隔离开关’’对每个牵引电动机进行隔离,便于对牵引电动机进行单独的试验。对应六台牵引电动机,机车上设有六个“牵

 

引电动机故障隔离开关",这些信号直接送到牵引变流器控制单元,可以分别对牵引电动机实施隔离。

4.4.1保护电路

    机车牵引电动机的牵引风机风速继电器的信号直接送到牵引变流器中,可以很方便地实现风速保护。

    各牵引电动机速度传感器的信号直接送到牵引变流器中,用于对牵引变流器的控制,有效地实施机车的防空转、防滑行,并对机车的轴重转移进行补偿。

库内动车信号也送到牵引变流器控制单元,当机车在库内动车时,使机车牵引变流器按照特定的程序工作[19]

4.5主要故障及处理

蓄电池电量消耗一部分后,电源模块PSU进行补充电时,充电电流较大,这段时间内启动用电设备等操作,容易引起PSU负载电流的波动,当波动幅度超过保护值(约50A)时,微机系统将控制封锁PSU的输出。机车运用初期此类故障经常发生。 机车原设计当一组PSU故障后,能自动切换到另外一组工作,但是在实际的使用中机车未能实现这一功能,加上机车上没有蓄电池充放电的警示装置,若乘务员没有及时发现PSU故障,往往又导致了蓄电池过度放电的故障。

4.6本章小结

本章对HXD3电力机车电气系统的设计理念、系统构成及整车电路做了系统介绍:

    (1)HXD3电力机车电气系统的设计采用了世界上先进的、成熟的交流电机矢量控

制技术和国内成熟的机车安全综合信息监控系统和空电联合制动技术;

    (2)HXD3电力机车电气系统主要由主传动及其控制系统、辅助传动及其控制系统

和机车控制与监视系统组成,本章对各系统的构成特点及控制模式做了简要阐述;

    (3)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,本章对各电路的构成特点及主要部件做了详细阐述[20]

 

结论

随着越来越多的交流传动电力机车以其优越的性能奔驰在世界许多国家的铁路网上,交流传动电力机车已成为今后我国电力机车发展的方向。正是本着这个契机,大连厂与日本东芝公司联合开发研制了HXD3型交流传动货运电力机车,该车时速120Km/h,轴功率1200KW,填补了国内六轴交流货运电力机车型谱的空白。

HXD3型交流传动货运电力机车在整个电气系统的设计中,充分考虑大功率货运电力机车的实际需要,按照铁道部的先进、成熟、可靠的原则,和标准化、系列化、模块化、信息化的总体要求,来进行设计的。本文首先对HXD3型电力机车的电气系统构成及整车电路设计做了简要的分析和研究,然后主要针HXD3型交流货运电力机车的主传动系统、辅助传动系统和微机网络控制系统进行了系统的分析研究,并对该车在提高电磁兼容性方面,所采取的接地、屏蔽、布线等措施也进行了具体的阐述,该车电气系统主要具备以下特点:

    (1)电传动系统采用IGBT水冷变流机组,1250kW大转矩异步牵引电动机。机车具有起动(持续)牵引力大、恒功率速度范围宽、粘着性能好、功率因数高等特点。

    (2)辅助电气系统采用了2组辅助变流器,能分别提供VVVF和CVCF三相辅助电源,对辅助机组进行分类供电。该系统冗余性强,一组辅助变流器故障后可以由另一组辅助变流器对全部辅助机组供电。

    (3)采用微机网络控制系统,实现了逻辑控制、自诊断功能,实现了机车的网络重联功能,并具有信息储存和转储功能。

    (4)交流传动系统无论在性能指标,装置体积,设备维护,还是节能乃至环保等方面,均体现出了巨大优势。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

参考文献

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[20]Lennart Harnefors. Unified sensorless vector contorl of Synchonous[J]. IEEE Trans On Industrial Electronics,2003:88-89

 

 

 

致谢

本论文是在导师关德生老师和办公室的全体老师的细细指导下完成的。导师渊博的专业知识,严谨的治学态度,精益求精的工作作风,诲人不倦的高尚师德,严以律己,宽以待人的崇高风范,朴实无华,平易近人的人格魅力对我影响深远。不禁使我树立远大的学术目标,掌握了基本的研究方法,还使我明白了许多待人接物与为人处事的道理。本论文从选题到完成,每一步都是在导师的指导下完成的,倾注了导师大量的心血。在此谨向导师表示崇高的敬意的忠心的感谢。

同时,在本篇毕业论文的写作也得到了同学的热情帮助。感谢在整个毕业设计期间和我密切合作的同学和曾经在各个方面给予过我帮助的伙伴们,在此,我再一次真诚地向帮助过我的老师和同学说声谢谢!

本课题浅析HXD3型电力机车电力传动,特此致谢。

祝所有老师身体健康,工作顺利!



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