1、第1期(总第443期) 内燃机车 2011年1月HXD3型机车的辅助变流系统李碉珩1，一，朱建伟1(1大连交通大学，辽宁大连116028；2大连机车车辆有限公司，辽宁大连116022)摘要：介绍了HXD3型交流传动货运电力机车辅助变流系统的特点、工作原理以及关键部件技术参数，同时简要介绍了辅助变流器在正常、故障状态下的负载分配。关键词：HXD3型机车；辅助变流器；四象限整流器；逆变器中图分类号：U2643+7 文献标识码：B 文章编号：1003-1820(2011)01-0028-041 引言HXD3型交流传动货运电力机车的辅助供电系统是由辅助变流器向机车的各辅助设备供电，代替了传统的劈相机供
2、电模式。该系统三相输出电压稳定、平衡，具有节能、低噪音、维护工作量小等优点，利于各辅助电机运行，且该系统采用冗余设计，有力地保障了机车的正常运用。2三相辅助变流系统的构成及特点HXD3型机车的辅助变流系统及其供电电路如图1所示。该车采用两组辅助变流器UAll和UAl2，分别由主变压器辅助绕组3U1、3V1和3U2、3V2供电。两组辅助变流器经过整流、逆变及滤波后向辅助电路供电，两组辅助变流器分别工作在VVVF和CVCF模式下对辅助电机分类供电。变流器的功率均为230 kVA。UAll和UAl2分别同2套牵引变流器安装在一起，组成两组功率变流柜，斜对称地安放在机车变流器室内。牵引变流器风冷部分与
3、辅助变流器共用一个通风机和通风道，简化了机车通风系统，利于设备安装、检修和维护。每套辅助变流器由四象限整流器、中间直流电路、逆变器及相关控制电路等组成，每一部分的基本结构和工作原理如下。21预充电电路收稿日期：2010-04-21作者简介：李明珩(1980一)，女，辽宁本溪人，工程师；朱建伟(1957一)，男，浙江义乌人，副教授。四象限整流器的负载为直流回路支撑电容。电容器上的电压不能突变，如果没有限流电阻，在K闭合瞬间，主变压器辅助绕组、整流器中的续流二极管和中间电容形成回路，将造成很大的电流冲击，预充电电路的目的在于减小这种电流冲击。预充电电路由充电接触器AK、工作接触器K和限流电阻CHR
4、组成。当中间直流回路电压为零时，先闭合充电接触器AK，主变压器的辅助绕组通过充电电阻向四象限整流器供电，给中间直流回路支撑电容充电。当中间直流电压建立后，闭合工作接触器K，断开充电接触器AK，在切除充电电阻的同时，继续向中间直流回路支撑电容充电，直至中间直流回路电压达到750 V。至此，辅助变流器预充电过程完成。22 四象限整流器电路四象限整流器电路的主要技术参数如下。额定输入电压(AC)V 399(单相)额定输入频率Hz 50中间直流回路电矽V 750元件类型 IGBT(1 700 V、1 200 A)四象限整流电路是一个脉宽调制变流器，是为解决相控桥式整流电路存在的问题而于近些年发展起来的
5、。它将升压斩波与整流电路结合起来，使输入电流近似正弦波并与网压同相。其特点是属于升压整流方式，要求输入电压低于输出电压，其输人侧功率因数较高，接近于1，同时限制了谐波电流分量。因此与相控整流器比较，四象限整流器有很高的功率因数，谐波电流含量也小得多。采用万方数据第1期(总第443期) 李明珩等：HX03型机车的辅助变流系统图1 辅助变流系统及其供电电路IGBT作为其功率器件后，调制频率提高，因而控制响应速度加快，当其输入端或输出端发生变化时，控制系统能很快作出响应，快速调节使输出保持稳定。23中间直流电路中间直流回路由中间电压支撑电容、中间电压测量电路和辅接地保护电路组成。辅助变流器采用的是电
6、压逆变器，为了稳定中问回路电压，并联了大量的支撑电容，同时还对四象限脉冲整流器产生的高次谐波电流进行滤波。每个辅助变流器的接地保护系统都是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。辅助回路正常时，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。当辅助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。保护发生时，相控整流器和逆变器的门极均被封锁，同时向微机控制系统发出跳主断的信号。可以通过接地故障转换开关，实施对接地保护的隔离。24逆变器电路HXD3型机车辅助变流器的逆变器具有工作频率高、自我保护能力强、控
7、制较简单等优势。逆变器的任务是将直流电压转换成三相交流电压向负载电机供电，其输出方式既可以选择变压变频(VVVF)方式，也可以选择恒压恒频(CVCF)方式，以满足不同负载的需要。辅助变流器正常工作时，将所有泵类负载如压缩机、油泵、空调机组由一组辅助变流器供电，采用CVCF方式；而所有风机类负载如牵引风机、冷却塔风机等，由另一组辅助变流器供电，采用VVVF方式；当任何一组辅助变流器出现故障时，通过微机控制监视系统的信息传递和故障切换，可以实现由另一组辅助变流器以CVCF方式对全部辅助机组供电，完成机车辅助变流系统的冗余控制，提高了机车辅助变流系统的可靠性。逆变器主要技术参数如下。CVCF变流器输
8、出容量kVA 230输出电压(AC)V 380(三相)输出频-_grlz 50元件类型 IGBT(1 700 V、1 200 A)VVVF变流器输出容量kVA 230输出电压(AC)V 2380万方数据30 内燃机车 2011年输出频-率Hz 250元件类型 IGBT(1 700 V、1 200 A)25辅助变流器的冷却系统辅助变流器冷却系统如图2所示，采用强迫通风冷却方式。冷却空气由车顶百叶窗进入，经离心风机冷却部件后由车下排出。离心风机主要技术参数：风量，05 m3s；电机功率，2 kW；电压，400 V。入风(MAX40“C)2台宅气压缩机外，均不设电磁接触器，使辅助电动机电路简单、可靠
9、。230管道 图3 辅助变流器额定功率一网压变化曲线机辅助变流器 电动送风机图2辅助变流器冷却系统26 辅助变流器的功率随网压的变化特性机车辅助变流器随网压的变化、额定功率的输出曲线如图3所示。由图3可知，当网压在1831 kV范围内，机车辅助变流器能满功率运行；当网压在18175kV和31315 kV范围内变化时，机车辅助变流器输出的功率线性下降至零。27 I-IXD3型电力机车辅助变流器的供电电路HXD3型交流货运电力机车辅助变流系统由主变压器辅助绕组、辅助变流器、滤波电感和滤波电容、接触器、自动开关、辅助电动机等组成(具体电路见图1)。辅助变流器UAll、UAl2分别由主变压器的两个辅助
10、绕组供电，两个辅助绕组的电压均为399 V。每个辅助变流器的输出侧都加有滤波电感和滤波电容组成的正弦波滤波器，这样将传统逆变器输出的正弦脉宽调制(SPWM)波变换为正弦波给各辅机供电，从而大大降低了对辅机绕组匝问绝缘的要求，提高了辅机的使用寿命。机车上的各辅助电动机均通过各自的自动开关与正弦波滤波器连接，除辅助变流器UAll的输出首先经过正弦波滤波器LCl，再经过接触器KMll给牵引风机电动机MAll、MAl2、MAl3、MAl4、MAl5、MAl6和冷却塔风机电动机MAl7、MAl8供电。由于以上负载属于风机类负载，辅助变流器可工作在变频变压状态。辅助变流器UAl2的输出首先经过正弦波滤波器
11、LC2，再经过接触器KMl2给空气压缩机电动机MAl9、MA20，主变压器油泵MA21、MA22，司机室空调EVll、EVl2，2台牵引变流器水泵WP，2台辅助变流器通风机APBM以及其他辅助没备(加热器、厕所等)供电。由于以上负载属于泵类负载，辅助变流器必须工作在定频定压状态。同时辅助变流器UAll、UAl2的中间直流还向UC(DCll0 V电源装置)供电。28辅助变流器的负载分配正常工作时，辅助变流器的负载分配情况如表1所列。在辅助变流器UAl 1或辅助变流器UAl2发生故障的情况下，系统将自动断开其相应的输出接触器KMll或KMl2，再闭合故障转换接触器KM20，把故障辅助变流器的负载切
12、换到另一个辅助变流器上，由该辅助变流器对全车的三相辅助电动机供电。3 辅助电路的过流、过载、过压和欠压保护在每一组辅助变流器的输入回路中，设有输入表1 辅助变流器的负载功率分配 kVA万方数据第1期(总第443期) 李弱珩等：HX03型机车的辅助变流系统 31电流互感器ACCT，起控制和监视辅助变流器充电电流及辅助绕组短路电流的作用，其动作保护值为1 600 A。保护发生时，四象限整流器的门极均被封锁，工作接触器K、AK均断开，同时向微机控制系统发出跳主断信号。在每一组辅助变流器的输出回路中，设有输出电流互感器CTU和CTW，对辅助电动机回路过载及辅助电动机三相不平衡起控制和监视保护作用，辅助
13、电动机回路过载保护的动作值为850 A。保护发生时，逆变器的门极均被封锁，同时向微机控制系统发出跳主断信号。辅助变流器中间直流回路设有两组电压监测环节，其中DCPT4是用于四象限整流器的控制，DCPT5是用于逆变器的控制。当DCFI5监测到中间直流回路电压825 V时，中间回路过电压保护环节动作，逆变器的门极均被封锁，逆变器停止输出；当DCPT5监测到中间直流回路电压580 V时，逆变器的门极被封锁，逆变器停止输出；当DCPT4监测到中间直流回路电压825 V时，中间回路过电压保护环节动作，四象限整流器的门极被封锁，工作接触器K断开，四象限整流器停止输出；当DCPT4监测到中间直流回路电压。2
14、70 V时，四象限整流器的门极被封锁，工作接触器K断开，四象限整流器停止输出。当辅助变流器的输入电压(即辅助绕组的输出电压)低于283 V时(即网压低于175 kV时)，低压保护环节动作，四象限整流器的门极被封锁，工作接触器K、AK断开，四象限整流器停止输出。当辅助变流器的输入电压高于502 V时(即网压高于315 kV时)，过压保护环节动作，四象限整流器的门极被封锁，工作接触器K、AK断开，四象限整流器停止输出。4 结语目前HXD3型机车已配属南京东、江岸等机务段，成为第6次铁路提速货物运输主力车型。根据当前的运用情况来看，其辅助变流系统性能可靠、工作稳定，提高了整车的运行可靠性，能够满足现
15、代化铁路牵引的需要。参考文献：1郑琼林，李威，郝荣泰8K型电力机车IGBT辅助逆变器的控制与驱动J铁道学报，2000，(1)：20222 陈坚电力电子学一电力电子变换和控制技术M北京：高等教育出版社，20023张小针SS3s型电力机车辅助电路采用辅助逆变电源供电的讨论J铁道机车车辆，2005，25(B10)出乖出乖出看延绵i!；：吊起绵：出乖出彳姑乖出替出乖出希出乖出乖出乖蝌科吻斛鳓浏铆世帑出希出乖出乖出乖出幂出希出毋出希出乖出秘吻科缔出乖缔出希出乖出爷场举过铂d纫过矫出界出乖出界【上接第27页】经计算，不同轨距的轴承座端车轴的转角如表2所列。表2不同轨距下轴承座端车轴的转角值所选轴承要求轴承
16、座端车轴的转角最大值不超过4 7。由表2可知：满足两端轴承对转角的要求。3材料所选用车轴的材料为35CrMoA，属于中低碳钢的一类，适合滚压加工轴身和过渡圆弧。35CrMoA材料价格比较高，市场报价约45万元(人民币)t。在进行车轴结构设计时，可比较工艺成本，采用空心轴结构，以降低成本。4结论通过以上的设计分析，可以得出以下结论：(1)为了满足变轨距试验的要求，尤其是小轨距试验时对车轴的挠度变形要求较高，通过增大轴身的横截面积，保证了车轴的挠度和车轴跨度的比值丘l=000036在要求的范围内。(2)满足轴承对转角的要求。(3)车轴除承受着弯曲正应力和扭转剪应力外，还承受着由于配合引起的接触应力
17、等。车轴配合部位应力状态较为复杂，疲劳强度较低。通过对车轴配合部位结构(如阶梯轴、过渡圆弧和凸悬量等)的设计，有效地改善了车轴配合部位的应力状态，提高了车轴配合部位的疲劳寿命。参考文献：1黄志辉我国首台高速动力车空心车轴结构设计及工艺J机械设计，1998，(5)2周建斌机车车轴疲劳问题分析与对策J电力机车与城轨车辆，2008，(3)3米彩盈铁道机车车辆结构强度M成都：西南交通大学出版社，20074 陈心爽，袁耀良材料力学M上海：同济大学出版社，1996万方数据HXD3型机车的辅助变流系统作者： 李玥珩， 朱建伟， LI Yue-hang， ZHU Jian-wei作者单位： 李玥珩,LI Yu
18、e-hang(大连交通大学,辽宁大连,116028;大连机车车辆有限公司,辽宁大连,116022)， 朱建伟,ZHU Jian-wei(大连交通大学,辽宁大连,116028)刊名： 内燃机车英文刊名： DIESEL LOCOMOTIVES年，卷(期)： 2011(1)参考文献(3条)1.郑琼林;李威;郝荣泰 8K型电力机车IGBT辅助逆变器的控制与驱动期刊论文-铁道学报 2000(01)2.陈坚 电力电子学一电力电子变换和控制技术 20023.张小针 SS3B型电力机车辅助电路采用辅助逆变电源供电的讨论 2005(B10)本文读者也读过(10条)1. 刘传波.莫易敏.LIU Chuan-bo.
19、MO Yi-min 机车电源综合试验台的研制期刊论文-铁道机车车辆2006,26(6)2. 戴伟跃.喻贵忠.黎英豪.孟繁栋.DAI Wei-yue.YU Gui-zhong.LI Ying-hao.MENG Fan-dong SS8型电力机车变流装置负荷试验实时检测系统期刊论文-机车电传动2006(3)3. 吴航 SS3B固定重联机车变流装置故障分析及建议会议论文-20054. 俞晓阳.任修勇 交流变频调速技术在窄轨架线式工矿电机车中的应用及必要性期刊论文-电工文摘2009(3)5. 崔光玮 SS8机车变流装置中硅元件损坏后的故障现象期刊论文-机车电传动2002(2)6. 吴航.WU Hang SS3B固定重联机车变流装置故障分析及建议期刊论文-铁道机车车辆2005,25(z1)7. 王肃清 机车动车变流装置的标准化研究期刊论文-铁道技术监督2008,36(3)8. 唐青松 香港地铁车辆辅助变流器控制单元期刊论文-机车电传动2003(6)9. 刘敏安.刘长清.LIU Min-an.LIU Chang-qing HXD1C机车辅助变流器系统及特性分析期刊论文-机车电传动2011(3)10. 薛得凤.杨文焕 电力机车变流柜均流状态诊断的新算法期刊论文-电力机车与城轨车辆2004,27(2)本文链接：http:/
