HXD3型电力机车主电路分析与研究

目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"一、 绪论 2\o"CurrentDocument"L电力机车的概念 2\o"CurrentDocument"HXD3发展历史发展背景 2\o"CurrentDocument"二、 HXD3型电力机车电气系统组成 4\o"CurrentDocument"HXD3型电力机车主要特点 4\o"CurrentDocument"2.2电气系统组成 4\o"CurrentDocument"2.3主电路及其部件 5网侧电路 62.3.2主变压器 72.3.3牵引变流器 82.3.4牵弓|电机 102.3.5保护电路 11\o"CurrentDocument"三、 HXD3主电路常见故障与维护 12\o"CurrentDocument"3.1牵引电机的故障 123.1.1牵引电机故障 123.1.2轮对空转故障 13\o"CurrentDocument"电传动系统故障 133.2.1提牵引主手柄无牵引力故障 133.2.2受电弓故障 133.2.3主变流器(MPU)故障 143.2.4主断合不上故障 14\o"CurrentDocument"四、 结论 16\o"CurrentDocument"致谢 17\o"CurrentDocument"参考文献 18IIHXD3主电路分析与研究摘要HXD3型交流传动电力机车为交流传动货运机车，在HXD3型电力机车研制过程中采用了国内外成熟、可靠的新技术，机车以在中国国内主干线上进行大型货运牵引为目的，采用6轴货运大功率交流传动电力机车设计平台，采用PWM矢量控制、密闭式牵引变压器及整体驱动装置等新技术，尽量考虑对环境保护，减少维修工作量。该机车能满足我国铁路重载、快捷货物运输的需要本文对HXD3的主电路的组成、工作原理、常见故障做了系统的分析关键词：HXD3、主电路、电路分析一、绪论1.1.电力机车的概念电力机车是指从外界撷取电力作为能源驱动的铁路机车，电源包括架空电缆、第三轨、电池等。同样使用牵引电动机的电传动柴油机车、燃气机车等不属于电力机车。由牵引电动机驱动车轮的机车。电力机车因为所需电能由电气化铁路供电系统的接触网或第三轨供给，所以是一种非自带能源的机车。电力机车具有功率大、过载能力强、牵引力大、速度快、整备作业时间短、维修量少、运营费用低、便于实现多机牵引、能采用再生制动以及节约能量，电力机车的牵引力和爬坡能力比内燃机车和蒸汽机车要大得多，在载重过大或坡度较大的情况下无需采用多机牵引。电力机车最大的优点就是无限行程，只要车辆不驶离电气化段，就不会“饿倒”（故障除外）等优点。使用电力机车牵引车列，可以提高列车运行速度和承载重量，从而大幅度地提高铁路的运输能力和通过能力。电力机车起动加速快，爬坡能力强，工作不受严寒的影响，运行时没有煤烟，所以在运输繁忙的铁路干线和隧道多、坡度陡的山区线路上更能发挥优越性。此外，电力旅客列车，可为客车空气调节和电热取暖提供便利条件。电力机车由于电气化铁路基本建设投资大，所以应用不如内燃机车和蒸汽机车广泛。电力机车没有空气污染，且善于保养，牵引列车速度可达几百千米，所以高速列车都是电力机车牵引的。电力机车另一个优点就是能够在短时间内完成启动和制动，这个性能比蒸汽机车和内燃机车要优秀很多。所以在世界范围内，正大力发展电气化铁路。在绿色环保的今天，电力机车的发展更加受到重视。由于我国的电气化铁路较少，所以会选择把原本无电气化的铁路经电气化改造。电气化改造后的铁路速度将从100-120km/h提高到160-200km/h,这样不仅能缩短列车的运输时间，还能达到5000t以上的货运列车运输。如今，走向“高铁时代”的中国，正大力发展电气化铁路。1.2.HXD3发展历史发展背景我国早期的电力机车为整流器式电力机车，采用脉流牵引电机，与交流传动电力机车相比，直流传动电力机车有其自身无法克服的缺点：第一，同等功率的脉流牵引电机体积比较大，而机车本身的结构本身已经限制了电机的安装空间；第二同等功率等级的电机重量比较大，增加了机车转向架簧下质量，使轮轨的冲击比较大，不适合机车高速牵引的要求；第三，脉流牵引电机本身的特性比较软,机车黏着利用率低，重载牵引时容易发生空转，制动时容易滑行，且空转后不易恢复；第四，机车轴控比较困难，一般采用转向架控制技术，不利于提高机车黏着和功率利用；第五，由于牵引电机本身带有换向器，需定期维护，此外，告诉、大电流运行时电机换向困难，容易出现电机环火等故障。HXD3型电力机车项目从2004年开始启动，2006年通过型式试验，2006年12月8日交付使用，2007年实现了大批量生产。目前该车在武汉、上海、济南、北京等铁路局已经替代了SS4和SS3型电力机车，担当主要牵引任务。二、HXD3型电力机车电气系统组成2.1.HXD3型电力机车主要特点轴式为CO-CO,电传动系统为交直交传动，采用IGBT水冷变流机组，1250kW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。辅助电气系统采用2组辅助变流器，能分别提供VWF和CVCF三相辅助电源，对辅助机组进行分类供电。该系统冗余性强，一组辅助变流器故障后可以由另一组辅助变流器对全部辅助机组供电。采用微机网络控制系统，实现了逻辑控制、自诊断功能，而且实现了机车的网络重联功能。总体设计采用高度集成化、模块化的设计思路，电气屏柜和各种辅助机组分功能斜对称布置在中间走廊的两侧；采用了规范化司机室，有利于机车的安全运行。车体的主要作用是承受上部载荷和传递机车牵引力；采用带有中梁的、整体承载的框架式车体结构，有利于提高车体的强度和刚度。转向架采用滚动抱轴承半悬挂结构，二系采用高圆螺旋弹簧；采用整体轴箱、推挽式低位牵引杆等技术。采用下悬式安装方式的一体化多绕组（全去耦）变压器，具有高阻抗、重量轻等特点，并采用强迫导向油循环风冷技术。采用独立通风冷却技术。牵引电机采用由顶盖百叶窗进风的独立通风冷却方式；主变流器水冷和主变压器油冷采用水、油复合式铝板冷却器，由车顶直接进风冷却；辅助变流器也采用车外进风冷却的方式；另外还考虑了司机室的换气和机械间的微正压。采用了集成化气路的空气制动系统，具有空电制动功能。机械制动采用轮盘制动。采用了新型的模式空气干燥器，有利于压缩空气的干燥，减少制动系统阀件的故障率。2.2电气系统组成机车的电气系统主要由主传动及控制系统、辅助传动及控制系统和机车控制与监测系统组成机车主传动及其控制系统的任务，在于通过对机车牵引变流器的控制，实现对机车牵引电动机的控制，从而实现机车的牵引和动力制动的特性控制。机车辅助传动及其控制系统的任务是实现对机车辅助电路的控制，辅助电动机按照其工作特性，可以分为两类：一类是对牵引电动机和冷却塔的冷却用通风机电动机的控制，它们可以用变频变压的方式工作；另一类是驱动压缩机等负载的电动机，它们只能在定频定压方式工作。因此分别采用两套辅助变流器供电。机车微机控制和监测系统（简称TCMS）的机车控制的核心，司机的一切命令和主要控制电器的控制信号，如：辅助电动机自动开关等，均通过TCMS进行输入，经过TCMS与机车牵引变流器控制单元、辅助变流器控制单元、ATP控制单元、电空制动控制单元等进行通信、数据交换，实现信息传递。一些辅助控制电器信号则直接送到牵引交流器控制单元，实现相关逻辑控制和保护。机车控制的各种信息通过设置在司机室的微机控制显示屏进行显示。2.3主电路及其部件L主电路主要由网测部分、主变压器、主变流器和牵引电机等组成。主电路特点机车采用DSA200型受电弓和真空主断路器。前后受电弓分别设有一个气动隔离开关当出现弓网故障后，可迅速隔离故障的车顶电路。机车主电路增设了一个检测精度较高的电流互感器，利用其向微机控制系统和电度表提供电流信号。机车采用1250kW大转矩三相异步牵引电动机。牵引变压器绕组分为1个一次侧绕组、6个牵引绕组和2个辅助绕组。每个牵引绕组对应一个主变流器，主变流器按照转向架划分为2组，即Ampule、MPU2。每个主变流器独立地向1台牵引电动机供电。主变流器由冷却液（水与乙二醇的混和物）循环冷却。电*28流氓.元保护堆元APU校制单元逆交照无电容惊旗单元送变单元电容3&冻单元怜却液搂*1（器APU检渡遂变午无冷却凤机图2.1MPU结构布置图主变流器工作可划分为单相整流一中间直流一三相逆变3个环节，电路由工作接触器、充电接触器、充电电阻、四象限整流器、中间直流环节、逆变器和保护电路构成。四象限整流器和逆变器均由工GBT模块构成，中间直流环节中含有容量大的支撑电容。机车再生制动时，逆变器工作在整流状态，整流器工作在逆变状态，将电能回馈电网。3.1.网侧电路网侧电路由2台受电弓、2台高压隔离开关、1个高压电压互感器、1个高压电流互感器、1台主断路器、1台避雷器、主变压器原边绕组、2个低压电流互感器和回流装置等组成。机车通过受电弓API或AP2从接触网受流，经高压隔离开关QS1或QS2和主断路器QF1,通过高压电流互感器TA1进入车内，经25KV高压电缆与主变压器A端子相连，经主变压器原边AX后，通过6个并联的回流装置EB1-EB6从轮对回流至钢轨。1、 受电弓采用DSA型受电弓，弓内装有自动降弓装置，当弓网故障时，可自动降弓。2、 高压隔离开关具有手动操作功能。当一台受电弓发生故障接地时，可通过手动操作高压隔离开关，切除故障受电弓，有另一台受电弓维持级车运行，以减少机破故障，提高机车运行可靠。3、 高压电压互感器其次边输出分别送到牵引变流器1和牵引变流器2的控制单元，作为牵引变流器控制的同步信号使用，还可以作为原边电压的检测和为电度表的计量提供电压输入。4、 主断路器该电器的作用为正常状态下的电路的开闭及故障状态下电路的开断，后者包含机车接地和短路等故障。由于鼓掌电流增长快、电流大，因此要求断路器尽可能短时间内动作，并能开断极大的短路电流。5、 高压电流互感器对主变压器原边电流进行检测，用以驱动保护继电器，起原边过流保护作用。6、 避雷器避雷器接在主断路器和高压电流互感器之间，用以抑制操作过电压及雷击过电压。7、 高压接地开关在机车停电进行高压设备或在车顶检修时（同时必须接上接地棒)需通过打开机车天窗门，转换高压接地开关，使车顶网侧部分接地，以确保人身安全.8、 低压电流互感器一只低压电流互感器为电度表的计量提供原边电流信号，并为机车微机控制系统提供原边电流信号，另一只低压电流互感器给TCMS送入原边电流信号，用于危机显示屏显示。9、 回流装置保证网侧电流向钢轨的回流作用，同时保护机车轮对轴承不受电蚀以及机车可靠的接地性能。3.2主变压器HXD3型电力机车采用JQFP2-9006/25(DL)型主变压器，他将25kv的接触网压变换为电力机车所需的各种低压，以满足电力机车各种电机电器工作的需要。1、主变压器接线见图图2.2主变压器接线图2、内部结构图2.3主变压器内部结构铁芯主变压器铁芯为拉螺杆芯式结构，主要组成部分是拉螺杆、上夹件、下夹件、硅钢片等。上、下夹件由不锈钢板焊接组成，为提高刚度，腹板和肢板之间焊有加强筋。2个上夹件之间和2个下夹件之间除了用穿心螺杆连接之外，在两端各有构件连接，这就提高了夹件的刚度，不易变形。铁芯采用斜缝铁芯结构，由0.30mm厚的30P105有取向冷轧硅钢片叠成，芯柱采用多级近似圆形的截面，直径285mm,铁辄也为多级近似圆形截面，涂漆。铁芯叠片系数为0.97.夹件与硅钢片之间有夹件油道，以作为绝缘和冷却油路径。因为采用强迫导向油循环冷却方式，下夹件上有油孔，从油冷却器出来的油通过油管的集油腔，再通过下夹件的油孔，然后流向绕组。绕组主变压器有三种线圈：高压线圈、牵引线圈、辅助线圈。为满足高阻抗的要求，变压器线圈采用八分裂形式，芯式结构，层式线圈，导线采用Nomex纸绕包。高压线圈分别布置在两个柱上，8个线圈互相并联。引线圈采用多跟导线并联，牵引线圈之间互不相连，互相弱耦合。油箱油箱采用钢板焊接，并采用磁屏蔽的方法使外泄露磁限制在一定的范围内。通过2个吊挂座把变压器与车体底架连接起来油箱的两侧分别是储油柜和氮气膨胀箱，两者之间有管路连接。主变压器采用真空注油，并注入一定压力的氮气，通过不同温度下氮气体积的变化来调节储油柜中油位的高低，以补充油箱中的油量，并且使变压器油不与空气接触，从而减缓变压器油的老化过程2.3.3牵引变流器功率模块是构成变流器的核心部件，是由上下桥臂的两组IGBT元件和反并联二极管构成，还包括冷却元件的水冷散热片和控制IGBT栅极电压的驱动电器。四象限整流单元是由U相、V相两个功率模块构成，逆变单元由U相、V相、W相三个功率模块构成，即功率模块数量是由单元决定的。由于四象限整流单元和逆变单元的电流值要求不同，因此四象限整流单元是由两个IGBT原件并联后组成功率模块，逆变单元则是由单个IGBT元件构成功率模块，因此四象限整流单元和逆变单元的功率模块不能互换，但采用的IGBT元件相同,额定值都是4500V/900A,因此模块内的元件是可以互换的。1、四象限整流单元通过对四象限整流单元中开关元件IGBT的PWM控制，将由变压器二次侧绕组引出的1450V/50HZ的交流电压整流为2800V直流电压。|fcXl|-3i2(12s)jRSlWM|fcXl|-3i2(12s)jRSlWM'!XPL\5IK3B图2.4牵引变流器原理图2、中间直流电路中间直流电路是四象限整流单元和电机侧逆变单元之间的中间环节。在三相交流传动系统中，中间直流电路起着重要作用。中间电流电路主要作用：再往侧整流器和电机侧逆变器之间实现瞬时功率平衡。(2)储能电容向牵引电动机提供基波无功功率和高次谐波的通路。(3)交流器换流能力只接受中间电路电压的影响，逆变器的调制电压质量也取决于其平衡程度，因此对它要求较高。中间直流电路的组成中间直流电路有中间电压支撑电容、瞬时过电压限制电路和主接地保护电路组成。中间支撑电容组件的滤波电容减小中间直流电压的脉动，使其更加平稳。接地电容除了具备滤波电容功用外，还能提供主回路姐弟户长检测中性点。瞬时过电压限制电路由IGBT和限流电阻组成。当电压传感器检测到中间点路过电压时。使IGBT导通，通过限流电阻构成放电回路，以降低电压，保护电路元件。（3）主接地保护电路有跨接在中间回路的两个串联电容和一个接地信号传感器组成。每套机组分别含三套接地保护电路，可以分别对三个交一直一交电路进行检测和保护，接地检测信号送TCMS。当出现一点接地时，可以通过接地故障转换开关，实施对低保户的隔离。3、逆变单元逆变电路是由U、V、W三相逆变单元构成的。将PWM整流单元输出的直流电转换成交流电来驱动牵引电机。通过改变逆变电路的输出电压和输出频率来控制牵引电动机的转矩和转速。3.4牵引电机HXD3型机车牵引电机是逆变器供电的三相鼠笼式异步YJ85A牵引电动机。该电机为滚抱结构，单端输出；采用强迫外通风，冷却风从非传动端进入传动端排出；采用3轴承结构，3个轴承均为绝缘轴承；传动端采用圆柱滚子轴承；非传动端采用双轴承结构，承受径向力的为圆柱滚子轴承，承受轴向力的为4点接触球轴承。在两端盖处设有注油口，使用中可补充润滑脂。定子通向三相电流后，在气隙中产生旋转磁场，该磁场切割转子导条后在转子导条中产生感应电流，带电转子导条处于气隙旋转的磁场中产生电动力，使转子朝定子旋转的磁场的同一方向旋转。由于转子导条中电流是因转子导条切割由定子绕组产生的气隙磁场才感应产生的，所以转子的转速只能低于气隙旋转磁场的转速，永远不可能与其同步，否则转子条与气隙磁场同步旋转，转子导条不再切割磁场产生感应电流和产生电动力，转子也不可能旋转了。整机结构电机与机车的连接为滚动抱轴承式结构，单端外锥轴斜齿轮输出，输出面锥度为1：50；电机带有一只磁电式速度传感器，测速是通过装在费输出端轴头的测速齿盘来完成；电机采用三轴承结构，传动端用NU型绝缘圆柱滚子轴承，非传动端用一个NU型绝缘圆柱滚子轴承和一个QJ型绝缘四点接触球轴承，三个轴承均采用国产的铁路牵引电机专用润滑脂润滑。采用绝缘轴承是为了防止制造中转子和定子不同心，或逆变器脉冲电源在电机轴上产生电流；电机采用轴向强迫通风方式，冷却风从非传动端端盖径向通风孔进入，经过转子通风孔，定子间的气隙,定子背部的通风道后，从传动端端盖轴向排出；电机两端的端盖均为铸钢结构，在电机定子与传动端端盖间还有一个定子过度盘。此件也为铸钢结构；在电机两端盖处均设有注油口，在维护保养时可以按要求进行定时、定量补充润滑脂。10<a>图2.5电机整机结构3.5保护电路1、 主变压器牵引绕组的过流保护当主变压器牵引绕组发生过流时，通过牵引变流器中的相应电流传感器发出过流信号，通过控制单元对相应的变流器环节实行封闭保护。2、 接地保护电路跨接在中间回路2个串联电容的中点的1个接地信号检测传感器组成了主接地保护电路。当主电路正常时，由于只有一个接地，接地保护电路中流过的电流为零，接地信号检测传感器无信号输出。当主电路某一点接地时，形成回路，将在接地信号传感器中流过接地故障电流，传感器输出电流信号,是保护装置动作，断开主断路器。可以通过接地故障的转换开关，实施接地保护隔离。每一个变流器柜分别含三套接地保护电路，可以分别对三个交直交电路进行检测和保护，接地检测信号送TCMS,显示接地故障。3、 牵引电动机过流保护当牵引电动机发生过流时，通过牵引变流器中的相应电流传感器发出过流信号，由变流器控制单元对相应的变流器环节实施封锁保护。11三、HXD3主电路常见故障与维护3.1牵引电机的故障3.1.1牵引电机故障1、 由于原边电流是通过轮对回流至钢轨，就会不可避免出现电流流经轴承表面的问题，电流流经轴承表面，就会产生电火花，从而熔融滚道表面，形成电流腐蚀。由此可在滚道表面形成可见斑点，进一步发展就可导致波纹状表面。这种斑点将导致轴承表面运行恶化、过热，从而引起轴承固着故障。2.轮对表面擦伤或剥离的影响轮对表面出现擦伤或剥离问题，随机车高速运行，擦伤部位将对钢轨产生周期性冲击力作用，这种冲击力将会部分作用到牵引电机轴承上，速度越大这种冲击力越大，从而引起电机轴承故障。2、 运用机车牵引电机质量控制预防措施利用机车牵引电机保护监视系统预防控制由HXD3型机车主回路可以发现,在每一组牵引变流器的输出回路中，设有输出电流互感器CTU,CTW,对牵引电机过载及牵引电机三相不平衡起控制和监视保护作用。由于牵引电机轴承出现故障，将导致电机过载，从而导致过载保护动作，因此途中出现牵引电机发生过流时，TOMS显示屏显示故障，对该到达机车非常有必要入库进行打盖检查。确认是否出现窜轴等电机故障。同时对途中出现上述保护报警时，还需要乘务员在就近可停车地点下车进行手摸检查电机及轮对，是否存在温度过高。及时采取措施，避免事故扩大化。牵引电机接地故障时，此时将司控器主手柄回“0"位，按“复位”按钮，如能合上主断，手柄能提到位，观察牵引电机牵引力，如发现一个及一个以上电机无牵引力，则根据牵引吨数来确定是否继续牵引或是将整列车维持运行到下一个车站。如合不上主断，或是提手柄后就跳主断，应立即隔离相应的CL然后就能合上主断、提手柄。电机转速显示出现故障当机车正常运行时，出现严重空转或无转速，这是电机转速传感器信号没有正常传送到TOMS中去，可能是传感器本身故障，也可能是传输线路问题，或电机窜轴导致传感器失效故障。在运行中出现上述情况时，要在就近停车地点停车下车手摸检查电机轴承端盖部位，是否存在温度过高。加强轮对踏面检查来预防牵引电机轴承故障，对轮对踏面施行趟检，对踏面擦伤或剥离达到技术规定的限定要求时，必须及时进行更换。实际工作中，往12往出现因轮对准备不到位，对踏面擦伤或剥离超限轮对采取维持使用观察，这样的作法是不可取的。而且由于踏面冲击力的作用随机车运行速度而变化，这种变化导致轴承发生不确定性故障，极易导致发生重大运输事故。3.1.2轮对空转故障原因如下：1、 机车撒砂系统容易发生撒砂不畅的问题，原因是对砂子颗粒度要求较高；2、 机车牵引功率大、启动转矩较大，虽然增加为25t轴重，但是仍然容易破坏粘着，发生轮对空转。现象：空转故障显示灯亮，微机显示电机空转处理方法：1、 按压“复位”按钮，人工撒砂。2、 若某个电机持续空转，通过微机屏切除相应的主变流器。机车损失1/6动力。3.2.电传动系统故障2.1提牵引主手柄无牵引力故障处理方法：1、 确认各风机启动完毕（换向后，风机启动）。2、 确认停车制动在缓解位，制动缸压力小于150kpa时操纵台停车制动红色指示灯应熄灭。3、 确认制动系统CCB-II显示幕不显示动力切除状态。4、 监控未发出卸载信号。5、 通过TCMS显示屏查看机车部件的状态，发现异常，到低压电器柜检查对应的自动开关是否处于闭合位。2.2受电弓故障现象：升不起弓或自动降弓处理方法：1、检查升弓气路风压是否高于600kPa。如低于此值应按压一下辅压机按钮SB95（在控制电器柜上）,使用辅助压缩机泵风，当风压达到735kPa时，辅助压缩机自动停打。132、 检查控制电器柜上的各种电器开关位置，应置于正常位置。如有跳开现象,请检查确认后，重新闭合开关。3、 换弓升弓试验。4、 若机车运行中自动降弓，停车确认受电弓损坏程度，记录刮弓的地点。通过低压电器柜上的开关SA96,控制隔离开关QS1或QS2隔离损坏的受电弓。可以换弓继续运行。若刮弓导致受电弓破损严重，需要登车顶作业，请求停电，参照执行机安函[2006]135号文件内容，做好必要的安全防护。5、 若故障在乘务员接乘时出现，检查管路柜内蓝色钥匙，应处于竖直位，即开放状态。6、 故障在接乘时出现，可以使用正常的受电弓运行，也可以按照下面的步骤查找故障受电弓的问题。7、 检查升弓塞门U98,应置于打开位置（顺位开通）。8、 主断控制器，将其上面的开关置于“停用”位置，如能升起弓，说明主断控制器故障。2.3主变流器伽11）故障现象：跳主断，故障显示灯亮，微机显示主接地、牵引电机过流、主变压器牵引绕组过流、中间回路过电压、网压异常等信息处理方法：1、 将司控器手柄回“0”位，按操纵台“复位”按钮，再合主断提手柄试验。此时注意TCMS提示的内容，包括故障信息和电机牵引力情况。2、 如合不上主断，或提手柄后就跳主断，应根据提示隔离相应的主变流器，然后再合主断试验牵引。隔离操作需要在微机屏上手触进行。隔离切除后，机车损失部分动力。注：当故障严重时，在司机室有可能听到机械间里有很大的“放炮”声音，并可能有冒烟现象，司机室微机屏显示相应的主变流器故障。2.4主断合不上故障处理方法：1、检查气压正常，不低于于650kPa。（保证风压继电器KP58闭合）2检查司控器主手柄处于“0”位。3检查两端司机室操纵台上的紧急制动按钮，应该在弹起位。4半自动过分相按钮在正常弹起位。5过分相后合不上主断，关闭全自动14过分相装置。6若故障在接乘时发生，检查各