淺析HXD3C型電力機車電傳動系統

劉懷銀 劉懷金

（1.山東職業學院，山東濟南250104；2.山東能源棗莊礦業（集團）有限責任公司鐵路運輸處，山東棗莊277000）

0 引言

目前中國鐵路運能長期處于飽和狀態，為解決此問題，必須選擇采用先進的高速、重載交流傳動機車。交流傳動電力機車的核心系統——電傳動系統，其主要由牽引變壓器、主變流器、牽引電機等部分組成。2010年，大連機車廠研制出了HXD3C型交流傳動機車，它是國內初次采用和帶有列車供電的新型客、貨通用機車，其最高運營速度為120 km/h，同時也是我國鐵路運輸的急需車型。機車采用PWM矢量控制等新技術，盡量考慮對環境的保護，減少維修和保養的工作量。

1 機車總體主要技術數據

HXD3C型電力機車采用的是6軸，每根軸的功率1 200 kW，總功率7 200 kW，軸重按25 t和23 t設計，不同的軸重是通過配重的增減來實現轉換。HXD3C電力機車重要技術參數如表1所示。

表1 機車重要技術參數

2 機車電傳動系統

HXD3C型電力機車的電傳動系統主要由主電路系統、輔助電路系統、DC 600 V列車供電電路、控制電路、制動系統控制電路和機車安全監控電路系統組成。下面主要對主電路系統、輔助電路系統、列車供電電路系統進行分析和論述。

2.1 主電路系統

機車主電路主要由網側電路、主變壓器、主變流器及牽引電動機等組成。

2.1.1 網側電路

網側電路主要由受電弓PG1和PG2、主斷路器MCB、高壓隔離開關QS1和QS2、高壓電流互感器TV1和高壓電壓互感器TA1、低壓電流互感器TA2、原邊過流繼電器KC1、高壓接地開關QS10、避雷器F1～F3、智能型電度表PWH、主變壓器原邊繞組AX及接地裝置EB1～EB6等組成。

受電弓PG1或PG2通過與接觸網接觸把電流引入機車，經過25 kV的高壓電纜進入車內以后，經高壓隔離開關QS1或QS2（高壓柜內）和主斷路器的主觸點QF1相連，然后再經高壓電流互感器TA1與主變壓器TM1的原邊繞組A端子連接，經X端子輸出端流出，在穿過低壓電流互感器TA2后，通過6個并聯的接地裝置EB1～EB6，經輪對回流至鋼軌。車頂上部設有兩架受電弓、兩臺車頂避雷器，安裝于車軸端部的接地裝置有6個，分別為EB1～EB6，其余的網側高壓電器均裝于車內高壓柜中，從而可以避免高壓電器由于雨雪、風沙、粉塵等侵蝕、污染而發生閃絡擊穿，降低了維修成本，提高了機車的可靠性。

2.1.2 主變壓器

機車主變壓器懸掛在機車車下中部，下懸式安裝。為延長變壓器的絕緣壽命，冷卻系統采用了一些特殊的工藝措施，如真空注油、強迫風冷等。主變壓器副邊繞組共有10個，不同于HXD3和HXD3B兩種機車，其中前面的6個繞組為1 450 V牽引繞組，需對兩臺主變流器供電，后面的4個繞組中，前兩個為399 V輔助繞組，后兩個為860 V供電繞組，分別用于輔助變流器和列車供電柜的供電（僅客運方案）。主變壓器的主要技術參數如表2所示。

表2 主變壓器主要技術參數

2.1.3 主變流器和牽引電機電路

HXD3C電力機車采用由兩組主變流器UM1、UM2，主變壓器的牽引繞組a1-x1～a6-x6為其供電，主變流器再分別給牽引電動機M1～M3和M4～M6供電。主變流器UM1內部可以看作是3個獨立的“整流—中間電路—逆變”環節（稱為牽引變流器）。

電力機車牽引變流器的主電路和控制電路相對獨立，分別為6個牽引電機提供交流變頻電源。當一組或幾組發生故障時，可通過TCMS微機顯示屏，利用觸摸開關將故障的牽引變流器切除，剩余單元仍可繼續工作，實現整車的冗余控制。

四象限整流器是一個脈沖寬度調制轉換器，控制中間直流電壓的幅值和交變電流相位的轉換器都是通過脈沖寬度控制，因此交流電的電流波形盡可能接近正弦，基波電壓之間的相位差和基波電流在交流側是接近于零，這就使諧波電流分量得到了限制，同時提高了機車的功率因數。四象限脈沖整流器的功能是向電機側逆變器提供2 800 V的匹配直流電源。

中間直流環節是四象限整流器和PWM逆變器之間的中間環節。中間直流電路主要由中間電壓支持電容、瞬態過電壓限制電路和主接地保護電路組成。HXD3C型電力機車消除了二次濾波電路，這是由于逆變軟件控制消除了二次諧波電壓的影響，顯著減少了牽引電機電流脈動現象和轉矩脈動現象。

PWM逆變器由中間直流供電，輸出三相變頻變壓（VVVF）電源供應給牽引電動機。根據控制指令，PWM逆變器可以平穩快速地從牽引狀態切換到制動狀態，反之亦然。在制動狀態下可再生能源反饋到電網（再生制動）。所有這些過程都是由變頻器控制單元實現的。PWM逆變器采用最新的控制策略，機車6個PWM逆變器分別為6個牽引電動機提供電源，使整個轉速范圍內的轉矩波動最小，在鋼軌表面狀態較差的情況下獲得最大的粘著利用率。對于載荷分布不均勻的情況可進行適當的補償，而且是通過PWM逆變器來控制的，以便使機車牽引發揮到最優狀態。

2.2 輔助電路系統

機車上除牽引電動機之外還有一些輔助電動機等設備，對這些輔助電動機進行控制主要依靠的就是機車輔助傳動及其控制系統。HXD3C型電力機車上設有兩組獨立的三相輔助電源，這兩套輔助電源是由變流器UA11和UA12、濾波電容、濾波電抗、接觸器、自動開關及對應的輔助機構等組成。

HXD3C電力機車兩臺輔助變流器UA11、UA12具有兩種工作方式，分別為變頻變壓（VVVF）和恒頻恒壓（CVCF），在正常情況下，輔助變流器UA11工作按照VVVF方式進行，UA12按照CVCF方式進行，分別為機車輔助電動機供電。

輔助變流器由四象限整流器、中間直流電路和逆變器電路組成。輔助變流器采用IGBT元件組成的PWM整流器，IGBT構成的逆變器單元是由主變壓器TM1二次側a7-x7和a8-x8線圈供電，輸出送入輔助濾波柜LC，輔助繞組電壓均為399 V，經過輸出接觸器向各類輔助電動機供電。恒頻恒壓變流器和變頻變壓輔助變流器的輸出容量均為230 kVA。為降低諧波分量和對輔助變流器輸出PWM波進行濾波，則采用LC輔助濾波柜，輸出近似正弦波的三相交流電，向各類輔機供電。

輔助變流器UA11的輸出，主要給牽引風機電動機MA11、MA12和冷卻塔風機電動機MA13、MA14供電。UA12輔助變流器的輸出，主要給MA19/MA20（空壓機電機）、MA21/MA22（主變壓器油泵）、M23/M24（車體通風機）、EV11/EV12（司機室空調）、WP1/WP2（用來冷卻的主變流器水泵）、APBM1/APBM2（輔助變流器風機）供電，同時輔助變流器UA12還經過隔離變壓器AT1，分別向司機室內的輔助加熱設備、衛生間及壓縮機加熱回路以及低溫預熱設備提供AC 220 V和AC 110 V交流電源。

2.3 客運狀態下的列車供電電路系統

為滿足機車牽引客運車輛的需要，機車上設有DC 600 V供電電路。該電路主要由兩個DC 600 V電源柜LG1、LG2和供電連接器XSA2～XSA5組成。其輸入電源分別由主變壓器的兩個輔助繞組a9-x9和a10-x10供電，經過整流單元整流，在得到供電允許指令后可向客車車輛輸出DC 600 V電源。

列車供電柜的電路分為主電路、輔助電路、控制電路和電子電路四個部分。額定交流電壓860 V從151/161、152/162端輸入，通過電源柜中的濾波電抗器和柜中的濾波電容，輸出直流電壓為600 V。整流橋的交流側與電阻、電容、壓敏電阻組成的過電壓吸收電路和控制同步變壓器并聯。同時，在交流側有元件擊穿短路時，快速熔斷器能快速熔斷保護裝置，使主電路斷開，避免故障進一步擴大。電壓傳感器3SV和5SV分別為控制箱A組和B組提供電壓反饋信號。

列車電源柜采用功率元件整流器和直流負載電阻及交流電阻容量保護，工作時發熱，此時需要進行冷卻通風。柜內設置有一臺三相交流380 V通風機，對柜內發熱元件進行強制風冷。當通風機斷路器未閉合時，不允許列車供電柜投入工作，以免損壞器件。

3 結語

本文對HXD3C型電力機車的牽引傳動系統進行了分析，介紹了電力機車交流傳動系統的構成、工作原理和過程，可為機車的運用、檢修和整備等提供可靠的技術支持。

[1]李瑞榮.機車電力電子技術[M].北京：中國鐵道出版社，2009.

[2]付娟.電力機車控制[M].2版.成都：西南交通大學出版社，2016.

[3]耿幸福.HXD3型機車電傳動系統分析[J].電力機車與城軌車輛，2011，34（2）：35-38.

[4]陳芳.HXD3C型機車主傳動系統分析與研究[J].山東工業技術，2013（13）：28-29.

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