浅析HXD3C型电力机车电传动系统

刘怀银 刘怀金

（1.山东职业学院，山东济南250104；2.山东能源枣庄矿业（集团）有限责任公司铁路运输处，山东枣庄277000）

0 引言

目前中国铁路运能长期处于饱和状态，为解决此问题，必须选择采用先进的高速、重载交流传动机车。交流传动电力机车的核心系统——电传动系统，其主要由牵引变压器、主变流器、牵引电机等部分组成。2010年，大连机车厂研制出了HXD3C型交流传动机车，它是国内初次采用和带有列车供电的新型客、货通用机车，其最高运营速度为120 km/h，同时也是我国铁路运输的急需车型。机车采用PWM矢量控制等新技术，尽量考虑对环境的保护，减少维修和保养的工作量。

1 机车总体主要技术数据

HXD3C型电力机车采用的是6轴，每根轴的功率1 200 kW，总功率7 200 kW，轴重按25 t和23 t设计，不同的轴重是通过配重的增减来实现转换。HXD3C电力机车重要技术参数如表1所示。

表1 机车重要技术参数

2 机车电传动系统

HXD3C型电力机车的电传动系统主要由主电路系统、辅助电路系统、DC 600 V列车供电电路、控制电路、制动系统控制电路和机车安全监控电路系统组成。下面主要对主电路系统、辅助电路系统、列车供电电路系统进行分析和论述。

2.1 主电路系统

机车主电路主要由网侧电路、主变压器、主变流器及牵引电动机等组成。

2.1.1 网侧电路

网侧电路主要由受电弓PG1和PG2、主断路器MCB、高压隔离开关QS1和QS2、高压电流互感器TV1和高压电压互感器TA1、低压电流互感器TA2、原边过流继电器KC1、高压接地开关QS10、避雷器F1～F3、智能型电度表PWH、主变压器原边绕组AX及接地装置EB1～EB6等组成。

受电弓PG1或PG2通过与接触网接触把电流引入机车，经过25 kV的高压电缆进入车内以后，经高压隔离开关QS1或QS2（高压柜内）和主断路器的主触点QF1相连，然后再经高压电流互感器TA1与主变压器TM1的原边绕组A端子连接，经X端子输出端流出，在穿过低压电流互感器TA2后，通过6个并联的接地装置EB1～EB6，经轮对回流至钢轨。车顶上部设有两架受电弓、两台车顶避雷器，安装于车轴端部的接地装置有6个，分别为EB1～EB6，其余的网侧高压电器均装于车内高压柜中，从而可以避免高压电器由于雨雪、风沙、粉尘等侵蚀、污染而发生闪络击穿，降低了维修成本，提高了机车的可靠性。

2.1.2 主变压器

机车主变压器悬挂在机车车下中部，下悬式安装。为延长变压器的绝缘寿命，冷却系统采用了一些特殊的工艺措施，如真空注油、强迫风冷等。主变压器副边绕组共有10个，不同于HXD3和HXD3B两种机车，其中前面的6个绕组为1 450 V牵引绕组，需对两台主变流器供电，后面的4个绕组中，前两个为399 V辅助绕组，后两个为860 V供电绕组，分别用于辅助变流器和列车供电柜的供电（仅客运方案）。主变压器的主要技术参数如表2所示。

表2 主变压器主要技术参数

2.1.3 主变流器和牵引电机电路

HXD3C电力机车采用由两组主变流器UM1、UM2，主变压器的牵引绕组a1-x1～a6-x6为其供电，主变流器再分别给牵引电动机M1～M3和M4～M6供电。主变流器UM1内部可以看作是3个独立的“整流—中间电路—逆变”环节（称为牵引变流器）。

电力机车牵引变流器的主电路和控制电路相对独立，分别为6个牵引电机提供交流变频电源。当一组或几组发生故障时，可通过TCMS微机显示屏，利用触摸开关将故障的牵引变流器切除，剩余单元仍可继续工作，实现整车的冗余控制。

四象限整流器是一个脉冲宽度调制转换器，控制中间直流电压的幅值和交变电流相位的转换器都是通过脉冲宽度控制，因此交流电的电流波形尽可能接近正弦，基波电压之间的相位差和基波电流在交流侧是接近于零，这就使谐波电流分量得到了限制，同时提高了机车的功率因数。四象限脉冲整流器的功能是向电机侧逆变器提供2 800 V的匹配直流电源。

中间直流环节是四象限整流器和PWM逆变器之间的中间环节。中间直流电路主要由中间电压支持电容、瞬态过电压限制电路和主接地保护电路组成。HXD3C型电力机车消除了二次滤波电路，这是由于逆变软件控制消除了二次谐波电压的影响，显著减少了牵引电机电流脉动现象和转矩脉动现象。

PWM逆变器由中间直流供电，输出三相变频变压（VVVF）电源供应给牵引电动机。根据控制指令，PWM逆变器可以平稳快速地从牵引状态切换到制动状态，反之亦然。在制动状态下可再生能源反馈到电网（再生制动）。所有这些过程都是由变频器控制单元实现的。PWM逆变器采用最新的控制策略，机车6个PWM逆变器分别为6个牵引电动机提供电源，使整个转速范围内的转矩波动最小，在钢轨表面状态较差的情况下获得最大的粘着利用率。对于载荷分布不均匀的情况可进行适当的补偿，而且是通过PWM逆变器来控制的，以便使机车牵引发挥到最优状态。

2.2 辅助电路系统

机车上除牵引电动机之外还有一些辅助电动机等设备，对这些辅助电动机进行控制主要依靠的就是机车辅助传动及其控制系统。HXD3C型电力机车上设有两组独立的三相辅助电源，这两套辅助电源是由变流器UA11和UA12、滤波电容、滤波电抗、接触器、自动开关及对应的辅助机构等组成。

HXD3C电力机车两台辅助变流器UA11、UA12具有两种工作方式，分别为变频变压（VVVF）和恒频恒压（CVCF），在正常情况下，辅助变流器UA11工作按照VVVF方式进行，UA12按照CVCF方式进行，分别为机车辅助电动机供电。

辅助变流器由四象限整流器、中间直流电路和逆变器电路组成。辅助变流器采用IGBT元件组成的PWM整流器，IGBT构成的逆变器单元是由主变压器TM1二次侧a7-x7和a8-x8线圈供电，输出送入辅助滤波柜LC，辅助绕组电压均为399 V，经过输出接触器向各类辅助电动机供电。恒频恒压变流器和变频变压辅助变流器的输出容量均为230 kVA。为降低谐波分量和对辅助变流器输出PWM波进行滤波，则采用LC辅助滤波柜，输出近似正弦波的三相交流电，向各类辅机供电。

辅助变流器UA11的输出，主要给牵引风机电动机MA11、MA12和冷却塔风机电动机MA13、MA14供电。UA12辅助变流器的输出，主要给MA19/MA20（空压机电机）、MA21/MA22（主变压器油泵）、M23/M24（车体通风机）、EV11/EV12（司机室空调）、WP1/WP2（用来冷却的主变流器水泵）、APBM1/APBM2（辅助变流器风机）供电，同时辅助变流器UA12还经过隔离变压器AT1，分别向司机室内的辅助加热设备、卫生间及压缩机加热回路以及低温预热设备提供AC 220 V和AC 110 V交流电源。

2.3 客运状态下的列车供电电路系统

为满足机车牵引客运车辆的需要，机车上设有DC 600 V供电电路。该电路主要由两个DC 600 V电源柜LG1、LG2和供电连接器XSA2～XSA5组成。其输入电源分别由主变压器的两个辅助绕组a9-x9和a10-x10供电，经过整流单元整流，在得到供电允许指令后可向客车车辆输出DC 600 V电源。

列车供电柜的电路分为主电路、辅助电路、控制电路和电子电路四个部分。额定交流电压860 V从151/161、152/162端输入，通过电源柜中的滤波电抗器和柜中的滤波电容，输出直流电压为600 V。整流桥的交流侧与电阻、电容、压敏电阻组成的过电压吸收电路和控制同步变压器并联。同时，在交流侧有元件击穿短路时，快速熔断器能快速熔断保护装置，使主电路断开，避免故障进一步扩大。电压传感器3SV和5SV分别为控制箱A组和B组提供电压反馈信号。

列车电源柜采用功率元件整流器和直流负载电阻及交流电阻容量保护，工作时发热，此时需要进行冷却通风。柜内设置有一台三相交流380 V通风机，对柜内发热元件进行强制风冷。当通风机断路器未闭合时，不允许列车供电柜投入工作，以免损坏器件。

3 结语

本文对HXD3C型电力机车的牵引传动系统进行了分析，介绍了电力机车交流传动系统的构成、工作原理和过程，可为机车的运用、检修和整备等提供可靠的技术支持。

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