任務(wù)二-交傳機(jī)車牽引傳動系統(tǒng)分析課件

1、項(xiàng)目四 交傳機(jī)車牽引傳動系統(tǒng)維護(hù)與調(diào)試任務(wù)二 交傳機(jī)車牽引傳動系統(tǒng)分析【學(xué)習(xí)任務(wù)】4.3 交傳大功率機(jī)車牽引傳動系統(tǒng)概述 HXD型電力機(jī)車是交-直-交大功率交流傳動的電力機(jī)車。HXD1C型六軸7200kW交流傳動電力機(jī)車在HXD1型機(jī)車和HXD1B型機(jī)車設(shè)計(jì)制造的基礎(chǔ)上，采用由IGBT變流元件組成的模塊，單軸控制技術(shù)，適應(yīng)中國使用環(huán)境的交流傳動六軸7200kW干線電力機(jī)車。機(jī)車設(shè)計(jì)使用壽命30年。 該型機(jī)車是我國目前自主化程度最高的電力機(jī)車，國產(chǎn)化率高達(dá)90%，具有極優(yōu)的性價比。 1.主電路 機(jī)車的主電路系統(tǒng)由主變壓器原邊電路以及主變壓器次變牽引電路組成。受電弓從接觸網(wǎng)接受AC25kV， 50

2、Hz電源，經(jīng)高壓隔離開關(guān)，主斷路器輸入主變壓器，原邊電流經(jīng)軸端接地裝置返回大地。主變壓器原邊電路設(shè)有避雷器、高壓電壓互感器、高壓電流互感器、回流電流互感器。機(jī)車的微機(jī)控制系統(tǒng)對原邊具有過壓、欠壓、過流的檢測和保護(hù)功能、變壓器原邊具有差動保護(hù)功能。主變壓器的6個次邊繞組給兩個牽引變流器供電，牽引變流器采用3.3kV 電壓等級的IGBT變流元件，變壓器次邊輸送過來的電能，在牽引變流器中經(jīng)過整流、逆變之后為6臺牽引電機(jī)提供變頻變壓交流電源，牽引電機(jī)采用三相交流異步電機(jī)，主電路具有過壓、過流、接地保護(hù)功能。4.3 交傳大功率機(jī)車牽引傳動系統(tǒng)概述 HXD1C型機(jī)車主電路具有：（1）采用先進(jìn)的交流傳動系統(tǒng)

3、（2）采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)（3）采用先進(jìn)的水冷IGBT模塊（4）采用軸控方式，提高機(jī)車的可利用率（5）采用先進(jìn)的再生制動方式，節(jié)能效果顯著4.3 交傳大功率機(jī)車牽引傳動系統(tǒng)概述2、輔助電路 機(jī)車裝有兩組輔助變流器，分別集成在兩個柜體中，分別由牽引變壓器輔助繞組供電。其中1臺輔助變流器以定頻方式工作，為恒頻恒壓工作的負(fù)載供電，另一臺輔助變流器以變頻方式工作，為有變頻變壓要求的負(fù)載，如牽引風(fēng)機(jī)電機(jī)供電機(jī)車輔助電源系統(tǒng)采用冗余設(shè)計(jì)，當(dāng)一組電源故障時，另一組電源能維持全車輔助系統(tǒng)供電。 輔助電源系統(tǒng)具有完備的保護(hù)，包括過電壓、欠電壓、過載、接地、過熱等保護(hù)項(xiàng)目。HXD1C型機(jī)車輔助電路具有以下顯著特

4、點(diǎn)：（1）采用冗余設(shè)計(jì)（2）變頻功能，節(jié)能性好（3）采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)（4）為防寒設(shè)計(jì)預(yù)留接口和余量（5）配置衛(wèi)生間、轉(zhuǎn)波爐、冷藏箱等生活設(shè)施4.3 交傳大功率機(jī)車牽引傳動系統(tǒng)概述3、控制網(wǎng)絡(luò)機(jī)車采用微機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、模塊化，使機(jī)車控制系統(tǒng)具有控制、診斷、監(jiān)測、傳輸、顯示和存儲功能，控制網(wǎng)絡(luò)符合IEC 61375的標(biāo)準(zhǔn)要求。4、控制網(wǎng)絡(luò)重聯(lián)控制：機(jī)車具有通過WTB總線進(jìn)行多機(jī)(最多三臺)重聯(lián)控制及顯 示功能，并預(yù)留了遠(yuǎn)程重聯(lián)控制系統(tǒng)的軟件、硬件接口及安裝平臺。 5、設(shè)備布置6、機(jī)車總體結(jié)構(gòu)為雙司機(jī)室、機(jī)械間設(shè)備按斜對稱原則布置、中間走廊、采用預(yù)布線和預(yù)布管設(shè)計(jì)。4.3 交傳大功率機(jī)

5、車牽引傳動系統(tǒng)概述7、通風(fēng)方式：機(jī)車采用獨(dú)立通風(fēng)方式，增加了機(jī)械間冬夏季溫度調(diào)節(jié)模式轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)，更好的改善了機(jī)車運(yùn)用環(huán)境。8、車體：車體采用整體承載結(jié)構(gòu)型式，全部由鋼板及鋼板壓型件組焊而成的全鋼焊接結(jié)構(gòu)。車體縱向壓縮載荷取3000kN，縱向拉伸載荷取2500kN。9、轉(zhuǎn)向架：機(jī)車采用兩臺C0轉(zhuǎn)向架。驅(qū)動系統(tǒng)采用滾動抱軸承傳動的抱軸懸掛驅(qū)動，構(gòu)架為箱形梁焊接構(gòu)架，齒輪箱采用了高強(qiáng)度鋁合金；一系懸掛采用軸箱拉桿螺旋鋼彈簧方式；二系懸掛采用高撓螺旋鋼彈簧結(jié)構(gòu)；牽引裝置采用低位牽引。4.4 牽引傳動系統(tǒng)主電路主要元器件圖4-1 交傳大功率機(jī)車整體結(jié)構(gòu)原理圖 一臺交流傳動機(jī)車的結(jié)構(gòu)原理，如圖4-1所示，電

6、源從電網(wǎng)下來，經(jīng)變壓器降壓，傳動控制單元控制四象限整流器完成交流到直流的變換，再控制逆變器完成直流到3相交流的VVVF（變壓變頻）變換，給異步牽引電機(jī)供電，達(dá)到對異步牽引電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制。牽引時，能量是從電網(wǎng)流向電機(jī)，電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。制動時，過程相反，機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能回饋電網(wǎng)。4.4.1 受電弓 受電弓是機(jī)車從接觸網(wǎng)獲得電能的部件，在機(jī)車車頂兩端各裝一臺。大功率交流傳動HXD1C型機(jī)車使用TSG15B型受電弓，該型受電弓是一種鉸接式的機(jī)械構(gòu)件，它通過絕緣子安裝于電力機(jī)車車頂。 1、 TSG15B型受電弓結(jié)構(gòu)圖4-2 TSG15B型受電弓總體結(jié)構(gòu) 4.4.1 受電弓2、 TSG15B型受電弓工作

7、原理 受電弓的升弓和降弓由氣囊裝置進(jìn)行控制，氣囊裝置由氣路控制，而氣路又由一電磁閥操縱。該控制氣路保證：受電弓無振動而有規(guī)律地升起，直至最大工作高度，從受電弓弓頭開始上升算起，在610秒內(nèi)無異常沖擊地抵達(dá)接觸網(wǎng)線上； 1）弓頭上升一升弓 2）弓頭的下降一降弓3、 TSG15B型受電弓技術(shù)參數(shù)4.4.2 真空斷路器BVAC.N99D型真空斷路器是HXD1C型電力機(jī)車車頂高壓電器中的一個重要電氣部件，它是整車與接觸網(wǎng)之間電氣連通、分?jǐn)嗟目傞_關(guān)，是機(jī)車上最重要的保護(hù)設(shè)備，該電器設(shè)備主要用于主電路開斷和接通，同時還可以用于過載保護(hù)和短路保護(hù)。 1、 BVAC.N99D型真空斷路器結(jié)構(gòu)圖4-3 BVAC

8、.N99D型真空斷路器結(jié)構(gòu)圖4.4.2 真空斷路器2、BVAC.N99D型真空斷路器動作原理1）合閘原理（斷路器處在斷開狀態(tài)）BVAC.N99型真空斷路器只有在滿足如下條件，斷路器才能閉合：斷路器必須處于斷開狀態(tài)；必須有充足的氣壓；保持線圈必須處于得電狀態(tài)。 具體合閘步驟如下：按下“開/關(guān)”鍵；此時，主斷路器處于斷開狀態(tài)。電磁閥及保持線圈得電，壓縮空氣由儲風(fēng)缸進(jìn)入傳動氣缸，推動活塞上移。動觸頭隨著活塞的移動而運(yùn)動；恢復(fù)彈簧壓縮；主觸頭閉合；觸頭接觸壓力彈簧壓縮；活塞到達(dá)行程末端；由保持線圈將活塞固定，保持合閘狀態(tài)；0.6秒后，電磁閥失電，活塞底部排風(fēng)；傳動氣缸內(nèi)的空氣排出。4.4.2 真空斷路

9、器2、BVAC.N99D型真空斷路器動作原理2）分閘原理（斷路器處在閉合狀態(tài)）在任何情況下，只要控制電源失電，BVAC斷路器就處于開斷狀態(tài)（控制開關(guān)“開/關(guān)”打開）。具體分閘步驟如下：保持線圈失電；活塞在彈簧力作用下移動（觸頭壓力彈簧和恢復(fù)彈簧）；主觸頭打開，真空滅弧室滅??；行程結(jié)束，活塞緩沖，. 主觸頭斷開。3、BVAC.N99D型真空斷路技術(shù)參數(shù)4.4.3 牽引變壓器 主變壓器是電力機(jī)車上的重要部件，其作用是將接觸網(wǎng)上的25kV高電壓降為具有多種電壓的低電壓，為機(jī)車各種電機(jī)、電器提供電源。HXD1C型電力機(jī)車使用TBQ35-8900/25型主變壓器。變壓器油箱內(nèi)設(shè)置了一個主變壓器和2個諧振

10、濾波電抗器實(shí)現(xiàn)了一體化安裝，有體積小、重量輕的特點(diǎn)。變壓器油箱采用鋼焊接結(jié)構(gòu)。冷卻介質(zhì)為45#變壓器油，采用雙循環(huán)油路進(jìn)行冷卻。 TBQ35-8900/25型主變壓器是單相變壓器，臥式結(jié)構(gòu)，采用車體下懸掛安裝方式安裝，變壓器型號中符號的含義：T鐵路機(jī)車；BQ牽引變壓器；35設(shè)計(jì)序號；8900額定容量，單位kVA；25高壓(網(wǎng)側(cè)、一次側(cè))繞組額定電壓，單位kV。4.4.3 牽引變壓器1、牽引變壓器的結(jié)構(gòu)TBQ35-8900/25型主變壓器為心式變壓器，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖4-4。圖4-4 變壓器結(jié)構(gòu)原理圖 4.4.3 牽引變壓器額定功率 高壓 8900kVA牽引 61383kVA 輔助2300kVA

11、額定電壓高壓25000V牽引6970V 輔助2470V額定頻率50Hz外形尺寸 304019501320變壓器總重 11400 kg變壓器油重 2550 kg冷卻方式 ODAF（強(qiáng)迫導(dǎo)向油循環(huán)風(fēng)冷）冷卻介質(zhì) 礦物油（45#變壓器油）網(wǎng)壓范圍 17.531kV恒功范圍 22.529kV2.牽引變壓器技術(shù)參數(shù)4.4.4 牽引電動機(jī)牽引電機(jī)是機(jī)車進(jìn)行機(jī)械能和電能相互轉(zhuǎn)換的重要部件。它安裝在機(jī)車轉(zhuǎn)向架上，通過傳動裝置與輪對相連。機(jī)車在牽引狀態(tài)時，牽引電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，驅(qū)動機(jī)車運(yùn)行。當(dāng)機(jī)車在電氣制動狀態(tài)時，牽引電機(jī)將列車的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，產(chǎn)生列車的制動力。 JD160A異步牽引電機(jī)結(jié)構(gòu)圖4-5

12、定子結(jié)構(gòu)圖圖4-6 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖4.4.4 牽引電動機(jī)牽引電機(jī)工作原理 定子通上三相交流電后，在氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場，該磁場切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條后在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中產(chǎn)生感應(yīng)電流，帶電的轉(zhuǎn)子導(dǎo)條處于氣隙旋轉(zhuǎn)磁場中就要產(chǎn)生電動力，使轉(zhuǎn)子朝定子旋轉(zhuǎn)磁場的同一方向旋轉(zhuǎn)。 改變定子頻率即可改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，隨著定子頻率的增加，電機(jī)轉(zhuǎn)速相應(yīng)增加，如果電壓不增加，將導(dǎo)致電機(jī)磁場減弱，電機(jī)轉(zhuǎn)矩將降低，電機(jī)磁場降到很低時，電機(jī)不能輸出足夠的轉(zhuǎn)矩，不能滿足負(fù)載要求； 另一方面，低頻起動時，如果電壓很高，將導(dǎo)致電機(jī)過分飽和。因此異步電機(jī)變頻時，電壓也應(yīng)在一定范圍內(nèi)保持一定比例的變化，這種調(diào)速方式稱之為變頻變壓調(diào)速。異步牽引電機(jī)變頻調(diào)速

13、主要采用了恒轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速（恒磁通變頻調(diào)速的一個區(qū)段，磁通和電流不變）、恒磁通變頻調(diào)速、恒功率變頻調(diào)速等調(diào)速方式。 4.5 主牽引傳動系統(tǒng)工作原理 4.5.1 TGA9型牽引變流器概述 TGA9型牽引變流器應(yīng)用于機(jī)車軸式為C0-C0牽引電機(jī)軸功率為1.2MW的7200KW六軸貨運(yùn)電力機(jī)車。其設(shè)計(jì)充分借鑒了時代電氣之前對等開發(fā)HXD1型電力機(jī)車牽引變流器樣機(jī)的研制經(jīng)驗(yàn)和成熟技術(shù)，兩者的核心部件如變流器模塊的主體結(jié)構(gòu)完全相同。每臺牽引變流器向一個轉(zhuǎn)向架的三臺牽引電機(jī)供電，為了獲得所期望的電動機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，變流器根據(jù)要求來調(diào)節(jié)電動機(jī)接線端的電流和電壓波形，完成電源（主回路）和牽引電動機(jī)之間的能量傳輸，

14、實(shí)現(xiàn)對機(jī)車牽引，再生制動等持續(xù)控制。 圖4-7 TGA9型牽引變流器外觀圖（正面）4.5.1 TGA9型牽引變流器概述1、TGA9型牽引變流器結(jié)構(gòu) 牽引變流器采用模塊化結(jié)構(gòu)，四象限整流器和逆變器采用相同的變流模塊，模塊采用IGBT作為開關(guān)器件，直流環(huán)節(jié)電壓為DC1800V，主電路采用二電平三重四象限：PWM整流器VVVF逆變器模式，每重四象限整流器和一個逆變器組成一組供電單元，為一臺牽引電機(jī)供電，控制方式為軸控。采用水冷散熱。圖4-8（a） TGA9型牽引變流器結(jié)構(gòu)圖（主視圖） 4.5.1 TGA9型牽引變流器概述1、TGA9型牽引變流器結(jié)構(gòu)圖4-8（b） TGA9型牽引變流器結(jié)構(gòu)圖（俯視圖）

15、 4.5.1 TGA9型牽引變流器概述牽引變流器的冷卻方式為強(qiáng)迫水循環(huán)冷卻，水冷系統(tǒng)示意圖見圖4-9。變流器各模塊采用水冷散熱，冷卻液由純水和乙二醇按一定比例混合而成，通過柜體右下方的閥門輸入，對變流器模塊進(jìn)行冷卻，由柜體右上方的閥門排出；變流器安裝有一個水-氣熱交換器，與冷卻風(fēng)機(jī)集成在一起，用于變流器柜體內(nèi)部的空氣循環(huán)與降溫，防止出現(xiàn)局部過熱點(diǎn)；變流器模塊、熱交換器與水冷管路全部采用快速接頭連接，方便快捷插拔，不需要排放冷卻系統(tǒng)中的冷卻液。圖4-9 水冷系統(tǒng)水流示意圖4.5.1 TGA9型牽引變流器概述2、牽引變流器的功能 每臺變流器為一個轉(zhuǎn)向架的三臺牽引電機(jī)供電。為了控制所期望的電動機(jī)轉(zhuǎn)矩

16、和轉(zhuǎn)速，變流器根據(jù)要求來調(diào)節(jié)電動機(jī)接線端的電流和電壓波形，完成電源（主回路）和牽引電動機(jī)之間的能量傳輸，實(shí)行對機(jī)車牽引、再生制動的連續(xù)控制。 牽引變流器輸入端與主變壓器的次邊牽引繞組相連，并通過接觸器分/合。通過四象限變流器將單相交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的中間直流電壓。中間直流回路設(shè)有支撐電容、諧振電容、接地檢測模塊和保護(hù)模塊等。中間電壓經(jīng)過PWM逆變器轉(zhuǎn)換成三相頻率和電壓可變的輸出電壓供給三相異步牽引電機(jī)。4.5.1 TGA9型牽引變流器概述3、牽引變流器的主要技術(shù)特點(diǎn)主電路特點(diǎn)：牽引變流器輸入端為三重四象限變流器（ 網(wǎng)側(cè)變流器）， 直接連接到主變壓器的3個牽引繞組輸出端； 牽引變流器輸出端為三相

17、逆變器 （電機(jī)側(cè)變流器） 直接與牽引電機(jī)連接； 中間直流環(huán)節(jié)包括支撐電容器、 二次諧振電路 、過壓斬波電路、接地檢測電路等。開關(guān)元采用IGBT 元件，技術(shù)成熟可靠?？刂齐娐诽攸c(diǎn)：變流器輸入端采用四象限變流器控制方式， 具有中間直流環(huán)節(jié)電壓穩(wěn)定， 功率因數(shù)接近于1， 能量可再生等優(yōu)點(diǎn)。 輸出端采用異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制方式， 具有動態(tài)響應(yīng)特性優(yōu)良， 控制簡介高效， 牽引力變化平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)：各部件采用模塊化設(shè)計(jì)， 具有整體結(jié)構(gòu)相對簡單， 檢修維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。 冷卻系統(tǒng)特點(diǎn)： 牽引變流器冷卻采用水冷卻方式，具有冷卻效率高， 體積質(zhì)量小，維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。4.5.2 牽引變流器的工作原理圖4

18、-10 變流器電路原理圖 牽引變流器電路原理圖如圖4-10， 其功能和狀態(tài)參數(shù)均由T C U監(jiān)控和保護(hù)。機(jī)車在牽引工況時， 變流器將 主變壓器次邊繞組上的單相交流電轉(zhuǎn)變成驅(qū)動牽引電 機(jī)所需的變壓變頻三相電；制動工況時，牽引電機(jī)處于發(fā)電工況，變流器將電機(jī)發(fā)出的電能反饋給電網(wǎng)。 4.5.2 牽引變流器的工作原理1、傳動控制單元（TCU） 傳動控制單元（TCU），采用“異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制”軟件和“交流傳動模塊化設(shè)計(jì)”硬件設(shè)計(jì)理念。是在消化吸收HXD1型電力機(jī)車技術(shù)基礎(chǔ)上加以修改和完善的。 TCU通過機(jī)車MVB網(wǎng)絡(luò)接收司機(jī)指令，將司機(jī)指令轉(zhuǎn)化為機(jī)車的運(yùn)行工況。通過MVB總線，TCU將電傳動系統(tǒng)與微機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)聯(lián)系起來，形成控制與通信系統(tǒng)。其在變流器系統(tǒng)中的地位如圖4-11。圖4-11 變流器系統(tǒng)原理圖4.5.2 牽引變流器的工作原理2、輸入電路輸入電路由主接觸器和預(yù)充電電路構(gòu)成。輸入電路主要由主接觸器、充電接觸器、充電電阻組成的預(yù)充電電路。在變壓器每個次邊繞組和四象限變流器單相輸入之間，都使用了一個主接觸器（主接觸器）和一套由充電接觸器和充電電阻組成的預(yù)充電電路。預(yù)充電電路主要功能是系統(tǒng)上電時，完成對中間直流電容的預(yù)充電。避免上電時強(qiáng)大的沖擊電流