HXD3电力机车主变流器控制电路仿真分析

摘" 要：主变流器是交直交电力机车牵引传动系统最重要的部件之一，掌握其控制原理和电路是高职院校铁道机车专业核心技能。以HXD3电力机车主变流器为例，分析其控制原理，使用Multisim软件对其控制电路进行仿真建模，编写控制逻辑程序，交互仿真主变流器控制牵引电机正反转、主变流器试验、库内动车控制和主变流器故障处置等功能，直观观察电路原理图、仿真响应、测试参数，可随机设置多个故障点，在线故障处置和验证，为机车主变流器控制电路的教学和研究提供良好的平台。

关键词：HXD3；Multisim；主变流器；电力机车；仿真分析

中图分类号：U264.6" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：2095-2945（2025）05-0071-04

Abstract： The main converter is one of the most critical components of the AC-DC-AC electric locomotive traction drive system. Mastery of its control principles and circuitry is a core skill in vocational college railway locomotive programs. This paper uses the main converter of the HXD3 electric locomotive as an example to analyze its control principles. It employs Multisim software for simulation modeling of its control circuit， writes control logic programs， and performs interactive simulations for functionalities such as forward and reverse traction motor control， main converter testing， in-depot locomotive control， and main converter fault handling. The study provides a clear view of the circuit schematics， simulation responses， and test parameters， with the capability to randomly set multiple fault points for online fault handling and verification， thus establishing an excellent platform for teaching and research on locomotive main converter control circuits.

Keywords： HXD3; Multisim; main converter; electric locomotive; simulation analysis

机车主变流器将变压器引入的单相交流电经过整流、滤波和逆变转化为频率和大小可变的三相交流电，进而控制牵引电机的转动，是交直交电力机车牵引传动系统的核心部件[1]。“主变流器控制电路”既是高职院校铁道机车运用与维护专业核心课电力机车控制的核心技能之一，同时又是电力机车检修工对主变流器进行检修和调试所需的必备理论基础。该项目涉及电力电子学、可编程逻辑控制等专业知识，对教师和学员的综合技能要求较高。当前的主变流器控制电路的教学大都依赖于静态的控制电路图，重理论课堂教学，无法实现与电路的实时交互，无法体验故障现象和故障处置效果，较为枯燥。近年来，不少研究者开始利用各类EDA软件对主变流器电路进行仿真研究。鲁其东等[2]选取韶山8型（SS8）电力机车的主变流器作为研究对象，在MATLAB软件的Simulink环境下构建SS8型电力机车主变流器的仿真系统，模拟不同故障类型的运行模式，仿真得到相应的输出电压波形；黄开[3]通过MATLAB/Simulink软件建立了城市轨道车辆能量回馈系统的仿真模型和应用仿真模型；张宇等[4]基于MATLAB/Simulink提出了一种新型的三电平主变流器的建模方法，能够实现主变流器各种工作状况的模拟与切换。本文以HXD3交流机车主变流器控制电路为例，使用Multisim搭建其控制电路，编写控制逻辑程序，交互仿真主变流器控制牵引电机正反转、主变流器试验、库内动车控制和主变流器故障处置等功能，直观观察电路原理图、仿真响应、测试参数，可随机设置多个故障点，在线故障处置和验证，为机车主变流器控制电路的教学和研究提供了良好的平台。

1" HXD3机车主变流器控制原理

HXD3机车主变流器有2套，分别为UM1和UM2，其控制电路基本一致[5]。需要注意的是，与受电弓和主断路器不同，主变流器不是直接由TCMS系统控制，而是由主变流器控制单元完成对牵引电机的转速、方向等的控制。机车主变流器装置的控制主要是按照司机控制器给定指令，由TCMS通过通信线传递给主变流器控制单元，按照机车牵引制动特性曲线，完成对牵引电动机的控制[6]。图1是简化的HXD3机车主变流器控制电路图。

1.1" HXD3型机车主变流器控制单元的输入输出信号

输入信号主要包括3类：条件信号、来自TCMS系统的命令信号以及传感器信号。

1）条件信号：包括牵引风机风速继电器KP41、KP42、KP43和主变压器油流继电器KP49信号。当所有这些继电器处于正常闭合状态时，表明主变流器外围工作条件已满足，可以启动运行。

2）TCMS信号：主变流器控制单元与TCMS的接口信号包括2套通信线及主变流器隔离、工作、功率预备和故障等信号。

3）传感器信号：例如，在主变流器控制单元中引入高压电压互感器TV1同步信号、牵引电动机速度传感器BV41、BV42、BV43的信号等。每个速度传感器同时发送2个速度信号至主变流器控制装置，用于实现主变流器对牵引电动机的矢量控制，有效地进行机车的防空转、防滑行保护，并对机车的轴重转移进行补偿。

主变流器控制单元根据输入信号进行分析处理，一方面输出控制信号用于控制主变流器UM1和UM2，实现调速、换向等控制；另一方面保持与TCMS的信号交互，例如将变流器故障信号告知TCMS。

1.2" HXD3型机车主变流器故障处理

当主变流器发生接地、次边过流、牵引电动机过流等故障时，故障信号会传送至TCMS，进行故障显示和记录，并在司机显示屏上给出提示，指导司机进行相关的故障隔离操作。主变流器的故障可以通过按下“故障复位”按钮进行恢复。

牵引变流器隔离开关：此开关位于微机显示屏内，是一种触摸开关。在正常情况下，这些开关均闭合。当由于某种原因，如牵引电动机故障或主变流器支路接地，需要隔离某个牵引变流器支路或牵引电动机时，可以通过微机显示屏进行隔离操作，使其停止工作。这些开关还可用于牵引电动机转向试验和机车旋轮等。

1.3" HXD3型机车主变流器测试与库内动车控制

主变流器装置测试开关SA75用于在低压测试或机车出厂前对主变流器的控制单元进行测试，确认其是否工作正常。

库内动车信号通过库用开关QS3或QS4传送至主变流器控制单元，用于在库内动车时主变流器按照特定的控制程序工作。

2" 主变流器控制电路仿真建模与分析

2.1" 主变流器控制电路图建模

根据图1，在Multisim中绘制受主变流器控制电路图，如图2所示。其中控制电源线使用直流电源模拟，在Multisim中，该元件索引名称为“Digital Power（VCC）”；KP41、KP42、KP43、KP47和KP49等继电器，过流继电器联锁ACCT、库用开关QS3，开关SA75，自主断路器联锁QF1等均使用相同元件模拟，该元件索引名称为“DIPSW1”；为简化模型，仅使用一个换向手柄，该元件索引名称为“4POS_ROTARY”；使用指示灯模拟主变流器控制单元输出指令，灯泡索引路径为：主数据库-Indicators-PROBE；使用三相电源模拟主变流器输出的三相交流电，其模型为THREE_PHASE_WYE；启动电机、正转、反转、主变流器故障保护等输出信号使用线圈状态模拟，配合相应的常开触点实现联锁。线圈元件索引名称为“ENERGIZING COIL”，常开触点元件索引名称为“NO CONTACT”；电路不对6个牵引电机进行仿真，选择1 M电机，模拟电机驱动和电机换向。三相交流电机模型选择SYNCHRONOUS_MACHINE_PERMANENT_MAGNET。本任务涉及TCMS以及主变流器控制单元，全部使用软件内的PLC替代，输入模块选择INPUT MODULE 120Vdc，输出模块选择OUTPUT MODULE 120Vdc。使用四通道示波器观察牵引电机输入电压波形，示波器元件索引名称为“Four channel oscilloscope”。

2.2" 主变流器控制逻辑仿真

因HXD3机车的主变流器控制涉及TCMS的程序控制，因此需要编辑PLC仿真模块的逻辑梯形图。如图3所示为主变流器控制简化逻辑梯形图。

2.3" 功能仿真测试

2.3.1" 主变流器驱动牵引电机

本仿真电路图可仿真满足以下条件变流器正常工作：①当TCMS牵引控制信号（=S21）状态为“向后”或“向前”。②牵引风机风速继电器KP41、KP42、KP43，冷却塔风机继电器KP47以及主变压器油流继电器KP49闭合。③主电路库用开关（QS3）在“正常位”（QS3断开状态）。④库内试验开关（SA75）在“正常位”。⑤微机复位按钮（S61）在断开状态。⑥主断路器辅助触点（QF1）在闭合位。⑦未触发牵引电机过流（ACCT动作）。

2.3.2" 牵引电机反转控制

以I端司机室向前牵引为例，运行仿真，将方向手柄至于后位，模拟主变流器向牵引电机供电，观察“可启动牵引电机”“反转”工作信号灯亮。如图6所示。

观察示波器，此时可见A、B、C三相初相位分别为120°、0°、-120°，如图7所示。对比图5和图7，可知相序已经发生改变，电机转向发生改变。

2.3.3" 主变流器故障保护仿真

以牵引绕组过流故障为例，在电机反转仿真时，将ACCT开关闭合，模拟牵引绕组过流故障，观察所有信号灯灭，然后封锁主变流器信号灯亮。如图8所示。

3" 结束语

机车主变流器将单相交流电转化为频率和大小可调的三相交流电，是交直交电力机车牵引传动系统最重要的部件之一。掌握主变流器的控制原理和电路是高职院校铁道机车运用与维护专业核心技能，是电力机车控制专业核心课的重要教学任务。以HXD3型电力机车的主变流器为例，深入探讨其控制机制，并利用Multisim软件对控制电路进行合理简化，从而构建仿真模型。在此基础上，编写控制逻辑程序，以实现交互仿真功能，涵盖主变流器对牵引电机的正反转控制、主变流器性能测试、车库内动车操作控制以及主变流器故障应对等核心功能。此平台不仅允许用户直观浏览电路原理图、仿真响应曲线及各项测试参数，还具备随机设定多种故障情景的能力，支持在线故障处理与验证，为电力机车主变流器控制电路的教学实践及深入研究提供了一个高效、直观的实验与验证环境。

参考文献：

[1] 张洪明，孟繁星.分析电力机车牵引主变流器故障智能诊断系统[J].百科论坛电子杂志，2018（9）：538.

[2] 鲁其东，杨瑞.四种电力机车主变流器的故障诊断方法及仿真对比[J].山东科技大学学报（自然科学版），2017，36（4）：73-79，95.

[3] 黄开.城市轨道交通再生制动能量回馈系统仿真研究[D].徐州：中国矿业大学，2016.

[4] 张宇，谭娟，王坚，等.一种新型三电平主变流器实时仿真建模研究[J].机车电传动，2013（6）：6-9.

[5] 杨艳萍.HXD3机车主变流器IGBT故障分析与对策研究[J].山东工业技术，2018（12）：11.

[6] 李联福，于彦良，李辰佑.电力机车控制：M+Book版[M].北京：北京交通大学出版社，2017.