7200kW电力机车牵引变流器
电力机车牵引变流器讲义课件
电力机车牵引变流器讲义课件1. 引言电力机车作为现代铁路运输中的重要组成局部，其牵引变流器的设计和运行原理成为了工程师和技术人员的关注焦点。
本讲义课件将介绍电力机车牵引变流器的根本知识和工作原理，帮助读者了解和掌握这一关键装置。
2. 牵引系统概述牵引系统是电力机车的核心局部，负责提供动力和 traction 控制。
牵引变流器作为牵引系统的重要组成局部，将直流电源转换为可变频率和可变电压的交流电源，以满足不同负载和运行条件下的牵引力要求。
3. 牵引变流器的分类牵引变流器按照不同的拓扑结构和控制策略可以分为：逆变式、半控制式和全控制式牵引变流器。
本节将详细介绍各种类型的特点和应用场景，帮助读者全面了解牵引变流器的分类。
3.1 逆变式变流器逆变式变流器是最常用的牵引变流器，通过逆变电路将直流电源转换为可调制的交流电源，其输出波形可以通过调整开关频率和占空比来控制。
该种类型的变流器结构简单，运行可靠。
3.2 半控制式变流器半控制式变流器在逆变式的根底上增加了一些开关元件，以提供更多的控制自由度。
例如，在逆变桥中引入了逆并联三相桥，以实现对输出电流的片段控制，提高了系统的输出性能和稳定性。
3.3 全控制式变流器全控制式变流器是最灵巧和功能最强大的牵引变流器，通过控制所有开关元件的触发时刻和角度来实现对输出电流和电压的精确控制。
该种类型的变流器在特殊的工况下具有更好的调节性能和响应速度。
4. 牵引变流器的工作原理牵引变流器的工作原理是将输入的直流电源转换为可变频率和可变电压的交流电源，为电力机车的牵引系统提供所需的电力。
本节将分别介绍逆变式、半控制式和全控制式变流器的工作原理，并且附有相应的示意图和数学推导。
5. 牵引变流器的控制策略牵引变流器的控制策略直接影响着电力机车的牵引性能和能效。
本节将介绍常见的控制策略，包括感应电动机控制、直流电动机控制、矢量控制等，帮助读者了解这些策略的原理和应用。
6. 牵引变流器的故障诊断与维护牵引变流器作为电力机车的核心部件之一，其故障对电力机车的运行平安和稳定性具有重要影响。
牵引变流器产品介绍
16
精选课件
16
动车产品介绍
自主高速6500V水冷平台
项目
变流 器型 号
中间 电压
更高速度 TGA16 3500
等级试验
V
列车（
500km）
永磁高速 TGA28 3500
动车组
V
功率
2961K VA
2632K VA
11
精选课件
11
机车产品介绍
“和谐”系列货运电力机车
车型
系列 机车轴 机车功 设计速
式
率
度
HXD1
西门子
2（BO- 9600KW 120km/
BO）
h
HXD1B 西门子
CO-CO 9600KW 140km/ h
HXD1C 时代电气 CO-CO 7200KW 120km/ h
HXD2
阿尔斯通 2(BO- 10000K 120km/
0-2400V 输出电流：
350—497A
变流器数量
400台 80台 160台 360台 240台 1400台 7台 104台 54台 1374台 1084台 40台 6台 8台
PS：上述参数适用于所有表中车型
精选课件
19
动车产品介绍
四方中标动牵引变压器
输入电压 AC1900V 输入电流 2x814A 直流电压 3600V 输出电流 2x314A 电机功率 4x625kw 辅助容量 260kVA 冷却方式 强迫水冷
路特 流等级 等级 级
量
征
18 出口澳大利
DC160 1200 120km 台 亚
7200kW六轴车异步牵引电机
7.结构说明
8.维护及故障处理
2009年06月
7200kW六轴车异步牵引电机
1. 概述
21 世纪之前，我国机车牵引电机主要采用直 流电机。随着电力电子技术的发展，异步电 机在控制系统的支撑下具有了与直流电机媲 美的调速特性，异步电机还有比直流电机体 积小、功率大、效率高、恒功范围宽、维护 量小等优点，因此世界各国都在推广异步牵 引电机的运用， 20 世纪后期，西门子、庞巴 迪、三棱重工等国际大公司已广泛采用异步 电机作为铁路机车的牵引动力，进入 21 世纪 ，我国采用引进国际大公司异步传动技术的 方式，开始大力推广异步牵引电机的运用。 株洲南车电机股份有限公司
U
2009年06月
7200kW六轴车异步牵引电机
株洲南车电机股份有限公司
电流特性 600 550 500 450 400 350 300 250 200 0 500 1000 1500 2000 n(rpm) 2500 3000 3500 4000
I
2009年06月
7200kW六轴车异步牵引电机
6. 结构特征
株洲南车电机股份有限公司 横向安装的铜条鼠笼转子三相异步牵引电动 机专为不带电抗器的逆变器运行而设计，能
承受铁路车辆运行过程中遇到的冲击，满足
运用要求。符合IEC60349-2《铁路机车车辆
和公路车辆用旋转电动机
第2部分：电子变
流器供电的交流电动机》标准要求。
2009年06月
7200kW六轴车异步牵引电机
7200kW六轴车异步牵引电机
株洲南车电机股份有限公司
电机电压范围（线电压） 供电方式 逆变器型式 工作制 等效连续定额 额定电压 额定电流 额定频率
0～1419V 逆变器供电 VVVF电压型 连续 1225kW 1375V 598A 58.1Hz
和谐电3型专业知识
一、填空题1.CHXD3型电力机车轴式为（co-co）。
2.HXD3型电力机车持续功率为（7200）kW。
3.为了防止司机可能产生的误操作，司控器调速手柄与换向手柄之间设有（机械联锁）装置。
4.DSA-200受电弓正常工作风压为（340-380）kPa。
5.主变压器设有（两个）个潜油泵，强迫变压器油进行循环冷却。
6.25t轴重的HXD3型电力机车持续制速度( 65 )km／h。
7.25t轴重的HXD3型电力机车起动牵引力为(570 )kN。
8.25t轴重的HXD3型电力机车恒功率速度围为( 65-120)km／h。
9.HXD3型电力机车电制动式为(再生制动)。
10.主电路主要由（网侧）、主变压器、主变流器及牵引电动机等电路组成。
11.牵引变流器输入回路过流故障，在3分钟连续发生两次，故障将被锁定，必须切断（CI）控制电源，才能恢复正常。
11.辅助变流器过载时，向微机控制系统发出跳开（主断）信号，该故障消除后10s能自动复位。
12.制动显示屏LCDM位于司机室操纵台，通过它可进行CCBⅡ系统（自检），故障查询等功能的选择和应用。
13.自动制动手柄位置包括运转位、初制动、全制动、抑制位、重联位、紧急位。
初制动和全制动之间是(常用)制动区。
14.HXD3型电力机车带载制动时，自阀制动后单阀应在运转位向(右)压，以缓解机车闸缸压力。
15.HXD3型电力机车换向手柄至于中立位，各辅机(停止)工作。
过（1）级以上时，机车“定速控制”状态自动解除。
17.ERCP发生故障时，自动由（16CP）和13CP来代替其功能。
18.HXD3型电力型机车采用IGBT（水冷）变流机组和1250kW大转矩异步牵引电动机。
19.HXD3型电力机车总体设计采用高度集成化、(模块化)的设计思路。
20.HXD3型电力机车采用带有中梁的、整体承载的(框架)式车体结构，有利于提高车体的强度和刚度。
21.HXD3型电力电力机车电传动系统采用（交直交）电传动式及轴控技术。
牵引变流器变流器工作原理
牵引变流器变流器工作原理牵引变流器（Traction Converter）是一种用于电力机车和列车的设备，用于将电网供电转换成适合牵引电机的电力。
牵引变流器的工作原理是将输入的电能进行变换和控制，以满足电机的工作要求并实现速度和转向的调节。
牵引变流器通常由以下几个主要部分组成：整流单元（Rectifier）、逆变单元（Inverter）、滤波单元（Filter）、控制单元（Control Unit）和保护单元（Protection Unit）。
首先，电能从电网输入整流单元，整流单元将交流电转换为直流电，并通过滤波单元进行滤波处理，以减少电流的纹波成分。
整流单元可以采用不同的拓扑结构，如单向整流桥、三相桥式整流等，根据不同的应用需求进行选择。
经过整流和滤波处理后，直流电被逆变单元转换为适合驱动电机的交流电。
逆变单元一般采用高频开关器件（如IGBT、MOSFET 等）来实现电能的逆变过程。
逆变单元通过控制开关器件的开关时间和频率，可以控制输出的电流和电压特性，实现对电机的速度和转向的调节。
为了保证电能的质量和稳定性，牵引变流器中要加入滤波单元。
滤波单元用于减少逆变输出产生的高频成分，以提高电流质量，并减少对电动机的干扰。
滤波单元通常由电感、电容和电阻等元件组成，可以通过调节滤波元件的参数来满足不同的滤波要求。
牵引变流器的控制单元起着核心作用，用于监测和控制整个系统的运行。
控制单元负责实时监测输入电压、输出电流、温度等参数，并根据预设的控制算法对整流和逆变单元进行精确的调节和控制。
控制单元还可以接收车辆的指令信号，实现对车辆的速度和转向的精确控制，并通过反馈系统进行闭环控制。
为了确保设备的安全运行，牵引变流器还需要加入保护单元。
保护单元通常采用电路保护器、过流保护器、过温保护器等来实现对整个系统的监测和保护。
一旦出现电流过大、温度过高等异常情况，保护单元会及时切断电路，以防止设备的损坏和事故的发生。
总结起来，牵引变流器通过整流、滤波、逆变和控制等过程，将电网供电转换为适合牵引电机的电力，并实现对车辆速度和转向的调节。
晋升(增驾)HXD3型电力机车司机题库
一、填空题HXD3型电力机车轴式为（C0-C0）。
HXD3型电力机车持续功率为（7200）kW。
为了防止司机可能产生的误操作，司控器调速手柄与换向手柄之间设有（机械联锁）装置。
DSA-200受电弓正常工作风压为（340～380）kPa 。
主变压器设有（两）个潜油泵，强迫变压器油进行循环冷却。
25t轴重的HXD3型电力机车持续制速度(65)km／h。
25t轴重的HXD3型电力机车起动牵引力为 (570)kN 。
25t轴重的HXD3型电力机车恒功率速度范围为(65～120)km／h 。
HXD3型电力机车电制动方式为(再生制动)。
主电路主要由（网侧）、主变压器、主变流器及牵引电动机等电路组成。
牵引变流器输入回路过流故障，在3分钟内连续发生两次，故障将被锁定，必须切断（CI）控制电源，才能恢复正常。
辅助变流器过载时，向微机控制系统发出跳开（主断）信号，该故障消除后10s内能自动复位。
制动显示屏LCDM位于司机室操纵台，通过它可进行CCBⅡ系统（自检），故障查询等功能的选择和应用。
自动制动手柄位置包括运转位、初制动、全制动、抑制位、重联位、紧急位。
初制动和全制动之间是(常用)制动区。
HXD3型电力机车带载制动时，自阀制动后单阀应在运转位向(右)压，以缓解机车闸缸压力。
HXD3型电力机车换向手柄至于中立位，各辅机(停止)工作。
HXD3型电力机车进入“定速控制”状态后，司机控制器调速手柄的级位变化超过（1）级以上时，机车“定速控制”状态自动解除。
ERCP发生故障时，自动由（16CP）和13CP来代替其功能。
HXD3型电力型机车采用IGBT水冷变流机组和1250kW大转矩(异步)牵引电动机。
HXD3型电力机车总体设计采用高度集成化、(模块化)的设计思路。
HXD3型电力机车采用带有中梁的、整体承载的(框架)式车体结构，有利于提高车体的强度和刚度。
HXD3型电力电力机车电传动系统采用（交直交）电传动方式及轴控技术。
交直交型电力机车电气线路—交直交型电力机车主线路
网侧电路
1 网侧电路的组成 2 网侧电路的电流路径 3 网侧电路主要高压设备的功能 4 网侧电路的保护
1 网侧电路的组成
HXD3型电力机车网侧电路由受电弓AP1、AP2， 高压隔离开关QS1、QS2，高压电流互感器TA1，高 压电压互感器TV1，主断路器QF1，高压接地开关 QS10，避雷器F1，主变压器原边绕组AX，低压电流 互感器TA2 和回流装置EB1～6 等组成。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
3 牵引变压器
牵引变压器主要电气参数：
（1）原边绕组
（3）辅助绕组
额定容量/kVA ：8 900
额定容量/kVA ：600
额定电压/kV ：25
额定电压/V：470
额定电流/A ：356
额定电流/A ：2×638
（2）牵引绕组
短路阻抗 ：5%
额定输出容量//kVA ： 6×1 383 （4）谐振电抗器
0 0
6N 5N
4N 3N
2N
1N
20
40
7N 8N
9N
13N
10N
11N
12N
60
80
100
120
n 电力机车特性及其特性曲线
2. HXD3电力机车制动特性控制曲线（23t轴重）
600
500
400
300
200
100
0
0
20
40
60
80
100
120
n 电路分析
电路（课件）、部件（位置）图片
Ｐａｎｔｏｇｒａｐｈ
1 主电路结构
2 网侧电路
网侧电路由受电弓1AP、2AP，车顶高压隔离开关1QS、 2QS，主断路器QF（带接地装置）、避雷器1F、高压电压互感 器TV、原边电流互感器1TA、回流电流互感器2TA、接地装置 1E～6E和能耗表等组成，如图6.2所示。
7200kW电力机车辅助变流器
（4）主要器件连接
-29-
（一）数字入出板（DIO） 数字入出板（DIO）
数字入出板共包含10路数字输入 输出通道 路数字输入/输出通道 路数字输入 输出通道。 数字量输入环节：
光电隔离 110V的指令信号 转换 高、低电平信号
（如：系统工作指令、 复位指令、接触器闭 合反馈信号） 隔离 高、低电平信号 转换
-31-
（二）开关电源板（POWER） 开关电源板（POWER）
开关电源板是一种具有原次边隔离的 多重开关电源，采用DC/DC变换。 DC输入：110V DC输出：＋5V、±15V、±24V 为SIV控制单元提供控制电源，为 IGBT变流模块提供电源，为SIV柜体内各 种插件、传感器提供电源。 11B 常亮（绿色）正常工作 常亮（绿色） 37B 常亮（红色）中断保护状态，不工 常亮（红色）中断保护状态， 作。
逆变控制板灯孔定义
灯位 亮灯定义 ● 26A红灯 逆变器故障（表示正在往CPU板送 逆变器故障） ● 26B红灯 灯亮表示逆变器直流过压 ● 27A红灯 灯亮表示逆变器模块过载 ● 27B红灯 灯亮表示逆变器模块故障 ● 28A红灯 灯亮表示逆变器输出三相不平衡 ● 28B黄灯 灯亮表示逆变器门极释放，逆变器 开始工作 ● 29B黄灯 闪烁表示程序运行指示灯 ● 30A绿灯 逆变器R相脉冲指示灯 ● 30B绿灯 逆变器S相脉冲指示灯 ● 31A绿灯 逆变器T相脉冲指示灯
-15-
中间直流电容组件
-16-
中间直流放电电路
放电接触器
放电电阻
-17-
（四）逆变电路
• 主要是逆变器模块UA1，它采用两电平三 相桥式电压型逆变路，功率开关器件为IGBT。 作用： 作用：
恒定直流电压 转换为 PWM波 波 三相交流电压
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传动控制单元的车辆级控制功能框图
司机指令
电机包络线
变流器控制级的核心任务
变 流 器 控 制 级
对整流器的实时控制 稳定中间电压 对逆变器及交流异步牵引电机的实时控制 粘着利用控制 同时具备完整的故障保护功能 模块级的故障自诊断功能 一定程度的故障自排除功能
DCU插件简介
MCC
脉冲分配
模拟输入A 模拟输入
1 1
KM4 KM1
4 14
KM5 KM2
4 14
KM6 KM3
4 14
A1
A1
A1
KM4
A2 21 A1
KM5
A2 21 A1
KM6
A2 21 13 A1 13 13 31 31 31 1 1 1
1
B1
J1
A2
B2
J2
A2
B3
J3
14 A2
J1
14 A1
J2
14 A1
J3
A1
KM1
32
KM2
32
KM3
DCU插件简介
SMC（TE277-030000） 完成管理AMS总线，车辆逻辑单元的控制； 牵引/制动特性控制；故障的记录及传递等 功能
DCU插件简介
通信接口（ZS826A-443-000） 为DCU提供MVB通信接口，对内通过双口RAM连接 AMS总线，对外连接车辆MVB总线
DCU插件简介
MCC电机控制（TE277-010000） MCC采用直接转矩控制，对电机电流等采用 瞬时值控制，通过高速A/D采集控制所需的 直流电压、逆变电流等信号，产生逆变控制 PWM信号
32
KM4
2
KM5
2
KM6
2
K1
2
K2
2
K3
2
KM1
22
KM2
22
KM3
22
KM1
A2
KM2
A2
KM3
A2
110V－ － X93:22
110V+
变流器控制基本原理
DCU的控制可分为两层功能，上层的控制功能主 要由SMC通过对AMS总线的控制来实现，下层由网 侧变流器控制器（LCC）、牵引电机侧变流器控制 器（MCC）构成进行实时控制。 DCU控制原理：采用PWM调制实现四象限脉冲整 流器控制，采用直接转矩控制完成对异步牵引电 动机的精确转矩控制，实现完全微机化、数字化 的实时控制。DCU具有符合列车通信网络（TCN） IEC61375标准的MVB通信接口，对外与车辆总线相 连，与中央控制单元等形成控制与通信系统。DCU 内部则构成并行AMS总线。
固定放电电阻
牵引变流器结构背面图
风机 （FAN1-2） 斩波电阻 （RCH1-3）
二次谐振回路电容器 （C3-8）
主电路接口
单相输入 三相输出
库用接口
电抗器
柜体正视图
A相 相 X51 4QS3 (变流器模块) 变 IBBM120S2 B相 相 C相 相 D相 相 T1 VH1 VH2 VH3 D相 相 A相 相 4QS1 (变流器模块) 变 IBBM120S2 X12 X21 INV1 (变流器模块) 变 IBBM120S2 B相 相 C相 相 D相 相
传动控制单元DCU 传动控制单元
传动控制单元（DCU），采用时代电气自主研 发的“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。是在消化吸 收HXD1电力机车技术基础上加以修改和完善 的。
DCU主要功能 主要功能
完成对机车的牵引/制动特性控制、逻 辑控制、故障保护，实现对四象限整流器 和牵引逆变器及交流异步牵引电机的实时 控制、粘着利用控制，以满足车辆动力性 能、故障运行、救援能力及实现预期的运 行速度等。
模拟输入B 模拟输入B
网侧信号
LCC 电机信号
通讯接口
SMC
数字入出
开关电源
控制接口
DCU插件简介
开关电源（TE283-000000） 为机箱提供+5V、±15V、 ±24V，为机箱内 各插件、风扇层、电流、电压传感器、速度 传感器等提供电源
DCU插件简介
数字入出（TE213-090000） 20路110V数字量输入，12路数字量输出
主电路简介—变流器模块 主电路简介 变流器模块
四象限变流电路
四象限变流器采取瞬态电流控制策略，使得中间 直流环节的电压保持恒定，并使变压器次边的功率因 数接近于1。 1、 电路构成 一个变流柜由三组相同的四象限变流器组成，每 组由1个充电电阻、1个充电接触器、1个短接接触器、 1个输入电流传感器及1个四象限变流器构成(每个臂 由两个IGBT模块并联组成)。 2、 工作原理 在牵引工况下进行交-直变换，为中间直流电路 提供电能；在再生制动工况时，对中间直流电路能量 进行直-交变换，将电能回馈给电网。
DCU插件简介
网侧信号（TE277-050000） 网侧控制的外围板，对网压同步信号、输入电流信 号、主电路接地保护信号、中间直流电压；对原边 电流，同时采集四象限变流器IGBT元件工作状态并 把故障信息送给SMC板处理
DCU插件简介
模拟输入A（TE277-060000） 模拟输入B（TE277-080000） 每块插件有18路模拟量处理通道,对逆变器输 出电流；斩波支路电流，直流电压、主回路接 地检测电压Ud3；变压器原边电流、4QS输入电 流；电机温度、水温、水压等信号采集
DCU插件简介
电机信号（TE277-040000） 电机侧控制的外围板，对速度信号进行滤波处理、 二选一；并具有三重牵引逆变器输出过流保护、中 间直流电压过压保护、斩波过流保护、接地保护； 同时采集三个逆变器的IGBT元件工作状态并把故障 信息送给SMC板处理
DCU插件简介
LCC网侧控制（TE277-050000） 硬件与电机控制插件相同，对三重四 象限脉冲流整器的实控时制，完成同 步信号的锁相环处理
主电路简介
三个主电路单元的直流回路通过隔离开关（K1、 K2、K3）并在一起，正常工作时隔离开关闭合， 三个单元共用中间直流回路和二次谐振回路。当 其中任意一个主电路单元故障时，断开相应的隔 离开关和充电接触器，将该故障单元切除，其余 两个单元正常工作，机车只损失1/6的动力，从而 将故障造成的影响降至最低。 变流器具有库内动车功能，通过R、S端子外接 DC600V库内电源输入变流器，经二极管整流、逆 变后输出三相VVVF电压驱动牵引电机。足以驱动 机车以约5km/h的速度运行。
DCU主要功能 主要功能
DCU通过MVB网络接收司机指令，将司机指令 转化为机车的运行工况。 DCU具有机车级控制和变流器级控制的功能。 机车级的控制功能是根据司机指令完成对机 车牵引/制动特性控制和逻辑控制，实现对主电路 中接触器的通断控制和牵引变流器的启/停控制， 计算列车所需的牵引/电制动力等，如下图所示。
DCU插件简介
脉冲分配（TE277-070000） 将MCC发出的PWM信号由5V转换到24V输出，接 收模块脉冲分配来的元件状态、故障保护的24V 信号，转换成5V信号，送电机信号插件保护
保护要求
• 要求能够对原边电流、四象限输入电流、原边 接地、中间电压过压、中间回路接地、逆变电流 过流进行硬件级保护，以确保严重故障的保护快 速、有效； • 要求能够对接触器故障、模块过热、电机超温、 原边电压过欠压、变流器冷却水温、变压器冷却 油温进行软件级保护，以保证整体电气系统工作 在稳定可靠的环境中。
主电路简介
变流器主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， 轴控控制方式。 每个主电路单元有独立的充电短接回路和固定放 电回路。 三重四象限互相错开一定的相位角度，有利于减 小对电网的谐波污染，降低直流回路的纹波。
7200kW电力机车牵引变流器 7200kW电力机车牵引变流器
时代电气售后服务中心 2009年08月28日 2009年08月28日
主要内容
一、TGA9型牵引变流器概述 二、主电路简介 三、控制电路简介 四、冷却系统简介
TGA9型牵引变流器概述 一、 TGA9型牵引变流器概述
用途
TGA9型牵引变流器应用于机车轴式为C0-C0， 牵引电机轴功率为为1.2MW的7200kW六轴货运 电力机车。 其设计充分借鉴了时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。
热交换器组件 （FAN3） ）
C相 相 B相 相 A相 相
X62
X31
X42
UTBL
充 电 电 阻 单 元
K M 4
K M 5
K M 6
K3 K2 K1 XP
B1
B3 B2
固定放电电阻组件 （DCHRS） ）
LH9
LH6
J1 J2 J3 KM3 KM2 KM1
XN
XC1
XC2
二、主电路图
序号 1 2 3 4 5 6 7 8
三、控制原理简介
接触器逻辑图
X93:D 110V+
DCU－XD13 －
2 充电1 8 短接1 4 充电2 10 短接2 6 充电3 12 短接3
3 13 3 13 3 13
DCU－XD14 －
6 短 短接1状态 7 短 短接2状态 8 充电1状态 短 短接3状态 3 4 充电2状态 5 充电3状态 12 隔离 开关1状态 13 隔离开 开关2状态 14 隔离开 开关3状态
传动控制单元
C相 相 B相 相 A相 相
X52
X11
Байду номын сангаас
X22
A相 相 X61 INV3 (变流器模块) 变 IBBM120S2 B相 相 C相 相 D相 相