HXD3C 型機車主傳動系統(tǒng)分析與研究

【摘 要】本文以XHD3C機車主傳動系統(tǒng)為研究對象，重點對網側高壓電路、主變壓器、牽引變流電路做了系統(tǒng)的研究和分析。

【關鍵詞】XHD3C機車；主傳動系統(tǒng)；交流傳動技術

HXD3C 型機車主傳動系統(tǒng)是產生機車牽引力和制動力的電氣設備電路，主要由網側電路、主變壓器、牽引變流器及牽引電動機等組成。機車牽引工況時，通過受電弓、高壓隔離開關、主斷路器和變壓器原邊繞組獲得25kV，50HZ 交流電，經過主變壓器的降壓，由主變壓器次邊6個獨立的牽引繞組分別向6組交直交支路供電，如圖1所示。每組交直交電路由一個兩點式單相四象限 PWM 整流器和一個兩點式三相 VVVF 逆變器等組成。三相 VVVF 逆變器向牽引電動機供電，牽引電動機在電動機狀態(tài)下工作，實現電能向機械能的轉換，變?yōu)闄C車的牽引力和速度。機車制動工況時，則進行與上述相反的轉換。這時電動機在發(fā)電機狀態(tài)下工作，將列車的動能轉換為電能，向接觸網回饋電能。

圖1 牽引工況機車能量傳遞過程

1 網側電路

網側電路由受電弓 PG1、PG2、高壓隔離開關 QS1、QS2、高壓電流互感器 TA1、低壓電流互感器 TA2、高壓電壓互感器 TV1、主斷路器 MCB、高壓接地開關 QS10、避雷器 F1、F2、F3、原邊過流繼電器 KC1、智能型電度表 PWH、主變壓器原邊繞組 AX 及接地裝置EB1～6 等組成。

接觸網電流通過受電弓 PG1 或 PG2 進入機車，經 25kV 高壓電纜進入車內并經高壓柜內的高壓隔離開關 QS1 或 QS2 和主斷路器的主觸點 QF1 相連，并穿過高壓電流互感器 TA1與主變壓器 TM1 的原邊繞組 A 端子相連，經過主變壓器原邊繞組，從 X 端子流出，再穿過低壓電流互感器 TA2 后，通過 6個并聯(lián)的接地裝置 EB1～EB6，經輪對回流至鋼軌。

2 主變壓器

機車采用軸向分裂、心式臥放、下懸式安裝的一體化多繞組變壓器，具有高阻抗、重量輕等特點；主變壓器的6個 1450V 牽引繞組分別用于兩套主變流器的供電，2 個 399V 輔助繞組分別用于輔助變流器的供電，2 個 860V 供電繞組分別用于 DC600V 列車供電柜的供電（僅客運方案）。

圖2 網側電路

3 主變流器電路

3.1 牽引變流器的構成和原理

機車采用兩組主變流器 UM1、UM2，分別由主變壓器的牽引繞組（a1-x1）～（a6-x6）供電，牽引變流原理如圖3所示，主變流器再分別給牽引電動機 M1、M2、M3 和 M4、M5、M6 供電。牽引變流器 UM1牽引變流電路如圖4所示， 內部可以看成由 3個獨立的整流—中間電路—逆變環(huán)節(jié)構成，每個環(huán)節(jié)分別有 2個接觸器、1個輸入電流互感器、1個充電電阻、1個四象限變流器、中間電路、1個 PWM 逆變器、2 個輸出電流互感器等組成。3個整流—中間電路—逆變環(huán)節(jié)的主電路和控制電路相對獨立，分別提供給 3 個牽引電動機。當其中一組或幾組發(fā)生故障時，可自動切除，剩余單元可繼續(xù)工作。

在變流器的輸入端設有變流器充電電路，當中間電壓為零時，主變壓器的牽引繞組通過充電電阻向四象限整流器，給中間直流回路支撐電容充電。若不接入充電電阻，當電源接入時，電容上的電壓不能突變，因此電源相當于通過二極管形成短路，會形成很大的沖擊電流。當中間直流電壓達到 2000V 時，中間電路預充電完成，充電接觸器切除充電電阻。這時，牽引繞組向中間直流回路支撐電容繼續(xù)充電，直至 2800V。整個充電過程完成后，逆變器可以投入工作。再生制動時，逆變器工作在整流狀態(tài)，整流器工作在逆變狀態(tài)。由牽引電動機向主變壓器牽引繞組饋電，將電能回饋至接觸網。

3.2 四象限整流器

四象限整流器是一個脈寬調制變流器，它將電源的交流電壓，通過脈沖寬度控制，控制中間直流電壓的幅值和流入變流器的交流電流相位，使交流電流的波形盡量接近正弦，使得交流側的基波電壓和基波電流的相位差接近于 0，這樣既限制了諧波電流分量，又提高了機車功率因數。因此與相控整流器比較，四象限整流器有很高的功率因數，諧波電流含量也小得多。四象限整流器參數如下：

3.3 中間直流環(huán)節(jié)（中間電容）

中間直流環(huán)節(jié)是四象限整流器和 PWM 逆變器之間的中間環(huán)節(jié)。中間直流電路主要由中間電壓支撐電容、瞬時過電壓限制電路和主接地保護電路組成，電路如圖5所示。該車中間直流電路與歐洲和國內以往的交流傳動電力機車不同，取消了二次濾波電路，它是通過逆變器的軟件控制，來消除二次諧波電壓的影響，大幅度抑制牽引電機電流脈動現象和轉矩脈動現象。

瞬時過電壓限制電路由 IGBT 和限流電阻組成。主接地保護電路由跨接在中間回路的兩個串聯(lián)電容和一個接地信號傳感器組成。每臺主變流器含有三套獨立的接地保護電路，可以分別對 3 組牽引變流器進行接地監(jiān)測和保護。接地檢測信息送至 TCMS，可以實現故障顯示。

3.4 PWM 逆變器

PWM 逆變器由中間直流環(huán)節(jié)供電，輸出三相變壓變頻（VVVF）電源供給牽引電機。根據控制指令，PWM 逆變器能夠平穩(wěn)快速的從牽引工況轉換到制動工況，反之亦然。制動工況下，再生能量反饋到接觸網（再生制動）。這些過程都由變流器控制單元來實現，機車的六個 PWM 逆變器分別向六臺牽引電機供電。PWM 逆變器采用了最新的控制策略，從而使在整個速度范圍內力矩的波動最小，并且在軌面狀態(tài)不好的情況下獲得最大限度的粘著利用。由于整車采用軸控方式，當整臺機車的六個軸的輪徑差、軸重轉移及空轉等可能引起的負載分配不均勻時，均可以通過 PWM 逆變器的控制進行適當的補償，以實現最大限度地發(fā)揮機車牽引力。

PWM 逆變器參數如下：

4 結束語

通過對 HXD3 型機車的電傳動系統(tǒng)的分析， 掌握了機車主傳動系統(tǒng)的構成、工作原理和工作過程。

【參考文獻】

[1]中國北車集團大連機車車輛有限公司.HXD3C型交流傳動電力機車培訓教材[Z].大連：中國北車集團大連機車車輛有限公司，2010.

[2]張曙光.HXD3 電力機車[M].北京：中國鐵道出版社，2008.

[責任編輯：劉帥]