HXD1电力机车主电路
HXD1电力机车主电路
图1 hxd1电力机车主电路原理图
每台hxd1电力机车由两节机车构成，每节机车有一套完整的电传动系统。该系统由一台拥有1个原边绕组、4个牵引绕组和两个2次谐振电抗器的主变压器通过2个pwm四象限变流器（4qc）向两个独立的中间电压直流环节供电。每台转向架上的2个三相感应电动机作为一组负载，由连接在两个中间直流环节中的一个脉宽调制逆变器供电，主电路原理图如图1所示。
电力机车中牵引传动系统的等效电路如图2所示。
图2 牵引传动系统等效电路图
图2中，v s是牵引变电所大系统折算到机车变压器副边的电压值，是理想电压源，
z
是牵引变电所大系统到机车接入端口折算到变压器副边的阻抗，与系统短路容s
量等有关；v in是变压器原边折算到副边的电压值，z in是变压器(含pwm交流电抗器)折算到变压副边的阻抗；v ac是pwm四象限变流器输入端的电压，i dc是牵引电机逆变器直流侧的等效电流值
2 网侧电路
网侧电路原理如图2 所示, 其主要功能是由网侧获取电能, 属于25 kV 电路。每节机车网侧电路由一台受电弓、一台带高压接地装置的主断路器、一台避雷器、一台高压电压传感器、一台高压电流传感器、一台高压隔离开关、主变压器原边、回流侧互感器和接地碳刷等组成。两节机车间网侧电路通过高压连接器相连。
2.1 原边接地保护
检测原边电流和回流电流的差值, 当大于整定值时,判定为原边接地, 主断路器进行分断保护。
2.2 主变压器次边和主变流器短路保护
如果变压器二次线圈或主变流器发生短路, 则在检测到短路的瞬间断开主断。由于变压器的高短路阻抗, 从而限制了短路电流。
2.3 硬短路保护电路
中间直流电路中装有短路保护装置。在出现贯穿短路时, 主断路器将分断网侧电流; TCU 将封锁四象限和PWM逆变器的触发脉冲, 并触发硬短路保护装置, 用来吸收短路回路释放的能量。
2.31 接地保护电路
接地保护电路由跨接在中间电路的两个串联电阻和一个接地信号检测器组成。如果检测到接地故障, 主断路器( HVB) 将断开, 然后故障中间直流环节电路也将断开,但机车仍可以在降功率的条件下继续运行。
2.32 过压保护
在直流回路电压大于整定值时, 触发软短路器, 断开主断路器HVB。
2.33 过流保护
每个4QC 和PWM的支路有两个并联的IGBT 模块。在短路和其它故障情况下, 在达到最大支路电流前自动封锁相关的模块触发脉冲。
2.34 牵引电机的短路保护
当牵引电机端子或绕组内发生短路时, PWM的触发脉冲将被封锁。
2.4 四象限变流电路构成
如图1 所示, 四象限变流器通过主变压器的牵引绕组得电, 每组四象限变流电路由1 个充电电阻、3 个交流接触器及2 个四象限变流器构成, 两个变流器将交
流电变换成直流电, 并联向中间回路供电。四象限脉冲整流器每一臂由两个IGBT 模块并联组成。
2.41 工作原理
充电过程如图1 所示。当中间电压为零, 充电时, 牵引绕组1.1 和1.2 通过充电电阻向四象限变流器供电, 给并联的中间直流回路支撑电容充电。充电完成后, 充电接触器切除充电电阻, 两个牵引绕组通过线路接触器同时向两台相应四象
限变流器供电。充电电阻起限制充电电流的作用。四象限变流器原理图及牵引和再生制动电压电流矢量图见图3。
四象限电路使得中间直流环节的电压保持恒定, 变压器次边的功率因数接近于1。
图6 PWM逆变电路
HXD1 型机车PWM逆变电路的原理简图见图4
3.1 PWM控制原理
PWM逆变电路采用磁场定向控制策略, 此策略是一种基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制技术, 通过对定子电流的励磁分量和转矩分量的解耦控制, 达到
分别控制电机磁链和转矩, 实现快速响应的目的[1]。通过正弦脉宽调制技术控制PWM变流器的输出, 根据电机特性曲线要求优化变流器的输出特性, 使得在牵引和制动工况下, 对牵引电动机的电流最大值限制进行控制。系统调节框图见图
5。
1—磁通调节器; 2—形成磁通的电流分量调节器; 3—退耦和预控
制; 4—形成转矩的电流分量调节器。
图5 磁场定向调节框图[2]
4.1 辅助电路
在牵引变流器中系统集成了两个辅助逆变器, 分别由一路中间直流回路供电,
在正常状况下, 这两个辅助逆变器一个工作在变频变压模式, 一个工作在恒频
恒压模式, 为各自所带负载供电。这样, 简化了电路结构, 减少了部件数量, 从而有效降低系统故障概率, 提高系统稳定性。辅助供电采用冗余设计, 当一个辅助逆变器模块出现故障, 另一个将承担所有负载。此时所有辅助设备都以恒频恒压方式工作。
5 机车保护及故障诊断
HXD1 型机车采取了很多保护措施以防止过电流、过电压及过热对部件及系统造成破坏, 保护形式大致分为硬件禁止和指令封锁。硬件禁止主要是在网侧高压保护方面, 分为主断禁止( HVB_SP) 和高压禁止( HV_SP) 。前者对应本节车的受电弓或主断出现故障, 但是可以通过车顶隔离开关从另一节车接入网压; 后者
对应本节车出现严重故障, 不允许接入网压, 本节车失去牵引力。指令封锁具体表现为牵引封锁, 当机车出现异常情况的时候,禁止司机给出牵引指令, 防止故障扩大。CCU 对各部分电路的电源控制开关及各辅机接触器的状态进行实时检测。如果开关或接触器断开, 在司机显示器上可以看到相关信息, 同时在CCU 里面
会记录该信息, 例如: 如果接触器34- Q01 断开, 马上会显示“牵引风
机1 的接触器34- Q01 断开”。各种故障对应不同的代码, 显示在司机显示器上。在事件总览页面, 可以查看每个故障对应的故障代码、故障等级( A～D 四级) 、部件类别、事件简短描述、故障出现在
动车或不动车时司机分别应该采取的措施、其它有关信息。