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1、HXD3C型交流传动电力机车 电气系统介绍,铁路机车的4次技术变革,一、前言,3直流,2液力,1蒸汽,4交流,国外技术封锁,西方发达国家的电传动已经完成了交直传动到交流传动的技术飞跃，并在交通运输、冶金自动化等多个行业的技术装备方面形成了巨大的竞争优势。欧盟和日本的相关公司一直禁止该技术的转让与合作。 西方国家即便在当前“以市场换技术”压力下依然将交流传动高性能控制技术作为竞争法宝而拒绝转让。,交流传动系统 = 牵引变流器 + 牵引电动机 + 传动控制单元 + ,交流传动系统的组成,交流传动系统的基本组成模式,内燃机车交流传动系统,地铁轻轨交流传动系统,电力机车、动车组交流传动系统,电力机车交
2、流传动系统,电源从电网下来，经变压器降压，传动控制单元控制四象限整流器完成交流到直流的变换，再控制逆变器完成直流到3相交流的VVVF（变压变频）变换，给异步牵引电机供电，达到对异步牵引电机转矩的控制。牵引时，能量是从电网流向电机，电能转化成机械能。制动时，过程相反，机械能转化成电能回馈电网。,电力机车交流传动系统调速原理,在传动控制单元的控制下，各部件有机地结合起来，实现电源的变换，由高压（25KV）、工频（50HZ）的不可控单相交流电源变换到3相可控变频、变压的交流电源，供给异步牵引电机，实现对异步牵引电机的控制，从而实现传动控制的最终目的：按照司机的指令控制机车的运行速度。,HXD3C机车
3、,HXD3C型交流传动电力机车的主传动和辅助传动系统均采用了交流控制技术，整个电气系统的设计坚持起点高、技术领先的原则，并充分考虑了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概述,2.机车布线,HXD3C机车布线的设计理念是尽量做到设备与设备之间的直接对接，减少中间环节，因此整车控制电缆、端子柜连接器及端子排的用量减少（与按SS4G机车布线思路比），线缆通过对设备间的两个横梁线槽及左右两侧墙上进行控制线路布线，机车中间走廊最下层为机车主电路，其上方为到各风机控制线。,3整车电气线路组成：,主电路； 列车供电电路
4、 辅助电路及110V充电模块电路； (含220V加热回路、低温预热回路等) 机车控制与监视系统电路； （含机车重联控制、自动过分相控制、弓网故障保护） 制动系统; （含WSP空转滑行保护检测系统） 机车各类灯及相关辅助设备的控制,3.1机车主电路,原边网侧电路； 主变压器； 主变流器； 牵引电动机； 库用动车电路等组成。,机车主电路,牵引变流器由整流器、中间直流电路和逆变器组成。,牵引变流器,原边网侧电路,网侧电路由2台受电弓AP1、AP2、2台高压隔离开关QS1、QS2、1个高压电流互感器TA1、1个高压电压互感器TV1、1台主断路器QF1、1台高压接地开关QS10、1台避雷器F1、主变压器
5、原边绕组AX、1个低压电流互感器TA2和回流装置EB16等组成。 接触网电流通过受电弓AP1或AP2引入机车，经高压隔离开关QS1或QS2和主断路器QF1，经25kV高压电缆由车内至车下，通过大A端子，穿过TA1与主变压器原边1U端子相连，经过主变压器原边，从1V端子流出，穿过TA2与车体地相连，最后通过6个并联的回流装置EB1EB6，从轮对回流至钢轨,高压电压互感器其次边输出除为网压表和电度表提供原边网压信号，还为主变流器的控制单元提供原边网压信号，作为主变流器控制的同步信号使用。 网侧过电流保护 通过高压电流互感器的检测，当电流超过整定值时，过流继电器动作，主断路器分断保护。 网侧过电压保
6、护 网侧装有避雷器，用以抑制操作过电压及雷击过电压。 网压检测保护 当原边网压高于32kV且持续10ms或者是高于35kV且持续1ms时，四象限脉冲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原边过电压信息。 当原边网压低于16kV且持续10ms时，四象限脉冲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原边欠压信息。,受电弓 真空断路器,高压电流互感器 高压电压互感器,避雷器 高压隔离开关,主变压器,采用轴向分裂、心式卧放、下悬式安装的一体化多绕组变压器，具有高阻抗、重量轻等特点；采用真空注油、强油风冷、氮气密封等特殊的工
7、艺措施，延长变压器的绝缘寿命。 主变压器的六个1450V牵引绕组分别用于两套主变流器的供电；两个V辅助绕组分别用于辅助变流器的供电，辅助变流器的中间直流回路还同时给电源充电模块供电，辅助变流器的输出还经过隔离变压器，给司机室各加热设备及低温预热回路提供和11交流电源,主变压器,变压器免维护 并且温升明显降低,主变流器,每台机车装有两个变流器机箱，每一变流器机箱内含有3组主变流器和一组辅助变流器。使其结构紧凑，便于设备安装。 主变流器由四象限整流器、直流环节、逆变器组成。采用IGBT元件。主变流器的性能适应货运机车大牵引力的特点。 主变流器采用水冷技术，具有冷却效果好、无污染、重量轻、结构上维修
8、方便等特点，是国际上流行的冷却方式。,变流装置,IGBT模块冷却示意图,主变流器参数,开关元件： IGBT 4500V-900A 冷却方式： 水冷（纯水乙二醇） 四象限脉冲整流器 额定输入电压： 1450VAC 输入频率： 50Hz 额定输入电流： 965A 额定输入容量： 1280KVA 中间电压： 2800V 牵引逆变器 输出电压： 02150VAC（三相） 输出电流： 0520A 额定输出电压： 2000V 额定输出电流： 382A 输出频率： 0120Hz,变流器功率模块说明:,功率模块是构成变流器的核心部件，是由上下桥臂的两组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栅
9、极电压的门放大器基板； 四象限整流器是由相、相两个功率模块构成，逆变器是由相、相、相三个功率模块构成，即功率模块数量是由相单位构成 由于四象限整流器和逆变器的电流值要求不同，因此四象限整流器是由个元件并联后组成功率模块，逆变器则是由单个元件构成功率模块，因此四象限整流器和逆变器的功率模块不能互换，但是他们采用的是相同的，额定值都是因此模块内的元件是可以互换的。 运用、检修、维护时，都是以模块形式进行更换，然后送专用厂家进行维护检修。,逆变器功率模块,主变流器工作原理,机车采用两组主变流器UM1和UM2，每一组主变流器内含有3个牵引变流器，它们分别由主变压器的牵引绕组a1x1、a2x2、a3x3
10、和a4x4、a5x5、a6x6供电，6组牵引变流器经过整流逆变后，分别给牵引电动机M1、M2、M3、M4、M5、M6供电。当任何一组或几组牵引变流器支路出现故障时，均可通过故障隔离开关进行隔离，实现整车的冗余控制。牵引变流器主要由四象限整流器、中间直流电路和牵引逆变器几部分组成，每一部分的基本结构和工作原理如下：,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
11、调制电压质量也取决于其平衡程度，因此对它要求较高，总之，中间直流电路是保证交直交系统正常工作的一个重要环节。 HXD3C型电力机车中间直流电路 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。 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IGBT和限流电阻组成。 主接地保护电路由跨接在中间回路的两个串联电容和一个接地信号传感器组成。每套机组分别含三套接地保护电路，可以分别对三个交直交牵引电路进行监测和保护，接地检测信号送TCMS，进行故障显示，接地保护开关设在控制电器柜上，可进行故障切换运行。,在中间直流回路
12、中，直流电压产生2倍于输入电源 频率的脉动（100Hz)，因此逆变器频率接近脉动 频率时，牵引电动机电流产生脉动现象，由此而 带来的问题是元件电流增加，电机转矩脉动增 大。欧洲生产的电力机车一般是通过LC滤波器来 减小直流电压脉动，但HXD3C型电力机车取消了中 间二次滤波回路环节，它是通过逆变器的软件控 制，调节逆变器频率，使逆变器输出电压正负周 期的电压时间乘积趋于相等，来消除二次谐波电 压的影响，大幅度抑制电动机电流脉动现象和转 矩脉动现象。取消二次滤波回路，是HXD3C型电力 机车主回路的一个重要特点,逆变器、牵引电机电路,HXD3C型交流传动货运电力机车的牵引逆变器是由IGBT元件组
13、成的PWM逆变单元，整车的6个牵引逆变器分别向6台牵引电动机供电。由于牵引逆变器采用矢量控制模式，使异步牵引电动机具有快速反应的动态性能，实现了机车每个牵引电动机的独立控制。由于整车采用轴控方式，当整台机车的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时，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。,四象限变流电路,四象限变流器能够在电压、电流平面上的所有四个象限中工作。牵引时作为整流器向中间直流电路提供能量，再生制动时作为逆变器向电网回馈能量。 四象限变流电路构成 如图所示，四象限变流电路由变压器牵引绕组供电，每组四象限变流电路由2个交流接触器、1个
14、充电电阻和1个四象限变流器组成。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供电，给中间直流回路支撑电容充电。当中间直流电压达到2000V时，充电接触器切除充电电阻，牵引绕组通过线路接触器向四象限变流器供电并给中间直流回路支撑电容充电，直至中间直流电压达到2800V。充电电阻起限制充电电流作用。,主流器的保护电路,机车主电路的保护除原边过流保护及前边提到的瞬时过电压保护、接地保护外，在牵引变流器内，还设立了多种保护功能，以保证牵引变流器和整车的安全运行。,水冷却系统的保护,牵引变流器的冷却系统是由复合冷却器的水空气热交换器、联管、阀门、储水箱、水泵、塞门、流量计、冷却介质等组
15、成，利用去离子水和乙二醇的混合冷却介质通过热交换器对IGBT器件进行冷却，具有很好的冷却效果。在冷却系统中，设定了如下监视和保护：,A)通过流量计监测冷却水的流速，实现牵引变流器进口水压监测和失压保护； B)通过监测水空气热交换器风速，实现牵引变流器水冷却的保护； C)通过热敏电阻温度继电器对元件的监测，实现牵引变流器进出口水温的监视和保护； D)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。,过流和过载保护,A)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，起控制和监视变流器充电电流及牵引绕组短路电流的作用，其动作保护值为1960A（us和ms)。保护发生时，四象
16、限脉冲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，通过按复位开关恢复；这种故障如果在分钟内连续发生两次，故障将被锁定，必须切断的控制电源，才能恢复正常。 B)在每一组牵引变流器的输出回路中，设有输出电流互感器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1400A(us和ms) ；保护发生时，四象限脉冲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。通过按复位开关恢复；这种故障如果在分钟内连续发生两次，故障将被锁定，必须切断的控制电源，才能恢复正常。,接
