hxd1型交流傳動電力機(jī)車的研制

hxd1型交流傳動電力機(jī)車的研制

1車—概述hxd1交流電力機(jī)車輛是由中國南車集團(tuán)郴州電力機(jī)械有限公司和西門子公司開發(fā)的重型機(jī)車。每臺HXD1型機(jī)車由兩節(jié)車組成,它們的網(wǎng)側(cè)電路通過高壓連接器相連,既可固定重聯(lián)運用,也可解編后各自獨立運用,同時具有外重聯(lián)功能。其主傳動系統(tǒng)采用交—直—交方式。結(jié)構(gòu)上多種冗余設(shè)計措施的綜合應(yīng)用,使得機(jī)車在主傳動部件發(fā)生嚴(yán)重故障時能保留3/4的牽引(電制動力),發(fā)生重大故障時能保持一半牽引(電制動力)。智能化的保護(hù)措施能為機(jī)車提供完善的保護(hù)。2中間直流電路模型HXD1型機(jī)車主變壓器的原邊通過受電弓、主斷路器得電。主變壓器4個獨立的次邊牽引繞組分別向4個四象限脈沖整流器供電,每2個四象限脈沖整流器并聯(lián)輸出,共用一個中間直流電路。這個中間直流電路同時向2個電壓型PWM逆變器(1個牽引逆變器和1個輔助逆變器)供電,每個牽引逆變器分別向一個轉(zhuǎn)向架的2臺異步牽引電動機(jī)供電,實現(xiàn)牽引電機(jī)架控。再生制動過程相反。其主變流器內(nèi)包含機(jī)車輔助供電電源模塊。主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。主電路按其主要功能和電壓等級可分為:網(wǎng)側(cè)電路、四象限變流電路、中間直流電路、PWM逆變電路、保護(hù)電路等幾部分。3客車網(wǎng)側(cè)電路網(wǎng)側(cè)電路原理如圖2所示,其主要功能是由網(wǎng)側(cè)獲取電能,屬于25kV電路。每節(jié)機(jī)車網(wǎng)側(cè)電路由一臺受電弓、一臺帶高壓接地裝置的主斷路器、一臺避雷器、一臺高壓電壓傳感器、一臺高壓電流傳感器、一臺高壓隔離開關(guān)、主變壓器原邊、回流側(cè)互感器和接地碳刷等組成。兩節(jié)機(jī)車間網(wǎng)側(cè)電路通過高壓連接器相連。3.1網(wǎng)絡(luò)側(cè)面流的處理3.1.1變壓器返回增加本節(jié)機(jī)車:接觸網(wǎng)電流通過受電弓,經(jīng)本節(jié)主斷路器,通過本節(jié)機(jī)車的主變壓器的原邊繞組高壓端子給本節(jié)機(jī)車電路供電,再由本節(jié)機(jī)車的主變壓器原邊低壓端子經(jīng)接地碳刷、輪對、鋼軌,返回變電所。他節(jié)機(jī)車:在本節(jié)機(jī)車主斷路器閉合后通過本節(jié)機(jī)車高壓隔離開關(guān),經(jīng)高壓連接器、他節(jié)機(jī)車高壓隔離開關(guān),由他節(jié)機(jī)車的主變壓器的原邊繞組高壓端子給他節(jié)機(jī)車電路供電,再由他節(jié)機(jī)車的主變壓器原邊低壓端子經(jīng)接地碳刷、輪對、鋼軌,返回變電所。3.1.2接觸網(wǎng)電流的轉(zhuǎn)換在此模式下兩節(jié)機(jī)車中至少要有1節(jié)機(jī)車的高壓隔離開關(guān)處于斷開位置。此時,接觸網(wǎng)電流通過受電弓,經(jīng)主斷路器,通過機(jī)車的主變壓器的原邊繞組高壓端子給機(jī)車電路供電,再由機(jī)車的主變壓器原邊低壓端子經(jīng)接地碳刷、輪對、鋼軌,返回變電所。在此模式下,兩節(jié)機(jī)車的主斷路器分別控制各自機(jī)車電路的供電。3.2網(wǎng)絡(luò)保護(hù)3.2.1網(wǎng)絡(luò)側(cè)短距離保護(hù)當(dāng)流經(jīng)高壓電流互感器的電流超過整定值時,主斷路器將進(jìn)行分?jǐn)啾Ｗo(hù)。3.2.2網(wǎng)絡(luò)側(cè)壓力保護(hù)網(wǎng)側(cè)裝有避雷器,主要用于抑制操作過電壓及運行時的雷擊過電壓。3.2.3網(wǎng)絡(luò)壓監(jiān)測和保護(hù)通過高壓電壓互感器的檢測,在網(wǎng)壓<15kV或>32kV的情況下,主斷路器將進(jìn)行分?jǐn)?保護(hù)主電路相關(guān)設(shè)備的正常工作。3.2.4網(wǎng)絡(luò)方面的過度保護(hù)通過高壓電流互感器的檢測,在電流超過整定值時,主斷路器將分?jǐn)啾Ｗo(hù)。3.2.5原邊界接地保護(hù)檢測原邊電流和回流電流的差值,當(dāng)大于整定值時,判定為原邊接地,主斷路器進(jìn)行分?jǐn)啾Ｗo(hù)。3.2.6主變量的次邊緣和主變流器的短路保護(hù)如果變壓器二次線圈或主變流器發(fā)生短路,則在檢測到短路的瞬間斷開主斷。由于變壓器的高短路阻抗,從而限制了短路電流。4四通道流假說四象限變流器在牽引工況下進(jìn)行交—直變換,為中間直流電路提供電能;在再生制動工況時,通過中間直流電路進(jìn)行直—交變換,將電能回饋給電網(wǎng)。4.1限變流電路如圖1所示,四象限變流器通過主變壓器的牽引繞組得電,每組四象限變流電路由1個充電電阻、3個交流接觸器及2個四象限變流器構(gòu)成,兩個變流器將交流電變換成直流電,并聯(lián)向中間回路供電。四象限脈沖整流器每一臂由兩個IGBT模塊并聯(lián)組成。4.2組成中嵌入的電流充電過程如圖1所示。當(dāng)中間電壓為零,充電時,牽引繞組1.1和1.2通過充電電阻向四象限變流器供電,給并聯(lián)的中間直流回路支撐電容充電。充電完成后,充電接觸器切除充電電阻,兩個牽引繞組通過線路接觸器同時向兩臺相應(yīng)四象限變流器供電。充電電阻起限制充電電流的作用。四象限變流器原理圖及牽引和再生制動電壓電流矢量圖見圖3。四象限電路使得中間直流環(huán)節(jié)的電壓保持恒定,變壓器次邊的功率因數(shù)接近于1。5中間直隸路徑5.1直梯和平面中間直流電路由中間電壓支撐電容、二次濾波LC諧振電路、硬短路保護(hù)電路和接地保護(hù)電路組成。5.2諧振電路的組成二次濾波電路由二次濾波電抗器L和二次濾波電容器C組成諧振電路,諧振頻率為100Hz。諧振電抗器置于主變壓器中,諧振電容器置于主變流器柜中。5.3短路時,主濾波器側(cè)電流中間直流電路中裝有短路保護(hù)裝置。在出現(xiàn)貫穿短路時,主斷路器將分?jǐn)嗑W(wǎng)側(cè)電流;TCU將封鎖四象限和PWM逆變器的觸發(fā)脈沖,并觸發(fā)硬短路保護(hù)裝置,用來吸收短路回路釋放的能量。5.4個接地信號分離器接地保護(hù)電路由跨接在中間電路的兩個串聯(lián)電阻和一個接地信號檢測器組成。如果檢測到接地故障,主斷路器(HVB)將斷開,然后故障中間直流環(huán)節(jié)電路也將斷開,但機(jī)車仍可以在降功率的條件下繼續(xù)運行。6pm反向濾波電路HXD1型機(jī)車PWM逆變電路的原理簡圖見圖4。6.1u3000轉(zhuǎn)子電流的解耦控制PWM逆變電路采用磁場定向控制策略,此策略是一種基于動態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制技術(shù),通過對定子電流的勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量的解耦控制,達(dá)到分別控制電機(jī)磁鏈和轉(zhuǎn)矩,實現(xiàn)快速響應(yīng)的目的。通過正弦脈寬調(diào)制技術(shù)控制PWM變流器的輸出,根據(jù)電機(jī)特性曲線要求優(yōu)化變流器的輸出特性,使得在牽引和制動工況下,對牽引電動機(jī)的電流最大值限制進(jìn)行控制。系統(tǒng)調(diào)節(jié)框圖見圖5。6.2四個邊境色散矩陣和vm補(bǔ)償模塊的保護(hù)6.2.1壓力保護(hù)在直流回路電壓大于整定值時,觸發(fā)軟短路器,斷開主斷路器HVB。6.2.2流量保護(hù)每個4QC和PWM的支路有兩個并聯(lián)的IGBT模塊。在短路和其它故障情況下,在達(dá)到最大支路電流前自動封鎖相關(guān)的模塊觸發(fā)脈沖。6.2.3對電機(jī)短路的誘導(dǎo)保護(hù)當(dāng)牽引電機(jī)端子或繞組內(nèi)發(fā)生短路時,PWM的觸發(fā)脈沖將被封鎖。7支持和存儲電路的設(shè)備7.1輔助變壓器故障及其輸出在牽引變流器中系統(tǒng)集成了兩個輔助逆變器,分別由一路中間直流回路供電,在正常狀況下,這兩個輔助逆變器一個工作在變頻變壓模式,一個工作在恒頻恒壓模式,為各自所帶負(fù)載供電。這樣,簡化了電路結(jié)構(gòu),減少了部件數(shù)量,從而有效降低系統(tǒng)故障概率,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。輔助供電采用冗余設(shè)計,當(dāng)一個輔助逆變器模塊出現(xiàn)故障,另一個將承擔(dān)所有負(fù)載。此時所有輔助設(shè)備都以恒頻恒壓方式工作。圖6是該輔助電源系統(tǒng)簡圖及其輸出U/f特性曲線。輔助電路提供以下幾個電壓等級:1)3AC440V60Hz;2)3AC80~440V,10~60Hz;3)3AC230V60Hz;4)1AC230V60Hz。恒頻恒壓負(fù)載主要包括變壓器油泵、逆變器水泵、機(jī)械間風(fēng)機(jī)、逆變器風(fēng)機(jī)、空調(diào)加熱器、司機(jī)室后墻加熱器、空氣壓縮機(jī)、蓄電池充電器、屏柜風(fēng)機(jī)等。變頻負(fù)載主要包括:牽引風(fēng)機(jī)、冷卻塔風(fēng)機(jī)。每條輔助電路支路的自動開關(guān)對輔助負(fù)載的過壓、過流和缺相進(jìn)行保護(hù)。系統(tǒng)具有接地保護(hù)功能,當(dāng)電路中1點接地時,可以通過接地檢測裝置進(jìn)行檢測,通過CCU進(jìn)行隔離。單節(jié)車的輔助電源采取冗余設(shè)計,當(dāng)其中1個輔助逆變器故障情況下,可以通過開關(guān)轉(zhuǎn)換使得另1個輔助逆變器對本節(jié)車的所有輔助負(fù)載供電,在此模式下采用60Hz的電源輸出。7.2u3000車輛的電氣和電源HXD1型機(jī)車具有庫用動車功能,可以不用調(diào)車也能在庫內(nèi)或車間內(nèi)無接觸網(wǎng)區(qū)移動。此時機(jī)車應(yīng)置于“庫內(nèi)動車”模式,機(jī)車的所有儀器和控制都應(yīng)處于工作狀態(tài)。車體底架兩側(cè)轉(zhuǎn)向架之間裝有插座,用于將庫內(nèi)三相380V交流電通過電纜及插頭引入到車上作為動車電源。通過主變流器中的輔助電路電源將中間直流回路充電至大約500V直流電壓。這個電壓通過PWM逆變器在牽引電機(jī)上所產(chǎn)生