HXD3-电气系统介绍-讲课资料.ppt

HXD3型交流传动货运电力机车 电气系统介绍,2006年12月21日,1.概述,HXD3型交流传动货运电力机车的主传动和辅助传动系统均采用了交流控制技术，整个电气系统的设计坚持起点高、技术领先的原则，并充分考虑了大功率货运电力机车的实际需要，采用先进、成熟、可靠的技术，按照标准化、系列化、模块化、信息化的总体要求进行全方位设计的 HXD3型交流传动货运电力机车的控制监视系统，是在东芝公司机车控制监视系统方面成熟的软件、硬件、控制模式和系统思想的基础上研制的. 机车控制监视系统（简称TCMS）的核心任务是：根据司机指令完成对主变流器及异步电动机的实时控制、辅助变流器的实时控制、牵引/制动特性控制、传动系统的时序逻辑控制，显示机车运行状态，具备完整的故障保护、故障记忆及显示功能，并具有一定程度上的故障自排除、自动切换和故障处理指导功能HXD3型交流货运电力机车的制动系统采用的是克诺尔的CCB-Ⅱ型制动机,该制动系统是基于网络控制的电空制动系统 . CCB-Ⅱ型制动机与微机显示屏一起来完成制动系统的诊断、自检、校准、故障记录等 HXD3型交流货运电力机车的行车安全监控系统采用了目前国产电力机车通用的LKJ2000型监控主机，TAX2监测装置 、JT1通用式机车信号设备（SJ-93信号主机）等。

整车电气线路组成：,主电路； 辅助电路及110V充电模块电路； (含220V加热回路、低温预热回路、压缩机的低温预热及控制保护) 机车控制与监视系统电路； （含机车重联控制、自动过分相控制、弓网故障保护控制电路） 机车行车安全监控系统; 制动系统; （含WSP空转滑行保护检测系统） 机车各类灯及相关辅助设备的控制,２机车主电路：,原边网侧电路； 主变压器； 主变流器； 牵引电动机； 库用动车电路等组成机车主电路,,2.1原边网侧电路,网侧电路由2台受电弓AP1、AP2、2台高压隔离开关QS1、QS2、1个高压电流互感器TA1、1个高压电压互感器TV1、1台主断路器QF1、1台高压接地开关QS10、1台避雷器F1、主变压器原边绕组AX、1个低压电流互感器TA2和回流装置EB1～6等组成接触网电流通过受电弓AP1或AP2引入机车，经高压隔离开关QS1或QS2和主断路器QF1，通过大A端子进入车内，，经25kV高压电缆由车内至车下，穿过TA1与主变压器原边1U端子相连，经过主变压器原边，从1V端子流出，穿过TA2与车体地相连，最后通过6个并联的回流装置EB1～EB6，从轮对回流至钢轨,,电能的计量,HXD3型电力机车选用了爱尔斯特(ELSTER)公司生产的智能型电度表，可用于机车牵引、再生电能的计量，电度表设有屏显窗口和切换按钮，通过按钮切换，可以进入不同的状态模式（滚动模式、标准模式、ABL模式），进行信息量的查询，电度表既可查询近期每天的电能消耗及能量的反馈，还可查询当时的原边电压、电流及功率因数等。

通过采集原边低压电流互感器TA2和高压电压互感器TV1提供的电流和电压信号来实现电能的计量,高压电气连锁保护,司乘人员上、下顶盖时要打开或关闭机械室天窗、或者对高压电器进行检查时需要打开柜门，为了确保安全，设置了高压互锁功能高压接地开关QS10上配有一把蓝色钥匙和两把黄色钥匙，其中蓝色钥匙可以控制受电弓的升弓气路，黄色钥匙可以打开机械室天窗或高压电器柜门，通过他们与接地开关的连锁控制，实现HXD3型电力机车的 高压电气安全互锁功能 机车正常运行时，高压接地开关QS10置运行位，此时兰色钥匙可以拔出，插入管路柜上的升弓气路阀，保证受电弓的气路连通，同时QS10的辅助连锁触点闭合（信号425得电），为主断路器闭合提供了必要条件 机车需要打开顶盖或电器柜柜门进行检修时，首先断开主断路器并降弓，然后将空气管路柜上的兰色钥匙旋转拔除，切断升弓气路；将兰色钥匙插入接地开关QS10并向右旋转，然后将接地开关旋至接地位，保证车顶设备可靠接地，此时旋转黄色钥匙并拔出，可以打开车顶盖或高压电器柜门受电弓 真空断路器,,高压电流互感器 高压电压互感器,,避雷器 高压隔离开关,,2.2主变压器,采用轴向分裂、心式卧放、下悬式安装的一体化多绕组变压器，具有高阻抗、重量轻等特点；采用真空注油、强油风冷、氮气密封等特殊的工艺措施，延长变压器的绝缘寿命。

主变压器的六个1450V牵引绕组分别用于两套主变流器的供电；两个３９９V辅助绕组分别用于辅助变流器的供电，辅助变流器的中间直流回路还同时给１１０Ｖ电源充电模块供电，辅助变流器ＡＰＵ２的输出还经过隔离变压器，给司机室各加热设备及低温预热回路提供ＡＣ２２０Ｖ和ＡＣ11０Ｖ交流电源．,主变压器,2.3主变流器,每台机车装有两个变流器机箱，每一变流器机箱内含有3组主变流器和一组辅助变流器使其结构紧凑，便于设备安装 主变流器由四象限整流器、直流环节、逆变器组成采用IGBT元件主变流器的性能适应货运机车大牵引力的特点 主变流器采用水冷技术，具有冷却效果好、无污染、重量轻、结构上维修方便等特点，是国际上流行的冷却方式变流装置,,IGBT模块冷却示意图,,2.3.1主变流器参数,开关元件： IGBT 4500V-900A 冷却方式： 水冷（纯水＋乙二醇） 四象限脉冲整流器 额定输入电压： 1450VAC 输入频率： 50Hz 额定输入电流： 965A 额定输入容量： 1280kVA 中间电压： 2800V 牵引逆变器 输出电压： 0～2150VAC（三相） 输出电流： 0～520A 额定输出电压： 2000V 额定输出电流： 382A 输出频率： 0～120Hz,变流器功率模块说明:,功率模块是构成变流器的核心部件，是由上下桥臂的两组ＩＧＢＴ元件和反并联二极管构成，还包括冷却元件的水冷散热片和控制ＩＧＢＴ栅极电压的门放大器基板； 四象限整流器是由Ｕ相、Ｖ相两个功率模块构成，逆变器是由Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相三个功率模块构成，即功率模块数量是由相单位构成． 由于四象限整流器和逆变器的电流值要求不同，因此四象限整流器是由２个ＩＧＢＴ元件并联后组成功率模块，逆变器则是由单个ＩＧＢＴ元件构成功率模块，因此四象限整流器和逆变器的功率模块不能互换，但是他们采用的ＩＧＢＴ是相同的，额定值都是４５００Ｖ－９００Ａ．因此模块内的元件是可以互换的。

运用、检修、维护时，都是以模块形式进行更换，然后送专用厂家进行维护检修逆变器功率模块,2.3.2主变流器工作原理,机车采用两组主变流器UM1和UM2，每一组主变流器内含有3个牵引变流器，它们分别由主变压器的牵引绕组a1x1、a2x2、a3x3和a4x4、a5x5、a6x6供电，6组牵引变流器经过整流逆变后，分别给牵引电动机M1、M2、M3、M4、M5、M6供电当任何一组或几组牵引变流器支路出现故障时，均可通过故障隔离开关进行隔离，实现整车的冗余控制牵引变流器主要由四象限整流器、中间直流电路和牵引逆变器几部分组成，每一部分的基本结构和工作原理如下：,中间直流电路,中间直流电路是四象限整流器和电机侧逆变器之间的中间环节在三相交流传动系统中，中间直流电路起着很重要的作用，主要表现为：⑴在网侧整流器和电机侧逆变器之间实现瞬时功率平衡；⑵储能电容向牵引电动机提供基波无功功率和高次谐波的通路；⑶变流器换流能力直接受中间电路电压的影响，逆变器的调制电压质量也取决于其平衡程度，因此对它要求较高，总之，中间直流电路是保证交—直—交系统正常工作的一个重要环节 在中间直流回路中，直流电压产生2倍于输入电源频率的脉动（100Hz)，因此逆变器频率接近脉动频率时，牵引电动机电流产生脉动现象，由此而带来的问题是元件电流增加，电机转矩脉动增大。

欧洲生产的电力机车一般是通过LC滤波器来减小直流电压脉动，但HXD3型电力机车取消了中间二次滤波回路环节，它是通过逆变器的软件控制，调节逆变器频率，使逆变器输出电压正负周期的电压时间乘积趋于相等，来消除二次谐波电压的影响，大幅度抑制电动机电流脉动现象和转矩脉动现象取消二次滤波回路，是HXD3型电力机车主回路的一个重要特点．,,HXD3型电力机车中间直流电路由中间电压支撑电容、瞬时过电压限制电路和主接地保护电路组成 中间电压支撑电容主要起稳定中间回路电压，同时可对四象限脉冲整流器和逆变器产生的高次谐波进行滤波 瞬时过电压限制电路由IGBT和限流电阻组成 主接地保护电路由跨接在中间回路的两个串联电容和一个接地信号传感器组成每套机组分别含三套接地保护电路，可以分别对三个交直交牵引电路进行监测和保护，接地检测信号送TCMS，进行故障显示，接地保护开关设在控制电器柜上，可进行故障切换运行逆变器、牵引电机电路,HXD3型交流传动货运电力机车的牵引逆变器是由IGBT元件组成的PWM逆变单元，整车的6个牵引逆变器分别向6台牵引电动机供电由于牵引逆变器采用矢量控制模式，使异步牵引电动机具有快速反应的动态性能，实现了机车每个牵引电动机的独立控制。

由于整车采用轴控方式，当整台机车的6个轴的轮径差、轴重转移及空转等可能引起的负载分配不均匀时，均可以通过牵引变流器的控制进行适当的补偿，以实现最大限度地发挥机车牵引力2.3.3主流器的保护电路,机车主电路的保护除原边过流保护及前边提到的瞬时过电压保护、接地保护外，在牵引变流器内，还设立了多种保护功能，以保证牵引变流器和整车的安全运行水冷却系统的保护,牵引变流器的冷却系统是由复合冷却器的水－空气热交换器、联管、阀门、储水箱、水泵、塞门、流量计、冷却介质等组成，利用去离子水和乙二醇的混合冷却介质通过热交换器对IGBT器件进行冷却，具有很好的冷却效果在冷却系统中，设定了如下监视和保护：,,A)通过流量计监测冷却水的流速，实现牵引变流器进口水压监测和失压保护； B)通过监测水－空气热交换器风速，实现牵引变流器水冷却的保护； C)通过热敏电阻温度继电器对元件的监测，实现牵引变流器进出口水温的监视和保护； D)通过水位计，对储水箱的水位进行监视和低于最低许用水位的保护过流和过载保护,A)在每一组牵引变流器的输入回路中，设有输入电流互感器ACCT，起控制和监视变流器充电电流及牵引绕组短路电流的作用，其动作保护值为1960A（１０us和１ms)。

保护发生时，四象限脉冲整流器和逆变器的门极均被封锁，输入回路中的工作接触器断开，同时向微机控制系统发出跳主断的信号，通过按复位开关恢复；这种故障如果在３分钟内连续发生两次，故障将被锁定，必须切断ＣＩ的控制电源，才能恢复正常 B)在每一组牵引变流器的输出回路中，设有输出电流互感器CTU、CTW，对牵引电机过载及牵引电机三相不平衡起控制和监视保护作用，牵引电机过载保护的动作值为1400A(１０us和１ms) ；保护发生时，四象限脉冲整流器和逆变器的门极均被封锁，输入回路中的工作接触器断开，同时向微机控制系统发出跳主断的信号通过按复位开关恢复；这种故障如果在３分钟内连续发生两次，故障将被锁定，必须切断ＣＩ的控制电源，才能恢复正常接地保护,牵引变流器的接地保护系统由跨接在中间回路的2个串联电容和1个接地信号检测传感器组成当主牵引回路正常时，由于只有1点接地，接地保护电路中流过的电流为零，接地信号检测传感器无信号输出 当主电路某一点接地时则形成回路，接地检测回路有故障电流流过，传感器输出电流信号，使保护装置动作，其动作保护值为10A(1ms和150ms)保护发生时，四象限脉冲整流器和逆变器的门极均被封锁，输入回路中的工作接触器断开，同时向微机控制系统发出跳主断的信号。

此时司机可将故障支路的 变流器切除,机车还剩5／6的牵引动力，继续维持机车运行，回段后再作处理，或者确认只有一点接地，也可将控制电器柜上对应的接地开关打至中立位，继续维持机车运行，回段后再作处理。