1、【学习任务【学习任务】4.3 交传大功率机车牵引传动系统概述交传大功率机车牵引传动系统概述 HXD型电力机车是交-直-交大功率交流传动的电力机车。HXD1C型六轴7200kW交流传动电力机车在HXD1型机车和HXD1B型机车设计制造的基础上，采用由IGBT变流元件组成的模块，单轴控制技术，适应中国使用环境的交流传动六轴7200kW干线电力机车。机车设计使用寿命30年。该型机车是我国目前自主化程度最高的电力机车，国产化率高达90%，具有极优的性价比。1.主电路 机车的主电路系统由主变压器原边电路以及主变压器次变牵引电路组成。受电弓从接触网接受AC25kV，50Hz电源，经高压隔离开关，主断路器输
2、入主变压器，原边电流经轴端接地装置返回大地。主变压器原边电路设有避雷器、高压电压互感器、高压电流互感器、回流电流互感器。机车的微机控制系统对原边具有过压、欠压、过流的检测和保护功能、变压器原边具有差动保护功能。主变压器的6个次边绕组给两个牵引变流器供电，牵引变流器采用3.3kV 电压等级的IGBT变流元件，变压器次边输送过来的电能，在牵引变流器中经过整流、逆变之后为6台牵引电机提供变频变压交流电源，牵引电机采用三相交流异步电机，主电路具有过压、过流、接地保护功能。4.3 交传大功率机车牵引传动系统概述交传大功率机车牵引传动系统概述 HXD1C型机车主电路具有：（1）采用先进的交流传动系统（2）
3、采用标准化、模块化设计（3）采用先进的水冷IGBT模块（4）采用轴控方式，提高机车的可利用率（5）采用先进的再生制动方式，节能效果显著4.3 交传大功率机车牵引传动系统概述交传大功率机车牵引传动系统概述2、辅助电路 机车装有两组辅助变流器，分别集成在两个柜体中，分别由牵引变压器辅助绕组供电。其中1台辅助变流器以定频方式工作，为恒频恒压工作的负载供电，另一台辅助变流器以变频方式工作，为有变频变压要求的负载，如牵引风机电机供电机车辅助电源系统采用冗余设计，当一组电源故障时，另一组电源能维持全车辅助系统供电。辅助电源系统具有完备的保护，包括过电压、欠电压、过载、接地、过热等保护项目。HXD1C型机车
4、辅助电路具有以下显著特点：（1）采用冗余设计（2）变频功能，节能性好（3）采用标准化、模块化设计（4）为防寒设计预留接口和余量（5）配置卫生间、转波炉、冷藏箱等生活设施4.3 交传大功率机车牵引传动系统概述交传大功率机车牵引传动系统概述3、控制网络机车采用微机控制系统，实现网络化、模块化，使机车控制系统具有控制、诊断、监测、传输、显示和存储功能，控制网络符合IEC 61375的标准要求。4、控制网络重联控制：机车具有通过WTB总线进行多机(最多三台)重联控制及显 示功能，并预留了远程重联控制系统的软件、硬件接口及安装平台。5、设备布置6、机车总体结构为双司机室、机械间设备按斜对称原则布置、中间
5、走廊、采用预布线和预布管设计。4.3 交传大功率机车牵引传动系统概述交传大功率机车牵引传动系统概述7、通风方式：机车采用独立通风方式，增加了机械间冬夏季温度调节模式转换设计，更好的改善了机车运用环境。8、车体：车体采用整体承载结构型式，全部由钢板及钢板压型件组焊而成的全钢焊接结构。车体纵向压缩载荷取3000kN，纵向拉伸载荷取2500kN。9、转向架：机车采用两台C0转向架。驱动系统采用滚动抱轴承传动的抱轴悬挂驱动，构架为箱形梁焊接构架，齿轮箱采用了高强度铝合金；一系悬挂采用轴箱拉杆螺旋钢弹簧方式；二系悬挂采用高挠螺旋钢弹簧结构；牵引装置采用低位牵引。4.4 牵引传动系统主电路主要元器件牵引传
6、动系统主电路主要元器件图4-1 交传大功率机车整体结构原理图 一台交流传动机车的结构原理，如图4-1所示，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。4.4.1 受电弓受电弓 受电弓是机车从接触网获得电能的部件，在机车车顶两端各装一台。大功率交流传动HXD1C型机车使用TSG15B型受电弓，该型受电弓是一种铰接式的机械构件，它通过绝缘子安装于电力机车车顶。1、T
7、SG15B型受电弓结构图4-2 TSG15B型受电弓总体结构 4.4.1 受电弓受电弓2、TSG15B型受电弓工作原理 受电弓的升弓和降弓由气囊装置进行控制，气囊装置由气路控制，而气路又由一电磁阀操纵。该控制气路保证：受电弓无振动而有规律地升起，直至最大工作高度，从受电弓弓头开始上升算起，在610秒内无异常冲击地抵达接触网线上；1）弓头上升一升弓 2）弓头的下降一降弓3、TSG15B型受电弓技术参数4.4.2 真空断路器真空断路器BVAC.N99D型真空断路器是HXD1C型电力机车车顶高压电器中的一个重要电气部件，它是整车与接触网之间电气连通、分断的总开关，是机车上最重要的保护设备，该电器设备
8、主要用于主电路开断和接通，同时还可以用于过载保护和短路保护。1、BVAC.N99D型真空断路器结构图4-3 BVAC.N99D型真空断路器结构图4.4.2 真空断路器真空断路器2、BVAC.N99D型真空断路器动作原理1）合闸原理（断路器处在断开状态）BVAC.N99型真空断路器只有在满足如下条件，断路器才能闭合：断路器必须处于断开状态；必须有充足的气压；保持线圈必须处于得电状态。具体合闸步骤如下具体合闸步骤如下：按下“开/关”键；此时，主断路器处于断开状态。电磁阀及保持线圈得电，压缩空气由储风缸进入传动气缸，推动活塞上移。动触头随着活塞的移动而运动；恢复弹簧压缩；主触头闭合；触头接触压力弹簧
9、压缩；活塞到达行程末端；由保持线圈将活塞固定，保持合闸状态；0.6秒后，电磁阀失电，活塞底部排风；传动气缸内的空气排出。4.4.2 真空断路器真空断路器2、BVAC.N99D型真空断路器动作原理2）分闸原理（断路器处在闭合状态）在任何情况下，只要控制电源失电，BVAC断路器就处于开断状态（控制开关“开/关”打开）。具体分闸步骤如下：保持线圈失电；活塞在弹簧力作用下移动（触头压力弹簧和恢复弹簧）；主触头打开，真空灭弧室灭弧；行程结束，活塞缓冲，.主触头断开。3、BVAC.N99D型真空断路技术参数4.4.3 牵引变压器牵引变压器 主变压器是电力机车上的重要部件，其作用是将接触网上的25kV高电压
10、降为具有多种电压的低电压，为机车各种电机、电器提供电源。HXD1C型电力机车使用TBQ35-8900/25型主变压器。变压器油箱内设置了一个主变压器和2个谐振滤波电抗器实现了一体化安装，有体积小、重量轻的特点。变压器油箱采用钢焊接结构。冷却介质为45#变压器油，采用双循环油路进行冷却。TBQ35-8900/25型主变压器是单相变压器，卧式结构，采用车体下悬挂安装方式安装，变压器型号中符号的含义：T铁路机车；BQ牵引变压器；35设计序号；8900额定容量，单位kVA；25高压(网侧、一次侧)绕组额定电压，单位kV。4.4.3 牵引变压器牵引变压器1、牵引变压器的结构、牵引变压器的结构TBQ35-
11、8900/25型主变压器为心式变压器，其结构原理图如图4-4。图4-4 变压器结构原理图 4.4.3 牵引变压器牵引变压器额定功率 高压 8900kVA牵引 61383kVA 辅助2300kVA额定电压高压25000V牵引6970V 辅助2470V额定频率50Hz外形尺寸 304019501320变压器总重 11400 kg变压器油重 2550 kg冷却方式 ODAF（强迫导向油循环风冷）冷却介质 矿物油（45#变压器油）网压范围 17.531kV恒功范围 22.529kV2.牵引变压器技术参数牵引变压器技术参数4.4.4 牵引电动机牵引电动机牵引电机是机车进行机械能和电能相互转换的重要部件。
12、它安装在机车转向架上，通过传动装置与轮对相连。机车在牵引状态时，牵引电机将电能转换成机械能，驱动机车运行。当机车在电气制动状态时，牵引电机将列车的机械能转化为电能，产生列车的制动力。JD160A异步牵引电机结构异步牵引电机结构图4-5 定子结构图图4-6 转子结构图4.4.4 牵引电动机牵引电动机牵引电机工作原理牵引电机工作原理 定子通上三相交流电后，在气隙中产生旋转的磁场，该磁场切割转子导条后在转子导条中产生感应电流，带电的转子导条处于气隙旋转磁场中就要产生电动力，使转子朝定子旋转磁场的同一方向旋转。改变定子频率即可改变电机转速，随着定子频率的增加，电机转速相应增加，如果电压不增加，将导致电
13、机磁场减弱，电机转矩将降低，电机磁场降到很低时，电机不能输出足够的转矩，不能满足负载要求；另一方面，低频起动时，如果电压很高，将导致电机过分饱和。因此异步电机变频时，电压也应在一定范围内保持一定比例的变化，这种调速方式称之为变频变压调速。异步牵引电机变频调速主要采用了恒转矩变频调速（恒磁通变频调速的一个区段，磁通和电流不变）、恒磁通变频调速、恒功率变频调速等调速方式。4.5 主牵引传动系统工作原理主牵引传动系统工作原理 4.5.1 TGA9型牵引变流器概述型牵引变流器概述 TGA9型牵引变流器应用于机车轴式为C0-C0牵引电机轴功率为1.2MW的7200KW六轴货运电力机车。其设计充分借鉴了时
14、代电气之前对等开发HXD1型电力机车牵引变流器样机的研制经验和成熟技术，两者的核心部件如变流器模块的主体结构完全相同。每台牵引变流器向一个转向架的三台牵引电机供电，为了获得所期望的电动机转矩和转速，变流器根据要求来调节电动机接线端的电流和电压波形，完成电源（主回路）和牵引电动机之间的能量传输，实现对机车牵引，再生制动等持续控制。图4-7 TGA9型牵引变流器外观图（正面）4.5.1 TGA9型牵引变流器概述型牵引变流器概述1、TGA9型牵引变流器结构型牵引变流器结构 牵引变流器采用模块化结构，四象限整流器和逆变器采用相同的变流模块，模块采用IGBT作为开关器件，直流环节电压为DC1800V，主
15、电路采用二电平三重四象限：PWM整流器VVVF逆变器模式，每重四象限整流器和一个逆变器组成一组供电单元，为一台牵引电机供电，控制方式为轴控。采用水冷散热。X51X52A相B相C相D相4QS3(变流器模块)IBBM120S2X61X62A相B相C相D相INV3(变流器模块)IBBM120S2X12X11D相C相B相A相4QS1(变流器模块)IBBM120S2X21X22A相B相C相D相INV1(变流器模块)IBBM120S2X41X42A相B相C相D相INV2(变流器模块)IBBM120S2传动控制单元T1VH1 VH2 VH3热交换器组件（FAN3）LH12X32X31D相C相B相A相4QS2
16、(变流器模块)IBBM120S2KM1KM2KM3充电电阻单元KM4KM5KM6K3K2K1J1 J2 J3XC1XC2LH9LH6固定放电电阻组件（DCHRS）UTBLB1B2B3图4-8（a）TGA9型牵引变流器结构图（主视图）4.5.1 TGA9型牵引变流器概述型牵引变流器概述1、TGA9型牵引变流器结构型牵引变流器结构RCH1KM3RCH3RCH2KM2KM1充电电阻组件（CHRS）C3C6C4C7C5C8风机降压滤波组件K3C1C2二次母排（）二次母排（）支撑电容母排（）支撑电容母排（）KM4KM5KM6K2K1321XFAN1RSL1:1L1:2A3A2X3LH3X2LH2X1LH
17、12VLH82W2ULH71W3WA11VLH51ULH43VLH113ULH10Xp Xn图4-8（b）TGA9型牵引变流器结构图（俯视图）4.5.1 TGA9型牵引变流器概述型牵引变流器概述牵引变流器的冷却方式为强迫水循环冷却，水冷系统示意图见图4-9。变流器各模块采用水冷散热，冷却液由纯水和乙二醇按一定比例混合而成，通过柜体右下方的阀门输入，对变流器模块进行冷却，由柜体右上方的阀门排出；变流器安装有一个水-气热交换器，与冷却风机集成在一起，用于变流器柜体内部的空气循环与降温，防止出现局部过热点；变流器模块、热交换器与水冷管路全部采用快速接头连接，方便快捷插拔，不需要排放冷却系统中的冷却液
18、。图4-9 水冷系统水流示意图4.5.1 TGA9型牵引变流器概述型牵引变流器概述2、牵引变流器的功能、牵引变流器的功能 每台变流器为一个转向架的三台牵引电机供电。为了控制所期望的电动机转矩和转速，变流器根据要求来调节电动机接线端的电流和电压波形，完成电源（主回路）和牵引电动机之间的能量传输，实行对机车牵引、再生制动的连续控制。牵引变流器输入端与主变压器的次边牵引绕组相连，并通过接触器分/合。通过四象限变流器将单相交流电压转变为稳定的中间直流电压。中间直流回路设有支撑电容、谐振电容、接地检测模块和保护模块等。中间电压经过PWM逆变器转换成三相频率和电压可变的输出电压供给三相异步牵引电机。4.5
19、.1 TGA9型牵引变流器概述型牵引变流器概述3、牵引变流器的主要技术特点、牵引变流器的主要技术特点主电路特点：牵引变流器输入端为三重四象限变流器（网侧变流器），直接连接到主变压器的3个牵引绕组输出端；牵引变流器输出端为三相逆变器（电机侧变流器）直接与牵引电机连接；中间直流环节包括支撑电容器、二次谐振电路、过压斩波电路、接地检测电路等。开关元采用IGBT 元件，技术成熟可靠。控制电路特点：变流器输入端采用四象限变流器控制方式，具有中间直流环节电压稳定，功率因数接近于1，能量可再生等优点。输出端采用异步电机直接转矩控制方式，具有动态响应特性优良，控制简介高效，牵引力变化平稳等优点。结构设计特点：
20、各部件采用模块化设计，具有整体结构相对简单，检修维护方便等优点。冷却系统特点：牵引变流器冷却采用水冷却方式，具有冷却效率高，体积质量小，维护方便等优点。4.5.2 牵引变流器的工作原理牵引变流器的工作原理图4-10 变流器电路原理图 牵引变流器电路原理图如图4-10，其功能和状态参数均由T C U监控和保护。机车在牵引工况时，变流器将 主变压器次边绕组上的单相交流电转变成驱动牵引电 机所需的变压变频三相电；制动工况时，牵引电机处于发电工况，变流器将电机发出的电能反馈给电网。4.5.2 牵引变流器的工作原理牵引变流器的工作原理1、传动控制单元（、传动控制单元（TCU）传动控制单元（TCU），采用
21、“异步电动机直接转矩控制”软件和“交流传动模块化设计”硬件设计理念。是在消化吸收HXD1型电力机车技术基础上加以修改和完善的。TCU通过机车MVB网络接收司机指令，将司机指令转化为机车的运行工况。通过MVB总线，TCU将电传动系统与微机网络控制系统联系起来，形成控制与通信系统。其在变流器系统中的地位如图4-11。图4-11 变流器系统原理图4.5.2 牵引变流器的工作原理牵引变流器的工作原理2、输入电路、输入电路输入电路由主接触器和预充电电路构成。输入电路主要由主接触器、充电接触器、充电电阻组成的预充电电路。在变压器每个次边绕组和四象限变流器单相输入之间，都使用了一个主接触器（主接触器）和一套
22、由充电接触器和充电电阻组成的预充电电路。预充电电路主要功能是系统上电时，完成对中间直流电容的预充电。避免上电时强大的冲击电流损坏功率模块。预充电单元以并联方式连接到主接触器。图4-12 输入电路4.5.2 牵引变流器的工作原理牵引变流器的工作原理3、四象限整流器、四象限整流器HXD1型电力机车由两节车组成，每节车设有一个牵引变流箱，每个牵引变流箱由两套相互独立的变流器组成。一个变流器包含两个并联的四象限脉冲整流器。图4-13 变流器模块4.5.2 牵引变流器的工作原理牵引变流器的工作原理4、中间直流环节、中间直流环节 中间直流回路连接四象限变流器和电机侧变流器，主要包括：直流支撑电容 Cd，固定放电电阻，二次谐振支路，接地保护开关 SMT 及接地检测电路，斩波放电(直流放电)电路组成。图4-14是以公共部分和第一路电路为例的中间直流回路。图4-14 中间直流回路
