HXN3型內燃機車電傳動控制系統(tǒng)研究分析

呂娜璽

（天津鐵道職業(yè)技術學院，天津 300240）

HXN3型內燃機車電傳動控制系統(tǒng)研究分析

呂娜璽

（天津鐵道職業(yè)技術學院，天津 300240）

本文詳細闡述了HXN3型內燃機車的各系統(tǒng)的工作原理，主要包括：交流傳動系統(tǒng)、輔助供電系統(tǒng)、網(wǎng)絡通訊系統(tǒng)、空氣制動系統(tǒng)等，結合內燃機車的性能特性分析了目前HXN3機車電傳動的矢量控制、PWM控制等技術、網(wǎng)絡通訊控制的觀點以及方法。

內燃機車；電傳動；控制技術

1 引言

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，鐵路運輸業(yè)的得到了迅猛發(fā)展，為此機車“客運高速，貨運重載”的需求也越來越大，未來提高大功率內燃機車的性能，逐漸將先進的交流電傳動技術應用于HXN3內燃機車，這不僅提高了內燃機車機車的技術水平，也提升了鐵路裝備的制造水平。為此，HXN3內燃機車的交流電傳動技術需要更深一步分析研究。近十幾年來交流電傳動技術以及相關的控制技術已經(jīng)逐漸應用于內燃機車控制過程，為滿足鐵路運輸屬于需求的內燃機車的大功率要求，對內燃機車的交流電傳動技術以及與之相關各個系統(tǒng)的控制技術進行研究和分析，是目前鐵路機車研究領域中的一個重要方向。

2 內燃機車電傳動簡介

2.1直流電傳動

直流電傳動是電力機車較普遍應用的一種傳動方式，再工作過程輸入直流電機的電能與機械能進行可逆的轉換。內燃機通過具有彈性性質的聯(lián)軸節(jié)來驅動直流發(fā)電機，發(fā)電機把內燃機曲軸上的機械能轉變?yōu)榭梢哉{節(jié)控制的直流電能，經(jīng)直流牽引電動機把電能轉變?yōu)檗D速以及轉矩都能夠進行調節(jié)的機械能，然后通過聯(lián)軸節(jié)連接齒輪箱，經(jīng)過齒輪箱驅動機車動車輪對，這樣來實現(xiàn)牽引控制。這種傳動方式的發(fā)電機和牽引電動機都是釆用直流電機，所以也稱為直-直電傳動。

2.2 交-直流電傳動

伴隨內燃機功率與轉速的逐漸提高，內燃機車逐步向大功率方向發(fā)展，但是直流牽引發(fā)電機的功率輸出由于受到換向以及機車功率限界等各個因素的制約限制，單臺內燃機功率一般被限制在2200KW以內，直到上世紀60年代，大功率機車的整流技術逐步成熟，交-直流電傳動技術得到了廣泛應用。交-直流電傳動屬于直流調速系統(tǒng)，他是采用交流牽引發(fā)電機，交流牽引發(fā)電機輸出的三相交流電，經(jīng)過整流器將交流整流轉變?yōu)橹绷鳎缓笤俳?jīng)過直流牽引電動機通過聯(lián)軸節(jié)來驅動機車動車車輪，直流牽引發(fā)電機相比，這種交流傳動方式的牽引發(fā)電機具有無換向器的特性，這種方式結構簡單，運行安全可靠，并且維護簡單。

2.3 交流電傳動

即使串勵直流牽引電動機具有較好的的調速性，但是考慮到其自身的一些特性，致使其面臨著以下幾個難點：第一，串勵直流牽引電動機的自身結構特性導致其功率難以進一步提升。第二，由于串勵直流牽引電動機功率特性相對較軟，有時候導致機車在牽引工況下出現(xiàn)空轉現(xiàn)象或者電阻制動工況下出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。第三，同一等級的直流牽引電動機與交流異步電動機相比，在重量和尺寸上都相對較大。

3 HXN3型內燃機車電傳動控制系統(tǒng)設計

3.1 交流主傳動系統(tǒng)

內燃機車的交流主傳動系統(tǒng)不但擔負著分發(fā)揮內燃機輸出功率的任務，也是內燃機車性能的最關鍵的部分之一。內燃機車的能量轉化和輸入與輸出是由交流電傳動系統(tǒng)來完成的。在HXN3機車上，其內燃機具有以架控和矢量控制特點的大容量IGBT的逆變器作為主傳動系統(tǒng)，是能量傳輸以及電量轉化的最關鍵載體，該大功率交流牽引系統(tǒng)，具有高調速比、大單軸功率以及少維護率的貼點，并且具有較高的牽引特性，這些特點是HXN3機車的核心優(yōu)勢之一。

內燃機車的主傳動系統(tǒng)主要包括主發(fā)電機、整流單元、牽引逆變器、牽引電機以及制動電阻裝置等構成。主發(fā)電機所發(fā)出的三相交流電經(jīng)過牽引整流單元轉化為高壓直流電，該高壓直流電經(jīng)過牽引逆變器轉化為所需電壓值的交流電，最終輸出給牽引電動機，牽引電機通過聯(lián)軸節(jié)與動車的齒輪箱相連接，實現(xiàn)列車的牽引運行。

3.2 輔助供電系統(tǒng)

HXN3型內燃機車釆用交流輔助供電系統(tǒng)對車輛上的輔助電氣進行供電。輔助供電系統(tǒng)由與主發(fā)電機同軸的輔助發(fā)電機進行供電。輔助發(fā)電機電樞具有兩套三相交流電樞繞組，在這兩套裝中的一套主要是為控制電源以及蓄電池充電供電，另一套繞組分成兩組各自獨立的電壓輸出，其中一組輸出為輔助設備供電，另一組為勵磁供電。

控制電源與蓄電池充電繞組輸出主要為72-220VAC的三相交流電，通過輔助電源轉換器進行整流調壓輸出74VDC控制電，主要為控制系統(tǒng)、蓄電池、照明系統(tǒng)以及空調控制系統(tǒng)等供電。

3.3 微機控制及網(wǎng)絡通訊系統(tǒng)

HXN3機車釆用的是32位的EM 2000微機控制系統(tǒng)對機車的牽引、制動、整流與逆變以及輔助系統(tǒng)進行控制，使機車在不同的運行工況下對機車的牽引和制動能力得到最大發(fā)揮。機車的PIS的列廣系統(tǒng)主要是完成列車信息顯示、數(shù)據(jù)下載、操作和維護，并具有遠程監(jiān)控數(shù)據(jù)接口等功能。

3.4 空氣制動系統(tǒng)

HXN3機車制動部分采用微機控制系統(tǒng)，主要是空氣制動系統(tǒng)CCBII。空氣制動系統(tǒng)具有自我故障診斷、顯示及人機對話等功能，這些功能是集成在機車HRE顯示系統(tǒng)中的。本空氣制動系統(tǒng)主要是基于網(wǎng)絡控制技術的電空制動系統(tǒng)，所有的邏輯順序都是由微機進行控制的。本空氣制動系統(tǒng)具有減壓準確、反應迅速，保養(yǎng)簡單等特點，并具有安全可靠、集成化程度較高，同時功能可擴展性較強，能夠實現(xiàn)分布式無線重聯(lián)等控制。

4 總結

交流電傳動涉在工業(yè)領域有著廣泛的應用，在內燃機車上的交流電傳動需要與內燃機車獨特的技術特性和運用需求結合在一起，這導致內燃機車電傳動系統(tǒng)非常復雜。本文通過對HXN3內燃機車交流電傳動的相關理論分析與研究，闡述了其各個系統(tǒng)的工作原理，對交流傳動系統(tǒng)、輔助供電系統(tǒng)、網(wǎng)絡控制系統(tǒng)、空氣制動系統(tǒng)進行了詳細研究，為從事內燃機車交流電傳動技術相關的設計與運用維修人員提供了理論基礎。

[1]曹恒，潘大德.內燃機車大功率內燃機電控系統(tǒng)試驗研究.車用發(fā)機.2009，1： 13-16

[2]刁利軍，劉志剛，沈茂盛等.交流傳動試驗系統(tǒng)方案綜述.電氣傳動.2007，9： 33-34

[3]金彪.大功率交流傳動內燃機車電傳動系統(tǒng)方案研究.西南交通大學，2012：38-48

【作者介紹】

呂娜璽，天津鐵道職業(yè)技術學院教師，主要負責內燃機車、電力機車控制教學與研究。