HXD3主電路分析與研究

TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"摘要 1一、 緒論 2二、 HXD3電力機車主電路設(shè)計 31.主電路及其部件的設(shè)計 3三、 HXD3電力機車主傳動系統(tǒng)的設(shè)計研究 6HXD3電力機車的基本技術(shù)要求 6HXD3電力機車主傳動系統(tǒng)參數(shù)及容量的確定 9牽引變流器系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及保護策略 12牽引變流器的冷卻系統(tǒng) 15四、 主變壓器系統(tǒng)的設(shè)計 16特點 16主要技術(shù)數(shù)據(jù) 17結(jié)構(gòu) 17部件 19\o"CurrentDocument"參考文獻 19\o"CurrentDocument"致謝 20附件 21摘要本文首先對HXD3型電力機車電氣系統(tǒng)的組成做了簡要的闡述，對部分主電路、控制電路分類做了分析，并對其中的關(guān)鍵電氣部件做了說明;本文的重點是結(jié)合HXD3電力機車，對交流傳動技術(shù)在機車上的應(yīng)用進行了分析研究，對HXD3電力機車的交流主傳動系統(tǒng)的構(gòu)成、功能、特點等進行了分類研究和歸納總結(jié);文章最后對電力機車主變壓器進行了簡單的歸納和簡單的分析。關(guān)鍵詞:HXD3電力機車;主電路;交流主傳動系統(tǒng)；一、緒論HXD3交流傳動貨運電力機車是大連機車車輛有限公司與東芝公司聯(lián)合開發(fā)的7200kw交流傳動6軸貨運電力機車。采用世界上成熟的交流傳動技術(shù)機車主傳動采用日本東芝公司研制的交流傳動控制技術(shù)。主要有大功率水冷IGBT變流器控制技術(shù)、交流牽引電動機的矢量控制技術(shù)、機車轉(zhuǎn)向架單軸控制技術(shù)和高粘著控制技術(shù)。機車采用微機控制和網(wǎng)絡(luò)控制機車控制采用TOSHIBA公司成熟的，在機車、動車上使用的微機控制和監(jiān)測技術(shù)采用分布式控制網(wǎng)絡(luò)。機車控制系統(tǒng)主要分為機車控制級和變流器控制級，它們之間通過網(wǎng)絡(luò)進行信息傳遞。采用國內(nèi)成熟的機車安全綜合信息監(jiān)控系統(tǒng)為了保證機車在中國廣大鐵路上的運行,采用鐵道部統(tǒng)一的機車安全綜合信息監(jiān)控系統(tǒng)。采用國內(nèi)成熟的空電聯(lián)合制動技術(shù)。為了保證在長大坡道運行的安全需要，保證列車制動的可靠性，充分發(fā)揮大功率電力機車的優(yōu)勢，機車上采用了空電聯(lián)合制動。HXD3電力機車主傳動系統(tǒng)采用了三相交流異步牽引技術(shù)，IGBT水冷牽引變流機在主傳動系統(tǒng)的方案設(shè)計中，考慮使用現(xiàn)代機車技術(shù)成就的同時，還應(yīng)特別關(guān)注經(jīng)濟和環(huán)境問題的特點。機車主傳動系統(tǒng)首先必須滿足用戶的運輸要求，具體地說，就是使主傳動系統(tǒng)的輸出特性覆蓋用戶所提的牽引和制動特性；在最佳地利用輪軌間粘著的情況下，高效、可靠地在每一個運行速度點上，發(fā)出所需要的牽引力或制動力。設(shè)計中，還對下列幾個方面予以特別的關(guān)注：⑴設(shè)備的壽命周期費用盡量低；要求機車車輛維修方便，盡可能達到不停運維修。⑵采用經(jīng)過預(yù)試驗和考核的標(biāo)準(zhǔn)化模塊和系統(tǒng)，以減低成本，提高運行可靠性。⑶目前電力電子技術(shù)的更新周期大約為5年左右，為了新型元件的代用，要合理地配置變流器的接口，如：機械的、電氣的和冷卻循環(huán)的接口。

二、HXD3電力機車主電路設(shè)計交流傳動系統(tǒng)的構(gòu)成如圖2.1電力電子技術(shù)模型問題U、U、I、n反饋

閉環(huán)控制現(xiàn)代控制采用PWM方式圖2.1交流傳動系統(tǒng)的構(gòu)成電壓等級分別組成HXD3電力機車上各種電機、電器設(shè)備按其功能和作用、電壓等級分別組成幾個獨立的電路系統(tǒng)。即主電路、輔助電路、控制電路。三個電路通過電一磁、電一機、電一空等聯(lián)系起來，對機車進行控制。1主電路及其部件的設(shè)計見圖附件一：HXD3型電力機車主電路原理圖機車主電路是產(chǎn)生機車牽引力和制動力的電氣設(shè)備電路。機車主電路主要由網(wǎng)側(cè)電路、主變壓器、牽引變流器及牽引電動機等組成。具體電路如圖2.2所示。主電路所完成的功能是電能和機械能間的相互轉(zhuǎn)換。機車牽引工況時，機車主變壓器原邊通過受電弓、高壓隔離開關(guān)和主斷路器獲得25kV交流電，經(jīng)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。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(xiàn)電能向機械能的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換。這時電動機在發(fā)電機狀態(tài)下工作，將列車的動能或位能轉(zhuǎn)換為電能，向接觸網(wǎng)回饋電能，這時牽引時按整流器工作的變流器，變?yōu)槟孀兤鞴ぷ?。全車共?組變流器，加上相應(yīng)的電器，分別安裝在兩套變流器機柜中。牽引變流器的控制采用單軸獨立控制方式，機車的單軸輸出功率達1200kWo現(xiàn)將各電路的作用分述如下：網(wǎng)側(cè)電路網(wǎng)側(cè)電路由2臺受電弓、2臺高壓隔離開關(guān)、1個高壓電流互感器、1個高壓電壓互感器、1臺主斷路器、1臺避雷器、主變壓器原邊繞組、2個低壓電流互感器和回流裝置等組成。機車通過受電弓API或AP2從接觸網(wǎng)受流，經(jīng)高壓隔離開關(guān)QS1或QS2和主斷路器QF1,通過高壓電流互感器TA1進入車內(nèi)，經(jīng)25kV高壓電纜與主變壓器A端子相連，經(jīng)主變壓器原邊AX后，通過6個并聯(lián)的回流裝置EB1-EB6從輪對回流至鋼軌。受電弓采用DSA型受電弓。該弓采用原裝德國進口件，在國內(nèi)組裝。各項性能指標(biāo)均高于國內(nèi)同類產(chǎn)品，弓內(nèi)裝有自動降弓裝置，當(dāng)弓網(wǎng)故障時，可自動降弓保護。高壓隔離開關(guān)采用目前國內(nèi)成熟產(chǎn)品，具有手動操作功能。當(dāng)一臺受電弓發(fā)生故障接地時,可通過手動操作高壓隔離開關(guān)，切除故障的受電弓，由另一臺受電弓維持機車維持運行，以減少機破故障，提高機車運用可靠性。高壓電壓互感器采用新設(shè)計的干式高壓電壓互感器，其次邊輸出分別送到牽引變流器1和牽引變流器2的控制單元，作為牽引變流器控制的同步信號使用，還可作為原邊電壓的檢測和為電度表的計量提供電壓輸入。主斷路器采用原裝進口真空斷路器。該電器的作用為正常狀態(tài)下的電路的開閉及故障狀態(tài)下電路的開斷，后者包含機車接地和短路等故障。由于故障電流增長快、電流大，因此要求斷路器在盡可能短的時間內(nèi)動作，并能開斷極大的短路電流。高壓電流互感器對主變壓器原邊電流進行檢測,用以驅(qū)動保護繼電器，起原邊過流保護作用。避雷器避雷器接在主斷路器和高壓電流互感器之間，用以抑制操作過電壓及雷擊過電壓。高壓接地開關(guān)在機車停電進行高壓設(shè)備或需上車頂檢修時（同時必須接上接地棒）需通過打開機車天窗門，轉(zhuǎn)換高壓接地開關(guān)，使車頂網(wǎng)側(cè)部分接地，以確保人身安全。低壓電流互感器一只低壓電流互感器為電度表的計量提供原邊電流信號，并為機車微機控制系統(tǒng)提供原邊電流信號，另一只低壓電流互感器給TCMS送入原邊電流信號，用于微機顯示屏顯示?；亓餮b置保證網(wǎng)側(cè)電流向鋼軌的回流作用，同時保護機車輪對軸承不受電蝕以及機車可靠的接地性能。主變壓器主變壓器的六個1450V牽引繞組分別用于兩套牽引變流器的供電，兩個399V輔助繞組分別用于輔助變流器的供電。牽引變流器和牽引電動機電路牽引變流器的構(gòu)成牽引變流器UM1內(nèi)部可以看成由3個獨立的整流一中間電路一逆變環(huán)節(jié)構(gòu)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個整流一中間電路一逆變環(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(dāng)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。牽引變流器工作原理在變流器的輸入端，設(shè)有變流器充電電路。當(dāng)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(dāng)電源接入時，電容上的電壓不能突變，因此電源相當(dāng)于通過二極管形成短路,，會形成很大的沖擊電流。當(dāng)中間直流電壓達到2000V時，中間電路預(yù)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2800Vo整個充電過程完成后，逆變器可以投入工作。在再生制動時，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(wǎng)。輸入電流互感器起控制和監(jiān)測充電電流及牽引繞組短路電流的作用。輸出電流互感器起監(jiān)測牽引電動機輸入電流的作用。中間直流電路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。瞬時過電壓限制電路由IGBT和限流電阻組成。當(dāng)支撐電容上的中間電壓超過允許電壓范圍時，IGBT元件導(dǎo)通，通過限流電阻放電，以使中間電壓保持在允許的電壓值內(nèi)。牽引電動機供電電路機車的牽引電動機Ml?3由牽引變流器UM1的3個PWM逆變器分別單獨供電，實現(xiàn)牽引電動機的獨立控制。這樣，整臺機車的6個軸的輪徑差、軸重轉(zhuǎn)移及空轉(zhuǎn)等可能引起的負(fù)載分配不均勻，均可以通過牽引變流器的控制進行適當(dāng)?shù)难a償，以實現(xiàn)最大限度地發(fā)揮機車牽引力。當(dāng)一臺機組故障時，只須切除一臺機組，機車仍能保持六分之五的牽引動力。保護電路主變壓器牽引繞組的過流保護當(dāng)主變壓器牽引繞組發(fā)生過流時，通過牽引變流器中的相應(yīng)電流傳感器發(fā)出過流信號，通過控制單元對相應(yīng)的變流器環(huán)節(jié)實施封鎖保護。接地保護電路跨接在中間回路2個串聯(lián)電容的中點的1個接地信號檢測傳感器組成了主接地保護電路。當(dāng)主電路正常時，由于只有1點接地，接地保護電路中流過的電流為零，接地信號檢測傳感器無信號輸出。當(dāng)主電路某一點接地時，則形成回路，將在接地信號傳感器中流過接地故障電流，傳感器輸出電流信號，使保護裝置動作，去開斷主斷路器?？梢酝ㄟ^接地故障的轉(zhuǎn)換開關(guān)，實施對接地保護的隔離。每一變流器柜分別含三套接地保護電路，可以分別對三個交直交電路進行檢測和保護，接地檢測信號送TCMS,顯示接地故障。牽引電動機過流保護當(dāng)牽引電動機發(fā)生過流時,通過牽引變流器中的相應(yīng)電流傳感器發(fā)出過流信號，由變流器控制單元對相應(yīng)的變流器環(huán)節(jié)實施封鎖保護。其他電能的計量機車上裝有2塊電度表，分別計量機車牽引、再生制動時的電能，電度表由原邊低壓電流互感器和高壓電壓互感器提供電流、電壓信號。庫內(nèi)動車機車庫內(nèi)動車時，由單相低壓庫用電源供電。庫用電源通過單相插座送到二位或五位牽引電動機的四象限整流器的輸入端，由于電壓低，不用考慮電流沖擊。此時，四象限整流器按橋式全波整流工作，整流電壓處于較低的數(shù)值，由逆變器輸出較低頻率的電壓，驅(qū)動牽引電動機以低速運行，完成機車的庫內(nèi)動車。機車共設(shè)置兩個主電路入庫插座和主電路入庫轉(zhuǎn)換開關(guān)，方便機車庫內(nèi)動車的需要。三、HXD3電力機車主傳動系統(tǒng)的設(shè)計研究1、HXD3電力機車的基本技術(shù)要求根據(jù)鐵道部科技司對HXD3電力機車下達的設(shè)計任務(wù)書的要求，機車主要牽引性能參數(shù)如下：電流制 單相交流50Hz額定電壓 25kV

在22.5kV?31kV之間時，機車能發(fā)揮額定功率，在22.5kV?17.5kV和17.5kV?17.2kV范圍內(nèi)機車功率按不同斜率線性下降，在17.2kV時功率為零;在31kV?31.3kV范圍內(nèi)機車功率線性下降至零，如圖3.1所示。圖3.1機車功率隨網(wǎng)壓波動圖電傳動方式交_直_交傳動持續(xù)功率7200kW機車速度：持續(xù)制速度70km/h（23t軸重）65km/h（25t軸重）最高速度120km/h起動牽引力520kN（23t軸重）570kN（25t軸重）持續(xù)牽引力（半磨耗輪）370kN（23t軸重）400kN（25t軸重）恒功率速度范圍65km/h?120km/h（25t軸重）70km/h~120km/h（23t軸重）電制動方式再生制動電制動功率7200kW（70km/h?120km/h）（23t軸重）7200kW（65km/h—120km/h）（25t軸重）最大電制動力370kN（15km/h?70km/h）（23軸重）400kN（15km/h?65km/h）（25t軸重）軌距1435tniD軸式CO-CO機車總重138t%t（23t軸重）150t%t（25t軸重）軸重 23+2t受電弓落下時，滑板頂面距軌面高度4775±30mm受電弓滑板距軌面的工作范圍 5200?6500mm功率因數(shù)（當(dāng)機車發(fā)揮10%及以上額定功率時）N0.98額定功率時，機車在持續(xù)制牽引工況下，在距牽引變電所10km處測量W2.5A額定網(wǎng)壓下，在牽引工況發(fā)揮持續(xù)功率時的機車總效率NO.85機車采用微機網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)機車能以5km/h速度安全通過半徑為125m的曲線，并能在半徑250m的曲線上進行正常摘掛作業(yè)。機車單機以120km/h速度于平直道上施行緊急空氣制動時，最大制動距離W800m（23t軸重）W900m（25t軸重）機車牽引特性：采用恒牽引力、準(zhǔn)恒速特性控制，牽引控制司機控制器手柄為13級，級間能平滑調(diào)節(jié)，如圖3.2所示。圖3.2牽引特性控制曲線（25t軸重）機車制動特性：采用恒制動力、準(zhǔn)恒速特性控制，制動控制司機控制器手為12級，級間能平滑調(diào)節(jié)，如圖3.3所示F(kN)圖3.F(kN)圖3.3制動特性控制曲線（25t軸重）2、HXD3電力機車主傳動系統(tǒng)參數(shù)及容量的確定（1）異步牽引電機的容量和參數(shù)確定機車的負(fù)載是不斷變化的負(fù)載，他隨線路坡道、列車的編組質(zhì)量、列車的運行速度的變化而變化。因而異步牽引電機的負(fù)載也在不斷變化。為了考核機車的輸出，首先必須考核牽引電動機的額定容量。電動機的額定功率受絕緣材料允許溫升的限制，他是指電動機在額定的電壓、電流、頻率和通風(fēng)條件下，達到穩(wěn)定溫升所能輸出的功率。電機的繞組絕緣材料允許的溫升越高，意味著同樣結(jié)構(gòu)的電機可輸出的功率越大,HXD3電力機車的牽引電機采用的是200°級絕緣材料。牽引電機的溫升還取決于電機中的損耗，由于HXD3電力機車的牽引電機由逆變器供電，在流入牽引電機的電流中，有大量的諧波電流，這些諧波電流會在電機中產(chǎn)生附加損耗。因而牽引電機的額定容量與變流器的輸出有關(guān)。綜上所述，牽引電機的額定容量，在很大程度上受到逆變器的供電質(zhì)量、冷卻效果以及牽引電機本身選用的絕緣材料制約。按照機車持續(xù)功率為7200KW,車輪直徑為1250mm（新輪）或1200mm（半磨耗），牽引齒輪傳動比為101/21（剛性、單側(cè)、直齒），并根據(jù)六軸牽引模式下，機車在6%。坡道上牽引5000t貨物時，可加速到120km/h的要求，可確定異步牽引電機的參數(shù)如下：持續(xù)功率 1250kW額定電壓 2150V額定電流 390A額定頻率額定轉(zhuǎn)速最高轉(zhuǎn)速極數(shù)功率因數(shù)額定效率絕緣等級冷卻方式通風(fēng)量35Hz1365(r/min)3195r/min40.995%200級強迫風(fēng)冷96m3/min(靜風(fēng)壓1800Pa)異步牽引電機的上述參數(shù)可滿足HXD3電力機車要求的總參數(shù)的需求。牽引變流器的容量和參數(shù)設(shè)計一臺變流器的容量由它可能輸出的最大電流和最高電壓的乘積來表示，主要受半導(dǎo)體器件中允許的最高結(jié)溫和電場強度所限制。結(jié)溫與變流器的冷卻方式有關(guān)，因為半導(dǎo)體器件的熱容量很小，因此元器件的選定，還必須考慮短路電流的影響。對于機車這種特定的應(yīng)用對象，變流器的最大輸出電流，往往出現(xiàn)在機車啟動時。隨著速度的提高，變流器的輸出電流逐漸減小，即使電動機的輸出功率達到額定功率，變流器的輸出電流也比啟動時小。變流器與牽引電機容量的合理匹配通常是指機車在運行過程中能較好地發(fā)揮各自的設(shè)計容量。HXD3電力機車的牽引特性曲線可以分成2個區(qū)：即從啟動到額定速度VN的恒力矩區(qū)，以及從額定速度到最高速度Vmax的恒功區(qū)。在恒力矩區(qū)，變流器的輸出u/f近似為常數(shù)；在恒功區(qū)，牽引電機工作在磁場削弱工況。因此在不同的工況，對逆變器和牽引電機的要求也就不同。HXD3電力機車又是重載貨運電力機車，因此變流器的容量應(yīng)按啟動時的最大電流Imax和滿功率輸出時，最高速度下的最高電壓Umax進行設(shè)計，其主要技術(shù)參數(shù)如下：四象限整流器在早期的相控機車中，使用相控整流器，其最大的缺點是功率因數(shù)低、諧波電流大。目前，在交流傳動機車中，已被四象限整流器所取代。HXD3電力機車四象限整流器單元模塊如圖3.4所示。主要技術(shù)參數(shù)如下：四象限整流器的主要技術(shù)參數(shù)如下：額定輸入電壓 1450V額定輸入頻率 50Hz元件類型： IGBT (4500V、900A)兩個并聯(lián)每個單元模塊重量 35kg

圖3.4四象限整流器的元件模塊PWM逆變器HXD3電力機車PWM逆變器單元模塊如圖3.5所示。主要技術(shù)參數(shù)如下:額定輸入電壓額定輸出電壓額定輸入電壓額定輸出電壓最大輸出電流最高輸出頻率元件類型：每個單元模塊重量2800VDC2150V520A120HzIGBT(4500V、900A)21kg圖3.5PWM逆變器的元件模塊HXD3電力機車主傳動系統(tǒng)的能量變換過程HXD3電力機車主電路由網(wǎng)側(cè)電路、主變壓器、牽引變流器、牽引電動機和庫內(nèi)動車電路等組成。整車主電路經(jīng)過以上環(huán)節(jié)變換，實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換：在牽引工況時，四象限整流器是一個整流器，將電網(wǎng)的交流電整成直流電，再通過中間直流環(huán)節(jié)和牽引逆變器，將中間直流電壓逆變成交流電，供電給交流異步電動機,機車完成將電網(wǎng)的電能轉(zhuǎn)換成機車機械能的過程；在再生制動工況時，牽引逆變器將按整流器運行，把牽引電機發(fā)出的交流電，整流成中間直流電壓，而四象限整流器變成逆變器，將中間直流電壓逆變成交流電回饋給電網(wǎng)，機車完成了將列車的動能轉(zhuǎn)換成電網(wǎng)電能的過程。3牽引變流器系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及保護策略HXD3電力機車裝有兩個變流器機箱，每一變流器機箱內(nèi)含有3組牽引變流器和一組輔助變流器。使其結(jié)構(gòu)緊湊，便于設(shè)備安裝。牽引變流器由四象限整流器、中間直流電路、牽引變流器幾部分組成，每一部分的基本結(jié)構(gòu)及工作原理如下：四象限整流器四象限脈沖整流器的作用是向電機側(cè)逆變器提供一個相匹配的恒定的直流電壓源。他由四象限前級電路和四象限脈沖整流電路兩部分組成。四象限前級電路由充電電阻、充電接觸器、工作接觸器構(gòu)成。在牽引變流器工作前，牽引變流器的控制裝置根據(jù)微機控制監(jiān)視系統(tǒng)來的信號，先閉合充電接觸器，經(jīng)過充電電阻限流，四象限脈沖整流向中間直流回路充電，建立初始電壓。接入充電電阻的目的是減少四象限脈沖整流器的電流沖擊。當(dāng)檢測到中間電壓到一定值后，閉合線路接觸器，繼續(xù)向直流環(huán)節(jié)充電，利用脈沖調(diào)制電流控制技術(shù)，控制整流器的輸出電壓穩(wěn)定在直流2800V,通過調(diào)整脈沖調(diào)制角，使交流側(cè)電流、電壓為同相位，從而使整流器的功率因數(shù)接近lo中間直流電路中間直流電路是四象限整流器和電機側(cè)逆變器之間的中間環(huán)節(jié)。在三相交流傳動系統(tǒng)中，中間直流電路起著很重要的作用，主要表現(xiàn)為：在網(wǎng)側(cè)整流器和電機側(cè)逆變器之間實現(xiàn)瞬時功率平衡;儲能電容向牽引電動機提供基波無功功率和高次諧波的通路；變流器換流能力直接受中間電路電壓的影響，逆變器的調(diào)制電壓質(zhì)量也取決于其平衡程度，因此對它要求較高；如果脈動過大，諧波電壓可能會被變流器調(diào)制到電源或電機電路中，從而引起振蕩，嚴(yán)重時甚至?xí)蓴_系統(tǒng)正常工作，加劇系統(tǒng)諧波電壓或電流?？傊虚g直流電路是保證交一直一交系統(tǒng)正常工作的一個重要環(huán)節(jié)。中間直流電路的儲能器有兩種形式。對于電流型逆變器，采用感性儲能器，在再生制動時，中間電路電流方向不變而電壓極性改變；對于電壓型逆變器，采用容性儲能器，中間電路電壓極性不變而電流方向改變。HXD3電力機車采用的是電壓型逆變器，中間直流電路由中間電壓支撐電容、瞬時過電壓限制電路、主接地保護電路和中間電壓測量電路組成。與歐洲的電力機車不同，HXD3電力機車取消了二次濾波回路，通過控制策略來消除二次濾波電壓的影響。中間電壓支撐電容主要起穩(wěn)定中間回路電壓，同時可對四象限脈沖整流器和逆變器產(chǎn)生的高次諧波進行濾波。瞬時過電壓限制電路由IGBT元件、限流電阻、中間電壓測量電路組成。通過電壓傳感器對牽引變流器中間回路的電壓進行監(jiān)測，保證牽引變流器中間電壓維持在正常許用值范圍內(nèi)。當(dāng)由于某種原因造成中間回路電壓升高而過壓時，瞬時過電壓限制電路的IGBT將導(dǎo)通，直流回路能量經(jīng)限流電阻放電和釋放，消除過電壓。主接地保護電路由兩個串聯(lián)電容和一個接地信號傳感器組成,接地信號傳感器一端接在串聯(lián)電容的中點，另一端接地。當(dāng)主電路正常時，由于只有1點接地，接地保護電路中流過的電流為零，接地信號檢測傳感器無信號輸出。當(dāng)主電路某一點接地時則形成回路，有故障電流流過，傳感器輸出電流信號，使保護裝置動作?？梢酝ㄟ^轉(zhuǎn)換接地故障開關(guān)，實施對接地保護的隔離。牽引逆變器牽引逆變器即電機側(cè)變流器，從負(fù)載來看，它可分為電壓型和電流型兩種。電壓型變流器由直流電壓中間電路供給一個恒定的直流電壓，其元件過電壓的可能性較小，但由于中間電路的內(nèi)阻小，負(fù)載的故障和換流失敗，易引起過電流。再生制動時，為了使電流反向，與晶閘管反向并聯(lián)了二極管，因此晶閘管毋需反向耐壓；電流型變流器由直流電流中間電路供給一個恒定的直流電流，由于通常將電感串聯(lián)在中間電路中，有較大的阻抗，半導(dǎo)體器件一般不會產(chǎn)生過電流，但容易產(chǎn)生過電壓。再生制動，電壓方向改變，毋需反并聯(lián)二極管。就電流型變流器和電壓型變流器相比較，在大功率牽引領(lǐng)域，以電壓型變流器為主。HXD3電力機車的牽引變流器即為電壓型，其電路是由IGBT元件組成的PWM逆變單元組成，該逆變器采用矢量控制模式，實現(xiàn)牽引電動機的獨立控制。由于感應(yīng)電動機具有很硬的速率特性，因此輪徑差和電動機特性的差異，都會引起負(fù)載的不均勻分配。HXD3電力機車采用軸控方式，因而無論是輪徑差、電機的特性差，通過牽引變流器的用，采用軸控，也可對每軸進行適當(dāng)?shù)难a償，以實現(xiàn)最大限度地發(fā)揮機車牽引力。牽引變流器的保護策略過流和過載保護在每一組牽引變流器的輸入回路中，設(shè)有輸入電流互感器ACCT,用以控制和監(jiān)視逆變器充電電流及牽引繞組短路電流，其動作保護值為1750A。保護發(fā)生時，四象限整流器和逆變器的門極均被封鎖，輸入回路中的工作接觸器斷開，同時向微機控制系統(tǒng)發(fā)出跳主斷的信號；在每一組牽引變流器的輸出回路中，設(shè)有輸出電流互感器CTU、CTW,對牽引電機過載及牽引電機三相不平衡起控制和監(jiān)視保護作用，牽引電機過載保護的動作值為950A；保護發(fā)生時，四象限整流器和逆變器的門極均被封鎖，輸入回路中的工作接觸器斷開，同時向微機控制系統(tǒng)發(fā)出跳主斷的信號。接地保護牽引變流器的接地保護系統(tǒng)由跨接在中間回路的2個串聯(lián)電容和1個接地信號檢測傳感器組成。當(dāng)主牽引回路正常時，由于只有1點接地，接地保護電路中流過的電流為零，接地信號檢測傳感器無信號輸出。當(dāng)主電路某一點接地時則形成回路，接地檢測回路有故障電流流過，傳感器輸出電流信號，使保護裝置動作，其動作保護值為10A。保護發(fā)生時，四象限整流器和逆變器的門極均被封鎖，輸入回路中的工作接觸器斷開，同時向微機控制系統(tǒng)發(fā)出跳主斷的信號。瞬時過電壓保護在機車出現(xiàn)空轉(zhuǎn)、打滑或者受電弓處網(wǎng)壓中斷等的情況下，牽引變流器上可能出現(xiàn)瞬時過電壓，為了防止這種過電壓對變流器造成損壞，在中間直流回路設(shè)有瞬時過電壓限制電路，由IGBT和限流電阻組成。這是一種多次重復(fù)方式的保護方法。當(dāng)過電壓存在時，該IGBT將導(dǎo)通，直流回路能量經(jīng)限流電阻放電和釋放，消除過電壓。整流器器件的短路保護通過對門放大器的監(jiān)測，當(dāng)出現(xiàn)門電壓不一致時，說明整流器器件短路，四象限整流器和逆變器的門極均被封鎖，輸入回路中的工作接觸器斷開，同時向微機控制系統(tǒng)發(fā)出跳主斷的信號。逆變器器件的短路保護通過對門放大器的監(jiān)測，當(dāng)出現(xiàn)門電壓不一致時，說明逆變器器件短路，四象限整流器和逆變器的門極均被封鎖，輸入回路中的工作接觸器斷開，同時向微機控制系統(tǒng)發(fā)出跳主斷的信號。牽引變流器中間直流回路電壓范圍的保護通過對牽引變流器中間直流回路電壓傳感器的監(jiān)測，當(dāng)牽引變流器的中間直流回路電壓大于或等于3200V時，中間回路過電壓保護環(huán)節(jié)動作，四象限整流器和逆變器的門極均被封鎖，輸入回路中的工作接觸器斷開；當(dāng)牽引變流器的中間直流回路電壓小于或等于2000V時，中間回路低電壓保護環(huán)節(jié)動作，四象限整流器和逆變器的門極均被封鎖，輸入回路中的工作接觸器斷開。牽引變流器的控制電源故障保護牽引變流器內(nèi)部的控制電源故障時，通過微機系統(tǒng)內(nèi)部檢測實施保護，四象限整流器和逆變器的門極均被封鎖，輸入回路中的工作接觸器斷開。

牽引變流器的檢修安全連鎖保護在檢查或操作牽引變流器之前，斷開真空斷路器，降下受電弓，然后閉合牽引變流器的試驗開關(guān)SA75,通過司機臺上的微機顯示屏確認(rèn)設(shè)備內(nèi)的電容器已放電完畢后(小于15V),才能進行檢查操作。4、牽引變流器的冷卻系統(tǒng)HXD3電力機車牽引變流器的冷卻系統(tǒng)牽引變流器冷卻系統(tǒng)如圖3.6所示。它是由復(fù)合冷卻器的水一空氣熱交換器、聯(lián)管、閥門、儲水箱、水泵、塞門、流量計、冷卻介質(zhì)等組成。利用高純冷卻介質(zhì)通過熱交換器對IGBT器件進行冷卻，所以具有很好的冷卻效果。人水排水人水排水系統(tǒng)中除水一空氣熱交換器外，其他部件都安裝在變流器柜內(nèi)。冷卻系統(tǒng)參數(shù)如下：冷卻介質(zhì): 50%乙二醇+50%去離子水介質(zhì)流量： 16m3/h水一空氣熱交換器流阻： W400mbar水一空氣熱交換器散熱功率：不小于100kW熱交換器進水端絕對水壓： 4bar水冷卻系統(tǒng)管件材料： 防銹鋁(表面氧化＞5U),不銹鋼密封材料采用氟橡膠或硅橡膠HXD3電力機車牽引變流器冷卻系統(tǒng)的保護策略在HXD3電力機車牽引變流器冷卻系統(tǒng)中，設(shè)定了如下監(jiān)視和保護o(1)通過流量計的監(jiān)測，完成牽引變流器進口水壓監(jiān)測和失壓保護。（2） 通過對水一空氣熱交換器流阻的監(jiān)測，完成牽引變流器水電導(dǎo)率監(jiān)視和保護o（3） 通過熱敏電阻溫度繼電器對元件的監(jiān)測，完成牽引變流器進出水溫的監(jiān)視和保護。（4） 通過水位計，對儲水箱的水位進行監(jiān)視和低于最低許用水位的保護。四主變壓器系統(tǒng)的設(shè)計圖3.7主變壓器圖片HXD3型交流傳動貨運電力機車采用FPWR1型主變壓器，將25kV的接觸網(wǎng)電壓變換為電力機車所需的各種低電壓，以滿足電力機車各種電機電器工作的需要，主變壓器外形圖如圖3.7所示。1、特點采用下懸式安裝，強迫導(dǎo)向油循環(huán)風(fēng)冷方式，內(nèi)裝一臺主變壓器，總重13to主變壓器與冷卻裝置、儲油柜分開布置。變壓器采用心式臥放結(jié)構(gòu)，A級絕緣，普通礦物油。高阻抗繞組結(jié)構(gòu)，使變壓器內(nèi)部空間磁場很強，大量采用無磁結(jié)構(gòu)件。油箱采用硅鋼板加鋁屏蔽的方式。避免漏磁干擾外部信號。線圈導(dǎo)線采用Nomex紙絕緣，具有耐熱等級高，機械強度大的特點。全鋁板翅式冷卻器，兩路油循環(huán)系統(tǒng)。高壓套管采用電纜盒結(jié)構(gòu)，采用法國NEXANS公司的1U端子。在低壓套管出線裝置中采用了新型結(jié)構(gòu)的出線裝置，具有安裝拆卸方便，可靠及使用壽命長的特點。2、主要技術(shù)數(shù)據(jù)型號FPWR1機車網(wǎng)壓范圍(kV) 17.5?31頻率(Hz)50聯(lián)結(jié)組I10-10頻率50Hz冷卻方式強迫油循環(huán)風(fēng)冷ODAF通風(fēng)量234000m3/h油流量48m3/h出線端子號1U;IV;2U1;2V1;2U2;2V2;2U3;2V3;2U4;2V4; 2U5;2V5;2U6;2V6;3U1;3V1;3U2;3V2空載電流0.26%空載損耗2600W負(fù)載損耗224kW總重量13000kg3、結(jié)構(gòu)(1)內(nèi)部接線主變壓器接線如圖3.8所示。1U IV"~IF_IF_IF_IF_IF_Inn2U12V12U22V22U32V32U42V42U52V52U62V63U13V13U23V2

圖3.8主變壓器接線圖外部結(jié)構(gòu)FPWR1型主變壓器由油箱、器身、油保護裝置、冷卻系統(tǒng)、其它附屬裝置等組成。器身由鐵心、線圈、絕緣件組成。通風(fēng)機、冷卻器、安裝在車體臺架的上方。高壓繞組的高壓端子1U安裝在油箱壁上，其余端子都安裝在油箱箱蓋上。內(nèi)部結(jié)構(gòu)主變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.9所示。鐵心采用心式結(jié)構(gòu)，采用性能優(yōu)良的冷軋硅鋼片，牌號