HXD2型大功率交流传动货运电力机车辅助电气系统

目 录

摘要 ........................................................... 1 前言 ........................................................... 2 一 辅助电气系统 ............................................... 2 二 辅助电路 ................................................... 3

1 辅助电源 .................................................. 4 2 原理说明 .................................................. 4 3 主要技术参数 .............................................. 5 4 负载电路 .................................................. 6 5 库内实验 .................................................. 7 三 辅助变流柜 .................................................. 7 四 结束语 ...................................................... 9 五 参考文件 .................................................... 9 六 后记 ..................................................... 10

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摘要：

本文详细介绍了HXD2型大功率交流传动货运电力机车辅助电气系统的电气原理、技术特点、性能参数和结构组成。对辅助电气系统各电气装置和关键部位进行了功能描述和系统介绍，充分展示了HXD2型电力机车辅助电气系统的技术特性。

关键词：

交流传动 货运 辅助电气系统 技术特点 HXD2型电力机车

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前 言

HXD2型大功率交流传动货运电力机车的辅助电气系统借鉴ALSTOM公司成熟、可靠的技术平台和设计理念，结合国内铁路的实际运用情况，由北车集团大同电力机车有限责任公司和法国ALSTOM公司联合设计而成。整个系统是由三相输出辅助电源、充电机、辅助负载、低压电器和辅助控制单元（ACU）等组成。辅助电源盒充电机及其控制部分集中设计在辅助变流柜里。辅助电源包括2路辅助变流器输出的三相AC 380V电源和1路变压器输出的单相AC 220V电源。充电机有2台，互为冗余，输出DC 110V（20℃时）电源、辅助负载有3种：三相交流380V负载、单相交流220V负载和

直流110V负载。

一 辅助电气系统

辅助变流器从主变流器的中间直接环节取电，采用DC/DC斩波和DC/AC逆变后给负载供电。单节机车有2组辅助变电器装置，一组为变频变压输出（VVVF），一组为恒平衡压（CVCF）输出，互为冗余，当其中任意一组故障时，另一组为所有的辅助负载提供电源，以确保不影响机车的正常运行。

充电机采用DC/DC高频变换的模式，输入电路取自辅助变流器的中间直接电路。充电机具有快速充电和浮充充电功能，具有对蓄电池温度补偿充电功能，能够根据蓄电池的温度变化调节充电电流，使蓄电池的性能发挥和使用寿命达到最佳。单节机车具有1台充电机，为本节的蓄电池充电和为DC 110V负载提供电源，整台（2节）机车的2个充电机互为冗余，任意一节机车的充电机故障时，由另一节机车的充电机为整车的DC 110V负载提供电源。

辅助控制单元采用数字控制技术，通过FIP网络与外设进行数据交换，实现整个辅助系统的功能控制以及状态检测和故障信息的传输，其中低压逻辑控制在硬件上采用冗余设计。

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辅助电气系统具有完善的电气保护和防火保护功能；各攻略模块具有过流、过压、接地、散热器过热等保护功能；各辅助负载具有过载和短路保护功能；电气线路具有防火保护功能，一旦发生线路过热或火灾，相应的防火保护管熔化，空气压力下降，通过检查处理自动采取措施切断机车电源，并通知司乘人员进行故障处理。

整个辅助电气系统的通风系统采用侧墙进风、车下排风的独立通风方式为功率器件提供冷却。

二 辅助电路

HXD2型机车辅助电路主要由辅助电源电路、三相负载电路、单相负载电路、库内辅助机实验和动车电路组成。

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2.1 辅助电源

HXD2单节机车的辅助电源由2组三相输出辅助电源、1组充电机电路、一组AC 220V电路和库内动车电路组成，其中三相输出辅助电源一组为变频变压输出（VVVF），一组为恒频恒压（CVCF）输出。恒频输出为泵类等不需要变频功能的负载供电，输出为交流380V/50Hz；变频输出为风机类需要变频的负载供电。3种输出模式即交流380V/50Hz、304V/40Hz和190V/25Hz。2组硬件电路和器件参数完全相同，主要由输入电路、中间直流电路和输出电路组成。电气原理图见图1、图2.

2.2 原理说明

来自主变流器中间直流电路DC 1800V电压通过输入熔断器和RC吸收电路，送入斩波电路，通过高频斩波控制和滤波电路将DC 1800V电压变换为稳定的DC 545V中间直流电压，为三相逆变器和充电机供电。其中输入熔断器用于完成辅助电源电路的过流保护，RC吸收电路用于完成输入电压的浪涌抑制。在DC 545V中间直流电路中还接有过压抑制电路，是由晶闸管功率元件、电抗器和相应控制电路组成，通过斩波限压的原理，讲能量消耗在电抗器上，从而抑制DC 545V中间直流电路的过电压。三相逆变电路采用IGBT功率元件和PWM控制原理，将DC 545V中间点路电压逆变为三相交流电压，一组为变频变压输出（VVVF）,一组为恒频恒压输出（CVCF），再通过三相电抗器限制短路电流和抑制dv/dt值在规定的范围之内，为机车上的三相负载电路供电。

在CVCF逆变器的输出中，还接有AC 380V/220V单相变压器，其二次输出和并联的电容器，共同组成AC 220V的正弦波滤波器，输出标准波形的交流220V电压，为机车上的AC 220V负载提供电源。

在接有CVCF逆变器的中间直流电路中，还接有充电机电路，其通过电容器组成的半桥电路和IGBT组成的半桥电路共同组成单相半控桥逆变电路，将DC 545V 的电压逆变为交流方波电源，开关频率为10KHz，通过高频变压器变压，再经过全波整流电路和滤波电路输出DC 110V电压（在20℃

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时），为机车上DC 110V负载供电和为蓄电池充电。

辅助电源具有完善的故障冗余功能，以确保在单台装置故障时，辅助系统能够正常工作。输出电源互为冗余，2节单元机车中的充电机也互为冗余，当一节单元机车中的充电机故障时，另一节机车的充电机可以为整节机车的DC 110V辅助提供电源。

各负载电路具有完善的电气保护功能，能够实现过载、短路和接地等保护以及故障隔离。 2.3 主要技术参数

①三相输出辅助电源

数量 2组 额定输入电压 DC1800(1±5%)V 额定输出电压 AC380(1±5%)V 额定容量 135KVA 峰值容量 230KVA(功率因素0.7持续时间3S) 波型 PWM波 dv/dt 小于1000V/µs THD（电流） 小于10% ② 充电机

数量 1组 额定输入电压 DC 545V 额定输出电压 DC 110(1±1%)V(在20℃时) 额定功率 14KW ③AV 220V电源

数量 1组 额定输入电压 AC380(1±5%)V(PWM波)

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额定输出电压 AC220(1±5%)V(正弦波) 频率 50(1±2%)Hz 额定容量 6.9KVA 波型 正弦波 谐波含量THD(电压) 小于5% ④冷却

冷却方式 强迫冷却 通风量 0.3m³/s

2.4 负载电路 2.4 .1 三相负载电路

三相负载电路主要是由泵类负载、风机类负载和生活区负载组成，其中泵类负载包括1台压缩机、4台主变流器水泵、2台牵引变压器油泵和空调等组成；风机类负载主要包括2台牵引风机、2台冷却塔风机、机械间风机和辅助变流器风机等；生活区负载有电暖器、空调等，见表一所示。 2.4.2 单相负载电路

单相负载主要包括干燥器加热装置、前窗玻璃加热装置、司机室220V PC插座、生活间220V电源。 2.4.3 生活间

HDX2机车的生活间设有司机生活所必须的电器设备，包括空调、暖风机、热水器、微波炉、卫生间等生活设施，2节机车生活间的配置有所不同。

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A节机车生活间380V负载主要包括空调和暖风机等，220V负载为预留负载。

B节机车生活间380V负载主要包括卫生间和暖风机等，220V负载为微波炉和热水壶以及220V预留插座。 2.5 库内实验

辅助电机能够完成库内的启机和转向试验，通过地面的三相交流电源和库内动车电路实现，在输入端接有三相相序检测器，以检测输入库内电源相序的正确性。库内动车是只需启动主变流器装置的冷却水泵即可。

三 辅助变流柜

辅助变流柜的结构示意图间图3所示。辅助系统中除辅助负载之外，其他主要装置和功能电路都被集成在辅助变流柜里。整个辅助变流柜采用模块化结构设计，是由输出电路（2套/柜）、降压斩波模块（2套/柜）、过

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压抑制模块（2套/柜）、三相逆变模块（2套/柜）、充电机模块（1套/柜）AC 220V电路（1套/柜）控制单元ACU（2套/柜）、低压电器和冷却机单元等组成。

输入电路用于完成输入电压的检测、显示、浪涌抑制和短路保护；功率模块将功率元件、驱动和保护电路、散热器等集成在一起，通过复合母排进行主电路连接，确保了各自功能的实现；控制单元ACU主要用于完成整个辅助系统的特性控制，包括斩波器、三相逆变器、单相逆变器、过压抑制器等功能功能控制和保护特性控制，以及实现与外部FIP网络进行信息传输的通信功能；冷却风机单元用于完成功率器件的冷却通风，采用独立通风方式。

接触器、空气断路器等低压电器用于完成辅助负载的过载和短路保护，通过手动操作可实现相应负载电流的故障隔离。

从结构功能上来说，采用整机集成技术，讲辅助变流器、蓄电池充电机、单相电源和输出控制集成在一起。

采用模块化的设计思路，提高了系统的稳定性和可维护性，体现了设计的先进性。整个柜内具有10个不同功能的电气模块，2个冷却风机单元。 从接地保护方式上来说，三个AC 380V输出与牵引机电路同用一种保护电路（位于主变流器内）；单相AC 220V电路采用带漏电保护功能的空气断路器来实现接地保护；直流DC 110V电路采用微型空气断路器单点接地模式来实现接地保护。

控制单元采用成熟可靠地FIP网络传输技术，实现与外部设备的通信。 柜体采用镀锌钢板铆接结构，设计及制造工艺先进、EMC电磁兼容性好。

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四 结束语

HXD2型大功率交流传动货运电力机车辅助系统采用国际上先进的设计技术和制作工艺，及辅助变流器、充电机、低压控制和网络传输于一体，采用模块化的结构设计、人性化的操作面板、完善的电气保护和防火保护，采用结构强度和EMC特性良好的铆接柜体结构设计，真正体现了机车的先进辅助系统设计技术，体现了HXD2机车辅助系统设计和制造的“先进、成熟、安全和可靠”。

参考考文

[1]《电力牵引交流传动与控制》 年

[2]《电力电子学》 刘志刚黄济荣 北京机械工业出版社 1998清华大学出版社 2004年

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后语

为期4周的毕业设计终于接近尾声了，在这短短的几个星期里，在这次论文完成过程中，通过查找大量的文献资料，对HXD2型大功率交流传动货运电力机车辅助电气系统有了更深的认识。

论文从课题选择、方案论证到具体设计包括材料的收集和最终的排版，每一步对我门来说都是新的尝试与挑战，论文在陈芳老师的细心指导和严格要求下顺利画上句号。

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课 题编 号系 部 专 业班 级学生姓名指导老师完成日期 11

HXD2型大功率交流传动货运电力机车辅助电气系统JC309-4-07 机 车 车 辆 系 铁道机车车辆 机车车辆309-4班 吴海波 张熹 毛小龙 陈芳 2012年6月1日