HXD3C 型機車主傳動系統分析與研究

【摘 要】本文以XHD3C機車主傳動系統為研究對象，重點對網側高壓電路、主變壓器、牽引變流電路做了系統的研究和分析。

【關鍵詞】XHD3C機車；主傳動系統；交流傳動技術

HXD3C 型機車主傳動系統是產生機車牽引力和制動力的電氣設備電路，主要由網側電路、主變壓器、牽引變流器及牽引電動機等組成。機車牽引工況時，通過受電弓、高壓隔離開關、主斷路器和變壓器原邊繞組獲得25kV，50HZ 交流電，經過主變壓器的降壓，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，如圖1所示。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下工作，實現電能向機械能的轉換，變為機車的牽引力和速度。機車制動工況時，則進行與上述相反的轉換。這時電動機在發電機狀態下工作，將列車的動能轉換為電能，向接觸網回饋電能。

圖1 牽引工況機車能量傳遞過程

1 網側電路

網側電路由受電弓 PG1、PG2、高壓隔離開關 QS1、QS2、高壓電流互感器 TA1、低壓電流互感器 TA2、高壓電壓互感器 TV1、主斷路器 MCB、高壓接地開關 QS10、避雷器 F1、F2、F3、原邊過流繼電器 KC1、智能型電度表 PWH、主變壓器原邊繞組 AX 及接地裝置EB1～6 等組成。

接觸網電流通過受電弓 PG1 或 PG2 進入機車，經 25kV 高壓電纜進入車內并經高壓柜內的高壓隔離開關 QS1 或 QS2 和主斷路器的主觸點 QF1 相連，并穿過高壓電流互感器 TA1與主變壓器 TM1 的原邊繞組 A 端子相連，經過主變壓器原邊繞組，從 X 端子流出，再穿過低壓電流互感器 TA2 后，通過 6個并聯的接地裝置 EB1～EB6，經輪對回流至鋼軌。

2 主變壓器

機車采用軸向分裂、心式臥放、下懸式安裝的一體化多繞組變壓器，具有高阻抗、重量輕等特點；主變壓器的6個 1450V 牽引繞組分別用于兩套主變流器的供電，2 個 399V 輔助繞組分別用于輔助變流器的供電，2 個 860V 供電繞組分別用于 DC600V 列車供電柜的供電（僅客運方案）。

圖2 網側電路

3 主變流器電路

3.1 牽引變流器的構成和原理

機車采用兩組主變流器 UM1、UM2，分別由主變壓器的牽引繞組（a1-x1）～（a6-x6）供電，牽引變流原理如圖3所示，主變流器再分別給牽引電動機 M1、M2、M3 和 M4、M5、M6 供電。牽引變流器 UM1牽引變流電路如圖4所示， 內部可以看成由 3個獨立的整流—中間電路—逆變環節構成，每個環節分別有 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—中間電路—逆變環節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。當其中一組或幾組發生故障時，可自動切除，剩余單元可繼續工作。

在變流器的輸入端設有變流器充電電路，當中間電壓為零時，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，當電源接入時，電容上的電壓不能突變，因此電源相當于通過二極管形成短路，會形成很大的沖擊電流。當中間直流電壓達到 2000V 時，中間電路預充電完成，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充電，直至 2800V。整個充電過程完成后，逆變器可以投入工作。再生制動時，逆變器工作在整流狀態，整流器工作在逆變狀態。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。

3.2 四象限整流器

四象限整流器是一個脈寬調制變流器，它將電源的交流電壓，通過脈沖寬度控制，控制中間直流電壓的幅值和流入變流器的交流電流相位，使交流電流的波形盡量接近正弦，使得交流側的基波電壓和基波電流的相位差接近于 0，這樣既限制了諧波電流分量，又提高了機車功率因數。因此與相控整流器比較，四象限整流器有很高的功率因數，諧波電流含量也小得多。四象限整流器參數如下：

3.3 中間直流環節（中間電容）

中間直流環節是四象限整流器和 PWM 逆變器之間的中間環節。中間直流電路主要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，電路如圖5所示。該車中間直流電路與歐洲和國內以往的交流傳動電力機車不同，取消了二次濾波電路，它是通過逆變器的軟件控制，來消除二次諧波電壓的影響，大幅度抑制牽引電機電流脈動現象和轉矩脈動現象。

瞬時過電壓限制電路由 IGBT 和限流電阻組成。主接地保護電路由跨接在中間回路的兩個串聯電容和一個接地信號傳感器組成。每臺主變流器含有三套獨立的接地保護電路，可以分別對 3 組牽引變流器進行接地監測和保護。接地檢測信息送至 TCMS，可以實現故障顯示。

3.4 PWM 逆變器

PWM 逆變器由中間直流環節供電，輸出三相變壓變頻（VVVF）電源供給牽引電機。根據控制指令，PWM 逆變器能夠平穩快速的從牽引工況轉換到制動工況，反之亦然。制動工況下，再生能量反饋到接觸網（再生制動）。這些過程都由變流器控制單元來實現，機車的六個 PWM 逆變器分別向六臺牽引電機供電。PWM 逆變器采用了最新的控制策略，從而使在整個速度范圍內力矩的波動最小，并且在軌面狀態不好的情況下獲得最大限度的粘著利用。由于整車采用軸控方式，當整臺機車的六個軸的輪徑差、軸重轉移及空轉等可能引起的負載分配不均勻時，均可以通過 PWM 逆變器的控制進行適當的補償，以實現最大限度地發揮機車牽引力。

PWM 逆變器參數如下：

4 結束語

通過對 HXD3 型機車的電傳動系統的分析， 掌握了機車主傳動系統的構成、工作原理和工作過程。

【參考文獻】

[1]中國北車集團大連機車車輛有限公司.HXD3C型交流傳動電力機車培訓教材[Z].大連：中國北車集團大連機車車輛有限公司，2010.

[2]張曙光.HXD3 電力機車[M].北京：中國鐵道出版社，2008.

[責任編輯：劉帥]