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SS4G型电力机车与HXD3型电力机车主/辅/控电路比较

2023-1-15 01:21| 发布者: admin| 查看: 369| 评论: 0

摘要: 摘 要随着我国电气化铁路及电力机车技术的不断发展,电力机车在产品的结构、形式、质量等各个方面都有了很大的改进和提高。作为机车乘务员,我

摘 要

随着我国电气化铁路及电力机车技术的不断发展,电力机车在产品的结构、形式、质量等各个方面都有了很大的改进和提高。作为机车乘务员,我们有责任和义务必须熟悉和掌握电力机车控制电路的基本工作原理,并通过系统的分析、比较来提升自己的专业素质。

在如今的社会公共交通发展中,铁路运输任然起着至关重要的作用,这就要求机车能够达到多拉、快跑。我国早期的电力机车是交直流型电力机车,和如今的交直交型电力机车相比有着自身难以克服的技术缺陷,随着电力电子技术和计算机控制技术的发展,机车电传动及控制技术进入了交流传动和网络控制时代。

本文主要通过对SS4G型电力机车与HXD3型电力机车主/辅/控电路进行比较,逐步分析SS4G型电力机车与HXD3型电力机车在电路上的工作原理,同时通过分析三大电路来不断提升我们对电力机车控制的认识,达到提升专业素质的目的。


关键词:SS4G电力机车; HXD3电力机车;电路比较;

第1章 绪论

电力机车作为一种现代化铁路牵引动力,在铁路运输中得到愈来愈广泛的应用。从电力机车控制的基本组成我们能够知道,电力机车电气铁路通常由三部分组成即主线路、辅助线路和控制线路。主电路是指将牵引电动机及其相关的电气设备连接而成的线路,该线路具有电压高、电流大的特点[1]。辅助线路是指将辅助设备及其相关电气设备连接而成的线路,它的作用就是为了保证机车主线路的设备充分发挥功率,确保机车正常工作、改善机车乘务员工作条件而设置的。控制线路是由控制电源、主令电器及控制电气设备组成的电路。

1.1 电力机车概念

电力机车一般是通过受电弓从接触网上获得电能,由电动机驱动的机车或者动车。电力机车本身不带能源,因此也被称为非自给式机车[2]。由于它的非自给性,电力机车的效率同内燃机车、蒸汽机车更为优越。从而电力机车具有功率大、过载能力强、牵引力大、速度快、整备作业时间短、维修量少、运营费用低、便于实现多机牵引、能采用再生制动以及节约能量等优点。因此使用电力机车牵引车列,可以提高列车运行速度和承载重量,从而大幅度地提高铁路的运输能力和通过能力,现在已经成为铁路最为理想的牵引动力[3]。

1.2 电力机车的类型

电力机车一般是从接触网上获取电能,接触网供给电力机车的电流有直流和交流两种。由于电流制不同,所使用的电力机车机型也不一样,基本上可以分为以下几类:直-直型、交-直型、交-直-交和直-交型电力机车。

(1)直-直流电力机车采用直流串励牵引电动机,其核心就是控制直流牵引电机,牵引变电所内设有整流装置,它将三相交流电变成直流电后,再送到接触网上。因此,电力机车可直接从接触网上获取能源,但接触网的电压低,一般为1500V或3000V,如早期地铁、工况类电力机车、城市无轨电动车组,因此接触导线要求很粗,要消耗大量的有色金属,加大了建设投资。

(2)交-直流电力机车又称直流整流器电力机车,使用直流牵引电机牵引。目前世界上大多数国家都采用工频(50Hz)交流制,或25Hz低频交流制。在这种供电制下,牵引变电所将三相交流电改变成25kV工业频率单相交流电供给串励电动机使用,把交流电变成直流电的任务在机车上完成。由于接触网电压比直流制时提高了很多,接触导线的直径可以相对减小,减少了有色金属的消耗和建设投资。因此,工频交流制得到了广泛采用,世界上绝大多数电力机车也是交-直流电力机车,如我国的韶山系列电力机车[4]。 

(3)交-直-交电力机车采用直流串励电动机,最大优点是调速简单,只要改变电动机的端电压,就能很方便地在较大范围内实现对机车的调速。但是这种电机由于带有整流子,使制造和维修很复杂,体积也较大。而交流无整流子牵引电动机(即三相异步电动机)在制造、性能、功能、体积、重量、成本、及可靠性等方面远比整流子电机优越得多。因此,只有当电子技术和大功率晶闸管变流装置得到迅速发展的今天,才能生产出采用三相交流电机的先进电力机车。交-直-交电力机车从接触网上引入的仍然是单相交流电,它首先把单相交流电整流成直流电,然后再把直流电逆变成可以使频率变化的三相交流电供三相异步电动机使用,这种机车具有优良的牵引能力,很有发展前途,如HXD3系列电力机车、CRH系列动车组[5]。

(4)直-交型:接触网(或第三轨)使用直流电压为750V、1000V或者1500V等不同电压等级的直流电,直-交型电力机车采用直流供电,以交流异步电机驱动,主要是城际交流动车组。

其中,直-交型和交-直型电力机车因使用直流牵引电机,习惯称为直流型机车;交-直-交型和直-交型电力机车使用交流牵引电机,故又称交流型机车。

1.3 牵引传动系统的组成

牵引传动一般由高压电气设备、牵引变压器、牵引变流器和牵引电机等组成。

(1)高压电气设备:完成从接触网到牵引变流器的接通与断开,主要电器有受电弓、主断路器、避雷器、高压电压互感器、高压电流互感器等。

(2)牵引变流器:将25KV高压电转换成机车电器合适的各种电压,次边包含有多个绕组。

(3)牵引变流器:直流型电力机车的牵引变流器由相控整流器组成,其作用是将交流电转换成直流电,供直流牵引电机使用。交流型机车的牵引变流器由四象限整流器、中间直流环节和逆变器组成,其作用是将单相交流电转换成可变压、变频的三相交流电,供三相交流牵引电机使用。

(4)牵引电机:实现电能与机械能的转换,分直流牵引电机和交流牵引电机两大类。

1.4 电力机车的组成

电力机车是一种通过外部接触网或者轨道供电,由牵引电动机驱动的现代化牵引动力装置。电力机车由机械部分、电气部分和空气管路系统三部分组成。

(1)机械部分:由车体、转向架、车体与转向架的连接装置和牵引缓冲装置组成。走行部是承受车辆自重和载重,在钢轨上走行的部件,车体用来安装各种设备,是乘务人员的工作场所。

(2)电气部分:包括主电路、辅助电路、控制电路以及它们的保护系统,主要有牵引电动机,牵引变压器,整流硅机组,各类电器等。

(3)空气管路系统:由风源系统、制动机管路系统、控制管路系统和辅助管路系统组成。主要为机车车辆供给牵引或制动时所需的压缩空气,以及各类电气设备所需的压缩空气。

1.5 选题意义

自2006年和谐型大功率交流传动机车诞生及到现在大批量的投入运用,标志着我国铁路机车行业成功实现了由直流传动向交流传动的转化,机车装备现代化和机车设备制造业现代化发展进入了新的历史时期。韶山4改进型电力机车,代号SS4G,是在SS4、SS5和SS6型电力机车的基础上,吸收了8K机车一些先进技术设计的,在韶山系列电力机车中最具代表性。而HXD3型电力机车是目前世界上批量投入运行的6轴电力机车中功率最大的交流传动电力机车,该机车能够满足我国铁路重载、快捷货物运输的需要,体现了巨大优势。

本文结合SS4G型电力机车与HXD3型电力机车主/辅/控电路进行分析,理清SS4G和HXD3型电力机车在三大电路上的异同,提高我们对两者工作原理的认识。

第2章 电力机车主电路系统

2.1 电力机车主电路概述

将产生牵引力和制动力的各种电气设备连成一个电系统,以实现功率传输的主体电路叫做主电路,或称为动力电路。

SS4G电力机车是由两节车重联组成一台车,每节车的主线路完全相同且完全独立,依靠重联电缆和重联插座联通整台车的主线路。HXD3型电力机车为大功率交流传动机车,机车电气系统采用交-直-交传动轴控技术,具有起动牵引力大、恒功率、速度范围宽、黏着性能好、功率因素高等特点。

SS4G型电力机车的主电路主要由网侧电路、整流调压电路、牵引电路、加馈电阻制动电路、功率补偿PFC电路、主电路保护电路组成;而HXD3型电力机车的主电路由网侧电路、主变压器电路、主变流器电路及牵引电路电机电路组成。

2.2 网侧电路

SS4G型电力机车的网侧电路是指变压器原边至接触网之间的电路(包括网侧低压部分)。网侧电路的主要设备有受电弓1AP、主断路器4QF、避雷器5F、高压电压互感器6TV(25KV/100V)、高压电流互感器7TA(200A/5A)、主变压器8TM等,其中避雷器5F取代了以往的放电间隙,用于过电压和雷击保护。而HXD3型电力机车网侧电路主要由受电弓、主断路器、高压电流互感器、高压电压互感器等组成,其中单相工频交流电25KV接触网电流通过受电弓AP1或AP2及相应的隔离开关QS1或者QS23进入3号母线,分成两路,一路由TV1接测量单元,另一路由主断路器QF1通过高压电流互感器TA1进入机车主变压器,为机车牵引电机提供电能。与SS4G型电力机车不同之处在于高压电压互感器TV1接在主断路器QF1之前,不受主断路器的控制,同时高压电流互感器TA1之前接有避雷器F1,用于抑制操作过电压及大气过电压,高压电流互感器的次边接KC1原边过流保护继电器。

2.3 整流调压电路

SS4G型电力机车的整流调压电路采用三段不等分半控桥式整流调压电路,通过该电路,把交流电转变成直流电,供给牵引电机使用,控制直流牵引电机的端电压来实现机车的牵引控制,每节机车采用两套独立的整流调压电路,同步工作,分别向相应的转向架独立供电,如牵引绕组a1b1x1和a2x2供电给一端主整流器70V,即供电给前转向架上的1、2位电机,牵引绕组a3b3x3和a4x4供电给二端主整流器80V,即供电给前转向架上的3、4位电机。

而HXD3采用6个1450V牵引绕组分别用于两套主变压器(UM1、UM2)的供电,两个399V辅助绕组分别用于辅助变流器(APU1、APU2)的供电,主变压器(TM1)将25KV的接触网电压变换成电力机车所需的各种电压,满足各种电器的工作的需要。

HXD3型电力机车中,采用的是两组主变流器,并且每组主变流器内均含有3个牵引变流器,分别由主变压器的牵引绕组供电,6组牵引变流器经过整流逆变后,分别向牵引电机M1-M6供电。HXD3的牵引变流器UM1电路由整流、中间直流电路、逆变3个关节组成,这3个环节的主电路和控制电路相对独立,分别提供给三个牵引电机。

HXD3型电力机车牵引变流器采用四象限整流电路,不仅可以工作在整流状态,即电能从接触网到牵引电机,也可以工作在逆变状态,如再生制动时,可以把列车的动能和位能变为电能反馈到电网中,即牵引时,工作在1、3象限,逆变时工作在2、4象限。中间直流电路主要由支撑电容、接地保护和瞬时过电压限制电路组成,能够保证电路的稳定性,完成瞬时功率平衡。而逆变电路由U、V、W三相逆变单元构成,将PWM整流器的直流输出转换成交流电来驱动电机,通过改变逆变器电路的输出电压(VV)和输出频率(VF)来控制牵引电机的转矩和转速。

2.4 牵引电路

SS4G型电力机车采用转向架独立供电方式,即全车四个二轴转向架,具有四台独立的相控整流器,能够充分提高黏着作用,一台整流器故障时,可以切除一台转向架,保留3/4的牵引力。SS4G型电力机车通过磁削达到机车调速的目的,SS4G型电力机车通过改变主极绕组电流实现磁削调速,也就是使牵引电机电枢电流中的一部分流过牵引电机主极绕组,另一部分进行分路(电阻分路法),从而完成磁削。其牵引电路动力配置为2(B0-B0),每节2台转向架、4台牵引电机,每一转向架的两台电机背向布置,其旋转方向相反,目的就是为了减少轴重转移。前转向架上的1、2电机并联,由整流装置70V供电;后转向架上的3、4电机并联,由整流器80V供电,电路完全相同且完全独立。

而HXD3型电力机车的牵引电机M1-M3由牵引变流器UM1的三个PWM逆变器分别单独供电,实现牵引电机的独立控制。当一个机组发生故障时,只需要切除这个机组,切除一个机组后,机车仍能保持六分之五的牵引力。同时三个独立的逆变电路分别为一台牵引电机独立供电,电路设有电流互感器CTU、CTW,对牵引电机过载及牵引电机三相不平衡起控制、监视和保护作用。

2.5 主电路保护

2.5.1 网侧过流保护

SS4G型电力机车通过网侧电流互感器7TA和原边过流继电器101KC检测,动作值320A,原边过流时,主断路器就会动作。主变压器次边过流保护通过电流互感器177TA,进行保护,使4QF动作,动作值为3000A(1±5%)。而HXD3通过接高压电流互感器TA1接原边过流继电器KC1,当原边电流达到保护值800A,对应次边电流达到10A时,继电器KC1就会动作,将联锁触点的信号送给TCMS,跳开主断路器。

2.5.2 牵引绕组保护

SS4G型电力机车牵引绕组中,通过71C和73R组成的RC吸收器来吸收牵引绕组中的过电压。而HXD3型电力机车牵引绕组过流保护由电流互感器ACCT担当,动作值1960A。当牵引绕组过流时,四象限脉冲整流器和逆变器的门极被封锁,输出回路中的工作接触器K断开,向微机控制系统发出“跳主断路器”信号。

2.5.3 牵引电机保护

SS4G型电力机车牵引电机过流保护分为牵引工况和制动工况下的牵引电机过流保护。牵引工况时,牵引电机的过流保护通过电流传感器111SC使4QF动作,其动作值为1300A(1±5%);制动工况时,电机电枢过流保护通过电流传感器111SC使励磁过流中间继电器559KA常闭联锁断开励磁接触器91KM电路,解除电阻制动,其动作值为1000A(1±5%),同时制动工况下,励磁绕组过流由电流传感器199SC感测使559KA断开,使91KM线圈失电,切断励磁电路,其动作值为1150A(1±5%)。而HXD3型电力机车牵引电机过流保护,是在每组牵引变流器的输出回路中设有输出电流互感器CTU、CTW,对牵引电机过载及牵引电机三相电流不平衡起到控制保护的作用,其动作值为1400A,当牵引电机过流时,四象限整流器和逆变器的门极均被封锁,输出回路中的工作接触器断开,同时向微机控制系统TCMS发出“CI过流”,断开主断路器。

2.5.4 主电路接地保护

SS4G型电力机车主接地保护通过接地保护继电器动作,即当主电路发生接地时,接地保护继电器97KE(98KE)线圈就会得电,发出信号使主断路器跳闸。

而HXD3主回路正常时,接地保护电路中没有电流流过,若有一点接地,则接地信号检测传感器GCT没有信号输出。接地信号检测传感器GCT2,接地电阻GR21、GR22,动作保护值10A。保护发生后,四象限脉冲整流器和逆变器的门极被封锁,输出回路中的工作接触器断开,向微机控制系统发出“跳主断”信号。

2.6 其他电路

SS4G型电力机车与HXD3型电力机车主电路相比,还拥有其独特的电路,加馈电阻制动电路、功率因数补偿装置(PFC)电路。

机车电制动利用的是电机的可逆性原理。牵引工况时,电机作为电动机运行,将电网电能转变为机械能,其电枢轴上输出牵引转矩以驱动列车运行;电制动工况时,列车惯性力带动电机旋转,电机作为发电机运行,将列车动能转变为电能,输出制动电流,产生的反向转矩并作用于轮对,形成制动力,使列车减速运行或在下坡道以一定速度运行。

而加馈电阻制动又称为“补足”电阻制动,在常规电阻制动中,电机电枢电流随机车速度的减小而减小,机车轮轴周制动力也随着机车的速度变化而变化。加馈电阻制动就是为了提高机车在低速运行时的轮周制动力,从电网中吸收电能,补足到电机电枢电流中去,以此来获得理想的轮周制动力。加馈电阻制动的优点就是能够加宽调速范围,同时能够较方便的实现恒制动力控制。

由于相控调压的交-直型电力机车的功率因数较低,不仅设备利用率低,还会影响电网的供电质量,造成对电网的污染,因此在机车主变压器的二次侧绕组的两端,跨接有功率因数补偿装置(PFC)。机车功率补偿装置就是为了减少高次谐波成分,以提高机车的功率因数,降低对铁路沿线的通信干。

第3章 电力机车辅助系统

3.1 辅助系统概况

SS4改型电力机车辅助电路系统是由为主电路服务的各种辅助电气设备和辅助电源连成的系统,主要辅助主电路完成各个功能。SS4G型电力机车辅助系统由辅助供电电路、辅助负载电路、辅助保护电路组成。辅助供电电路用于将单相交流电通过劈相机转换成可供三相设备使用的三相电;辅助负载电路中辅助设备有单相设备和三相设备;辅助保护电路为辅助电路提供保护,如零压保护、接地保护、辅助过流和过压保护。

而HXD3型电力机车的辅助电路系统由辅助变流器、各辅助机组、110V充电电源模块、辅助加热装置四部分组成。辅助变流器为通风机、压缩机等辅助机组提高三相辅助电源。该系统具有VVVF控制和CVCF控制两种功能,系统中两台冷却塔风机和6台牵引风机采用VVVF控制模式,可根据机车运行状况所需的通风量运转;其他负载采用CVCF模式。

同时在HXD3型电力机车中装有两组辅助变流器。正常工作时,UA11采用VVVF控制,UA12采用CVCF控制。当某一组变流器出现故障时,另一组变流器将采用CVCF控制模式,为所有的辅助负载提供能量。

3.2 辅助供电电路

SS4G型电力机车辅助电路的电源由转换开关235QS(三刀双投)进行转换,机车正常运行时,转换开关235QS置“上”(运行)位,可以获得单相380V交流电或226V的交流电;机车库内检修时,235QS置“下”(库用)位,利用库用插座294XS引入单相或三相380V电源。SS4G型电力机车的辅助电路由劈相机将单相交流电变为三相交流电,供给其他三相辅助设备,每节机车设有一台劈相机,由劈相机接触器201KM控制。同时劈相机不能自行起动,必须采用电阻分相起动法起动,劈相机起动过程的电压由电压继电器283AK进行检测,并控制213KM的通断。SS4G型电力机车为单劈相机设置,运行中若劈相机故障,为保证其他辅机能够继续工作,可使用第一牵引风机代替劈相机起动。第一牵引风机代替劈相机工作,此时故障的车节是通风机代替劈相机工作,另一车节仍然是劈相机工作,故两节车不能重联。

而HXD3型电力机车均设有两台变流装置,每台变流装置内含有3组主变流器和1组APU辅助变流器,即每台机车共设置两组APU,APU1主要为6台牵引电机通风机和两台复合冷却塔通风机提供变压变频的电流,APU2主要是为两台压缩机电动机、两台牵引变压器油泵、两台主变流器水泵、两台司机室空调、两台辅助变流器风机提供恒压恒频的电源,同时APU2还经过隔离变压器分别向司机室辅助加热设备、卫生间及压缩机加热回路和低温预热设备提供220V和110V的交流电。在正常情况下,两组辅助变流器全部投入工作,以50%的额定容量运行。

3.3 辅助负载电路

SS4G型电力机车劈相机启动完成后,为辅助机组提供了三相不对称380V交流电源,其中SS4G型电力机车辅助电路的负载电路有单相380V负载和单相220V负载两种类型。如单相380V负载电路窗加热电路、取暖电路,单相220V负载电路热饭电炉、空调机。

而HXD3型电力机车辅助电路有辅助变流UA11负载电路、UA12负载电路及其他电路组成,其中辅助变流器UA11的输出经过滤波装置LC,再进过输出接触器KM11给牵引分机和冷却塔风机供电,正常情况下,由于负载属于风机类负载,按VVVF模式运行,可以确保适应机车运行状态的冷却风量和降低噪声;CVCF属于辅助变流器备用冗余时使用,为辅助系统所有的电机提供应急供电。UA11的输出电压被送入辅助滤波装置LC中,经由ACL1和ACC1组成的交流滤波器滤波,将PWM电压波形变为近似正弦波电压,通过输出接触器KM11给牵引风机和冷却塔风机供电[6]。其中辅助电机均通过各自的自动开关与辅助变流器连接,不设电磁接触器,使得辅助电机电路更简化、更可靠。当辅助变流器采用软起动时,其他辅助电机也随之起动。

同时HXD3型电力机车辅助变流器UA11、UA12的脉冲整流器由主变压器二次侧3U1-3V1和3U2-3V2线圈供电,将单相交流电转换成恒定电压的直流电供给逆变器单元,将其转换为三相交流电,对辅助电机分类供电。当某一套辅助变流器发生故障时,机车微机控制系统通过监控自动发出指令,断开与故障APU相对应的输出接触器KM11和KM12,再自动闭合故障转换接触器KM20,切除故障APU组,把发生故障的辅助变流器的负载切换到另外一组辅助变流器,从而保证机车辅助电机供电系统的可靠运行。

3.4 辅助保护电路

3.4.1 辅助过流保护

SS4G型电力机车的辅助过流保护电路是当辅助回路出现过电流(电流大于2800A)时,辅助过流继电器282KC动作,4QF跳闸,同时“辅过流”信号灯亮。而HXD3型电力机车在每一组辅助变流器的输入回路中,设有输入电流互感器ACCT,起控制和监视辅助变流器充电电流及辅助绕组短路电流的作用,其动作值1660A。当保护发生后,四象限整流器的门极均被封锁,工作接触器K、充电接触器AK均断开,向微机控制系统发出“跳主断”信号,故障消除后10S内自动复位,若此故障在2分钟内连续发生两次,该辅助变流器将被锁死,必须切断辅助变流器的控制电源才能够解锁。

3.4.2 辅助过压保护

SS4改型电力机车当辅助绕组或电路中出现过压时,由跨接在辅助绕组a6 x6两端的RC过电压保护装置(由260R、255C组成)提供保护。而HXD3型电力机车中DCPT4用于四象限整流器的控制,中间回路电压大于等于825V或小于等于580V时,四象限整流器门极被封锁,四象限整流器停止输出。DCPT5用于逆变器的控制,中间回路电压大于等于825V或小于等于270V时,逆变器停止输出。

3.4.3 辅助负载的过载保护电路

SS4改型电力机车辅助电机过载保护采用自动开关保护,各辅助电机三相回路中都设有三相自动开关,当某回路中发生过流时相应自动开关跳开,切断三相电源并显示故障信号。

HXD3型电力机车当辅助电路中的异步电机发生短路、堵转等故障时,通过对应的自动开关实现保护,并通过微机显示屏和故障指示灯给出相应的故障指示。同时输出电流互感器CTU和CTW动作值850A,保护发生时,逆变器的门极均被封锁,向微机控制系统发出“跳主断”的信号,故障消除后10秒内自动复位。若此故障在2分钟内连续发生6次,该辅助变流器将被锁死,必须切断辅助变流器的控制电源才能够解锁。同时,110V充电模块输入电源也设有短路过载保护,每组辅助变流器均可向DC110V充电模块提供DC750V电源,输出电源回路中通过熔断器DF进行短路过载保护,熔丝额定值为215A,当DF熔断后,辅助变流器就会将信号传给微机控制系统TCMS,进行DC110V电源装置输入电源的转换。

3.4.3 辅助电路接地

SS4改型电力机车通过在变压器辅助绕组X6与大地之间设有辅助电路接地保护装置,由接地继电器285KE、整流元件291U、限流电阻262R、电容257C、辅助接地故障隔离237QS组成,当某点接地时,保护装置的零电位点与故障接地点是同电位,构成闭合回路,4QF动作,“辅接地”灯亮,保护设备不受损坏,以防事故的扩大。

而HXD3型电力机车辅助电力的接地保护由接地检测单元CR-U、接地电容CRC5、CRC6、接地电阻CR4A及接地故障隔离开关CS7组成,当对应的辅助回路发生接地故障时且确定只有一点接地时,可以将其开关置“中立”位,回段处理,也可以将该辅助变流器切除,机车维持一组辅助变流器供电,回段处理。

第4章 电力机车控制电路系统

4.1 控制电路概述

电力机车控制线路是机车三大电路中最为复杂的线路,是一种逻辑电路,属于低压直流小功率电路。主要由司机控制器、低压电器、主电路及辅助电路中的各电器电磁线圈及各电器的联锁、开关等组成,通过司机控制器控制台上各扳键开关和司机控制器手柄位置操纵,完成对主电路、辅助电路中各电气设备工作的控制,从而完成对机车的牵引、制动的操作和控制。

SS4G型电力机车司机控制器由调速手轮和换向手柄组成,调速手轮可在“牵引”或“制动”区域内操纵主轴转动,带动电位器转动,通过电位器输出电压的改变实现机车调速的目的;而换向手柄则有“后”、“0”、“制”、“前”、“I”、“II”、“III”共7个位置,实现机车运行状态及运行方向的转换,控制磁场削弱等级。

而HXD3型电力机车中TCMS是机车控制监视系统,其作用是根据司机指令对主、辅变流器和异步电机进行实时控制,对牵引/制动特性和传动系统的时序逻辑进行控制。同时还能够显示机车运行的状态,具备完善的故障保护、故障记忆及显示功能,并在一定程度上具备故障自检。自动切换和故障处理指导功能。其中TCMS系统包括一个主控制装置和两个显示单元,主控制装置设有两套控制环节,一个为主控制环节,另一个为热备控制环节。当主控制环节故障时,热备控制环节就会立即自动投入工作。

4.2 控制电源

SS4G型电力机车控制电源为110V,由全波半控桥式整流稳压装置提供,机车在库内时可由控制电路库用插座KCZ直接输入110V电源,或者向蓄电池进行正常充电。在一般情况下,机车在库内可以通过辅助电路库用插座FCZ输入380V单相电源,由稳压电源投入工作提供控制电源。另外110V直流电经过逆变、滤波产生15V、24V、48V电源,分别供给机车司机台信号(﹢15V)、仪表照明(+24V)及机车自动信号(+48V)使用[7]。

而HXD3型电力机车DC110V控制电源采用的是高频电源模块PSU与蓄电池并联、共同输出的工作方式,再通过自动开关分别送到各条支路上,比如说微机控制、机车控制、主变流器、辅助变流器、车内照明、车外照明。其中DC110V电源由四部分电源输入电路、预充电电路、DC110V输出电路和控制电路组成,而PSU的输入电源来自辅助变流器UA11和UA12的中间直流回路,正常情况下,由UA12向PSU提供DC750V电源,当UA12故障时,就由UA11向PSU提供750V的直流电源。电源中有两组电源模块APU1和APU2,通常只有一组工作工作,故障发生后另外一组才会自动起动。同时PSU电源装置上设有两个装换开关SW1和SW2,其中SW1有两个挡位,即TCMS控制和手动控制;SW2也有两个挡位,即模块1和模块2。TCMS挡表示由微机自动控制,手动控制表示人为设定,奇数日模块1工作,偶数日模块2工作。如果其中一个模块出现故障,可自动切换到另一模块,但是在手动控制状态下,若电源出现故障,则不能够进行自动切换。

4.3 受电弓控制电路

SS4G型电力机车受电弓准备电路的目的是为了确保高压室门不能打开,为升弓做准备。升弓前,关闭好车顶门、高压室门,门联锁保护阀287YV得电后同时气路畅通即升弓气阀1YV得电,受电弓才能升弓。其中前、后弓是根据司机的操纵端来确定的,操纵端为前,非操纵端为后。

而HXD3受电弓操作是当SB41置“前”受电弓或“后”受电弓时,受电弓电控阀YV41或者YV42线圈得电,在空气管路压力正常的前提下,受电弓AP1或者AP2升起,当SB41置“0”位时,受电弓降下。

4.4 主断路器控制

SS4G型电力机车单节机车控制时,闭合主断路器开关401SK后,主断路器合闸后562KA得电,539KT延时1S释放,其常开触头分别断开主断路器的合闸线圈和恢复线圈电路,防止上述线圈长时间得电而烧损。

而HXD3型电力机车主断路器操作由扳键开关控制,扳键开关为自复式,正常位是“0”位。当开关置“主断合”位一次时,如果主断路器闭合的相关逻辑正常,主断路器QF1线圈得电,在空气管路压力正常的前提下,主断路器闭合;当扳键开关在“主断分”位一次时,主断路器线圈失电,主断路器QF1分段。

4.5 压缩机控制

SS4型电力机车每节车都安装有一台主压缩机和一台辅助压缩机,对于往复式压缩机,起动电空阀247YV的作用是在压缩机开始工作时排除风管中的压缩空气,以消除起动时压缩机气缸内的气体背压,保证压缩机的正常起动。其中压缩机通过压力调节器517KF调节,当总风缸的风压低于750KPa时闭合,风压高于900KPa时断开,其中按下强泵408SK,主压缩机投入工作,不受517KF的控制,直接强行泵风,但当总风缸压力达到950KPa时,压缩机高压安全阀喷气警告司机及时关闭强泵风开关[8]。

而HXD3型电力机车空气压缩机操纵是在辅助变流器工作的前提条件下,当开关置“压缩机”位,并且总风缸空气压力继电器KP51-1(风压低于750KPa时闭合,风压高于900KPa时断开)、KP51-2(风压低于825KPa时闭合,高于900KPa时断开)闭合时,空气压缩机1、2依次投入工作,当风压低于825KPa时KP51-2闭合,但KP51-1打开,此时只有操纵端的压缩机工作。当开关置于“0”位,若空气压缩机接触器KM13或KM14失电断开,则空气压缩机就会停止工作,如果总风缸空气压力继电器KP51发生故障时,空气压力开关不能正常闭合,则可以将扳键开关置于“强泵风”位,强制使空气压缩机1、2工作。

4.6 控制保护电路

控制电路是指与主电路、辅助电路有关的执行控制。保护的结果有两种,一是跳主断路器进行保护,另外一种就是切除接触器。在SS4G型电力机车中,当高压电流互感器检测到原边过流时,原边过流保护继电器101KC就会动作(101KC动作值为320A),就会使565KA得电,使4QF得电跳主断路器。而次边过流的检测由电流互感器177TA、187TA、176TA、186TA进行检测,检测结果送入AE电子柜判断是否过流,若电流超过动作值3000A(1±5%)时,AE电子柜送出DC110V的电压信号使565KA得电跳主断路器。同时牵引电机的过流检测由111SC、121SC、131SC、141SC进行检测,结果也是送入AE电子柜,判断电机是否过流。其中励磁过流、功补过流也是将检测信号送入AE电子柜判断是否过流[9]。

而HXD3型电力机车逻辑控制和保护电路主要是将各自动开关的状态指令送给TCMS系统,用于机车的各种工作逻辑及保护逻辑控制,并通过TCMS系统与主断路器和辅助变流器通信,将控制指令信息送到主变流器和辅助变流器,从而达到整车联控的目的。其中TCMS是机车控制监视系统的简称,其任务是根据司机指令对主、辅变流器和异步电机进行实时控制,对牵引/制动特性和传统系统的时序逻辑进行控制。同时还能显示机车运行状态,具备完善的故障保护、故障记忆及显示功能,并在一定程度上具有故障自排除、自动切换和故障处理指导的功能。如牵引风机自动开关QA11-QA16断开辅助电路的牵引风机的电路,同时将信号送给TCMS系统,故障显示灯亮,同时自动隔离控制相应的牵引风机接触器。

与SS4G受电弓保护不同的是HXD3型电力机车有机车弓网自动保护装置,PDU1用于保护受电弓AP1,PDU2用于保护受电弓AP2,当机车运行中突然发生弓网故障,弓网自动保护装置就会动作,首先就会发出“跳主断”信号448或449给TCMS系统,使主断路器断开,同时切断机车受电弓气路和升弓阀电源,使受电弓能够快速降弓,从而避免了带负载降弓时弓网之间产生严重的拉弧而损坏受电弓和接触网。

4.7 其他电路

SS4G型电力机车中还设有劈相机,在控制电路中,劈相机起动要求无负载起动,591QS在“0”位时为手动方式,在“1”位时为自动方式,劈相机起动完毕后,其他辅助机组才能够先后起动,尤其是劈相机故障后,可用第一牵引通分机电容分相起动代替劈相机起动。

SS4G型电力机车通分机控制电路使用两个风速延时继电器535KT和536KT,用于延时投入负载,同时也设有制动风机控制电路,即按下407SK后第一制动风机5MA起动,209KM得电后其常闭断开,526KT延时3秒释放,第二制动风机6MA开始起动。而SS4G型电力机车牵引制动工况、制动工况的控制是通过司机控制器换向手柄实现的。若牵引风机、制动风机工作正常,其风道内的风道继电器就会动作。牵引工况时,风速延时完成,530KT得电;制动工况时,牵引风机、制动风机要求正常运行,风速延时才算正常起动。只有当风机正常起动后,预备控制才能够完成。如牵引工况556KA得电应具备的条件就是570QS在“1”位、转换开关转换到位、主断路器合上、劈相机工作、高级位风速延时环节必须完成,这样整备才算完成。只有当整备完成后,机车状态显示一切正常,就可以进行调速控制,即通过司机控制器的调速手轮完成相关操作。

而HXD3型电力机车有两套辅助变流器装置,分别是UA11和UA12,且它们的控制电路基本一致,正常情况下,I端的辅助变流器装置UA11设定为VVVF工作模式,当主断路器闭合时,手柄离开“0”位后,UA11开始工作;II端的辅助变流器装置UA12设定为CVCF工作模式,当主断路器闭合时,UA11就开始工作。

结 束 语

在设计论文之初,学过电力机车控制,对SS4改型电力机车主电路、辅助电路、控制电路还是比较了解,但除了课堂上学过的三大电路外,对HXD3型电力机车主电路、辅助电路、控制电路只学过部分基础知识,对于两者的区别还是没有太大的概念。在通过查找相关资料和参考文献对SS4G型电力机车与HXD3型电力机车主电路、辅助电路、控制电路的相关知识有了更深入的了解。

在设计论文时,我按照从主电路到辅助电路再到控制电路的逻辑,慢慢梳理了两者在电路组成、电路故障排除、电路作用等各个方面进行比较,通过对两者三大电路进行比较,对电气线路的工作原理的研究不仅可以让我们更为直观的了解“韶山”与“和谐”两种类型的机车电路的基本原理,对我们掌握学习其他机车类型提供了比较学习的方法,同时也能够让我们更有效、更方便地掌握提高机车电气故障的检查与处理的能力。

完成这次设计后回过头来看,我的这项作业完成得并不完美。还有很多需要提高和改进的地方。首先,是对电路的工作原理等方面掌握还是太单一,知识储备还是不够。其次,是论文书写过程中时间分配不合理,前期浪费的时间较多,以至于后期紧张的时间给查找资料、修改论文内容带来了很大的被动,并且知识积累还不够,很多知识掌握不牢固,运用不够灵活。

总之,经过这次毕业设计,我深刻认识到要完成一项任务首先必须有一个详细周密的计划,要有系统的思维方式和方法,对待一个新的问题,要耐心、要善于运用已有的资源来解决;要勇于实践,在实践中发现和解决问题,要相信自己有解决问题的能力和勇气。

同时,通过此次毕业设计,我不但对SS4G型电力机车与HXD3型电力机车主、辅、控三大电路有了一定的认识,最重要的是明白了只有掌握相同点,自主学习查找资料,才能够逐步解决问题。

由于时间和能力等原因,论文难免存在疏、漏、谬、误等,敬请各位老师和同学们予以批评指正,谢谢!

致 谢

大学三年学习时光已经接近尾声,在此我想对我的母校、我的老师、同学们表达由衷的谢意。感谢学院给了我在大学深造的机会,为我们提供丰富的学习资源和自我锻炼的机会,让我能不断学习和提高。

通过这次毕业设计,我基本上掌握了如何对不同类型的机车进行工作原理及电气线路比较,当初在选择毕业设计课题的时候,我认真的了解了老师的研究课题,对它十分感兴趣。在校时,老师的因材施教、诲人不倦的授业精神给我留下了深刻的印象,老师的严谨治学态度、渊博的知识、无私的奉献精神使我深受启迪,这将使我受益终身。在此我要向我的导师致以最衷心的感谢和深深的敬意。

在今后的学习和生活中,我会更加的努力,不负韶光,不负自己!




















参考文献

[1] 华平.电力机车控制[M].北京:中国铁道出版社,2015.

[2] 张曙光. HXD3型电力机车[M]. 北京:中国铁道出版社,2009.

[3] 《轨道上的现代与未来》编写组. 轨道上的现代与未来[M]. 西南交通大学出版社, 2015.

[4] 王语园,惠亮亮.《接触网工职业技能强化实训》课程教学实践[J].内江科技,2020,41(03):153+122.

[5] 赵虎城, 冯送京, 王介文. 电力拖动及其控制[M]. 北京理工大学出版社, 2009

[6] 孙宝林, 孙景. HXD3大功率机车司机操作技术培训手册[M]. 西南交通大学出版社, 2011.

[7] 方明群. 铁路机车车辆运用、检修、维护、保养与标准规范全书, 第四册[M]. 吉林电子出版社, 2003.

[8] 铁路职工岗位培训教材编审委员会编写. 机车检查保养员[M]. 中国铁道出版社, 2011.

[9] 张耀武. 电力机车控制[M]. 中国铁道出版社, 2013.


路过

雷人

握手

鲜花

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