第一章 绪论
第一章 绪 论
1.1 课题背景
自20世纪70年代后，随着半导体技术、电子技术、现代控制理论、计算机等的发展，三相交流传动技术有了质的飞跃。交流传动技术在机车上得到应用的初始阶段，曾有过多种方案。若按所用的交流电动机来分类，可分为交流同步电动机和交流异步电动机两种，在交流异步电动机传动系统中，机车上常使用鼠笼型感应电动机。交流同步电动机传动系统，可以使用较为简单的变流器，随着可关断元件的问世，变流技术有了长足进步，因此近年来，同步交流电动机已让位给感应电动机，因为后者有更好的能量指标，如功率因数、谐波电流等。但是我们应该看到，永磁同步电动机的进展，将来又有可能替代感应电动机，因为永磁同步电动机的结构更为简单，有更高的效率13[2]。
1.2 选题意义及主要研究内容
随着变流技术，微机控制技术的发展，交流调速系统的研究和开发已引起世界各国的高度重视，并且人们已经在生产实践中领略到交流调速所带来的巨大收益。交流传动系统无论在性能指标，装置体积，设备维护，还是节能乃至环保等方面，均体现出了巨大优势。但是对我国来说，机车车辆的交流传动技术，无论从理论上，还是实用上，还有一定的距离。本文的愿望在于理清交一直一交电力机车有关技术的一些理论问题。为了更符合实际，因此结合HXD3交流货运电力机车来加以讨论。当然由于其复杂性，只能尽力而为，也可能会有明显的错误，望加指正。HXD3交流货运电力机车的主传动和辅助传动均采用了交流传动控制技术。在整个电气系统的设计中，充分考虑大功率货运电力机车的实际需要，按照铁道部的先进、成熟、可靠的原则，和标准化、系列化、模块化、信息化的总体要求，来进行设计。在这些要求和原则指导下，体现在HXD3交流货运电力机车的设计中，具有如下的主要特点：
(1)电传动系统采用IGBT水冷变流机组，1250kW大转矩异步牵引电动机。机车具有起动(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。
(2)辅助电气系统采用2组辅助变流器，能分别提供VVVF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。
(3)采用微机控制系统，实现了逻辑控制、自诊断功能，实现了机车的网络重联功能，并具有信息储存和转储功能。
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(4)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。 (5)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。
(6)转向架采用滚动抱轴承半悬挂结构，二系支承采用高圆螺旋弹簧；采用轮盘制动及整体轴箱、低位牵引等技术。
(7)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。
(8)采用独立通风冷却技术。牵引电机采用由侧墙百叶窗进风的独立通风冷却；牵引变流器的水冷和主变压器的油冷，采用水、油复合型全铝板翅式冷却器，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。
(9)采用了集成化的空气制动系统，具有空电联合制动功能。
(10)采用了新型的膜式空气干燥器，与螺杆式空气压缩机做成一体式结构，有利于压缩空气的干燥，减少制动系统阀件的故障率[3]。 目前该车已成功运用于南京东机务段和武汉江岸机务段。
1.3交流传动电力机车的优势
本文仅讨论目前广泛使用的交一直一交电力机车。通常所说的交一直一交电力机车是指由交流电网供电(交)，由整流器整流成直流(直)，再逆变成交流，去驱动异步交流电动机(交)的机车。从技术上说，经多年努力，世界上各大公司已解决了技术理论上的难点，又有了成熟的制造经验。随着电力电子技术、异步电动机的控制技术(矢量控制、直接扭矩控制)、微机和网络技术在机车、动车上的应用，机车性能不断得到提高，交流传动已成为机车、动车发展的主流。目前，订购和采用交流传动机车、动车的浪潮，从前西德开始席卷整个欧洲，然后是北美，现在这股浪潮己冲到了亚洲和非洲。越来越多的交流传动电力机车、动车，以其优越的性能奔驰在世界上许多国家的铁路网上11”引。自上世纪九十年代开始，国外已停止生产整流器式电力机车(交一直机车)。只生产交一直一交机车。与前者比较，交一直一交机车的优点为：
(1)交一直一交电力机车使用感应电动机，电动机无直流电动机的换向器，维修工作量极小；感应电动机有更高的转速，同样功率的电动机，体积更小，重量更轻；这表明，在机车转向架有限的安装空间内，可以装备更大功率的牵引电动机。
(2)交一直一交电力机车使用无触点的半导体元件组成整流器和逆变器，机车不再需要“前一后\、“牵一制”转换开关。所用的接触器及其他开关电器也
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大量减少，因此电器的维修工作量小；
(3)交一直一交电力机车使用四象限PWM脉宽调制整流器，机车的功率系数可接近于1，等效干扰电流小于3．5A，有极好的电磁兼容性；
(4)交流传动机车轴功率可达1700kW，对货物列车编组质量较小的西殴国家，可设计成客货通用的电力机车；
(5)对西殴和日本等国来说，由于劳动工时关系，交一直一交电力机车比交一直电力机车成本更低，价格更便宜，运用费用可减少三分之一。
基于上述原因，我国今后研制的机车、动车，当然也应该紧跟技术发展的趋势，以交一直一交电力机车、动车为发展方向[4]。
1.3.1我国交流传动电力机车的现状
我国交流传动电力机车的研制，开始于上世纪八十年代中期，几乎与国际上同步。虽然九十年代制造了AC4000型电力机车，但是由于基础技术落后和理论上还未完全掌握，未能达到商业运用。上世纪九十年代，在自主研制交流传动电力机车的同时，利用ADtranz的电气传动部件研制了几种机车和动力集中方式的动车，同时也开始动力分散方式动车的研制，经过多年的研究和探索，目前已经有多种新车型问世：
·AC4000交流传动机车一一1994年年底出厂，因技术起点低和设计缺陷，现已作为科研教学车。
·“熊猫”号机车与“蓝箭”动车组一一落成于2000年，其关键部件(牵引变流器，辅助变流器，计算机控制，交流电动机)共十套均购自ADtranz公司。 ·“奥星\号机车与“中原之星\动力分散式动车组一一于2001年10月出厂，系我国自主研制的有技术产权的产品。
·“先锋”号动车组一一于2001年下半年出厂，变流器及控制系统购自日本三菱公司。
·“中华之星’’高速列车一一交流传动技术与“奥星”类似， 2002年12月落成，现正在线路上试运行。从上可以看出，我国在交流传动电力机车方面的研制，已经有了长足的发展，但是，目前主要集中在客运机车和动车方面[5]。 在国内运行的交流传动货运电力机车，仅有购自德国Seimens公司的DJl型电力机车。该机车为8轴机车，B0转向架，轴功率为800 kW。对交流货运电力机车来说，该机车的轴功率偏小，显然不太合理，应选用更大功率的牵引电动机为好。
在机车的设计上，由于我国国情与欧洲不同，因此不能套用他们的设计思想。可参照的有俄罗斯、印度、澳大利亚等国的铁路，它们都是以大货运量为主的国家。
欧洲各国列车编组质量通常为2000t左右，客、货列车运行速度差别不太显
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著，为减少机车种类，因此常采用客货通用的电力机车。
我国铁路线根据不同的等级，在曲线半径、限制坡道、到发线长度上差异较大；从货物列车编组质量看，多为3500t、5000t，在运煤专线上甚至为万吨列车；而客运列车的编组质量约1000t左右。因此客、货在编组质量、列车运行速度方面的差别极为显著，所以客货通用的电力机车，对我国并不合适。由于我国各铁路线货物列车的编组质量差异较大，因此从我国国情出发，应该研制不同轴式、不同功率等级的货运电力机车，．形成系列，来满足不同编组、不同路况的需求。正是本着这个契机，大连厂与同本东芝公司联合开发试制了HXD3交流货运电力机车，填补了国内六轴交流货运电力机车型谱的空白。使国内交流货运电力机车，可以以6轴和8轴轴式的货运电力机车为基础，来构成12轴、16轴、18轴、24轴?的重联组合，供不同的列车编组、不同的线路断面所需，以满足我国铁路重载的需求。
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第二章 电气线路主电路
第二章 电气线路主电路
HXD3
电力机车上各种电机、电器设备按其功能和作用、电压等级分别组
成几个独立的电路系统。即主电路、辅助电路、控制电路。三个电路通过电一磁、电一机、电一空等联系起来，对机车进行控制。
2.1 主电路及其部件
机车主电路是产生机车牵引力和制动力的电气设备电路。机车主电路主要由
网侧电路、主变压器、牵引变流器及牵引电动机等组成。具体电路如图2．2HXD3型电力机车主电路原理图所示[6]。主电路所完成的功能是电能和机械能间的相互转换。
机车牵引工况时，机车主变压器原边通过受电弓、高压隔离开关和主断路器获得5kV交流电，经过主变压器的降压，由主变压器次边6个独立的牵引绕组分别向6组交直交支路供电。每组交直交电路由一个两点式单相四象限PWM整流器和一个两点式三相WVF逆变器等组成。三相WVF逆变器向牵引电动机供电，牵引电动机在电动机状态下工作，实现电能向机械能的转换，变为机车的牵引力和速度。
机车制动工况时，则进行与上述相反的转换。这时电动机在发电机状态下工作，将列车的动能或位能转换为电能，向接触网回馈电能，这时牵引时按整流器工作的变流器，变为逆变器工作。
全车共有6组变流器，加上相应的电器，分别安装在两套变流器机柜中。牵引变流器的控制采用单轴独立控制方式，机车的单轴输出功率达1200kW。
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