HX_D3型机车牵引变流器的结构原理与可靠性设计_武磊VIP免费

第10期(总第452期)内燃机车2011年10月HXD3型机车牵引变流器的结构原理与可靠性设计武磊(合肥机务段，安徽合肥230011)摘要:介绍了HXD3型机车牵引变流器的基本组成、结构原理、主要部件的技术参数，对可靠性设计方法进行了说明。关键词:HXD3型机车;牵引变流器;可靠性设计中图分类号:U264．3+7文献标识码:B文章编号:1003-1820(2011)10-0022-03收修回稿日期:2011－02－11作者简介:武磊(1983—)，男，安徽合肥人，工程师。1引言HXD3型机车的牵引变流器采用了当今世界上先进的大功率IGBT元件技术、水冷技术和单轴控制技术等，并且采用了优良的可靠性设计，确保了牵引变流器的运行可靠性，最大限度地发挥了机车牵引功率。机车具有起动平稳、加速性能好、抑制空转和滑行能力强、牵引电机故障隔离便捷等特点，深受用户好评。2牵引变流器的基本组成2．1牵引变流器简介每台机车装有2台变流装置，每台变流装置内含有3组牵引变流器。牵引变流器为牵引电动机提供三相变压变频电源。每组牵引变流器主要由四象限整流单元、中间直流电路和PWM逆变单元等主电路部分和无接点控制单元等的控制电路部分构成。根据机车运行状态和司机控制命令，通过矢量控制，精确快速地控制牵引电动机的转矩和转速。机车Ⅰ端转向架的牵引电动机1—3分别由牵引变流器1的3个独立的交直交功率单元供电，Ⅱ端转向架的牵引电动机4—6分别由牵引变流器2的3个独立的交直交功率单元供电，实现牵引电动机的独立控制。机车6根动轴的轮径差、轴重转移及空转等可能引起的负载分配不均匀，都可以通过牵引变流器的控制进行适当补偿，从而最大限度地发挥牵引电动机的牵引力。牵引变流器主要技术参数如下。额定输入电压/V1450额定输入电流/A965中间电压/V2800额定输出电压/V2150额定输出电流/A390牵引变流器电气原理图如图1所示。2．2主要部件对牵引变流器来说，功率模块是核心部件，由上下桥臂的两组IGBT元件和反并联二极管构成，还包括冷却元件的水冷散热片和控制IGBT的驱动电路板。四象限整流单元由U相、V相2个功率模块构成，逆变器单元由U相、V相、W相3个功率模块构成。由于四象限整流单元和逆变单元的电流值要求不同，因此四象限整流单元是由2个IGBT元件并联后组成功率模块，逆变单元则是由单个IGBT元件构成功率模块，因此，四象限整流单元和逆变单元的功率模块不能互换。2．2．1四象限整流单元四象限整流单元可实现变流器单相输入侧与中间直流侧的能量双向流动。牵引工况时，将来自牵引绕组的交流侧能量向直流侧转换，送给牵引逆变器;再生制动工况(简称制动工况)时，将牵引逆变器输送到直流侧的再生电能向交流侧转换，通过变压器送到牵引电网。通过对四象限整流单元中图1牵引变流器电气原理图IGBT的脉宽调制PWM控制，将由牵引变压器二次侧绕组输出的1450V、50Hz的交流电压整流为稳定的2800V直流电压。2．2．2中间直流电路中间直流电路由支撑滤波电容、接地电容、瞬时过电压限制电路和主接地保护电路等组成。滤波电容减小中间直流电压的脉动，使其更加平稳。接地电容除了具备滤波电容功用外，还能提供主回路接地故障检测的中性点。瞬时过电压限制电路由IGBT和限流电阻组成。当电压传感器检测到中间电路过电压时，使IGBT导通，通过限流电阻构成泄放回路，以降低中间电压。主接地保护电路由跨接在中间回路的2个串联电容和1个接地信号传感器组成。每套牵引变流器内分别含3套接地保护电路，可以分别对3个交直交单元电路进行检测和保护，接地检测信号送微机控制系统。2．2．3逆变单元牵引逆变器的主要功能是将中间直流电压逆变为三相电压幅度和频率都可调的交流电压驱动牵引电机，对电机的速度和力矩进行控制，满足牵引特性和制动特性的要求。牵引逆变器可实现能量的双向传递。牵引时，将直流侧能量传给牵引电机，控制电机产生牵引力;制动时，将牵引电机再生能量送到直流环节，控制牵引电机产生制动力。逆变电路是由U、V、W三相逆变单元构成的。将四象限整流单元输出的直流电逆变转换为变频变压的交流电来驱动牵引电机，通过改变逆变电路的输出电压和输出频率来控制牵引电机的转矩和转速。3牵引变流器的可靠性设计3．1基础设计3．1．1主要...