和諧D3B交流電力傳動(dòng)機(jī)車

本文格式為Word版，下載可任意編輯——和諧D3B交流電力傳動(dòng)機(jī)車大連交通大學(xué)2023屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）

1.2.1HXD3B的主電路

HXD3B機(jī)車電傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足AC25kV和50Hz的牽引供電制式，機(jī)車網(wǎng)側(cè)電路由2架受電弓、2個(gè)避雷器、1個(gè)真空主斷路器、1個(gè)高壓電壓互感器、3個(gè)網(wǎng)側(cè)電流傳感器、6個(gè)軸頭接地裝置等組成。傳動(dòng)系統(tǒng)電路由變壓器、變流器和牽引電機(jī)等組成，變壓器原邊通過受電弓和主斷路器得電，變壓器次邊的6個(gè)獨(dú)立的牽引繞組分別向3臺(tái)主變流器的6個(gè)四象限整流器供電，每個(gè)變流器的2個(gè)四象限整流器向?qū)?yīng)的1個(gè)中間回路供電，1個(gè)中間回路向2個(gè)電機(jī)變流器供電，每個(gè)電機(jī)變流器單獨(dú)給1臺(tái)牽引電機(jī)供電。機(jī)車制動(dòng)采用再生制動(dòng)，再生制動(dòng)產(chǎn)生的電能反饋回電網(wǎng)，達(dá)到了節(jié)能的效果。

圖1-2機(jī)車主電路示意圖

1.2.2HXD3B的輔助電路

輔助電路由輔助變流器供電電路、輔助電動(dòng)機(jī)電路、輔助庫用電路、制冷及采暖電路等組成。輔助變流器集成在牽引變流器中，同牽引回路共用中間直流環(huán)節(jié)。機(jī)車設(shè)有3個(gè)輔助變流器，通過輔助變壓器和濾波電容對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)壓和濾波后，提供近似正弦波的三相交流電源。輔助供電采用了冗余設(shè)計(jì)，一旦1個(gè)輔助電源出現(xiàn)故障，系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)換由另外2個(gè)輔助電源承受所有輔助負(fù)載，保證機(jī)車正常運(yùn)行。

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圖1-3機(jī)車輔助電路簡圖

1.2.3HXD3B的控制電路

HXD3B型機(jī)車微機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采用了龐巴迪公司生產(chǎn)的MITRAC系列產(chǎn)品，基于TCN網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)形式，通過MVB車輛總線連接車上各相關(guān)設(shè)備，重聯(lián)機(jī)車之間采用WTB列車總線聯(lián)結(jié)，機(jī)車的牽引控制系統(tǒng)是由多微機(jī)環(huán)境組成，包括列車控制級(jí)、機(jī)車控制級(jí)和驅(qū)動(dòng)控制級(jí)，此外還包括CCB-Ⅱ制動(dòng)系統(tǒng)的微機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)及行車安全裝置的微機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。列車及機(jī)車級(jí)功能由機(jī)車控制單元VCU實(shí)現(xiàn)；驅(qū)動(dòng)控制級(jí)功能由驅(qū)動(dòng)控制單元DCU實(shí)現(xiàn)；外圍設(shè)備信號(hào)輸入及輸出由分布的I/O模塊完成；CCB-Ⅱ制動(dòng)系統(tǒng)由IPM集成處理模塊完成；行車安全裝置由其自帶的微機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)完成。

1.3本文要做的研究工作

由于課題為研究類課題，所以本文主要做的工作為研究HXD3B的電氣系統(tǒng)。在這之

中，重點(diǎn)研究的是HXD3B的主電路。HXD3B的主電路主要由牽引變壓器，牽引變流器即四象限脈沖整流器和逆變器，牽引電機(jī)幾部分組成。其過程為25kv受電弓傳輸?shù)慕涣鲉蜗蚋邏簬щ娊?jīng)過牽引變壓器變?yōu)閱蜗嘟涣鞯蛪弘?，再?jīng)過4QS變?yōu)榉€(wěn)定的直流電，在經(jīng)過逆變器變?yōu)榉?、頻率連續(xù)可調(diào)的三相交流電，通過牽引電機(jī)傳輸給輪對(duì)從而實(shí)現(xiàn)其交—直—交的轉(zhuǎn)換過程。由此可得，本文主要研究的是HXD3B中所使用的變壓器、變流器、牽引電機(jī)的結(jié)構(gòu)及組成，以及它們是如何實(shí)現(xiàn)交—直—交轉(zhuǎn)換的。詳細(xì)來說即，變壓器的鐵心，線圈，引線的研究；四象限脈沖整流器結(jié)構(gòu)及原理的研究，其控制方式及分析；

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HXD3B的逆變器的結(jié)構(gòu)及原理的研究，及其調(diào)制方式的研究；牽引電機(jī)的選擇及結(jié)構(gòu)原理，調(diào)速方式的研究等等。同時(shí)由于是研究電氣系統(tǒng)，所以其輔助電路和控制電路也要簡單進(jìn)行介紹。最終將這些內(nèi)容整合起來，完成論文。

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其次章HXD3B電力機(jī)車牽引變壓器的研究

2.1HXD3B變壓器的概述

HXD3B型機(jī)車主變壓器是該車牽引系統(tǒng)的重要部件。變壓器的型號(hào)為JQFP-11620/25。它的主要作用是將25000V的網(wǎng)壓轉(zhuǎn)變成1500V送至網(wǎng)側(cè)變流器中，再經(jīng)中間直流回路、電機(jī)側(cè)變流器，向6臺(tái)三相交流異步牽引電機(jī)供電，同時(shí)，由中間直流回路經(jīng)輔助變流器向輔機(jī)供電。在機(jī)車電制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，機(jī)車通過主變壓器向接觸網(wǎng)回饋能量。在結(jié)構(gòu)形式上HXD3B變壓器采認(rèn)真式結(jié)構(gòu)、線圈布置采用層式。合理選擇油泵、散熱器和風(fēng)機(jī)及其它附件。主要技術(shù)參數(shù)為：

型號(hào)JQFP-11620/25額定容量/kVA11620/193636額定電壓/V25000/1500額定電流/A466/129136

聯(lián)結(jié)組I-I0,I0,I0,I0,I0,I0頻率50HZ冷卻方式ODAF油流量/m3/h7232

負(fù)載損耗/kW320（基波，換算到85℃）阻抗電壓48﹪空載損耗3KW空載電流0.16/%質(zhì)量/kg13800油量2700/kg外形尺寸/mm29003263431487

圖2-1主變壓器電氣原理圖

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圖2-2JQFP-11620/25型主變壓器外形圖

1—油箱；2—箱蓋；3—壓力釋放閥；4—溫度傳感器；5—蝶閥；6—端子箱；7—放油閥；8—油泵；9—低壓套管；10—油流繼電器；11—油樣活門；12—高壓套管。

2.2HXD3B變壓器的鐵心參數(shù)

牽引變壓器鐵芯為拉螺桿心式結(jié)構(gòu)，主要組成部分是硅鋼片、上夾件、下夾件、拉螺桿等。HXD3B型電力機(jī)車變壓器鐵心為心式，直接縫，心柱截面采用多級(jí)圓結(jié)構(gòu)，鐵扼截面為矩形，心柱上開工藝孔，鐵轆上開孔使用穿心螺桿緊固件。鐵芯上、下夾件由不銹鋼板焊接而成。為了實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫導(dǎo)向冷卻，下夾件除用作夾緊鐵芯外，尚具有集油腔的功能。兩個(gè)下夾件通過聯(lián)接納路，使油壓均衡，同時(shí)提高了夾件的剛度，不易變形。上下夾件依靠6根不銹鋼拉螺桿緊固器身。

表2-1鐵芯參數(shù)表

2.3HXD3B變壓器的線圈

牽引變壓器有左、右柱2個(gè)線圈，每柱線圈各有3個(gè)牽引繞組以及和其相對(duì)應(yīng)的3個(gè)高壓繞組，牽引繞組在內(nèi)，高壓繞組在外。線圈采用全分裂結(jié)構(gòu)。6個(gè)高壓繞組相互并聯(lián)；6個(gè)牽引繞組之間互不相連，相互退耦。線圈采用層式結(jié)構(gòu)，繞制較為便利。線圈采用多層小油道的結(jié)構(gòu)，與油道層數(shù)少的大油道線圈相比，在一致的線圈體積下，增大了線圈導(dǎo)體的散熱面積，使得一致重量的導(dǎo)體載荷量可以增加30%。

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表2-2繞組技術(shù)參數(shù)表

圖2-3線圈結(jié)構(gòu)圖

A段—高壓繞組；B段—牽引繞組

表2-3線圈設(shè)計(jì)參數(shù)

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2.4HXD3B變壓器的引線

在變壓器線圈外部連接線圈各引出端的導(dǎo)線稱為引線，它將外部電源電能輸入變壓器，又將傳輸電能輸出變壓器。引線不用銅排，采用紙包電纜出線，電流大的引線采用多根并聯(lián)，可以隨意彎曲，占用空間少。采用先集中后分散的結(jié)構(gòu)。在線圈上方的布線板上布置各引線端子的導(dǎo)電桿；充分利用器身中部的空間，采用引線架先將所有引線電纜集中在一起，再分別引向各自的出線端子。相對(duì)以往的引線結(jié)構(gòu)，變壓器的高度可以降低100mm左右，并且結(jié)構(gòu)更緊湊。引線電纜連接不采用明火焊接，而采用冷壓接工藝，操作簡單。

2.5HXD3B變壓器的的冷卻系統(tǒng)

主變壓器的冷卻方式采用強(qiáng)迫導(dǎo)向油循環(huán)風(fēng)冷，兩個(gè)冷卻循環(huán)回路由1、2號(hào)冷卻塔、油泵、連接納路等組成，其中2號(hào)冷卻塔還設(shè)有主變壓器儲(chǔ)油柜和主變壓器氣體保護(hù)裝置。1號(hào)冷卻塔

油散熱器冷卻功率/kW200風(fēng)機(jī)電機(jī)功率/kW29風(fēng)機(jī)電源制式三相460V/60Hz通風(fēng)量/m3／s12.9風(fēng)機(jī)靜壓/Pa1650

2號(hào)冷卻塔

油散熱器冷卻功率/kW200風(fēng)機(jī)電機(jī)功率/kW19

風(fēng)機(jī)電源制式三相460V/60Hz

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通風(fēng)量/m3∕s9.4風(fēng)機(jī)靜壓/Pa1505整車設(shè)有兩臺(tái)冷卻塔，是主變壓器冷卻系統(tǒng)的主要部件，兩個(gè)冷卻塔的油散熱器冷卻功率一致。2號(hào)冷卻塔還設(shè)有主變壓器儲(chǔ)油柜，容積為350L，主變壓器頂部連接油管通過2號(hào)冷卻塔外部的儲(chǔ)油柜連接快速接頭，經(jīng)內(nèi)部管路及2號(hào)冷卻塔內(nèi)部設(shè)置的瓦斯繼電器與儲(chǔ)油柜連接，儲(chǔ)油柜的頂部還設(shè)有吸濕器。1號(hào)冷卻塔外形結(jié)構(gòu)見圖2-3，2號(hào)冷卻塔外形結(jié)構(gòu)見圖2-4。

圖2-31號(hào)冷卻塔外形結(jié)構(gòu)圖

圖2-42號(hào)冷卻塔外形結(jié)構(gòu)圖

2.6HXD3B變壓器變壓原理

變壓器是電力系統(tǒng)中主要用來改變電壓、傳遞電能的重要設(shè)備，是電網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的基礎(chǔ)。變壓器主要是根據(jù)電磁感應(yīng)原理進(jìn)行工作的。在閉合的鐵芯上，繞有兩個(gè)相互絕緣的繞組，其中，接入電源的一側(cè)叫一次繞組，輸出電能的一側(cè)叫二次繞組。當(dāng)交流電源電壓加到一次側(cè)繞組后，就有交流電流通過該繞組，在鐵芯中產(chǎn)生交變磁通。這個(gè)交變磁通不僅穿過一次側(cè)繞組，同時(shí)也穿過二次側(cè)繞組，兩個(gè)繞組中分別產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)E1和E2。這時(shí)，假使二次側(cè)繞組與外電路的負(fù)載接通，便有電流流入負(fù)載，即二次側(cè)繞組有電能輸出。

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第三章HXD3B的牽引變流器研究

3.1機(jī)車牽引變流器的功能

牽引變流器是交流傳動(dòng)系統(tǒng)的核心部件，要能夠?qū)崿F(xiàn)四象限運(yùn)行，滿足列車牽引、制動(dòng)需要。牽引變流器的基本功能是把來自接觸網(wǎng)或其他交流電源的電壓，最終轉(zhuǎn)變成為頻率、幅值可調(diào)的三相交流電壓，供給交流牽引電動(dòng)機(jī)，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，輸出轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)，在輪軌間產(chǎn)生牽引力，驅(qū)動(dòng)列車運(yùn)行。在列車電力傳動(dòng)系統(tǒng)中，由于受調(diào)速范圍限制，只能采用交-直-交傳動(dòng)控制。

3.2HXD3B的牽引變流器的主要技術(shù)參數(shù)

變流器主要技術(shù)參數(shù)如下：

額定輸入電壓/V1500額定輸入電流/A231300額定輸入頻率/Hz50中間電壓/V2800額定輸出電壓/V0～2183額定輸出電流/A550

3.3機(jī)車牽引變流器的組成及作用

交-直-交傳動(dòng)系統(tǒng)中，牽引變流器由網(wǎng)側(cè)整流器、直流中間環(huán)節(jié)、電動(dòng)機(jī)側(cè)逆變器及控制裝置組成。整流器的作用是把來自接觸網(wǎng)的單相交流電壓或同步發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的三項(xiàng)交流電壓變換為直流。直流中間環(huán)節(jié)由濾波電容器或電感組成，其作用是儲(chǔ)能和濾波，獲得平直的直流電。逆變器的作用是將中間環(huán)節(jié)平直的直流電，通過一定的控制策略，變換為頻率、電壓可調(diào)的三相脈沖交流電，供給交流牽引電動(dòng)機(jī)，通過能量轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)列車。

牽引變流器根據(jù)中間直流環(huán)節(jié)濾波元件的不同，可分為電壓型和電流型兩種。電力機(jī)車牽引變流器由網(wǎng)側(cè)整流器和電動(dòng)機(jī)側(cè)逆變器兩部分組成，無論是網(wǎng)側(cè)的整流器還是電動(dòng)機(jī)側(cè)的逆變器都屬于開關(guān)電路，電路中開關(guān)器件的周期性通斷，從根本上破壞了交流電壓、電流的正弦波形和連續(xù)性，在電壓、電流中產(chǎn)生了高次諧波，不僅污染了電網(wǎng)，而且是電動(dòng)機(jī)運(yùn)行性能惡化，諧波電流產(chǎn)生的脈沖轉(zhuǎn)矩將使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)、噪音，影響穩(wěn)定運(yùn)行。減小諧波分量最為有效的方式是牽引變流器采用PWM控制。

3.4HXD3B牽引變流器的組成

HXD3B電力機(jī)車，網(wǎng)側(cè)變流器為四象限整流器，它是傳動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)重要組成環(huán)節(jié)。HXD3B的中間直流電路由中間電壓支撐電容、二次濾波LC諧振電路、中間直流電路過壓保護(hù)環(huán)節(jié)、接地保護(hù)電路、接地監(jiān)測(cè)電路、放電電阻和電壓傳感器等構(gòu)成，見圖3-1。HXD3B型機(jī)車的電機(jī)變流器是由IGBT元件組成的PWM變流器，每個(gè)變流柜的2個(gè)電機(jī)變

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流器共用一套中間直流回路，分別采用變壓變頻（VVVF）方式向2臺(tái)牽引電動(dòng)機(jī)供電。電機(jī)變流器采用了龐巴迪公司最新研制的直接磁通（DFC）控制策略，即通過電壓矢量轉(zhuǎn)換，建立定子電流和定子磁鏈，實(shí)現(xiàn)定子磁鏈定向控制，從而使機(jī)車在整個(gè)速度范圍內(nèi)力矩的波動(dòng)最小，并且在軌面狀態(tài)不好的狀況下獲得最大限度的利用。由于采用軸控方式，當(dāng)機(jī)車的6個(gè)軸因輪徑差、軸重轉(zhuǎn)移及空轉(zhuǎn)等可能引起負(fù)載分派不均勻時(shí)，均可以通過牽引變流器的控制進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償，以實(shí)現(xiàn)最大限度地發(fā)揮機(jī)車牽引力。

3.5HXD3B電力傳動(dòng)機(jī)車網(wǎng)側(cè)變流器（4QS）的研究

四象限脈沖整流器的參數(shù)如下：

每臺(tái)機(jī)車使用數(shù)量3額定輸入電壓1500V/50Hz額定輸入電流231300A中間電路標(biāo)稱電壓2800VDC額定輸出電壓3AC0-2183V額定輸出電流556A效率≥98%

冷卻方式水冷－水-乙二醇的混合液（47％＋53％）

3.5.1HXD3B網(wǎng)側(cè)變流器選擇四象限脈沖整流器的原因

由于科技的不斷發(fā)展，電力電子器件的發(fā)展經(jīng)歷了好多階段。從普通晶閘管到現(xiàn)在的雙極性晶體管、門極可關(guān)斷晶閘管以及絕緣柵雙極晶體管和功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管等等。二十世紀(jì)八十年代，各國開始了對(duì)PWM變流器及其控制策略的研究。在1982年，BusseAlfred等人提出了三相橋變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和電流幅相控制策略。1984年，Akagi、Hirofumi等人提出無功補(bǔ)償器控制策略同。二十世紀(jì)八十年代末，A.wGreen等人提出了整流器的離散動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型與控制方法。自二十世紀(jì)九十年代到現(xiàn)在，PWM變流器獲得了快速的發(fā)展，PWM變流器及其控制技術(shù)日益完善。

HXD3B選擇四象限脈沖整流器是由于其所用的變流元件為IGBT元件，有顯著地優(yōu)勢(shì)。四象限變流器可以保持電網(wǎng)功率因數(shù)接近1，并使電網(wǎng)電流接近正弦波，提高了電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益，減少了對(duì)環(huán)境的電磁干擾；同時(shí)，四象限變流器具有良好的穩(wěn)壓效果，當(dāng)負(fù)載和網(wǎng)壓發(fā)生變化時(shí)，能維持中間直流電壓的恒定，還可以便利地實(shí)現(xiàn)牽引和再生工況的轉(zhuǎn)換?，F(xiàn)在國內(nèi)外交流傳動(dòng)機(jī)車均已實(shí)現(xiàn)四象限變流器控制。

3.5.2四象限脈沖整流器的結(jié)構(gòu)及原理

網(wǎng)側(cè)變流器首先進(jìn)行預(yù)充電：網(wǎng)側(cè)變流器的控制裝置根據(jù)微機(jī)控制系統(tǒng)來的信號(hào)，先閉合充電接觸器，經(jīng)過充電電阻限流，相連的網(wǎng)側(cè)變流器向中間直流回路支撐電容充電。充電完成后，充電接觸器切除充電電阻，兩個(gè)牽引繞組通過線路接觸器同時(shí)向兩臺(tái)網(wǎng)側(cè)變流器供電。網(wǎng)側(cè)變流器主要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能：1）網(wǎng)側(cè)變流器使中間直流回路電壓保持在規(guī)定值范圍內(nèi)，HXD3B型機(jī)車在正常運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，中間直流電壓的標(biāo)稱值為2

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800V；2）網(wǎng)側(cè)變流器提供了正弦調(diào)制的，帶有預(yù)置超前/滯后相位（尋常相位角為零）的低干擾電流波形，同時(shí)保證機(jī)車的基波功率因數(shù)接近于1；3）機(jī)車在牽引模式下，網(wǎng)側(cè)變流器必需保證牽引電動(dòng)機(jī)從中間直流回路獲取的電能就是電網(wǎng)供給的電能；機(jī)車在再生制動(dòng)模式下，網(wǎng)側(cè)變流器必需保證牽引電動(dòng)機(jī)回饋給中間直流回路的電能就是脈沖整流器反饋回電網(wǎng)的電能。

一．四象限脈沖整流器的結(jié)構(gòu)

網(wǎng)側(cè)變流器原理示意圖如圖3-1所示。每個(gè)變流柜由兩組網(wǎng)側(cè)變流器構(gòu)成，它們共用一套預(yù)充電回路，即由一個(gè)充電接觸器、一個(gè)充電電阻和兩個(gè)工作接觸器構(gòu)成。其作用是防止接入網(wǎng)側(cè)變流器時(shí)的電流沖擊。主變壓器兩個(gè)次邊繞組提供的交流電通過兩組網(wǎng)側(cè)變流器轉(zhuǎn)換成直流電，并聯(lián)向同一中間直流環(huán)節(jié)供電。網(wǎng)側(cè)變流器每一橋臂由兩個(gè)IGBT元件并聯(lián)組成，兩組網(wǎng)側(cè)變流器共同受控于DCU2/L驅(qū)動(dòng)控制單元。

四象限變流器電路原理如圖3-2所示。IGBT和二極管反并聯(lián)構(gòu)成兩組功率開關(guān)，兩組功率開關(guān)與限流電感LN、中間直流環(huán)節(jié)支撐電容器Cd和二次諧波濾波器（L2和C2串聯(lián)），共同實(shí)現(xiàn)四象限交-直流的變換功能。其等效圖為圖3-3.

圖3-1網(wǎng)側(cè)變流器原理示意圖

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圖3-2四象限變流器基本電路原理圖

圖3-3四象限變流器基本電路原理圖等效圖

圖3-4電壓型四象限脈沖整流器的理想電路

二．四象限脈沖整流器的原理

（一）電壓型四象限脈沖整流器的基本原理如圖3-4所示，儲(chǔ)能器與直流側(cè)負(fù)載并聯(lián)。若令變流器的電壓比為Ku,則調(diào)制電壓Us與Ud的關(guān)系為

UsKu?Udc?Ud（1）

設(shè)電源電壓為uN?Umsin(wNt)?uS，將其代入式（1），并令

k?UmUdc13

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則電壓比為：

ku?1ksin(wNt)（2）

在理想狀況下，變流器中既沒有損耗也沒有儲(chǔ)能，所以按功率平衡的概念，可以得出：

uNiN?usiN?udcidc（3）

從而可求得電流比為：

ki?idcus1???ksin(wNt)（4）iNudcku若供電網(wǎng)中的交流波形為正弦波，且相位與交流電壓一致，那么交流電流應(yīng)表示為：

iNuN?UmIm/2?UdId

在理想變流器中，其直流功率和交流功率的平均值應(yīng)當(dāng)相等，即：

iNuN?UmIm/2?UdId（5）

考慮到式（2），得到交流電流的幅值為：

2Im??Id（6）

k所以，變流器的直流側(cè)電流可通過式（4）求得：

idc?kiiN?2Idsin2(wNt)?Id[1?cos(2wNt)]（7）

由關(guān)系式i2?idc?id，可以求得流過儲(chǔ)能器的電流為：

i2?Idcos2(wNt)（8）

由式（8）可知，儲(chǔ)能器所接受的電流是正弦波電流，其頻率為供電頻率的2倍，幅值恰好等于直流側(cè)負(fù)載電流，而加在該儲(chǔ)能器上的電壓是一個(gè)純直流電壓。所以對(duì)于這個(gè)儲(chǔ)能電抗二段網(wǎng)絡(luò)來說，加在其上的直流電壓不會(huì)產(chǎn)生電流，而流過2倍網(wǎng)頻的交流電流也不會(huì)在其端子上引起電壓。顯然，最簡單的電容器和電抗器串接的諧振電路能滿足這些特性要求，其諧振頻率必需等于2倍的網(wǎng)頻。

從以上分析可看出，假若設(shè)計(jì)的變流器，其電流變比符合式⑷的要求，按正弦規(guī)律變化，它與具有2倍網(wǎng)頻的電容-電抗串聯(lián)諧振儲(chǔ)能器一起，將構(gòu)成理想的交-直流變流器，既保證了直流側(cè)電流量平直的要求，又滿足了交流側(cè)畸變和無功功率盡可能小的要求。

至于變流器的電流變比Ki按正弦規(guī)律變化的要求，可以類似于PWM逆變器的控制思路，通過脈寬調(diào)制的方法來實(shí)現(xiàn)。假使逆變器是把輸入的直流電壓通過脈寬調(diào)制技術(shù)變換成正弦波形的輸出電壓，那么在理想的交直流變流器中，則是在輸出直流電流的狀況下，通過脈寬調(diào)制來保證交流電流為正弦型，并與交流電壓同相位，即uN同。

（二）四象限脈沖整流器的工作原理如下：

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iN相位相

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四象限脈沖整流器應(yīng)當(dāng)具備以下功能:⑴在直流環(huán)節(jié)電壓應(yīng)當(dāng)是恒定的；⑵交流側(cè)電流的諧波電流應(yīng)當(dāng)盡可能少，變流波形畸變系數(shù)接近1；⑶牽引工況下，變流側(cè)電壓電流同相位，電氣制動(dòng)工況下，電流電壓反向。

在圖3-2中，Un為變壓器二次側(cè)電壓矢量，In為變壓器二次側(cè)電流的基波矢量，Us為四象限變流器調(diào)制電壓的基波矢量，Ud為四象限變流器的輸出直流電壓。

設(shè)電網(wǎng)電壓：uN?2UNsin(wNt)（9）

由于交流電路接有限流電感器Ln，四象限變流器輸入控制電壓的基波：

uS?iN?2USsin(wNt??)（10）2sin(wNt??)（11）

變壓器二次側(cè)電流的基波：

因此，四象限變流器輸入電路基波電壓方程式為：

2UNsin(wNt)?2USsin(wNt??)?2INwNLNcos(wNt??)（12）

四象限變流器輸出電壓Ud要求為恒定值，因此，四象限變流器的電壓傳輸比：

h?uS/Ud?Ksin(wNt??)（13）

在式（13）中，K?2US/Ud為輸入控制電壓的基波幅值與輸出直流電壓之比，表示四

象限變流器的調(diào)制深度。

假使方程（??12）用矢量表示，則有：???

UN?US?jwNLNIN（14）

方程（14）的電壓矢量圖如圖3-5所示

該方程中的IN通過直流電壓閉環(huán)確定，即按滿足直流電壓穩(wěn)定的需求即可確定IN的有效值，在確定了IN的有效值后，可依據(jù)電壓方程，按牽引工況或制動(dòng)工況時(shí)，IN和

UN的關(guān)系，即可確定US的矢量，即電壓US的有效值和相位，在US的有效值、相位確

定后，即可按PWM控制原理控制四象限脈沖整流器的運(yùn)行，從而能滿足所有功能要求。

3.5.3四象限脈沖整流器控制系統(tǒng)

從式（14）和圖3-5我們可以看出，四象限變流器控制的實(shí)質(zhì)，就是控制US的幅值和相角?。在控制過程中，通過調(diào)整US矢量的相角?，就可以控制四象限的輸出

???功率，從而穩(wěn)定輸出直流電壓Ud；同時(shí)保證UN矢量和jwNLNIN矢量正交，就可以確保輸入的電網(wǎng)基波功率因數(shù)為1。圖3-6為四象限變流器控制方案原理框圖。

上述四象限變流器控制方案在牽引工況時(shí)的工作原理如下：中間直流電壓給定值

**Udg和中間直流電落實(shí)際反饋值Ud進(jìn)行比較，當(dāng)Ud?Udg時(shí)，誤差值?E?0，說明四象

*限變流器需要輸出更大的功率，必需增加?角；當(dāng)Ud?Udg時(shí)，誤差值?E?0，說明四

象限變流器需要降低輸出功率，必需減少?角；當(dāng)誤差值?E?0，PI調(diào)理器將保持恒定的輸出，說明四象限變流器直流側(cè)和交流側(cè)達(dá)到功率平衡。因此，PI調(diào)理器輸出值Ψ*反映了四象限變流器所要求功率的變化。通過檢測(cè)四象限變流器輸入電流iN和電網(wǎng)電壓

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UN的過零時(shí)間，可以求得它們之間的夾角??。當(dāng)???0時(shí)，說明輸入電流iN滯后于電

???網(wǎng)電壓UN，必需加大控制電壓US的幅值，迫使UN矢量和jwNLNIN矢量正交；當(dāng)

???0時(shí)，說明輸入電流iN超前于電網(wǎng)電壓UN，必需減小控制電壓US的幅值，同樣迫

???使UN矢量和jwNLNIN矢量正交；當(dāng)???0時(shí)，說明輸入電流iN和電網(wǎng)電壓UN同相位，

???*UN矢量和jwNLNIN矢量處于正交狀態(tài)。因此，PI調(diào)理器輸出值Us反映了四象限變流器所要求功率因數(shù)的變化。

圖3-5電網(wǎng)側(cè)電壓矢量圖

圖3-6四象限變流器控制方案原理框圖

3.6HXD3B的直流中間環(huán)節(jié)

3.6.1HXD3B的直流中間環(huán)節(jié)的組成結(jié)構(gòu)

1.為電能存儲(chǔ)設(shè)備的中間回路電容；與四象限脈沖整流器、逆變器交換無功功率和諧波功率；與異步電機(jī)和四象限電抗器交換無功功率，并支撐中間回路電壓，使其保持穩(wěn)定。

2.監(jiān)控中間回路電壓的電壓傳感器；對(duì)電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，能保證各元器件能在適

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當(dāng)?shù)臅r(shí)間起到應(yīng)有的作用。

3.過壓保護(hù)斬波器；在快速變化的粘著狀況下，由于車輪間歇地空轉(zhuǎn)及網(wǎng)側(cè)變流器實(shí)際提供的功率與電動(dòng)機(jī)功率不平衡時(shí)，就可能產(chǎn)生突然的電壓增加，這時(shí)通過過壓保護(hù)斬波器來穩(wěn)定直流環(huán)節(jié)的濾波電壓。

4.電容放電電阻；與電容器并聯(lián)，當(dāng)發(fā)生故障，控制系統(tǒng)要求阻塞或關(guān)閉網(wǎng)側(cè)電流器時(shí)，要求直流環(huán)節(jié)放電，這時(shí)放電電阻器對(duì)電容器放電，使電容器電壓低于50V。

5.接地故障檢測(cè)裝置。主接地保護(hù)電路由兩個(gè)串聯(lián)電容和一個(gè)接地信號(hào)傳感器組成，接地信號(hào)傳感器一端接在串聯(lián)電容的中點(diǎn)，另一端接地。當(dāng)主電路正常時(shí)，由于只有1點(diǎn)接地，接地保護(hù)電路中流過的電流為零，接地信號(hào)檢測(cè)傳感器無信號(hào)輸出。當(dāng)主電路某一點(diǎn)接地時(shí)則形成回路，有故障電流流過，傳感器輸出電流信號(hào)，使保護(hù)裝置動(dòng)作?？梢酝ㄟ^轉(zhuǎn)換接地故障開關(guān)，實(shí)施對(duì)接地保護(hù)的隔離。

中間直流電路是網(wǎng)側(cè)變流器、電機(jī)側(cè)逆變器和輔助變流器之間的中間環(huán)節(jié)，在三相交流傳動(dòng)系統(tǒng)中，中間直流電路起著很重要的作用。見圖3-7。

圖3-7中間直流電路示意圖

3.6.2二次濾波電路

二次濾波電路的諧振頻率為100Hz。主變壓器內(nèi)設(shè)有3組濾波電抗器，分別與變流柜內(nèi)的諧振電容串聯(lián)構(gòu)成3組二次濾波電路，并聯(lián)于變流柜的中間直流回路，用于吸收網(wǎng)側(cè)單相電壓引起的二次功率脈動(dòng)，并與中間直流回路的電容一起實(shí)現(xiàn)從網(wǎng)側(cè)變流器到電機(jī)變流器的解耦。

3.6.3HXD3B的直流中間環(huán)節(jié)的作用

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在三相交流傳動(dòng)系統(tǒng)中，中間直流電路的作用，主要表現(xiàn)為：1）在網(wǎng)側(cè)整流器和電機(jī)側(cè)逆變器之間實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)功率平衡；2）儲(chǔ)能電容向牽引電動(dòng)機(jī)提供基波無功功率和高次諧波的通路；3）變流器換流能力直接受中間電路電壓的影響，逆變器的調(diào)制電壓質(zhì)量也取決于其平衡程度，因此對(duì)它要求較高?？傊?，中間直流電路是保證交—直—交系統(tǒng)正常工作的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

3.7HXD3B電力傳動(dòng)機(jī)車電機(jī)變流器（逆變器）的研究3.7.1牽引逆變器的概述

逆變器與整流器工作過程相反，它是將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的裝置。逆變器可分為無源逆變器和有源逆變器，若交流側(cè)接負(fù)載則為無源逆變器，若交流側(cè)接電網(wǎng)則為有源逆變器。

交-直-交變流器由交-直變換和直-交變換兩部分組成。直-交變換就是逆變器，如干電池、蓄電池和太陽能電池等直流電源向交流負(fù)載供電時(shí)，需要依靠逆變器進(jìn)行變換。交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速、不休止電源、感應(yīng)加熱電源等電力電子裝置的核心部分，就是逆變電路。

牽引逆變器的作用是把中間直流電壓變換成三相交流電壓，為異步牽引電動(dòng)機(jī)提供頻率和幅值可調(diào)的三相交流電源，同時(shí)通過調(diào)理三相輸出電壓波形控制牽引電動(dòng)機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)矩。因此，異步牽引電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)性能主要取決于逆變器的控制。提高逆變器的開關(guān)頻率，采用磁場(chǎng)定向矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等高動(dòng)態(tài)性能控制技術(shù)，有利于表達(dá)異步牽引電動(dòng)機(jī)其優(yōu)良的牽引性能。牽引逆變器一般均采用電壓型，依照輸出特性，分為六階波形和PWM型。PWM型按輸出電平數(shù)目的不同，可分為兩電平（兩點(diǎn)式）和三電平（三點(diǎn)式）兩種。

3.7.2HXD3B逆變器的組成及原理3.7.2.1HXD3B逆變器的組成

HXD3B型機(jī)車的電機(jī)變流器是由IGBT元件（4.5kV/600A）組成的PWM變流器，三個(gè)變流柜內(nèi)的3組輔助變流器可以獨(dú)立提供2組PWM控制的變壓變頻（VVVF）三相電源和1組PWM控制的定壓定頻（CVCF）三相電源，其輸出送入AFC輔助濾波柜，經(jīng)過降壓、隔離和濾波，向各類輔機(jī)供電。具體電路見圖3-8。逆變電路是由U、V、W三相逆變單元構(gòu)成的。將PWM整流單元輸出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電來驅(qū)動(dòng)牽引電機(jī)。通過改變逆變電路的輸出電壓和輸出頻率來控制牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。電機(jī)變流器采用了龐巴迪公司最新研制的直接磁通（DFC）控制策略，即通過電壓矢量轉(zhuǎn)換，建立定子電流和定子磁鏈，實(shí)現(xiàn)定子磁鏈定向控制，從而使機(jī)車在整個(gè)速度范圍內(nèi)力矩的波動(dòng)最小，并且在軌面狀態(tài)不好的狀況下獲得最大限度的利用。由于采用軸控方式，當(dāng)機(jī)車的6個(gè)軸因輪徑差、軸重轉(zhuǎn)移及空轉(zhuǎn)等可能引起負(fù)載分派不均勻時(shí)，均可以通過牽引變流器的控制進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償，以實(shí)現(xiàn)最大限度地發(fā)揮機(jī)車牽引力。機(jī)車采用集成式輔助變流器，省去了獨(dú)立式輔助電源模式下的整流回路和中間回路，簡化了整車變流器電路，提高了

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變流元件的利用率；機(jī)車輔助變流器與牽引變流器共用冷卻系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)，有效降低了變流設(shè)備的重量、體積、成本，提高了變流系統(tǒng)的可靠性；取消輔助繞組，簡化了主變壓器結(jié)構(gòu)，降低了主變壓器的重量、體積和成本。機(jī)車牽引變流器和輔助逆變器共用中間直流回路，當(dāng)機(jī)車通過分相區(qū)時(shí)，機(jī)車可轉(zhuǎn)為再生制動(dòng)工況，利用再生制動(dòng)產(chǎn)生的能量維持中間直流環(huán)節(jié)電壓，保證輔助系統(tǒng)和蓄電池充電模塊實(shí)現(xiàn)不休止供電，從而大大減少輔機(jī)起動(dòng)次數(shù)，提高輔機(jī)壽命。

圖3-8電機(jī)變流器示意圖

3.7.2.2HXD3B逆變器的技術(shù)參數(shù)

電機(jī)變流器的參數(shù)如下：

每臺(tái)機(jī)車使用數(shù)量3額定輸入電壓1500V/50Hz額定輸入電流231300A中間電路標(biāo)稱電壓2800VDC額定輸出電壓3AC0-2183V額定輸出電流556A效率≥98%

冷卻方式水冷－水-乙二醇的混合液（47％＋53％）

3.7.2.3HXD3B逆變器的工作原理

逆變器的原理圖如圖3-9所示，三相逆變器的功能是將直流電壓變?yōu)榉?、頻率連續(xù)

可調(diào)的三相交流電的電子電力裝置，該裝置應(yīng)當(dāng)能滿足三相異步電動(dòng)機(jī)VVVF控制的要求。由于三相逆變器在工作時(shí)，每相輸出端通過電子開關(guān)接到直流電源的正、負(fù)相，因此，在每相輸出端只能得到+E／2或者-E／2兩種電位。在逆變器工作過程中，通過對(duì)逆變器每相正、負(fù)開關(guān)的有效控制可使逆變器每相周期性的輸出一個(gè)正負(fù)交替，寬度不等

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的電壓脈沖序列。通過對(duì)每相脈沖序列寬度的有效控制，就可有效控制每相輸出基波的有效值和相位，并抑制有害的諧波，清除危害較大的諧波，滿足三相異步電動(dòng)機(jī)VVVF控制的需要，這樣就可產(chǎn)生滿足VVVF控制的周期為T1有效值為U1，彼此相位差為120°的三相交流電壓，而且都為連續(xù)可調(diào)的。

圖3-9逆變器的基本操作

3.7.3HXD3B逆變器的操作

以單相逆變器為例，說明直流如何轉(zhuǎn)換成交流（逆變器操作）

圖3-10（a）說明開關(guān)A和D閉合時(shí)的工作狀態(tài)，而圖3-10（b）說明開關(guān)BC閉合時(shí)的

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工作狀態(tài)。雖然該電路采用直流電源，操作這些開關(guān)可以將施加在負(fù)載上的電壓反向，即，通過操作這些開關(guān)，交流電壓可以施加在負(fù)載上。這是直流-交流轉(zhuǎn)換的基本原理。

圖3-10逆變器的工作原理

圖3-8說明一個(gè)三相逆變器的操作，使用的是IGBT元件來代替上圖中的開關(guān)。根據(jù)表中模式1到模式6的導(dǎo)通和關(guān)斷過程，通過閉合或者掛斷這些元件，可獲得U、V、W相由電壓E和0組成的矩形波，然后，每兩個(gè)相之間則有線點(diǎn)壓UV、VW、WU。由此，可獲得相位差為120°的三相交流電壓。圖3-9和圖3-11說明在60°到120°、180°到240°、300°到360°區(qū)域內(nèi)各相相電流的流通路徑。

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圖3-11三相逆變器基本電路和工作方式

為了獲得PWM（脈寬調(diào)制）控制，逆變器必需控制開關(guān)元件IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷過程。通過把載波信號(hào)與同步于逆變器輸出電壓基波部分的正弦波（調(diào)制波）比較，來確定IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷過程。圖3-12是導(dǎo)通和關(guān)斷過程的一個(gè)例子。為了控制逆變器輸出電壓的大小，我們采用了控制電壓平均值的方法。通過閉合、關(guān)斷開關(guān)元件IGBT，可把一個(gè)不變的電壓截成數(shù)塊，以此來改變電壓的平均值。因此，這種方法被稱之為“脈寬調(diào)制控制〞。如圖3-13所示，恒波高的電壓被切開數(shù)塊，通過改變這些被切開數(shù)塊的寬度來控制電壓平均值。為了控制逆變器輸出頻率，則采用改變單位時(shí)間的開關(guān)頻率，即改變IGBT或其他開關(guān)元件的開關(guān)頻率。圖3-12說明當(dāng)改變開關(guān)元件的開關(guān)頻率而保持器閉合時(shí)間不變時(shí)的一個(gè)逆變器輸出波。

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圖3-12開關(guān)定時(shí)

圖3-13PWM原理

3.8HXD3B的牽引變流器的控制

機(jī)車變流器是通過驅(qū)動(dòng)控制單元板DCU2和標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)接口板SPIF等控制電子系統(tǒng)來

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完成變流器的調(diào)理、控制操縱、監(jiān)視、保護(hù)及與整車的信息傳遞等。機(jī)車變流器控制單元的構(gòu)成如圖3-14所示，每個(gè)變流柜內(nèi)包含4個(gè)硬件一致但軟件不同的驅(qū)動(dòng)控制單元板DCU2和1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)接口板SPIF，他們均有獨(dú)立的控制電源PSU。其中變流柜內(nèi)的兩個(gè)網(wǎng)側(cè)變流器統(tǒng)一由驅(qū)動(dòng)控制單元板DCU2/L來執(zhí)行相關(guān)的運(yùn)算、控制、監(jiān)視和保護(hù)；輔助變流器由驅(qū)動(dòng)控制單元板DCU2/A來執(zhí)行相關(guān)的運(yùn)算、控制、監(jiān)視和保護(hù)；電機(jī)變流器1和中間過壓斬波器OVP由驅(qū)動(dòng)控制單元板DCU2/M1來執(zhí)行相關(guān)的運(yùn)算、控制、監(jiān)視和保護(hù)；電機(jī)變流器2和變流柜冷卻系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)控制單元板DCU2/M2來執(zhí)行相關(guān)的運(yùn)算、控制、監(jiān)視和保護(hù)。標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)接口板SPIF作為每個(gè)變流柜的總線管理器，是柜內(nèi)各變流器與機(jī)車級(jí)VCU的MVB中轉(zhuǎn)接口，用于協(xié)調(diào)與驅(qū)動(dòng)級(jí)MVB相連的各個(gè)不同變流器控制單元DCU。通過標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)接口板SPIF，機(jī)車級(jí)VCU可實(shí)現(xiàn)與柜內(nèi)各DCU的指令信息和實(shí)施監(jiān)控信息的傳遞，完成機(jī)車牽引制動(dòng)特性、輔助電源供電、空轉(zhuǎn)滑行保護(hù)等的控制。

圖3-14變流器控制單元構(gòu)成

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第四章HXD3B電力傳動(dòng)機(jī)車電機(jī)牽引電機(jī)的研究

4.1牽引電機(jī)概述

利用電磁現(xiàn)象進(jìn)行電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的機(jī)械稱為電機(jī)。將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的電機(jī)稱為發(fā)電機(jī)；將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的電機(jī)稱為電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)可分為交流電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)。而在機(jī)車上使用的電動(dòng)機(jī)一般為交流電動(dòng)機(jī)。交流電動(dòng)機(jī)分為同步電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)，異步電動(dòng)機(jī)又分為三相電動(dòng)機(jī)和單相電動(dòng)機(jī)。機(jī)車所用為三相異步電動(dòng)機(jī)。三相異步電動(dòng)機(jī)分成兩個(gè)基本部分：定子(固定部分)和轉(zhuǎn)子(旋轉(zhuǎn)部分)。根據(jù)構(gòu)造上的不同分為兩種形式：籠型和繞線型?；\型電動(dòng)機(jī)與繞線型電動(dòng)機(jī)的的比較：籠型結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、工作可靠；不能人為改變電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性。繞線型：結(jié)構(gòu)繁雜、價(jià)格較貴、維護(hù)工作量大；轉(zhuǎn)子外加電阻可人為改變電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性。機(jī)車一般用三相鼠籠異步電動(dòng)機(jī)。異步電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的基本原理為：在定子三相繞組通入三相交流電，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)；由于有旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中產(chǎn)生了感應(yīng)電流而載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中又受到電磁力的作用，于是使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。聯(lián)接方式為Y/?接法。如圖4-1。

圖4-1Y/?接法

4.2異步牽引電動(dòng)機(jī)的基本原理

在三相異步電動(dòng)機(jī)的定子上嵌放著對(duì)稱三相繞組AX、BY、CZ，三相繞組一般采用“Y〞接法，如圖4-2所示。當(dāng)對(duì)稱的三相交流電流通入定子鐵心上的對(duì)稱三相繞組時(shí)，

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就在定子內(nèi)建立起一個(gè)在空間連續(xù)旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，稱為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。所謂對(duì)稱三相電流是指正弦波電流幅值相等、相位互差120°電角度，即

圖4-2定子三相繞組

圖4-3對(duì)稱三相電流波形

定子磁場(chǎng)隨著電流的交變?cè)诳臻g不斷旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速稱為同步轉(zhuǎn)速n1，如圖4-4所示。

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圖4-4定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生原理

當(dāng)定子三相繞組中通入三相電流，則產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)速為n1，按一定方向旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子導(dǎo)體與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，必然在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，其方向可用右手定則確定。由于轉(zhuǎn)子繞組是閉合的，則感應(yīng)電勢(shì)在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流。轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中的感應(yīng)電流與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁力F，其方向可用左手定則確定。電磁力F作用在轉(zhuǎn)子上形成電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子按旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖4-5所示。

為了在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)和電流，轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之間必需存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，則異步電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n總是小于同步轉(zhuǎn)速n1，故稱“異步電動(dòng)機(jī)〞。異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與同步轉(zhuǎn)速n1的差異用轉(zhuǎn)差率S來表示。

異步電動(dòng)機(jī)（轉(zhuǎn)子）轉(zhuǎn)速：

式中：f1—定子頻率；f—轉(zhuǎn)子頻率；f2—轉(zhuǎn)差頻率；p—電機(jī)磁極對(duì)數(shù)；

n1=60f1/p—同步轉(zhuǎn)速。

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圖4-5旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)所感應(yīng)的轉(zhuǎn)子電流

圖4-6不同磁極對(duì)數(shù)三相異步電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)

4.3異步電動(dòng)機(jī)的特性4.3.1電磁轉(zhuǎn)矩特性

異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T可用以下公式表示：

⑴

式中：

——電機(jī)結(jié)構(gòu)常數(shù)；

——旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)每極磁通（wb）；——轉(zhuǎn)子電流（A）；

——轉(zhuǎn)子電路功率因數(shù)；

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S——轉(zhuǎn)差率，；

——同步轉(zhuǎn)速，（f1—電源頻率，p—磁極對(duì)數(shù)）；

n——轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速（r/min）；——轉(zhuǎn)子電勢(shì)，

——轉(zhuǎn)子電路電阻（Ω）；

。

；

XL2——轉(zhuǎn)子漏感抗，

式（1）中，若異步電動(dòng)機(jī)外加電壓U1頻率f1變時(shí)，由U1≈E1=4.44Kwf1φ可知，磁通φ也可認(rèn)為不變，R2與XL20都是常數(shù)，則電磁轉(zhuǎn)矩M僅隨轉(zhuǎn)差率S而變，其變化曲線如圖4-7所示，稱為轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)差率曲線。由圖示曲線可知，在0大連交通大學(xué)2023屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）

異步電機(jī)運(yùn)行是可逆的，它既可工作于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)來實(shí)施驅(qū)動(dòng)（牽引），又可工作于發(fā)電機(jī)狀態(tài)或電磁制動(dòng)器狀態(tài)來實(shí)施電氣制動(dòng)。當(dāng)發(fā)電機(jī)的電能反饋電網(wǎng)時(shí)，稱為再生制動(dòng)。

1.再生制動(dòng)（S大連交通大學(xué)2023屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）

圖5-1輔助電動(dòng)機(jī)供電電路

5.3輔助變流器

輔助變流器的參數(shù)如下：

每臺(tái)機(jī)車使用數(shù)量3額定輸入電壓2800VDC輸出電壓1130V/60HzAC輔助逆變器額定容量：180kVA輔助逆變器最大容量（短時(shí)）：250kVA輔助逆變器1、2變頻變壓輸出

輔助逆變器3以軟起動(dòng)方式定頻定壓輸出

輔助變流器采用最新的IGBT組件（4.5kV/600A），其輸入電源取自網(wǎng)側(cè)變流器的中間直流回路，輸出送入AFC輔助濾波柜對(duì)輔助電源進(jìn)行降壓、隔離和濾波，再向各類輔機(jī)供電。

5.4輔助電機(jī)供電電路

HXD3B型機(jī)車輔助變流器采用由IGBT元件（4.5kV/600A）組成的三相PWM變流器，其輸入取自網(wǎng)側(cè)變流器的中間直流回路。

三個(gè)變流柜內(nèi)的3組輔助變流器可以獨(dú)立提供2組PWM控制的變壓變頻（VVVF）三相電源和1組PWM控制的定壓定頻（CVCF）三相電源，其輸出送入AFC輔助濾波柜，經(jīng)過降壓、隔離和濾波，向各類輔機(jī)供電。

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機(jī)車采用集成式輔助變流器，省去了獨(dú)立式輔助電源模式下的整流回路和中間回路，簡化了整車變流器電路，提高了變流元件的利用率；機(jī)車輔助變流器與牽引變流器共用冷卻系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)，有效降低了變流設(shè)備的重量、體積、成本，提高了變流系統(tǒng)的可靠性；取消輔助繞組，簡化了主變壓器結(jié)構(gòu)，降低了主變壓器的重量、體積和成本。

機(jī)車牽引變流器和輔助變流器共用中間直流回路，當(dāng)機(jī)車通過分相區(qū)時(shí)，機(jī)車可轉(zhuǎn)為再生制動(dòng)工況，利用再生制動(dòng)產(chǎn)生的能量維持中間直流環(huán)節(jié)電壓，保證輔助系統(tǒng)和蓄電池充電模塊實(shí)現(xiàn)不休止供電，從而大大減少輔機(jī)起動(dòng)次數(shù)，提高輔機(jī)壽命。

機(jī)車設(shè)有3組三相輔助電源，可以以不同的頻率向各類輔助負(fù)載供電。輔助電源1、2（變頻變壓電源）

輸出電壓(可變）115V～460V輸出頻率(可變）約15到60Hz

輔助電源1經(jīng)自動(dòng)開關(guān)向兩臺(tái)牽引變壓器和變流器的冷卻塔通風(fēng)機(jī)電機(jī)供電，輔助電源2經(jīng)過自動(dòng)開關(guān)向兩臺(tái)牽引電機(jī)通風(fēng)機(jī)電機(jī)供電。

輔助電源3（恒頻恒壓電源）

輸出電壓460V輸出頻率60Hz輸出電壓諧波含量（濾波后）≤8%

輔助電源3經(jīng)過自動(dòng)開關(guān)和接觸器向?qū)?yīng)的空壓機(jī)、油泵、水泵、變流器風(fēng)機(jī)、司機(jī)室空調(diào)、機(jī)器間通風(fēng)機(jī)、蓄電池充電器、各類單相輔助加熱器等供電。

考慮機(jī)車牽引力、功率和各個(gè)電機(jī)的溫度等因素的影響，輔助電源1、2的輸出電壓和頻率將根據(jù)冷卻系統(tǒng)的實(shí)際狀況進(jìn)行調(diào)整，采用變壓變頻方式工作；輔助電源3主要針對(duì)泵類負(fù)載供電，因此采用定頻定壓方式工作，電壓、頻率為460V/60Hz。通過采取這些措施，能夠最大限度地減小輔助設(shè)備的能量消耗，有效地降低風(fēng)機(jī)噪音，最大限度地延長風(fēng)機(jī)軸承的壽命。

輔助電源1和輔助電源2中任何一個(gè)故障時(shí)，通過故障接觸器的切換，轉(zhuǎn)由另一個(gè)輔助電源對(duì)輔助電源1和輔助電源2的負(fù)載共同供電，此時(shí)該輔助電源由變頻變壓改為定頻定壓供電方式。

當(dāng)輔助電源3故障時(shí)，通過故障接觸器的切換，轉(zhuǎn)由輔助電源2對(duì)輔助電源3的負(fù)載及輔助電源2的負(fù)載共同供電，但此時(shí)只允許一臺(tái)壓縮機(jī)工作，對(duì)于輔助裝置除必要的加熱或制冷外，其他輔助負(fù)載均中止工作。

5.5輔助電動(dòng)機(jī)供電電路的特點(diǎn)

1.機(jī)車三相輔助電源采用集成式輔助電源模式，沒有單獨(dú)的輔助繞組，與牽引回路共享變壓器的牽引繞組，簡化了主變壓器的繞組結(jié)構(gòu)。

2.機(jī)車沒有單獨(dú)的輔助變流器柜，3組輔助變流器分別集成于3個(gè)主變流柜中，其電源取自牽引變流器的中間直流電路。輔助變流器與牽引變流器共享四象限整流器電路和

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中間直流電路，省去了獨(dú)立式輔助電源模式下的整流回路和中間回路，簡化了整車變流器電路，提高了牽引變流組件的利用率。由于組件數(shù)量的減少，必然降低變流系統(tǒng)的故障率。

3.機(jī)車通過分相區(qū)時(shí)，輔助系統(tǒng)和蓄電池充電模塊不休止供電。由于機(jī)車采用集成式輔助電源模式，當(dāng)機(jī)車過分相區(qū)時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)為再生工況，利用機(jī)車動(dòng)能再生能量使主變流器中間電壓基本保持不變，繼續(xù)維持輔助變流器供電，使輔機(jī)和DC110V充電模塊不中止工作，從而大大減少輔機(jī)起動(dòng)次數(shù)，提高輔機(jī)壽命。

4.由于整車由3組輔助電源構(gòu)成，任意一組輔助電源故障時(shí)，仍可保證機(jī)車輔助系統(tǒng)的正常工作，實(shí)現(xiàn)機(jī)車輔助系統(tǒng)的冗余控制。

5.6庫用電源回路

機(jī)車設(shè)有兩個(gè)380V/50Hz的三相庫內(nèi)動(dòng)車電源插座，分布在機(jī)車車體兩側(cè)，可以滿足機(jī)車庫內(nèi)動(dòng)車、輔助電機(jī)試驗(yàn)及蓄電池組的充電需要，示意圖見圖5-2，具體電路見輔助供電電路圖5-1。

圖5-2庫用電源電路示意圖

將庫用開關(guān)打至庫用位，再通過庫用插座可以將庫內(nèi)三相380V交流電源引入機(jī)車。通過微機(jī)顯示屏選擇輔機(jī)庫用試驗(yàn)界面，可分別完成各類輔機(jī)的動(dòng)作試驗(yàn)和旋向測(cè)試；選擇庫內(nèi)動(dòng)車模式，可將三相380V交流電源作為動(dòng)車電源，通過輔助變流器3整流，向中間直流回路充電，再通過電機(jī)逆變器5或6以變壓變頻方式向其對(duì)應(yīng)牽引電動(dòng)機(jī)供電，實(shí)現(xiàn)機(jī)車限速3km/h的庫內(nèi)動(dòng)車。庫內(nèi)動(dòng)車時(shí)，司機(jī)通過操縱主司機(jī)控制器，可以完成機(jī)車運(yùn)行方向的選擇和速度控制。

5.6.1機(jī)車庫用電源要求

機(jī)車采用AC380V/50Hz的三相交流庫用電源，具體要求如下：庫用電源容量：60kVA；線電壓：380V；

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線電壓允許變化范圍±10%；基波頻率：50Hz;基波頻率允許變化范圍±0.5Hz；諧波含量≤5%；

庫用電源應(yīng)設(shè)置短路超載保護(hù)、缺相保護(hù)、過電壓和欠電壓保護(hù)等功能。

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第六章微機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

6.1機(jī)車微機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)特點(diǎn)

采用先進(jìn)的分布式微機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，其通訊方式基于MVB、WTB和Ethernet（以太網(wǎng)）。MVB是為了實(shí)現(xiàn)機(jī)車的控制而進(jìn)行信息傳遞，WTB是為了實(shí)現(xiàn)重聯(lián)機(jī)車之間的信息交換，Ethernet主要用于軟件下載、信息采集、程序調(diào)試及VCU與顯示屏之間的信息傳遞；

車內(nèi)各電子控制設(shè)備采用基于TCN網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)形式，通過MVB車輛總線實(shí)現(xiàn)相關(guān)設(shè)備之間的信息傳遞，由TCMS柜去往各設(shè)備之間通過星形適配器采用光纜連接，柜內(nèi)設(shè)備之間采用雙絞屏蔽電纜連接，以提高其電磁兼容性能；為提高系統(tǒng)的可靠性，MVB被分割成3段，設(shè)為第一段、其次段及第三段，三段傳遞的信息是一致的，對(duì)于不具備冗余的重要設(shè)備采用雙段信息輸入，當(dāng)某一段MVB通訊故障時(shí)，其他兩段仍可實(shí)現(xiàn)信息傳遞，從而確保機(jī)車的安全可靠運(yùn)行；機(jī)車控制單元VCU、網(wǎng)關(guān)TCNGW、電纜切換開關(guān)、SC星形適配器及輸入輸出模塊（I/O）均采用冗余配置模式，從而提高了機(jī)車微機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的可靠性，實(shí)現(xiàn)了機(jī)車的冗余控制；重聯(lián)機(jī)車之間采用WTB列車總線聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)機(jī)車的重聯(lián)控制。

6.2微機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)功能

機(jī)車微機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)列車控制級(jí)、機(jī)車控制級(jí)及驅(qū)動(dòng)控制級(jí)的功能。其核心任務(wù)就是根據(jù)司機(jī)指令完成以下功能：

1.機(jī)車各部件的順序規(guī)律控制；2.傳動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)序規(guī)律控制；3.機(jī)車牽引/再生制動(dòng)特性控制；

4.網(wǎng)側(cè)變流器、電機(jī)變流器和輔助變流器的控制；5.空電聯(lián)鎖制動(dòng)控制；6.機(jī)車重聯(lián)控制；

7.無人警惕控制和自動(dòng)過分相控制等；

可以顯示機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)，具備完整的故障保護(hù)、故障記憶及顯示功能，并具有一定程度的故障自排除、自動(dòng)切換和故障處理指導(dǎo)功能。

機(jī)車粘著控制可以實(shí)現(xiàn)在不同軌道條件的自動(dòng)適應(yīng)，不同列車載荷的自動(dòng)適應(yīng)，最正確控制參數(shù)的自動(dòng)設(shè)定，轉(zhuǎn)差率的有效限制及輪徑差的補(bǔ)償控制等。

6.3機(jī)車定速控制模式

所謂定速控制，就是司機(jī)不操縱司控器，由機(jī)車微機(jī)控制系統(tǒng)參照目標(biāo)速度和機(jī)車實(shí)際速度，自動(dòng)調(diào)整機(jī)車運(yùn)行工況，實(shí)現(xiàn)機(jī)車在目標(biāo)速度下的恒速運(yùn)行。

機(jī)車微機(jī)控制系統(tǒng)采用死循環(huán)控制方式，通過對(duì)機(jī)車實(shí)際速度和目標(biāo)速度的監(jiān)測(cè)和比較實(shí)施定速控制：司機(jī)按下定速按鈕取得定速模式下的目標(biāo)速度，并通過對(duì)機(jī)車實(shí)際

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速度的監(jiān)測(cè)確認(rèn)機(jī)車實(shí)際加速度，將機(jī)車實(shí)際速度與目標(biāo)速度比較確認(rèn)機(jī)車目標(biāo)加速度，通過對(duì)機(jī)車目標(biāo)加速度和實(shí)際加速度的比較，確定機(jī)車是牽引模式還是制動(dòng)模式或惰行模式，并確定具體的牽引或制動(dòng)力。

在定速模式下，機(jī)車控制系統(tǒng)通過調(diào)整牽引/制動(dòng)力的輸出，使機(jī)車速度維持在所允許的目標(biāo)速度范圍內(nèi)。

由于采用加速度方式進(jìn)行定速模式控制，因此機(jī)車在平直道上無論是重車還是輕車或單機(jī)，均可實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)運(yùn)行；但是在坡道上運(yùn)行時(shí)，機(jī)車在重車模式下最好不要使用定速模式控制，由于牽引制動(dòng)轉(zhuǎn)換頻繁，存在斷鉤的風(fēng)險(xiǎn)。

6.4機(jī)車的牽引制動(dòng)特性控制

牽引工況時(shí)，機(jī)車牽引特性依照恒力矩準(zhǔn)恒速特性進(jìn)行調(diào)整，并受機(jī)車功率曲線和粘著特性曲線限制，具體見圖6-1所示。

圖6-1牽引特性曲線

制動(dòng)工況時(shí)機(jī)車制動(dòng)特性依照不同手柄級(jí)位對(duì)應(yīng)不同機(jī)車制動(dòng)力的模式進(jìn)行控制，同時(shí)受機(jī)車功率曲線和粘著特性曲線限制，具體見圖6-2所示。

圖6-2制動(dòng)特性曲線

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機(jī)車的牽引制動(dòng)特性曲線與主司機(jī)控制器的手柄級(jí)位對(duì)應(yīng)，其中牽引區(qū)域分為13級(jí)，制動(dòng)區(qū)域分為12級(jí)，牽引區(qū)域和制動(dòng)區(qū)域均采用有擋無級(jí)方式進(jìn)行調(diào)整，不同的手柄級(jí)位，對(duì)應(yīng)不同的機(jī)車牽引制動(dòng)力。

機(jī)車的牽引制動(dòng)特性曲線及功率限制曲線被預(yù)置在微機(jī)控制系統(tǒng)VCU內(nèi)，由VCU根據(jù)司機(jī)發(fā)出的主司機(jī)控制器指令，確認(rèn)機(jī)車的目標(biāo)牽引力，并將該值由VCU送給DCU，DCU根據(jù)給定的目標(biāo)牽引力、機(jī)車的實(shí)際速度、實(shí)際輸出的牽引力或制動(dòng)力，并考慮機(jī)車的粘著保護(hù)控制及