交直交电力机车.ppt

第五章交直交电力机车,5.1交直交电力机车工作原理,5.2交直交电力机车主电路,5.3交直交电力机车辅助电路,5.4交直交电力机车控制电路,5.1交直交电力机车工作原理,指交直交变流器供电、交流电机传动的电力机车。基本结构：电压型、电流型交直交变流器供电的异步电机系统。目前世界上一般都采用电压型。一、基本工作原理常用电压型交直交变流器供电、三相异步电动机传动。原理框图：图5-1所示。,图5-1交直交电力机车原理图,5.1交直交电力机车工作原理,牵引变压器：将接触网25kV高压电降为适合牵引变流器及其他电机、电器工作的电压。脉冲整流器：牵引时整流，制动时逆变，故又叫网侧变流器。直流中间环节：储能、滤谐波。牵引逆变器：牵引时，将直流三相交流（VVVF）供给牵引电机；制动时，将牵引电机发出的三相交流电（VVVF）整流成直流供给中间环节。亦称电机侧变流器。牵引电动机：三相交流鼠笼异步电机，一般4极电机，是电能与机械能间转换的核心。二、主要特点1、异步电动机传动。无换向器，重量较轻、体积小，转向架簧下重量，过曲线时轮轨间侧压力（高速列车重要）；合适的悬挂方式，简化转向架结构。,5.1交直交电力机车工作原理,2、机车效率发挥较高。异步电机无换向器，高速行车效率高；空间利用好，使机车功率得以进一步提高。再生制动输出功率较大。3、牵引、制动特性优异。异步电机机械稳定性好，有自然防空转、防滑性能，粘着利用好，利于加速，缩短起动时间。4、主线路简化。通过控制电路实现异步电机的正、反转及牵引、制动转换，不需改变主线路。5、功率系数接近1。采用四象限整流器，使牵引变压器的牵引电流与电压同相位。同时，减少了电网的谐波污染。6、再生制动，节省能源。自身不耗损能源，同时节省了冷却风机的耗能，减小噪。,5.2交直交电力机车主电路,组成：牵引变压器、脉冲整流器、三相逆变器、异步电动机。功能：电网馈给的电能机车动能，牵引列车。一、四象限整流器能够在电压、电流平面上四个象限中工作，故得名。因按斩波方式工作，也叫脉冲整流器。（网侧变流器）牵引时作为整流器，从交流电网吸取与网压同相位的近似正弦波的交流电流，使电网的污染减到最小限度。再生制动时作为逆变器，将电能回馈给电网。（一）基本原理与分类逆变：整流的逆过程，将直流电变成交流电。,5.2交直交电力机车主电路,1、分类按交流负载分有有源逆变、无源逆变，按直流电源分有电压型、电流型逆变电路。有源逆变：交流侧接电网，直流电能经逆变器向交流电源反馈能量，如“交-直-交”电力机车再生制动时脉冲整流器的逆变。无源逆变：交流侧接负载，直流电能通过逆变器向负载供电，如“交-直-交”电力机车的逆变器。电压型脉冲整流器：直流侧滤波，由支撑电容Cd和吸收二次谐谐波电流的L2C2串联谐振组成，交流侧需LN滤波器。,5.2交直交电力机车主电路,电流型脉冲整流器：直流侧由平波电感Ld和抑制二次谐波电压的串联回路的L2C2并联谐振组成（若直流侧允许Ud中含一定的二次谐波分量脉动，可省去L2C2），交流侧需CN滤波器。注意：LN可以看作为电网或变压器的漏感。,图5-2滤波器结构（a）电压型基本结构；（b）电流型基本结构。,5.2交直交电力机车主电路,输入端（5-1）理想情况，所有元件均无损耗，则输入功率PN（t）应等于输出功率Pd，即（5-2）可见，电网的输入功率PN（t）以2倍于电网频率脉动。电压型：输出电压ud（t）=Ud恒定，其输出电流为(5-3)可见，电压型输出电流id（t）也是以2倍于网频脉动。,2、原理原理框图：,5.2交直交电力机车主电路,电流型:输出电流恒定id（t）=Id恒定，其输出电压为（5-4）可见，电流型输出ud（t）亦以2倍于网频脉动。（二）电压型脉冲整流器1、电路结构（1）电路,图5-4电压型脉冲整流器,i,5.2交直交电力机车主电路,（2）说明LN：滤波电感（或电网或变压器的漏感），消除产生的高次谐波，使uN、iN同相。A、B短路（uS=0），uN向LN储存能量（整流时）。A、B开路，整流，LN向直流环节释放能量，使UdUNm；Ud向交流侧反馈或向LN反馈无功功率。T1T4：开关管（可关断晶闸管GTO），使uS=0、Ud向交流侧或LN反馈。D1D4：整流二极管。L2、C2：谐振（二词）滤波，使直流电压、电流恒定。Cd：贮能，使UdUNm。uN（t）：为正弦波网压。,5.2交直交电力机车主电路,Ud：脉冲整流器的恒定直流电压输出；us（t）：脉冲整流器的输入电压，是SPWM控制下的脉冲波；iN（t）：从电网流入脉冲整流器的电流。注意：对四个GTO元件进行合适的SPWM控制，实现：保持Ud恒定。使网流iN（t）与网压uN（t）同相位；脉冲频率fp越高，网流iN（t）越接近正弦波。反馈能量。2、工作原理（1）常规整流（D1D4)实现两相限整流，即：us、iN,-us、-iN,5.2交直交电力机车主电路,（2）四象限整流uN正半周，iN0，D1、D4可导通区：通T2（经D4）或T3（经D1），则us=0（短路），uL=uN(uN向LN贮能）；同时通T2、T3，则D1、D4不通，有uL=uN+Ud，us=-Ud，i0。即：Ud向LN反馈无功。区：通T2（经D4）或T3（经D1），则us=0（短路），uL=uN(uN向LN贮能）；同时断T2、T3，则仅D1、D4通，有uL=uN-Ud，us=Ud，i0。整流，交流uN向直流侧传送能量。,5.2交直交电力机车主电路,uN负半周，iN0，D3、D2可导通区：通T1（经D3）或T4（经D2），则us=0（短路），uL=uN(uN向LN贮能）；同时通T1、T4，则D2、D3断，有uL=uN-Ud，us=Ud，i0。即：Ud向LN反馈无功。区：通T1（经D3）或T4（经D2），则us=0（短路），uL=uN(uN向LN储能），即同区；同时断T1、T4，则仅D2、D3通，有uL=uN+Ud，us=-Ud，i0。整流，交流uN向直流侧传送能量。,5.2交直交电力机车主电路,可见：a、区，均可us=0，即短路，相当于开关斩波；b、区，同一般整流，但间断有us=0，斩波式整流；c、区，直流向LN反馈无功，斩波式反馈；d、具有开关、整流、反馈三种功能。（电压源型的开关作用是并的，电流型则是串的，L贮能在直流侧）,5.2交直交电力机车主电路,（3）再生制动时的能量反馈uN正半周，iN0，D1、D4可导通通T2（经D4）或T3（经D1），则us=0（短路），uL=-uN(LN续流）；同时通T2、T3，则D2、D3断，有uL=Ud+uN，us=-Ud，i3kV时，宜采用三点式结构。牵引工况：逆变器把中间回路直流电压变成幅值和频率可调的三相交流电压，供给异步牵引电机。再生制动工况：控制异步牵引电动机工作在负的转差频率成发电机状态。（初期，在电网不能接受再生能量或网侧整流器故障，在无电流状态下转入电阻制动）,5.2交直交电力机车主电路,目前世界各国广泛采用15kV/HZ或25kV/50（60）HZ单相交流供电模式，前者主要在欧洲一些国家。（一）两点式GTO主电路1、原理电路,5.2交直交电力机车主电路,2、常用电路形式（1）主电路直流并联,图5-28两点式直流并联的主电路,5.2交直交电力机车主电路,特点：两个主电路的直流并联。即两个脉冲整流向同一直流供电（N=2）；而直流向两个逆变器供电，各带一台电机。N个脉冲整流器并联：载波按相互位移360/2N进行控制（如N=4，相邻位移45），可大大提高牵引变压器原边或接触网的等效开关频率。如：当脉冲整流器一相（一个桥臂）的开关频率为时，4重脉冲整流器并联（8个臂）工作的等效开关频率为1464Hz；而采用GTO晶闸管组成的6重脉冲整流器的电力机车上，等效开关频率可达3000Hz。优点：降低谐波电流，使电网的功率系数接近1。,5.2交直交电力机车主电路,（2）整流输出并、逆变输出并（二电机）,图5-29整流输出并、逆变输出并,5.2交直交电力机车主电路,特点：两个整流向同一直流供电（脉冲整流器互移一定角度），一个逆变器向两台电机供电。两整流并联，优点同前（减少机车对接触网的不利影响）。应用：适于轴功率较小的电力机车。一转向架两电机由同一逆变器供电，叫转向架组合供电，二电机电气上彼此连接，利于防单轴空转。注意：若一逆变接一台电机，则叫独立供电。对一转向架的两逆变器，有组合控制（一套电子装置对两逆变器同时控制）、独立控制（相反）。独立控制的独立供电，能实现轴控，即能据一轴的运行状态任意调节该轴的转矩和转速。中间直流Ud在3.5kV或更高要用4.5kV的GTO晶闸管，则应选择三点式电路。,5.2交直交电力机车主电路,3、CRH1主电路该动车组由青岛四方一庞巴迪一鲍尔铁路运输设备有限公司（BSP）（后称青岛四方庞巴迪铁路运输设备有限公司(BST)）提供，国外合作伙伴是庞巴迪（总部加拿大）运输瑞典AB（BT）。BSP动车组以庞巴迪公司为瑞典国家铁路和地方铁路开发的“Regina”动车组为原型经改变设计而成的。Regina动车组为动力分散型动车组，最高运营速度180200kmh，轨距1435mm，车宽3450mm，编组为23节车厢，用于网压E15kV的供电区域。庞巴迪公司自1998年12月至2003年底相继获得了瑞典国铁和地方铁路公司等用户运营商的总共70列152辆的订单。引进后作了改进（略）。,5.2交直交电力机车主电路,（1）CRH1动车组工作原理及基本单元工作原理：受电弓从接触网接受25KV50Hz高压交流电能，经安装在车底架上的主变压器降成900V50Hz交流电，再经脉冲整流成1650VDC直流电能，然后经逆变器转换成变频变压的三相交流电送给牵引电机，将电能转换成牵引列车的机械能。,图5-30CRH1动车组基本单元,5.2交直交电力机车主电路,CRH1A：由图知，8辆编组，5动3拖（5M3T），由两个2动1拖单元和一个1动1拖单元组成。轴重不超16吨，总功率5300千瓦，车体为不锈钢焊接结构。时速200公里，最大250公里。2004年订单。,5.2交直交电力机车主电路,CRH1B：16节车大编组座车，10M6T。2007年订单。CRH1E：16节车大编组卧铺动车组，10M6T。2007年订单。CRH380D：运行时速350km/h，最高380km/h；短编组动车为CRH380D，16节大编组叫CRH380DL。2009年订单。,5.2交直交电力机车主电路,（2）CRH1能量传递示意图图示为单元1、2（图5-30中的TBU1、TBU2）的能量传递与转换过程示意图，而中间单元TBU3少一半逆变器及电机（参见图5-31）。（3）牵引传动系统主电路主电路框架，如图5-32所示。,图5-31CRH1能量传递与转换过程示意图,5.2交直交电力机车主电路,电路图：,图5-32CRH1的主电路框架,5.2交直交电力机车主电路,一节车的主电路：,图5-33一节车主电路,5.2交直交电力机车主电路,由图5-33知，CRH1为图5-29所示电路形式，即整流输出并、逆变输出并（二电机）。动车组有三个相对独立的主牵引系统并行工作，当一个牵引系统故障时，可以自动切断故障源，列车继续运行。动车组采用8辆编组，5动3拖，3个动力单元（两个2动1拖、一个1动1拖）。动力单元组成：网测高压电气设备、1个牵引变压器、l或2个牵引变流器、4或8台三相交流异步牵引电动机等组成。列车有2个受电弓、3个牵引变压器、5个牵引变流器、20台牵引电动机。,5.2交直交电力机车主电路,（4）网侧高压电气设备组成：受电弓、主断路器、避雷器、电压和电流互感器、接地开关等。4、HXD3B机车主电路HXD3型机车：2004年10月27日，大连机车车辆有限公司与东芝公司共同获铁道部60台大功率交流传动货运电力机车的合同，该批机车由4台进口机车，12台散件进口机车和44台国产化机车组成，并由东芝向大连机车车辆有限公司进行技术转让。（HXD1株洲厂，控制系统采用西门子技术，IGBT、2（B0-B0），1万kW，四组整流;HXD2大同与阿尔斯通联合开发，IGBT、2（B0-B0），1万kW，四组整流）,5.2交直交电力机车主电路,特点：C0-C0轴式，交直交传动，采用IGBT水冷变流机组，1200kW大转矩异步牵引电动机（整车7200kW），具有起动（持续）牵引力大、恒功率速度范围宽、粘着性能好、功率因数高等特点。HXD3B型机车：德国庞巴迪技术，2007年2月11日，大连机车车辆有限公司与铁道部在北京签订了500台大功率交流传动9600kW六轴货运电力机车采购合同。按照合同规定，首台机车将于2008年底落成，2009年交付49台，至2011年完成全部500台机车的交付。特点：C0-C0轴式，交直交传动，主电路有3组大功率水冷IGBT牵引变流器，1632kW大转矩异步牵引电动机，具有起动（持续）牵引力大、恒功率速度范围宽、粘着性能好、功率因数高等特点。在每组牵引变流器内集成一台由中间直流回路供电的辅助逆变器。,2019/12/13,80,可编辑,5.2交直交电力机车主电路,图5-34HXD3B型牵引回路电路图,5.2交直交电力机车主电路,主电路：主电路的组成见5-34所示，原理同图5-28所示电路。IGBT冷却方式：水冷、水-乙二醇的混合液（4753）5、HXD1C大功率电力机车主电路特点：三相异步电动机直接转矩控制（HXD1、HXD1B西门子技术，采用矢量控制），实现恒力矩、准恒速特性控制牵引，恒力矩特性控制再生制动。IGBT水冷变流器。1225kw大力矩异步电动机，轴控。下悬式安装一体化多绕组变压器，有高阻抗、重量轻特点。机车起动牵引力大、风功率范围宽、粘着性能好、功率因数高、谐波含量少。再生制动。,5.2交直交电力机车主电路,主电路原理图,图5-35HXD1C主电路,简介：主电路属5-28所示类型电路。牵引绕组额压970V，中间直流额压1800V。有两台牵引变流器。每台牵引变流器内有3个四象限脉冲整流器，组成三重整流，其输出由隔离器（故障时可隔离故障整流器）并联共直流中间环节；有3个逆变器，分别向3台牵引电机供电，实现轴控。,5.2交直交电力机车主电路,6、HXD3C大功率电力机车主电路电路：,图5-36主电路图,5.2交直交电力机车主电路,简介：牵引绕组额压1450V，中间直流额压2800V。机车有两台牵引变流器。变流器6组，其调制波相位一致，而载波相位依次相差30，达到消除谐波的目的，保证等效干扰电流Jp2.5A。中间直流环节无二次滤波电路，由逆变器软件控制来消除二次谐波电压的影响，大幅抑制牵引电机电流脉动和转矩脉动现象。逆变器输出额压2150V、频率0120Hz。,5.2交直交电力机车主电路,7、HXD电力机车主电路的比较,5.2交直交电力机车主电路,主要的异同点：相同点：均为二电平的“PWM整流+VVVF逆变”中间直流环节不同不同点：HXD1、HXD1B、HXD1C变流柜（对应一个转向架）的中间直流环节并联，共用中间直流电路和二次谐振电路，见图5-37所示；HXD2、HXD3型则中间直流环节是独立的，且HXD3无二次谐振电路，见图5-38所示。,5.2交直交电力机车主电路,HXD1主电路,HXD1B主电路,HXD1C主电路,图5-37HXD1三种主电路,5.2交直交电力机车主电路,HXD2主电路,HXD3主电路,图5-38HXD2、HXD3主电路,5.2交直交电力机车主电路,（1）中间直流环节差异比较,优点：最大资源共享，如共用二次谐振电路、接地检测电路、固定放电电路等。,HXD1、HXD1B：二重整流并联一个直流环节HXD1C：三重整流并联一个直流环节,HXD2、XHD2：（整流、逆变）中间直流环节独立,优点：方便使用及故障排查，发现故障便于进行故障隔离。,设计选择：首先推荐中间直流环节独立，因便于使用、故障排查与隔离。若要实现变流器主辅一体化，建议使用中间直流环节并联，因为并联的四象限整流可共同分担辅助变流器所需的能量。若考虑降低成本、压缩体积，亦建议中间直流环节并联。,5.2交直交电力机车主电路,（2）二次谐振电路比较中间直流环节：有LC谐振滤波；在中间电压波动允许范围内可无LC谐振滤波。若无LC，则由扩大支撑电容值来抑制纹波电压幅值，或优化逆变器控制策略来减小中间电压纹波对逆变器输出的影响。,HXD1、HXD1B、HXD1CHXD2,有LC谐振滤波,HXD3,无LC谐振滤波,控制策略来消除纹波电压,优点：电路简洁、降低成本,注意：CRH2、CRH5动车组无LC谐振滤波。目前，欧洲车型多采用LC谐振滤波。,缺点：L与C参数配对困难、器件占用空间大,5.2交直交电力机车主电路,（二）三点式（IGBT器件）主电路1、原理电路,开关管用IGBT，逆变器二极管牵引时续流、再生制动时反馈能量。,5.2交直交电力机车主电路,2、常用电路形式,图5-40三点式变流器电力机车主电路,5.2交直交电力机车主电路,3、CRH2主电路动车组由南车四方机车车辆股份有限公司与日本合作伙伴川崎重工提供，原型车为日本新干线E21000型动车组。动车组采用8辆编组，4动4拖，由两个动力单元组成。每个动力单元由2个动车和2个拖车（T-MM-T）组成。,图5-41CRH2编组结构图,（1）CRH2动车组牵引系统的组成,接触网25kV、50Hz单相交流经受电弓通过VCB（主断路器）接入牵引变压器，牵引变压器次边设有2个线圈，电压均为1500V。,5.2交直交电力机车主电路,动力单元组成1台牵引变压器、2台变流装置（C/I）、8台牵引电机。1台变流装置控制4台牵引电机。见图5-42所示。,图5-42CRH2动力单元组成,5.2交直交电力机车主电路,牵引传动主电路,图5-43CRH2主电路系统,5.2交直交电力机车主电路,由图可见：由4号车（或者6号车）的受电弓受电，通过车顶上的特高压导线，经由VCB后被送到2号、6号车的主变压器。注意：车顶装有保护接地装置（EGS），运行中需紧急让变电所区间内的所有车辆停车时，让其动作，使架线接地短路。EGS的操作必须按照铁道部的规定执行。（2）CRH2牵引传动系统主电路设备高压电器设备作用：完成从接触网到牵引变压器的供电。组成：受电弓、主断路器、避雷器、电流互感器、接地保护开关等。,5.2交直交电力机车主电路,牵引变压器一个基本动力单元1个，全列共计2个。TM210型牵引变压器：壳式结构、车体下吊挂、油循环强迫风冷。具有1个原边绕组（25kV，3060kVA）、2个牵引绕组（1500V，21285kVA），一个辅助绕组（400V，490kVA）。牵引变流器一个基本动力单元2个，全列共计4个。CI11型牵引变流器：电压型3电平，由脉冲整流器、中间直流电路、逆变器构成，无2次谐振滤波装置和网侧谐波滤波器，采用PWM方式控制。中间直流电压为2600V3000V（额定2800V，随牵引电机输出功率进行调整）。,5.2交直交电力机车主电路,牵引逆变器输出电压02300V、频率0220Hz，供三相交流异步牵引电动机。注意：变流器采用车下吊挂、液体沸腾冷却方式。采用矢量控制，1个变流器控制4台并联的牵引电机。牵引电机MT205型牵引电机，为4极三相鼠笼式异步电机。采用架悬、强迫风冷方式，通过弹性齿型联轴节连接传动齿轮。每节动力车4台电机（并联），一个动力单元8台，全列共计16台。,5.2交直交电力机车主电路,（3）CRH2牵引传动系统主电路一个单元主电路简图,图5-44CRH2动车组主电路简图,5.2交直交电力机车主电路,图5-45CRH2主电路,5.2交直交电力机车主电路,接触网25kV、50Hz单相交流电，经受电弓通过主断路器VCB接牵引变压器。牵引变压器次边两组均为1500V（原边25kV时）。牵引变流器在M1、M2车上各一个，由一台四象限脉冲整流器和逆变器及中间直流回路构成，运行时除实施牵引电动机电力供应和制动时的再生制动外，还具备相应的保护功能。牵引电动机为三相鼠笼式感应电机，其轴端设置速度传感器，用于检测转速（转子频率），对牵引和制动特性进行实时控制；当出现故障时，M1车和M2车可分别使用，另外，整个基本单元可使用VCB切除，而不会影响其它单元工作。,5.3交直交电力机车辅助电路,对于交直交机车辅助电路系统：辅助电路功用：保证列车正常运行（牵引、制动）以及照明、空调等所必需的。辅助电路组成：辅助电源、辅助用电设备。辅助电源：通常，牵引变压器次级辅助绕组整流逆变为三相交流负载（CRH1取主电路直流来逆变）；当电力不能来自牵引电网时，采用外接电源或蓄电池供电。同时，还包括列车控制系统所需不间断安全电源。辅助用电设备：牵引电机风机、冷却塔风机、主变流器冷却用水泵（或油泵）及风机、辅助变流器冷却风机、主变流器油泵、空气压缩机、充电机及其风机、空调机及各种电动阀门、车厢照明及各种服务性电气设备。,5.3交直交电力机车辅助电路,一、CRH1动车组辅助电路系统1、系统构成,图5-46CRH1辅助电路系统,5.3交直交电力机车辅助电路,输入直流：主电路直流中间环节的DC1650V电压。输出交流：辅助逆变器（得三相工频交流）、三相变压器、三相滤波器、接地故障指示、三相外部电源连接接触器、三相外部电源相序监测逻辑。输出直流：整流（三相工频交流整流为110V直流）器、蓄电池充电器、蓄电池、用于电源总线分配的接触器。两条贯穿整列车的公共电源母线：一是辅助逆变器并联供电的公共三相交流母线；另一条是蓄电池充电器并联连接的公共蓄电池电压母线。2、辅助变流器（ACM）辅助逆变器为两电平式，输出恒频、恒幅的三相交流电，向负载包括蓄电池充电器、空调和空气压缩机等设备供电。,5.3交直交电力机车辅助电路,说明：三相输出滤波器：包括三相电抗器、三相电容器，可将辅助逆变器产生的谐波成分过滤掉。三相变压器：降压、隔离（电源与用电设备）。设特殊电源，为控制单元、门极控制单元GDU、电压和电流传感器供电。辅助变流器输入输出：输入DC1650V电压，输出三相对称的交流50Hz、876V电压，经变压及滤波后得到50Hz、400/230V对称的三相四线制交流电压。功率元件为IGBT（水冷）。注意：辅助逆变器是完整的逆变器模块，自带电子控制部件，通过MVB总线与车辆控制单元通信。,5.3交直交电力机车辅助电路,3、辅助变流器主要电器部件三相滤波器：三相滤波电感串联、三相滤波电容连接（见图5-46中的g、h），削弱逆变器的谐波输出。三相变压器：三相变压器为/Y接线（见图5-46中的k）。作用：变压，满足辅助三相配电系统电源需要；电气隔离牵引系统与辅助系统；为单相交流负载提供零点（中性点）。,5.3交直交电力机车辅助电路,二、HXD3B型电力机车辅助电路系统1、系统构成见图5-47所示，设有3组独立的三相辅助电源。每组辅助电源组成：电源由三相辅助变流器、辅助滤波变压器、滤波电容、接触器、自动开关及对应辅机等构成。3组辅助电源的输出：第1、2组范围为从115V/15Hz到460V/60Hz，第3组恒压恒频；当一组电源故障时，其他两组电源仍可保证机车辅助系统的正常工作，实现冗余控制。3组辅助变流器安装位置：分别位于3个主变流柜中。3组辅助隔离变压器、滤波电容、接地检测保护装置、电源接触器、故障切换接触器、预充电接触器、预充电电阻等位于AFC辅助滤波柜中。,5.3交直交电力机车辅助电路,电路图：,图5-47HXD3B机车辅助电动机供电电路,电路图：,5.3交直交电力机车辅助电路,2、辅助电动机供电电路3组三相辅助电源，可以不同频率向各类辅助负载供电。辅助电源1、2（变频变压电源）：输出电压(可变）115V460V、频率(可变）约1560Hz。辅助电源1：经自动开关向两台牵引变压器和变流器的冷却塔通风机电机供电；辅助电源2：经过自动开关向两台牵引电机通风机电机供电。辅助电源3（恒频恒压电源）：输出电压460V、频率60Hz，电压谐波含量（滤波后）8%。辅助电源3：经自动开关和接触器向对应的空压机、油泵、水泵、变流器风机、司机室空调、机器间通风机、蓄电池充电器、各类单相辅助加热器等供电。,5.3交直交电力机车辅助电路,注意：考虑机车牵引力、功率和各个电机的温度等因素的影响，辅助电源1、2的输出电压和频率将根据冷却系统的实际情况进行调整，采用VVVF方式工作；辅助电源3主要针对泵类负载供电，因此采用CVCF方式工作，电压、频率为460V/60Hz。优点，能够最大限度地减小辅助设备的能量消耗，有效地降低风机噪音，最大限度地延长风机轴承的寿命。辅助电源1和辅助电源2中任何一个故障时，通过故障接触器的切换，转由另一个辅助电源对辅助电源1和辅助电源2的负载共同供电，此时该辅助电源由变频变压改为定频定压供电方式。（互为冗余）当辅助电源3故障时，通过故障接触器的切换，转由辅助电源2对辅助电源3的负载及辅助电源2的负载共同供电，但此时只允许一台压缩机工作，对于辅助装置除必要的加热或制冷外，其他辅助负载均停止工作。,5.3交直交电力机车辅助电路,3、辅助电动机供电电路的特点三相辅助电源采用集成式辅助电源模式，与牵引回路共用变压器牵引绕组，简化了主变压器的绕组结构。没有单独的辅助变流器柜，3组辅助变流器分别集成于3个主变流柜中，其电源取自牵引变流器的中间直流电路，省去了独立式辅助电源模式下的整流回路和中间回路，简化了整车变流器电路，提高了牵引变流元件的利用率。由于元件数量的减少，必然降低变流系统的故障率。机车过分相区，辅助系统和蓄电池充电模块不间断供电。因集成式辅助电源模式，机车过分相区时自动转为再生工况，利用机车动能再生能量使主变流器中间电压基本保持不变，继续维持辅助变流器供电，使辅机和DC110V充电模块不停止工作，从而大大减少辅机起动次数，提高辅机寿命。,5.3交直交电力机车辅助电路,由于整车由3组辅助电源构成，任意一组辅助电源故障时，仍可保证机车辅助系统的正常工作，实现机车辅助系统的冗余控制。,5.3交直交电力机车辅助电路,三、HXD3C型电力机车辅助电路1、系统构成三相变频变压（VVVF）负载支路，包含负载牵引电机通风机组和油水复合冷却塔通风机组；三相恒压恒频（CVCF）负载支路，包含负载压缩机、水泵、油泵、空调、蓄电池充电机及380V/230V变压器；230V/50Hz单相交流支路，由辅助电源2（CVCF）经辅助隔离变压器提供（取相电压），负载包括各类加热电炉、前窗玻璃加热器、各类屏柜加热器等。直流负载支路，由蓄电池充电器供电，负载包括各类照明灯具、辅助压缩机、冰箱和风扇等。注意：VVVF、CVCF集成在2个主变流器内，由主变压器辅助绕组供电，经整流、逆变、LC滤波后供电。,5.3交直交电力机车辅助电路,系统构成简图：,图5-48HXD3C辅助系统简图,5.3交直交电力机车辅助电路,2、三相辅助供电电路三相辅助供电电路由辅助变流器、辅助滤波装置、电磁接触器、自动开关、辅助电动机等组成。,图5-49HXD3C三相辅助供电电路,5.3交直交电力机车辅助电路,技术参数：额定输入：399VAC（单相）、50Hz直流中间回路：750VDC元件类型：IGBT（1700V、1200A）调制方式：四象限整流（输入）PWM（输出）CVCF输出：230kVA、380VAC（三相）、50HzVVVF输出：230kVA、2380VAC（三相）、0.250Hz冷却方式：强制风冷方式,5.4交直交电力机车控制电路,交流传动机车（动车组）的控制电路：组成：机车主、辅电路的控制电器、信号装置和控制电源等，特别是微机网络系统。作用：接收和传递列车网络信息控制装置的指令、状态信息，实现对列车的操纵和控制。现代列车控制，由挂在列车网络上的多微机系统来实现。机车微机和中间车辆的微机，耦合在其本地网络（机车车辆总线）上，通过列车总线相互交换信息和数据。包括控制装置，也是以这种方式获得所需的指令和状态反馈信息，并发送控制信号。,5.4交直交电力机车控制电路,一、交直交电力机车控制的基本原理交流传动控制，实质上就是交流电动机的调速，是现代列车控制的核心。（一）控制系统的分级模式通常分为列车级、机车（或车辆）级、传动级（设备级）三级控制。1、列车级控制涉及整列车有关的给定值和控制变量。输入：司机从“本务车”司机台发运行状态指令（如牵引与制动、前进与后退、运行速度或牵引力、制动力）给定值。输出：经列车网络传送到各机车或动力车，实现统一指挥，保证各动力单元的负载均匀分配，使功率和特性不同的各机车或动车间有最佳的负载分配状态。,5.4交直交电力机车控制电路,例如：德国ICE高速列车，列车控制装置（ZSG）的主要任务是保证控制和诊断数据的处理与传输。（参见讲义）2、机车（车辆）级控制涉及机车或动力车正常运行的所有功能。作用：在列车级控制指令下，主要是优化粘着控制、分配牵引和制动力，发送给传动级（设备级）控制装置。还具有：（1）限制冲击。通过限制牵引力或制动力给定值的变化，提高运行的舒适性；（2）监视主要设备的过电流、过电压、欠电压、过热，必要时切断主断路器；（3）限制一次电流，防止接触网不稳定（预防性措施）；（4）通过保护逻辑保证在接触网分相处的安全运行；,5.4交直交电力机车控制电路,（5）通过辅助传动控制装置，实现辅助机械按功率大小提供相应冷却能量的最佳控制方式；（6）对所测实际值进行处理。例如：西班牙国家铁路的S252交流传动电力机车，没有列车级控制装置，但传动级控制装置上有一个中央控制装置，其实就是机车级控制装置。注意：机车级控制装置按冗余原则设计，设一个备用。3、传动级（设备级）控制作用：实现对每个动力单元的控制，包括电动机控制和变流器控制，保证提供合适的牵引力和速度。基本功能：（1）四象限脉冲整流器的控制；（2）电动机控制，也包括空转与滑行保护或粘着优化利用；,5.4交直交电力机车控制电路,（3）电动机侧逆变器的控制；（4）变流器回路的监视与保护；（5）整个传动单元的故障检测与诊断。（二）控制装置的功能模块按功能划分模块，方便制造，也方便模块电路设计和系统集成。注意：一个传动控制装置对应一个轮对的变流器和电动机，一个传动控制装置对应一个转向架或动力车的多个轮对的多台电动机及变流器。现代电力机车均微机控制，有的功能组可由软件实现。,5.4交直交电力机车控制电路,控制装置按功能组划分，如图5-50所示。,图5-50交流电力机车的电子控制装置系统及功能组,5.4交直交电力机车控制电路,1、牵引/制动控制功能组（Z）处理来自司机台的指令，并使其成为相应动力单元的基本控制指令。在多台机车重联，所生成的指令由本务机车经网络送重联车。2、输入/输出功能组（K）包括输入/输出接口，以及与传统机车有触点控制装置的接口（由直流110V蓄电池供电）。3、解锁功能组（G）主要是据司机指令和反馈的运行状态信息和诊断信息，“组织”开关设备和变流器投入或退出工作。,5.4交直交电力机车控制电路,4、电动机控制给定值处理功能组（H）负责把来自上一级控制装置的牵引力或制动力给定值处理为电动机闭环控制用的给定转矩值。5、四象限脉冲整流器闭环开环控制功能组（F）使中间直流回路电压保持恒定，控制四象限脉冲整流器交流侧电流相位（牵引时与网压同相，再生制动时与网压反相），尽可能地减少电流波形失真（谐波），保证接触网的功率因数最好，避免对信号和通信系统等干扰。6、电动机与逆变控制功能组（E）包括电动机闭环控制和逆变器的SPWM控制器两部分。不论采用哪一种闭环控制法，必须考虑如何减少或消除逆变器输出侧和输入侧电压谐波。,5.4交直交电力机车控制电路,7、放空转打滑或粘着控制功能组（M）能够在没有司机干预的前提下，自行按最大粘着所决定的牵引力或制动力运行。8、脉冲生成与分配功能组（A、B、C）是变流器功率部分与控制装置之间的连接单元。（参见讲义）现代交流传动电力机车或动车组，利用专用单片机DSP产生控制脉冲。,5.4交直交电力机车控制电路,（三）异步电机转子磁链定向矢量控制系统二十世纪七十年代以来，模仿直流电机控制的磁场定向控制技术得到普遍应用。1、坐标变换的基本思路（1）坐标变换准则产生相同的旋转磁场。三相交流电机定子三相对称绕组A、B、C通以三相对称正弦交流iA、iB、iC，产生旋转磁势；二相交流电机二相对称绕组、通以二相正弦交流电流i、i，产生相同的旋转磁势；,5.4交直交电力机车控制电路,（旋转磁动势可用二相、三相、四相、等任意对称的多相绕组来等效，但以二相绕组通以平衡的二相电流来等效最为简单）以同步旋转磁场转速旋转（角频）、互相垂直的绕组M、T通以直流电流im（励磁电流分量）、it（电枢电流），其产生旋转磁场r。（r方向定M（Magnetization）轴，M绕组相当于直流电机的励磁绕组，垂直方向定T（Torque）轴，T绕组相当于伪静止的电枢绕组）二旋转磁场等效，其电流间存在确定的矢量变换关系。,5.4交直交电力机车控制电路,（2）静止坐标系变换（3/2变换）三相两相变换，将三相静止坐标系下定子交流电流iA、iB、iC等效成两相静止坐标系下交流电流i、i。注意：三相绕组有耦合，两相绕组无耦合，故叫解耦变换。,静止坐标系下三相交流电流产生旋转磁动势,静止坐标系下二相交流电流产生同样的旋转磁动势,图5-51静止坐标系3/2变换,5.4交直交电力机车控制电路,（3）同步旋转变换（2s/2r变换）按转子磁场定向旋转变换，将两相静止坐标系下交流电流i、i等效成同步旋转坐标系下直流电流id、iq。注意：由静止到旋转，故叫旋转变换。,同步旋转坐标系下直流电流产生同样的旋转磁动势,图5-52坐标系同步旋转变换,站在铁心上与坐标系一起旋转，如同一台直流电机,5.4交直交电力机车控制电路,可见：观察者站在铁心上与坐标系一起旋转，所看到的是一台直流电机；原交流电机的转子总磁通r就是等效直流电机的磁通，d绕组相当于直流电机的励磁绕组，id相当于励磁电流，q绕组相当于伪静止的电枢绕组，iq相当于与转矩成正比的电枢电流。注意：3/2变换矩阵（5-17）2s/2r变换矩阵（5-18）,5.4交直交电力机车控制电路,2、矢量控制系统的基本思路（1）异步电动机坐标变换结构图如图5-53所示，3/2为“三相两相”变换，VR为同步旋转变换，为M轴与轴（A轴）夹角。可见：整体看，输入A、B、C三相电压，输出转速，是一台异步电机；内部看，经过3/2变换和同步旋转变换，变成一台由im、it、输出的直流电机。,图5-53异步电机坐标变换结构图,5.4交直交电力机车控制电路,（2）矢量控制系统的基本原理坐标变换的是电流，代表磁动势的空间矢量，故叫矢量控制系统（VectorControlSystem），控制系统的原理结构如图5-54所示。,图5-54矢量控制系统的结构,5.4交直交电力机车控制电路,图中给定和反馈信号经类似于直流调速系统所用的控制器：产生励磁电流的给定信号im*和电枢电流的给定信号it*，经过反旋转变换VR-1得到i*和i*，再经过2/3变换得到iA*、iB*和iC*。把这三个电流控制信号和由控制器直接得到的频率控制信号1加到带电流控制变频器上，就可以输出异步电机调速所需的三相变频电流。注意：设计矢量控制系统时可认为：控制器后的反旋转变换器VR-1与电机内部的旋转变换VR抵消，2/3变换器与电机内部的3/2变换抵消。若再忽略变频器中可能产生的滞后，则图中虚线框内的部分可以完全删去，剩下的部分就和直流调速系统非常相似了。这样的矢量控制交流变压变频调速系统在静、动态性能上完全能够与直流调速系统相媲美。,5.4交直交电力机车控制电路,（四）列车控制网络技术1、控制策略以车辆单元为基本单元，采用分级、分层控制策略。列车集散控制系统：按不同功能控制在列车各部位设立相对独立的功能控制计算机，经通信手段连接构成完整的系统。优点：可扩展性、可维护性、抗单点故障等方面都明显优于集中控制，使局部故障不至于影响全列车运行，可大大提高运行的可靠性，同时也为故障诊断创造了有利的条件。（1）分层控制设备层直接面向现场完成I/O处理或实现直接数字控制。主要功能：将现场各种过程变量数字化后送功能层相应控制子系统，某些场合设备能完成一些局部的单一的自动控制。,5.4交直交电力机车控制电路,功能层主要是据列车层给出的命令对各功能子系统进行调控，在各功能级上（如牵引控制，制动控制等）保证运行要求的实现。主要特征：控制，即控制策略和控制手段的实现。（2）分级控制有车辆单元级、列车级，也分别是一个功能单元。车辆单元级控制协调单元内各功能控制器的运行，完成对一个单元的运行控制。列车级控制协调列车内各车辆单元的工作，实现整列车的运行控制。注意：若列车仅有一个单元，则单元控制级就成为列车控制。,5.4交直交电力机车控制电路,列车控制系统的根本目标是控制列车运行的速度。运行速度是由当前时刻多方面因素决定的，约束条件：列车运行图、区间状况、线路状况、列车上各功能设备的状态以及舒适度、安全性等。列车级的任务：根据约束条件进行综合处理并形成控制指令，传送到整个列车控制系统的每个控制单元，使列车以一定的方式或速度运行。注意：列车控制级还可通过无线方式与地面连网，从而满足大系统调控的要求和旅客信息服务的要求。,5.4交直交电力机车控制电路,2、微机系统的数据通信城轨列车上的列车总线和单元总线是微机系统的数据通信网络。国际电工委员会IEC于1999年正式通过了一个车载微机系统的通信标准，即“列车通信网络”标准（TCN，TrainCommunicationNetwork）：ICE613751。在TCN标准中定义了绞线式列车总线WTB和多功能车辆总线MVB作为列车和车辆的控制、诊断和旅客信息服务数据通信的标准平台。（1）绞线式列车总线WTB(WireTrainBus)WTB以德国DINV43322和意大利CD450高速列车数据通信经验为基础。WTB的传输速率为1Mbps，使用专用屏蔽双绞线电缆。电缆采用冗余原则，在车辆的每一侧各有一根电缆。,5.4交直交电力机车控制电路,频繁编组的列车组，WTB通过手插式跨接电缆或自动连接器来实现互连；无需中继器便可覆盖860m（22节车辆相对应）。考虑到环境恶劣、连接器以及总线的非连续性，建议采用数字信号处理器对Manchester信号译码。WTB最显著特色：能以连续顺序给节点自动编号并给每个节点分配连续地址。特别适应列车编组的改变。（2）多功能车辆总线MVB（MultifunctionVehicleBus）MVB是以瑞士Lok460机车上创始的总线为基础。MVB传输速率为1.5Mbps，可使用双绞线或光纤介质。短距离（20m）采用RS485标准的双绞线；中距离（200m）采用变压器耦合的双绞线；长距离（2000m）采用光纤。不同的介质可以直接通过中继器互相连接。,5.4交直交电力机车控制电路,MVB控制器：集成总线控制器，支持MVB能构成简单设备而无须处理器。MVB控制器在物理层提供冗余：一个设备在两个互为冗余的线路上发送，但仅从一条线路上接收，同时监视另一条线路。由于采用可靠的Manchester编码以及其校验的方式，因此能够达到IEC8705FT2级（HD=8）的标准。（3）WTB和MVB传送两类数据过程数据（过程变量）反映列车状态，如速度、电动机电流、操作员的命令等。传送时间必须短而确定。车辆总线上所有重要变量，从一应用到另一应用的确定性传送时间必须保证在16ms以内；而经WTB从某一车辆总线到另一车辆总线的确定性传送时间则必须保证在100ms以内，同辆车一设备到另一设备则在50ms内。,5.4交直交电力机车控制电路,为了保证这个时延，过程变量被周期性地发送。消息数据消息：不频繁传送、但可能冗长的信息，如诊断或旅客信息。特点：必须短，允许变化；按需要发送，属偶发性传送。（4）微机系统的数据通信WTB和MVB专为列车控制定制的数据通信平台，对列车应用远超其他一般工业局域网和通用的现场总线。作为一项国际标准，已为越来越多的国家和制造商所采纳和应用。（5）列车级控制、车辆级控制、设备级控制三层结构,5.4交直交电力机车控制电路,3、故障诊断与故障记录故障诊断作为微机控制系统的一个子系统，是保证控制系统乃至全列车安全、可靠运行的重要手段和措施。根据列车控制系统的分层控制策略和列车的故障诊断要求，相应地采用分层诊断和集中处理的方法。（1）分层诊断第一级：功能诊断对功能控制机控制的对象实施监测诊断。诊断结果、故障类型和级别、建议采取的对策，除功能控制机记录有关数据外，还向上传送给单元控制机。记录的数据必须是“非挥发”性的。在适当的时候可以由数据转储设备取出，作为资料或进一步分析用。,5.4交直交电力机车控制电路,由功能控制机中的诊断模块DIU实现。第二级：单元诊断对一个单元的车载设备和功能控制机诊断。单元诊断模块根据本单元各个功能单元的工作状态，确认是正常情况还是故障情况，并进一步确认是普通故障还是紧急故障，这些结果和数据必须记录，并通过通信网络送往列车诊断中心站。由单元控制机中的诊断模块DIU实现。第三级：列车诊断中心对全列车的状况分析和诊断。诊断中心通过列车通信子网获取各单元的工作状态或故障情况，然后进行推理分析，做出列车状态的判断，诊断结果必须记录和向乘务人员显示，并提出有关的处理策略。,5.4交直交电力机车控制电路,注意：诊断中心必须配有显示终端，并有人机对话功能。（2）诊断的过程对获取的列车运行信息进行逻辑推理和运算，确认当前有关部件、车辆及列车的状况。要求对获取的信息反应迅速，则诊断过程的各种推理、运算、分析都须迅速、简单明了，具有很强的实时性。因此，基于知识的浅层推理技术比较适宜，其中采用因果映射的推理技术可以作为首选的处理策略。,5.4交直交电力机车控制电路,4、我国列车控制总线应用简介（1）CRH1动车组列控网络CRH1动车组列控网络（TCN）采用BOMBARDIER公司的MITRAC系统。据三个基本单元TBU，列车控制管理系统（TCMS）也分成三段MVB总线区段：TBU1段、TBU2段、TBU3段。,5.4交直交电力机车控制电路,（2）CRH2动车组列控网络CRH2动车组列控网络采用ARCNET（AuxiliaryResourceComputerNetwork），基于令牌传递（TokenPassing）协议的现场总线（最初是美国Datapoint公司在上世纪70年代末作为办公自动化网络发展起来的）。特点：快速性、确定性、可扩展性和支持长距离传输等。注：CRH3、CRH5也是基于TCN的WTB、MVB总线。此外还有LonWorks（美国）、WorldFIP（法国基础上发展起来）总线。,5.4交直交电力机车控制电路,二、交直交电力机车电传动