和谐HXD1型大功率交流电力机车电传动系统

第３０卷第１期２００７年１月２０日

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电力机车与城轨车辆

ＥｌｅｃｔｒｉｃＬｏｃｏｍｏｔｉｖｅｓ＆ＭａｓｓＴｒａｎｓｉｔＶｅｈｉｃｌｅｓ

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Ｖｏｌ．３０Ｎｏ．１Ｊａｎ．２０ｔｈ，２００７

大功率机车

和谐HXD1型大功率交流电力机车电传动系统

李晓春，毛业军，廖洪涛

（中国南车集团株洲电力机车有限公司，湖南株洲

摘

４１２００１）

工作原理、技术基础、冗余设计理念以要：详细介绍ＨＸＤ１型大功率交流电力机车主电路和辅助电路的结构组成、

及故障保护机理与实施情况。

关键词：交流电力机车；主电路；辅助电路；四象限变流器；脉宽调制中图分类号：Ｕ２６４．２＋２３；Ｕ２６４．６

文献标识码：Ａ

文章编号：１６７２－１１８７（２００７）０１－００１１－０３

ＥｌｅｃｔｒｉｃｄｒｉｖｅｓｙｓｔｅｍｏｆｔｙｐｅＨＸＤ１ｈｉｇｈ－ｐｏｗｅｒＡＣｅｌｅｃｔｒｉｃｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ

ＬＩＸｉａｏ－ｃｈｕｎ，ＭＡＯＹｅ－ｊｕｎ，ＬＩＡＯＨｏｎｇ－ｔａｏ

（ＣＳＲＺｈｕｚｈｏｕＥｌｅｃｔｒｉｃＬｏｃｏｍｏｔｉｖｅＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｚｈｕｚｈｏｕ４１２００１，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｐｒｅｓｅｎｔｓｔｈｅｃｏｍｐｒｉｓｅ，ｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｃｅｐｔ，ｔｅｃｈｎｉｃａｌｂａｓｉｃ，ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙｄｅｓｉｇｎｃｏｎｃｅｐｔｉｏｎａｎｄｃｉｒｃｕｉｔｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍａｉｎｃｉｒｃｕｉｔａｎｄａｕｘｉｌｉａｒｙｃｉｒｃｕｉｔｏｆｔｙｐｅＨＸＤ１ＡＣｅｌｅｃｔｒｉｃｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＡＣｄｒｉｖｅｅｌｅｃｔｒｉｃｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ；ｍａｉｎｃｉｒｃｕｉｔ；ａｕｘｉｌｉａｒｙｃｉｒｃｕｉｔ；４－ｑｕａｄｒａｎｔｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ｐｕｌｓｅ－ｗｉｄｔｈｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ

１概述

ＨＸＤ１型交流传动电力机车是中国南车集团株洲电力

再生制的２台异步牵引电动机供电，实现牵引电机架控。动过程相反。其主变流器内包含机车辅助供电电源模块。

主电路结构如图１所示。主电路按其主要功能和电压等级可分为：网侧电路、四象限变流电路、中间直流电路、保护电路等几部分。ＰＷＭ逆变电路、

机车有限公司和西门子公司合作开发的重载机车。每台

ＨＸＤ１型机车由两节车组成，它们的网侧电路通过高压连接器相连，既可固定重联运用，也可解编后各自独立运用，同时具有外重联功能。其主传动系统采用交—直—交方式。结构上多种冗余设计措施的综合应用，使得机车在主传动部件发生严重故障时能保留３／４的牵引（电制动力），发生重大故障时能保持一半牵引（电制动力）。智能化的保护措施能为机车提供完善的保护。

３网侧电路

网侧电路原理如图２所示，其主要功能是由网侧获

２主电路结构

ＨＸＤ１型机车主变压器的原边通过受

电弓、主断路器得电。主变压器４个独立的次边牵引绕组分别向４个四象限脉冲整流器供电，每２个四象限脉冲整流器并联输出，共用一个中间直流电路。这个中间直流电路同时向２个电压型ＰＷＭ逆变器（１个牵引逆变器和１个辅助逆变器）供电，每个牵引逆变器分别向一个转向架

收稿日期：２００６－１２－２０

作者简介：李晓春，２００１年毕业于西南交通大学电气工程与自动化专业，现从事电力机车总体设计工作。

图１单节车主电路结构图

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电力机车与城轨车辆・２００７年第１期

取电能，属于２５ｋＶ电路。每节机车网侧电路由一台受电弓、一台带高压接地装置的主断路器、一台避雷器、一台高压电压传感器、一台高压电流传感器、一台高压隔离开关、主变压器原边、回流侧互感器和接地碳刷等组成。两节机车间网侧电路通过高压连接器相连。

主断路器将分断保护。

３．２．５原边接地保护

检测原边电流和回流电流的差值，当大于整定值时，判定为原边接地，主断路器进行分断保护。

３．２．６主变压器次边和主变流器短路保护

如果变压器二次线圈或主变流器发生短路，则在检测到短路的瞬间断开主断。由于变压器的高短路阻抗，从而限制了短路电流。

４四象限变流电路

四象限变流器在牵引工况下进行交—直变

换，为中间直流电路提供电能；在再生制动工

图２

网侧电路原理图

况时，通过中间直流电路进行直—交变换，将电能回馈给电网。

３．１网侧受流过程

３．１．１升起本节机车受电弓的受流过程

本节机车：接触网电流通过受电弓，经本节主断路器，通过本节机车的主变压器的原边绕组高压端子给本节机车电路供电，再由本节机车的主变压器原边低压端子经接地碳刷、轮对、钢轨，返回变电所。

他节机车：在本节机车主断路器闭合后通过本节机车高压隔离开关，经高压连接器、他节机车高压隔离开关，由他节机车的主变压器的原边绕组高压端子给他节机车电路供电，再由他节机车的主变压器原边低压端子经接地碳刷、轮对、钢轨，返回变电所。

４．１四象限变流电路构成

如图１所示，四象限变流器通过主变压器的牵引绕组得电，每组四象限变流电路由１个充电电阻、３个交流接触器及２个四象限变流器构成，两个变流器将交流电变换成直流电，并联向中间回路供电。四象限脉冲整流器每一臂由两个ＩＧＢＴ模块并联组成。

４．２工作原理

充电过程如图１所示。当中间电压为零，充电时，牵引绕组１．１和１．２通过充电电阻向四象限变流器供电，给并联的中间直流回路支撑电容充电。充电完成后，充电接触器切除充电电阻，两个牵引绕组通过线路接触器同时向两台相应四象限变流器供电。充电电阻起限制充电电流的作用。四象限变流器原理图及牵引和再生制动电压电流矢量图见图３。

３．１．２升起两个受电弓的受流过程

在此模式下两节机车中至少要有１节机车的高压隔离开关处于断开位置。此时，接触网电流通过受电弓，经主断路器，通过机车的主变压器的原边绕组高压端子给机车电路供电，再由机车的主变压器原边低压端子经接地碳刷、轮对、钢轨，返回变电所。在此模式下，两节机车的主断路器分别控制各自机车电路的供电。

３．２网侧电路保护３．２．１网侧短路保护

当流经高压电流互感器的电流超过整定值时，主断路器将进行分断保护。

图３

四象限变流电路原理图

四象限电路使得中间直流环节的电压保持恒定，变压器次边的功率因数接近于１。

３．２．２网侧过压保护

网侧装有避雷器，主要用于抑制操作过电压及运行时的雷击过电压。

５中间直流电路

３．２．３网压监测保护

通过高压电压互感器的检测，在网压＜１５ｋＶ或

５．１中间直流回路构成

中间直流电路由中间电压支撑电容、二次滤波ＬＣ谐振电路、硬短路保护电路和接地保护电路组成。

＞３２ｋＶ的情况下，主断路器将进行分断，保护主电路相关设备的正常工作。

５．２二次滤波电路

二次滤波电路由二次滤波电抗器Ｌ和二次滤波电容器Ｃ组成谐振电路，谐振频率为１００Ｈｚ。谐振电抗器置于

３．２．４网侧过流保护

通过高压电流互感器的检测，在电流超过整定值时，

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李晓春等・和谐ＨＸＤ１型大功率交流电力机车电传动系统・２００７年第１期

主变压器中，谐振电容器置于主变流器柜中。每个４ＱＣ和ＰＷＭ的支路有两个并联的ＩＧＢＴ模块。在短路和其它故障情况下，在达到最大支路电流前自动封锁相关的模块触发脉冲。

５．３硬短路保护电路

中间直流电路中装有短路保护装置。在出现贯穿短路时，主断路器将分断网侧电流；ＴＣＵ将封锁四象限和

６．２．３牵引电机的短路保护

当牵引电机端子或绕组内发生短路时，ＰＷＭ的触发脉冲将被封锁。

ＰＷＭ逆变器的触发脉冲，并触发硬短路保护装置，用来吸收短路回路释放的能量。

５．４接地保护电路

接地保护电路由跨接在中间电路的两个串联电阻和一个接地信号检测器组成。如果检测到接地故障，主断路器（ＨＶＢ）将断开，然后故障中间直流环节电路也将断开，但机车仍可以在降功率的条件下继续运行。

７辅助电路和库用动车电路

７．１辅助电路

在牵引变流器中系统集成了两个辅助逆变器，分别由一路中间直流回路供电，在正常状况下，这两个辅助逆变器一个工作在变频变压模式，一个工作在恒频恒压模这样，简化了电路结构，减少了式，为各自所带负载供电。

部件数量，从而有效降低系统故障概率，提高系统稳定性。辅助供电采用冗余设计，当一个辅助逆变器模块出现故障，另一个将承担所有负载。此时所有辅助设备都以恒频恒压方式工作。

图６是该辅助电源系统简图及其输出Ｕ／ｆ特性曲线。

６ＰＷＭ逆变电路

ＨＸＤ１型机车ＰＷＭ逆变电路的原理简图见图４。

图４ＰＷＭ逆变电路原理简图

６．１ＰＷＭ控制原理

ＰＷＭ逆变电路采用磁场定向控制策略，此策略是一种基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制技术，通过对定子电流的励磁分量和转矩分量的解耦控制，达到分别控制电机磁链和转矩，实现快速响应的目的［１］。通过正弦脉宽调制技术控制ＰＷＭ变流器的输出，根据电机特性曲线要求优化变流器的输出特性，使得在牵引和制动工况下，对牵引电动机的电流最大值限制进行控制。系统调节框图见图５。

图６辅助电源系统简图及其输出Ｕ／ｆ特性曲线

辅助电路提供以下几个电压等级：

１—磁通调节器；２—形成磁通的电流分量调节器；３—退耦和预控制；４—形成转矩的电流分量调节器。

１）３ＡＣ４４０Ｖ６０Ｈｚ；

２）３ＡＣ８０～４４０Ｖ，１０～６０Ｈｚ；３）３ＡＣ２３０Ｖ６０Ｈｚ；４）１ＡＣ２３０Ｖ６０Ｈｚ。

恒频恒压负载主要包括变压器油泵、逆变器水泵、机械间风机、逆变器风机、空调加热器、司机室后墙加热器、空气压缩机、蓄电池充电器、屏柜风机等。

冷却塔风机。变频负载主要包括：牵引风机、

（下转第１７页）

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图５磁场定向调节框图［２］

６．２四象限变流器和ＰＷＭ逆变器模块的保护６．２．１过压保护

在直流回路电压大于整定值时，触发软短路器，断开主断路器ＨＶＢ。

６．２．２过流保护

温中建等・和谐ＨＸＤ１型大功率交流电力机车网络和控制系统・２００７年第１期

２．７辅助系统控制

由两组辅助变流器给机车辅机供电，其中牵引风机和冷却塔风机采用变频变压供电，其它辅机采用恒频恒压供电。机车具有辅助电路自检功能。

３机车调试软件

ＨＸＤ１型机车常用的调试工具软件有ＨｙｐｅｒＴｅｒｍｉｎａｌ

９６００和ＳＩＢＡＳ３２ｍｏｎｉｔｏｒ等，其作用如下：

１）软件安装：包括ＴＣＵ和ＣＣＵ的操作系统及应用软件，ＭＶＢ配置文件，ＧＡＴＥＷＡＹ配置文件，显示器软件等。

日期、时间等设置初始值，包括２）对各种计数器、

２．８机车保护及故障诊断

过ＨＸＤ１型机车采取了很多保护措施以防止过电流、电压及过热对部件及系统造成破坏，保护形式大致分为硬件禁止和指令封锁。硬件禁止主要是在网侧高压保护方面，分为主断禁止（ＨＶＢ＿ＳＰ）和高压禁止（ＨＶ＿ＳＰ）。前者对应本节车的受电弓或主断出现故障，但是可以通过车顶隔离开关从另一节车接入网压；后者对应本节车出现严重故障，不允许接入网压，本节车失去牵引力。指令封锁具体表现为牵引封锁，当机车出现异常情况的时候，禁止司机给出牵引指令，防止故障扩大。

ＴＣＵ和ＣＣＵ的工作小时数、主断的操作次数等清零，校里程数、车号、轴重类型（２３ｔ正日期及时间，设置轮径、或２５ｔ）。

输出接点的３）Ｉ／Ｏ测试：检查ＳＫＳ３各模块输入接点、通断情况；查看开关量的幅值及模拟量的波形。

４）执行调试指令，检查机车的相应功能。

ＣＣＵ对各部分电路的电源控制开关及各辅机接触器的状态进行实时检测。如果开关或接触器断开，在司机显示器上可以看到相关信息，同时在ＣＣＵ里面会记录该信“牵引风息，例如：如果接触器３４－Ｑ０１断开，马上会显示。机１的接触器３４－Ｑ０１断开”

各种故障对应不同的代码，显示在司机显示器上。在故障事件总览页面，可以查看每个故障对应的故障代码、（Ａ～Ｄ四级）、部件类别、事件简短描述、故障出现在等级

动车或不动车时司机分别应该采取的措施、其它有关信息。

４结束语

ＨＸＤ１型机车采用先进的交流传动控制技术和ＴＣＮ

通讯网络，机车按照列车级、车辆级和传动级３级控制，机车的自动化、信息化程度高，具有很强的保护功能和诊断功能。

参考文献：

（第ｌ部分）：列车通信网［１］ＩＥＣ６１３７５．１：１９９９，铁道电气设备列车总线

络［Ｓ］．

［２］ＩＥＥＥ１４７３：１９９９，列车通信协议［Ｓ］．

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

（上接第１３页）

每条辅助电路支路的自动开关对辅助负载的过压、过流和缺相进行保护。系统具有接地保护功能，当电路中

速度运行。此时机车由司机台的主控制器进行操纵。

８结束语

“欧洲短跑手”ＨＸＤ１型机车基于西门子公司的

１点接地时，可以通过接地检测装置进行检测，通过ＣＣＵ进行隔离。

单节车的辅助电源采取冗余设计，当其中１个辅助逆变器故障情况下，可以通过开关转换使得另１个辅助逆变器对本节车的所有辅助负载供电，在此模式下采用

（Ｅｕｒｏｓｐｒｉｎｔｅｒ）技术平台，其主传动系统的结构紧凑，冗余设计和保护措施极大地提高了机车的运行可靠性；其集成辅助逆变器在主逆变器结构中的设计符合当代变流技术的发展趋势，具有先进技术水平。

６０Ｈｚ的电源输出。７．２库用动车电路

ＨＸＤ１型机车具有库用动车功能，可以不用调车也能在库内或车间内无接触网区移动。此时机车应置于“库内动车”模式，机车的所有仪器和控制都应处于工作状态。车体底架两侧转向架之间装有插座，用于将库内三相

参考文献：

（２）．［１］刘连根．交流传动牵引变流器的技术发展［Ｊ］．机车电传动，２００１（二）［Ｊ］．交流［２］Ｄ．ＨＯＲＳＴＭＡＮＮ．电气化铁路传动技术１００年的发展

技术与电力牵引，２００４（２）．

（一）［Ｊ］．交流技３］Ｄ．ＨＯＲＳＴＭＡＮＮ．电气化铁路传动技术１００年的发展

术与电力牵引，２００４（１）．

３８０Ｖ交流电通过电缆及插头引入到车上作为动车电源。通过主变流器中的辅助电路电源将中间直流回路充电至大约５００Ｖ直流电压。这个电压通过ＰＷＭ逆变器在牵引电机上所产生的力矩，足以驱动双节机车以约５ｋｍ／ｈ的

［４］黄济荣．电力牵引交流传动与控制［Ｍ］．北京：机械工业出版社，

１９９８．

［５］沈本荫．现代交流传动及其控制系统［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，

１９９７．

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