HXD3电气系统介绍

受电弓
真空断路器
高压电流互感器 高压电压互感器
避雷器 高压隔离开关
2.2主变压器
■采用轴向分裂、心式卧放、下悬式安装的一体化多绕组变 压器，具有高阻抗、重量轻等特点；采用真空注油、强油 风冷、氮气密封等特殊的工艺措施，延长变压器的绝缘寿 命。
■主变压器的六个1450V牵引绕组分别用于两套主变流器的 供电；两个３９９V辅助绕组分别用于辅助变流器的供电， 辅助变流器的中间直流回路还同时给１１０Ｖ电源充电模 块供电，辅助变流器ＡＰＵ２的输出还经过隔离变压器， 给司机室各加热设备及低温预热回路提供ＡＣ２２０Ｖ和 ＡＣ11０Ｖ交流电源．
HXD3型交流传动货运电力机车
电气系统介绍
王威
铁路机车的4次技术变革
3直流 2液力
4交流
1蒸汽
电力牵引的发展
➢ 直流传动 交流传动
电力机车交流传动系统调速原理
电源从电网下来，经变压器降压，传动控制单元 控制四象限整流器完成交流到直流的变换，再控制逆 变器完成直流到3相交流的VVVF（变压变频）变换，给 异步牵引电机供电，达到对异步牵引电机转矩的控制。 牵引时，能量是从电网流向电机，电能转化成机械能。 制动时，过程相反，机械能转化成电能回馈电网。
■在中间直流回路中，直流电压产生2倍于输入电源频率的脉动（100Hz)， 因此逆变器频率接近脉动频率时，牵引电动机电流产生脉动现象，由 此而带来的问题是元件电流增加，电机转矩脉动增大。欧洲生产的电 力机车一般是通过LC滤波器来减小直流电压脉动，但HXD3型电力机车 取消了中间二次滤波回路环节，它是通过逆变器的软件控制，调节逆 变器频率，使逆变器输出电压正负周期的电压时间乘积趋于相等，来 消除二次谐波电压的影响，大幅度抑制电动机电流脉动现象和转矩脉 动现象。取消二次滤波回路，是HXD3型电力机车主回路的一个重要特 点．
2.3.3主流器的保护电路
机车主电路的保护除原边过流保护及前边 提到的瞬时过电压保护、接地保护外，在牵 引变流器内，还设立了多种保护功能，以保 证牵引变流器和整车的安全运行。
水冷却系统的保护
牵引变流器的冷却系统是由复合冷却器的水－空 气热交换器、联管、阀门、储水箱、水泵、塞门、 流量计、冷却介质等组成，利用去离子水和乙二 醇的混合冷却介质通过热交换器对IGBT器件进行 冷却，具有很好的冷却效果。在冷却系统中，设 定了如下监视和保护：
■HXD3型电力机车中间直流电路由中间电压支撑电容、瞬 时过电压限制电路和主接地保护电路组成。
■中间电压支撑电容主要起稳定中间回路电压，同时可对四 象限脉冲整流器和逆变器产生的高次谐波进行滤波。
■瞬时过电压限制电路由IGBT和限流电阻组成。
■主接地保护电路由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， 可以分别对三个交直交牵引电路进行监测和保护，接地检 测信号送TCMS，进行故障显示，接地保护开关设在控制 电器柜上，可进行故障切换运行。
■通过采集原边低压电流互感器TA2和高压电 压互感器TV1提供的电流和电压信号来实现 电能的计量
高压电气连锁保护
■ 司乘人员上、下顶盖时要打开或关闭机械室天窗、或者对高压电器进 行检查时需要打开柜门，为了确保安全，设置了高压互锁功能。高压 接地开关QS10上配有一把蓝色钥匙和两把黄色钥匙，其中蓝色钥匙可 以控制受电弓的升弓气路，黄色钥匙可以打开机械室天窗或高压电器 柜门，通过他们与接地开关的连锁控制，实现HXD3型电力机车的 高 压电气安全互锁功能。
机车布线
• HXD3机车布线的设计理念是尽量做到设备与设 备之间的直接对接，减少中间环节，因此整车控 制电缆、端子柜连接器及端子排的用量减少，线 缆通过对设备间的两个横梁线槽及左右两侧墙上 进行控制线路布线，机车中间走廊最下层为机车 主电路，其上方为到各风机接线。
HXD3型交流传动货运电力机车的控制监视系统，是在东芝公司 机车控制监视系统方面成熟的软件、硬件、控制模式和系统思想 的基础上研制的. 机车控制监视系统（简称TCMS）的核心任务是：根据司机指令 完成对主变流器及异步电动机的实时控制、辅助变流器的实时控 制、牵引/制动特性控制、传动系统的时序逻辑控制，显示机车 运行状态，具备完整的故障保护、故障记忆及显示功能，并具有 一定程度上的故障自排除、自动切换和故障处理指导功能。
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额定输入电流：
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额定输入容量：
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中间电压：
■ 牵引逆变器
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输出电压：
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输出电流：
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额定输出电压：
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额定输出电流：
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输出频率：
IGBT 4500V-900A 水冷（纯水＋乙二醇）
1450VAC 50Hz 965A 1280KVA 2800V
0～2150VAC（三相） 0～520A 2000V 382A 0～120Hz
在传动控制单元的控制下，机车各部件有机地结合 起来，实现电源的变换，由高压（25KV）、工频 （50HZ）的不可控单相交流电源变换到3相可控变频、 变压的交流电源，供给异步牵引电机，实现对异步牵 引电机的控制，从而实现传动控制的最终目的：按照 司机的指令控制机车的运行速度。
1.概述
■HXD3型交流传动货运电力机车的主传动 和辅助传动系统均采用了交流控制技术， 整个电气系统的设计坚持起点高、技术领 先的原则，并充分考虑了大功率货运电力 机车的实际需要，采用先进、成熟、可靠 的技术，按照标准化、系列化、模块化、 信息化的总体要求进行全方位设计的 。
逆变器、牵引电机电路
HXD3型交流传动货运电力机车的牵引逆变器是 由IGBT元件组成的PWM逆变单元，整车的6个牵 引逆变器分别向6台牵引电动机供电。由于牵引逆 变器采用矢量控制模式，使异步牵引电动机具有 快速反应的动态性能，实现了机车每个牵引电动 机的独立控制。由于整车采用轴控方式，当整台 机车的6个轴的轮径差、轴重转移及空转等可能引 起的负载分配不均匀时，均可以通过牵引变流器 的控制进行适当的补偿，以实现最大限度地发挥 机车牵引力。
２机车主电路：
原边网侧电路； 主变压器； 主变流器； 牵引电动机； 库用动车电路等组成。
机车主电路
2.1原边网侧电路
■网侧电路由2台受电弓AP1、AP2、2台高 压隔离开关QS1、QS2、1个高压电流互感 器TA1、1个高压电压互感器TV1、1台主 断路器QF1、1台高压接地开关QS10、1台 避雷器F1、主变压器原边绕组AX、1个低 压电流互感器TA2和回流装置EB1～6等组 成。
■机车正常运行时，高压接地开关QS10置运行位，此时兰色钥匙可以拔 出，插入管路柜上的升弓气路阀，保证受电弓的气路连通，同时QS10 的辅助连锁触点闭合（信号425得电），为主断路器闭合提供了必要条 件。
■机车需要打开顶盖或电器柜柜门进行检修时，首先断开主断路器并降 弓，然后将空气管路柜上的兰色钥匙旋转拔除，切断升弓气路；将兰 色钥匙插入接地开关QS10并向右旋转，然后将接地开关旋至接地位， 保证车顶设备可靠接地，此时旋转黄色钥匙并拔出，可以打开车顶盖 或高压电器柜门。
■A)通过流量计监测冷却水的流速，实现牵引变流 器进口水压监测和失压保护；
■B)通过监测水－空气热交换器风速，实现牵引变 流器水冷却的保护；
■C)通过热敏电阻温度继电器对元件的监测，实现 牵引变流器进出口水温的监视和保护；
■D)通过水位计，对储水箱的水位进行监视和低于 最低许用水
■HXD3型电力机车选用了爱尔斯特(ELSTER) 公司生产的智能型电度表，可用于机车牵 引、再生电能的计量，电度表设有屏显窗 口和切换按钮，通过按钮切换，可以进入 不同的状态模式（滚动模式、标准模式、 ABL模式），进行信息量的查询，电度表既 可查询近期每天的电能消耗及能量的反馈， 还可查询当时的原边电压、电流及功率因 数等。
■运用、检修、维护时，都是以模块形式进行更换，然后送 专用厂家进行维护检修。
逆变器功率模块
2.3.2主变流器工作原理
■机车采用两组主变流器UM1和UM2，每一组主变 流器内含有3个牵引变流器，它们分别由主变压器 的牵引绕组a1x1、a2x2、a3x3和a4x4、a5x5、 a6x6供电，6组牵引变流器经过整流逆变后，分别 给牵引电动机M1、M2、M3、M4、M5、M6供电。 当任何一组或几组牵引变流器支路出现故障时， 均可通过故障隔离开关进行隔离，实现整车的冗 余控制。牵引变流器主要由四象限整流器、中间 直流电路和牵引逆变器几部分组成，每一部分的 基本结构和工作原理如下：
■HXD3型交流货运电力机车的制动系统采用的是克 诺尔的CCB-Ⅱ型制动机,该制动系统是基于网络控 制的电空制动系统 . CCB-Ⅱ型制动机与微机显示 屏一起来完成制动系统的诊断、自检、校准、故
障记录等。
■HXD3型交流货运电力机车的行车安全监控系统采 用了目前国产电力机车通用的LKJ2000型监控主机， TAX2监测装置 、JT1通用式机车信号设备（SJ93信号主机）等。
■接触网电流通过受电弓AP1或AP2引入机 车，经高压隔离开关QS1或QS2和主断路 器QF1，通过大A端子进入车内，，经 25kV高压电缆由车内至车下，穿过TA1与 主变压器原边1U端子相连，经过主变压 器原边，从1V端子流出，穿过TA2与车体 地相连，最后通过6个并联的回流装置 EB1～EB6，从轮对回流至钢轨
主变压器
2.3主变流器
■每台机车装有两个变流器机箱，每一变流器 机箱内含有3组主变流器和一组辅助变流器。 使其结构紧凑，便于设备安装。 ■主变流器由四象限整流器、直流环节、逆变 器组成。采用IGBT元件。主变流器的性能 适应货运机车大牵引力的特点。 ■主变流器采用水冷技术，具有冷却效果好、 无污染、重量轻、结构上维修方便等特点， 是国际上流行的冷却方式。
中间直流电路
■中间直流电路是四象限整流器和电机侧逆变器之间的中间环节。在三 相交流传动系统中，中间直流电路起着很重要的作用，主要表现为： ⑴在网侧整流器和电机侧逆变器之间实现瞬时功率平衡；⑵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；⑶变流器换流能 力直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，总之，中间直流电路是保证交—直—交 系统正常工作的一个重要环节。