HXN3型內燃機車牽引控制系統分析

畢鑒東　張如意　牟文濤　徐光

摘 要： 新經濟時期，我國鐵路事業迎來了蓬勃發展，對內燃機車也提出了“貨車加大載重、客車高速運行”的更高要求，因此應用交流電傳動控制技術，改善HXN3型內燃機車的性能，增加其最大功率數值，成為提升HXN3型內燃機車客運載貨能力，進一步提高鐵路建設質量與水平的重要舉措。下文中，筆者將結合個人參與HXN3型內燃機車交流電傳動控制技術應用與系統設計的實踐經驗，分析當前我國HXN3型內燃機車的技術概況、設計原理及交流電傳動系統控制方案，以供同行參考與借鑒。

關鍵詞： 交流電傳動控制技術；HXN3型內燃機車；系統應用；客運載貨能力

1.HXN3型內燃機車交流電傳動技術概況

1.1直流電傳動技術分析

在過去，我國內燃機車傳動方式普遍采用了直流電電傳動技術，其運行原理為機械能與直流電電能的相互轉換——利用彈性聯軸節使發電機工作運轉，并將內燃機中的機械能轉化為電能，通過控制與調節電能的大小，實現對內燃機運行功率、轉矩、轉速等數值的控制與調節；將齒輪箱與聯軸節接入，驅動機車與齒輪箱接入，從而實現直流電牽引、傳動過程。上述內燃機電傳動過程中，依賴直流電傳動，因此屬于直流電傳動技術。

1.2交流電-直流電傳動技術分析

隨著技術與科學的不斷進步，我國內燃機傳動工藝水平也得到了提升與發展，為了增大內燃機車的轉速和內燃功率，需要在原有基礎上，進一步提高內燃機車的功率數值。因此，原有的直流電傳動技術已經不符合內燃機車的技術發展需求，被逐漸放棄使用；而受限較小、能夠打破功率最大數值和易于換向輸出的交流電傳動技術，得到重視與推廣。到20世紀中期，交流電傳動技術已經與原有的直流電傳動技術結合使用，以彌補直流電傳動技術的的不足與局限性，其通常安裝了交流牽引發電機和直流調速設備，依靠整流器，將向外輸出的三相交流電能轉化為直流電能，利用聯軸節，將轉化后的直流電能輸送給內燃機車的車輪，轉變為使車輪運轉的機械能，從而驅動內燃機車。與傳統的直流電傳動技術相比，該種交流電-直流電傳動技術具有無換向器的運作屬性，從而簡化了內燃機車的運行流程與設計結構、提升了內燃機車的安全性能，并且具有便于維護的優勢。

1.3交流電傳動技術分析

現階段交流電傳動技術已經逐步成熟完善，并被廣泛使用于我國的內燃機車傳動設計中，在實踐應用中，存在如下幾點問題與優勢：首先，內燃機傳動功率仍然受到電動機結構設計的限制；其次，內燃機運行過程中，仍然存在電動機負載能力和牽引能力不足的問題；第三，內燃機車交流電傳動技術的應用，改善了原有直流電傳動技術中的功率不足、電動機重量過重的問題——通過降低內燃機車的簧下、軸重重量，有效避免了因為內燃機車電動機重量數值過高對軌道的磨損和沖擊；最后，AC—DC—AC交直交內燃機車主要采用了三相交流電傳動技術，利用變壓、變頻的交流電傳動優勢，提升了內燃機車的高粘著利用率，從而也在原有基礎上拓展了內燃機車的調速數值和牽引力數值。AC—DC—AC交直交內燃機車降低了使用了銅質材料制作交流電機的配比，從而使得內燃機車的整體材料質量減輕，同時有利于內燃機車的功率大幅提升。AC—DC—AC交直交內燃機車還放棄了原有的直流電傳動碳刷和換向器結構設計，從整體上優化了內燃機車的設計結構，減輕質量的同時也便于之后的機車檢修和日常維護。交流電傳動技術在內燃機車設計方案中的應用，打破了電動機的牽引限制，但在初期使用中，由于電子配件和理論的局限性，使用領域較窄；后期發展中，交流電傳動技術進一步完善與成熟，有效提升了內燃機車的運作功率，促進了鐵路事業的發展，收到國內外業界人士的關注與重視。

2.HXN3型內燃機車的電傳動控制設計方案

2.1交流電傳動控制的設計方案

采用了交流電傳動控制設計方案的內燃機車，大大提升了內燃機車的功率與性能。整個交流系統的工作由機車微機控制系統EM2000統一指揮完成。該大功率交流牽引系統，具有高調速比、大單軸功率以及少維護率的優點，并且具有較高的牽引特性，這些特點是HXN3機車的核心優勢之一。內燃機車的主傳動系統主要包括主發電機、整流單元、牽引逆變器、牽引電機以及制動電阻裝置等構成。主發電機所發出的三相交流電經過牽引整流單元轉化為高壓直流電，該高壓直流電經過牽引逆變器轉化為所需電壓值的交流電，最終輸出給牽引電動機，牽引電機通過聯軸節與動車的齒輪箱相連接，實現列車的牽引運行。

2.2系統原理

機車柴油機帶動牽引發電機轉動，完成機械能向電能的轉換，牽引發電機首先將3相交流電輸出到主牽引整流器，從而提供牽引變流器的直流電壓，柴油機每個檔位對應一個不固定的中間直流電壓。逆變單元由兩個變流柜組成，每個變流柜的主電路和控制電路相對獨立，分別向兩個轉向架的牽引電機提供交流變頻電源。當一組變流器發生故障時，直通過微機控制系統EM2000，自動將故障的變流器切除，也可通過微機顯示屏手動隔離某個變流器，機車維持55%的牽引功率。輔助發電機的輸出經輔助整流柜后，供給三組逆變器一冷卻風扇電機組，兩組逆變器一空壓機電機組；輔發電機的輸出同時也接到牽引電動機通風機電機，直接驅動該通風機電機；輔發電機的輸出經可控整流向機車輔助電壓回路提供流74VDC，包括照明、蓄電池充電等；輔發電機和主發電機的勵磁如上文中所描述的那樣，都來自輔助發電機輸出的可控整流控制。

2.3輔助供電系統的設計方案

HXN3型內燃機車釆用交流輔助供電系統對車輛上的輔助電氣進行供電。輔助供電系統由與主發電機同軸的輔助發電機進行供電。輔助發電機電樞具有兩套三相交流電樞繞組，在這兩套裝中的一套主要是為控制電源以及蓄電池充電供電，另一套繞組分成兩組各自獨立的電壓輸出，其中一組輸出為輔助設備供電，另一組為勵磁供電。輔發電機的一組輸出l、2、3端子負責向冷卻風扇風機和空壓機電機提供電源，該三相交流電源隨柴油機轉速變化，電壓范圍144V---440V頻率范圍44HZ～133HZ。經過5個橋式整流單元后，進入空壓機電機輔助逆變器AIR COMP INVl，2和風扇電機輔助逆變器CLG FAN INVl，2，3。這五個逆變器根據EM2000控制指令驅動空壓機1，2和冷卻風扇1，2，3，使其按需要的轉速工作。控制電源與蓄電池充電繞組輸出主要為72-220VAC的三相交流電，通過輔助電源轉換器進行整流調壓輸出74VDC控制電，主要為控制系統、蓄電池、照明系統以及空調控制系統等供電。

3.小結

綜上所述，交流電傳動技術在內燃機車上的推廣應用與發展，大幅度提升了內燃機車的運作功率，簡化了內燃機車的電傳動設計結構，符合市場發展需要的同時，也提升了內燃機車制造工業的整體水平。有關公司與企事業的設計人員，應當重視對HXN3型內燃機車交流電傳動技術的應用與研究，分析其局限性與技術優勢，致力于內燃機車電傳動控制系統與設計方案的優化，促進我國鐵路事業的健康發展。

參考文獻

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