石家庄铁道大学
研究生课程论文
培养单位学科专业课程名称任课教师学生姓名
学号电气与电子工程学院电力牵引交流传动及其控制系统研究生学院
HXD3B 型交流传动电力机车综述
摘要：HXD3B 型机车是大连机车车辆有限公司自主开发的六轴大功率交流传动货运电力机车。本文主要就HXD3B 型机车的主辅电路，空气制动系统，辅助电源，防滑技术以及撒沙装置进行简要介绍。关键字：交流电力机车；电气系统；制动特性；防滑技术
引言
HXD3B 型机车主要有通风系统，电气系统，微机网络控制系统，制动及供风系统。
1通风系统
1.1牵引通风机冷却系统
整车共有两台牵引通风机，每一台牵引通风机用来冷却转向架的三台牵引电机，冷却空气由顶部风腔进入，经过风机后，在进入牵引电机前分成三个通风道，分别通过软管和牵引电机的入口相连接，然后进入牵引电机，最后由牵引电机的出风口排出车外。
1.2油水冷却塔通风系统
每台机车设有2台油水冷却塔，通过各自的回路分别与变流器和变压器连接。变流器回路中，使用水和乙二醇的混合物作为传热介质；变压器回路中，传热介质为矿物油。整体的散热器由2个隔开的流体回路组成，变压器的热量通过油循环回路进入冷却塔散热器下层，变流器的热量通过水循环回路进入冷却塔散热器上层。在冷却风机的作用下，冷却空气过车顶风腔进入，先吸收水回路的热量，再吸收油回路的热量，然后由车底排向大气。
1.3机械间辅助通风系统
机车设有2个车体通风机，分别安装在两端的顶盖上。冷却空气由车顶风腔进入机械间，向空气压缩机、变流器控制模块提供风源，并保证机械间内部的微正压。
1.4空调通风系统
在机械间内靠近两端司机室的后墙位置各设有1个空调机组，空调的入风口设置在车体侧墙开口处，空气经过机组处理后，通过布置在司机室地板下面的风道送到司机室前端部。空调系统具有通风、制冷、制热等功能，由于新风风机的作用，送入司机室的新风使司机室保持一定的正压，保证司机室的卫生要求。
[1]
2电气系统
2.1主电路
主变压器的6组牵引绕组分别经过3组变流柜，实现对机车牵引系统和辅助系统的供电。主电路按其功能可分为以下几部分：网侧变流器、中间直流电路、电机变流器、辅助变流器及变流器的控制和保护等。机车由3个变流柜组成，每个变流柜由两个网侧变流器、两个电机变流器和一个辅助变流器组成，他们共用一套中间直流电路。当一组变流柜发生故障时，通过微机控制系统VCU 自动将故障的变流柜切除，也可通过微机显示屏隔离某个变流柜，机车继续维持2/3的牵引动力，辅助系统通过故障切换，由两组辅助变流器完成对全车辅助系统及控制系统的供电，实现机车的冗余控制。
2.1.1网侧变流器
网侧变流器为四象限整流器，它是传动系统的一个重要组成环节。每个变流柜由两组网侧变流器构成，
它们共用一套预充电回路，即由一个充电接触器、一个充电电阻和两个工作接触器构成。其作用是防止接入网侧变流器时的电流冲击。网侧变流器的工作原理为：网侧变流器的控制装置根据微机控制系统来的信号，先闭合充电接触器，经过充电电阻限流，相连的网侧变流器向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网侧变流器供电。
2.1.2中间直流电路
中间直流电路由中间电压支撑电容、二次滤波LC 谐振电路、中间直流电路过压保护环节、接地保护电路、接地监测电路、放电电阻和电压传感器等构成。在三相交流传动系统中，中间直流电路的作用，在网侧整流器和电机侧逆变器之间实现瞬时功率平衡；储能电容向牵引电动机提供基波无功功率和高次谐波的通路；变流器换流能力直接受中间电路电压的影响，逆变器的调制电压质量也取决于其平衡程度。[2]
2.1.3电机变流器
HXD3B 型机车的电机变流器是由IGBT 元件组成的PWM 变流器。
2.2辅助电路
机车设有三组独立的三相辅助电源，每组电源回路由辅助变流器、辅助隔离变压器、滤波电容、接触器、自动开关及对应辅机等构成。3组辅助逆变器采用DC-AC （三相）变换模式，分别从3组牵引变流器的中间直流环节取电，逆变成2组变压变频三相电源和1组恒压恒频电源，然后通过滤波变压器和滤波电容器滤波及降压后向3组三相负载支路供电。机车正常运行时，两组辅助电源采用变压变频方式供电，分别向两台冷却塔通风机电机和两台牵引电机通风机电机供电；第三组辅助电源采用定频定压方式供电，主要向空压机、油泵、水泵、变流器风机、司机室空调、机器间通风机、蓄电池充电器和各类单相辅助加热器等供电。当一组辅助电源出现故障时，其他两组辅助电源仍可以定频定压方式保证机车辅助系统的正常工作，实现机车辅助系统的冗余供电。[3]
3制动及防滑技术
制动系统主要包括风源系统，CCBII 制动机，辅助系统及基础制动装置。
3.1CCBII 制动机
下面主要介绍一下CCBII 制动机即制动控制系统。
CCBII 制动机的主要部件：2个电子制动阀（EBV ），2个制动显示屏（LCDM ），1个集成处理器（M-IPM ），1个继电器接口模块（CJB ）和1个电空控制单元（EPCU ）。2个EBV 和2个LCDM 分别位于2个司机操作台，M-IPM 、CJB 及EPCU 均位于制动柜内部，制动柜位于机械间内。
2个电子制动阀（EBV ）是方便司机实施动力制动以及空气制动。电子制动阀又分为自动制动阀和单独制动阀。自动控制阀控制列车管的压力，进一步控制列车的制动和缓解。单独制动阀控制机车制动缸的压力。此外，电子制动阀（EBV ）还有一个机械阀，在自动制动手柄处于紧急制动位时，此机械阀能使列车管与大气相通，列车施行紧急制动。制动显示屏（LCDM ）能够为司机显示当前的状态以及制动管充风流量和空气制动的当前模式及制动机故障信息。M-IPM 是CCBII 制动机的中央处理器，它控制所有与LCDM 的接口任务，并监测EBV 的指令，通过LON 网线向EPCU 传达命令，并同机车微机进行数据通讯。CJB 是M-IPM 与机车进行通讯的硬线接口模块，可以同MVB 网线功能相互作为备份。EPCU 由电空阀和空气阀组成，用来控制机车空气管路的压力，是制动机的执行部件，所有电空阀和空气阀集成到8个线路可更换模块（LRU ）。[4]
3.2防滑技术
拥有良好的制动系统的同时，防滑技术的提高也是不可缺少的。防滑技术的工作原理为：当制动时，由于线路条件、天气状况变化，粘着也随之变化，当车轮和钢轨之闻的粘着力比基础制动装置和主电机产生的制动力小时，在轮轨之间就会产生打滑现象，使车轮的转速迅速降低。通过速度检测传感器检测出速度信号，然后把检测信号传给滑行检测器，滑行检测器进行计算、分析和逻辑判断，发出控制指令，防滑排风阀按指令进行相应的控制，制动缸迅速降低制动力，使滑行的车轮快速缓解，待滑行缓解后，重新恢复制动力。
由此产生了空气防滑系统，该系统组成及基本功能为：采用德国KNORR 公司生产的MGS2型防滑系统。本系统由控制单元ESRA 、速度传感器、防滑电磁阀GV12_ESRA等部件组成。制动时能有效防止轮对因滑行造成的踏面擦伤；能根据轮轨间的黏着变化调节制动缸压力，从而有效利用轮轨黏着，缩短制动距离；具有轮径自动修正功能；具有防滑排风阀自动切换功能。[5]
3.3撒砂系统
撒砂装置主要由：砂箱、砂箱盖、砂室、排出室高管、低管、筒形加热器、烧结板等构成。撒沙系统的工作原理为压缩空气由端口进人，阻气门调节从底部通过烧结进入砂箱的空气。在砂箱中，供给的空气被分为两股：计量的气流和排出的气流。计量的气流从烧结板流入砂室并将砂子推向撒砂出口。排出的气流流经砂箱中的砂子使它们松散，最后通过排出室高管和排出阻气门回到机壳。[6]
4网络控制系统
HXD3B 机车采用先进的分布式微机网络控制系统，其通讯方式基于TCN 列车通信网络和Ethernet （以太网）。每台HXD3B 型机车的微机网络控制系统由2组机车控制单元VCU ，2组网关TCN-GW ，3组牵引控制单元DCU2，2组以太网交换单元，2组司机显示单元DDU ，1组制动控制单元BCU 以及分布于各个电器柜内的输入输出（I/O）模块和高压柜内的AMP 模拟监测保护装置等构成。
机车安装有两个VCU ，采用热备份冗余方式。正常情况下VCU1为主控单元，VCU2为从控单元。VCU1发生故障时，VCU2将自动投入工作，不影响机车的正常运行。机车控制单元主要完成以下功能：实现列车的控制，包括控制受电弓、主断、空气压缩机、牵引系统及电传动系统等；故障诊断与保护；管理显示单元；控制直流电源回路；管理通信网络等。列车总线和机车总线之间通过TCN 网关连接，网关采用冗余配置，当其中一个网关出现故障时，另一个网关可接管全部功能。每台机车有3个变流柜，每个变流柜由4个相同的DCU2硬件单元体构成。DCU2/L为网侧变流器控制单元，DCU2/M1和DCU2/M2为电机变流器控制单元，DCU2/A为辅助变流器控制单元，通过它们完成整车驱动级的控制。每台机车有2个显示单元DDU ，分别安装在I 、II 端操纵台面板上。司机显示单元DDU 用于实现司机与机车微机网络控制系统之间的人机对话。机车取消了CCBII 制动系统显示单元，CCBII 制动系统的各种信息显示及操作均可由DDU 完成。[7]
5结论
以上从HXD3B 的电气系统的主辅电路，辅助电源，制动及防滑技术和微机网络控制的几个方面展现了该交流机车的各部分性能及创新性，为今后交流机车的改进提供了依据。
参考文献
[1]代兴军, 王明杰, 王永良.HXD3B 型交流传动电力机车概述[J].电力机车与城轨车辆,2010,33(2):1-4,9.
[2]郝凤荣, 王明杰, 李新.HXD3B 型交流传动电力机车主辅电路[J].电力机车与城轨车辆,2010,33(2):5-9.
[3]曲文涛, 郝凤荣, 田光兴, 代兴军.HXD3系列电力机车辅助电源系统性能探析[J].铁道机车与动车,2014,6:11-15.
[4]曹灏, 王存兵, 吴国栋, 孙宝生.HXD3B 型交流传动电力机车空气制动系统[J].电力机车与城轨车辆,2010,33(2):17-20.
[5]钱炜宗.HXD3型电力机车的制动系统及防滑技术研究[J].科技资讯,2010,15:62.
[6]田桂丽, 梁信栋.HXD3型电力机车撒砂装置故障分析及制作风压测量装置[J].科技创新导报,2012,8:91.
[7]付莹, 李新, 郝凤荣.HXD3B 型交流传动电力机车网络控制系统[J].电力机车与城轨车辆,2010,33(2):21-24.
石家庄铁道大学
研究生课程论文
培养单位学科专业课程名称任课教师学生姓名
学号电气与电子工程学院电力牵引交流传动及其控制系统研究生学院
HXD3B 型交流传动电力机车综述
摘要：HXD3B 型机车是大连机车车辆有限公司自主开发的六轴大功率交流传动货运电力机车。本文主要就HXD3B 型机车的主辅电路，空气制动系统，辅助电源，防滑技术以及撒沙装置进行简要介绍。关键字：交流电力机车；电气系统；制动特性；防滑技术
引言
HXD3B 型机车主要有通风系统，电气系统，微机网络控制系统，制动及供风系统。
1通风系统
1.1牵引通风机冷却系统
整车共有两台牵引通风机，每一台牵引通风机用来冷却转向架的三台牵引电机，冷却空气由顶部风腔进入，经过风机后，在进入牵引电机前分成三个通风道，分别通过软管和牵引电机的入口相连接，然后进入牵引电机，最后由牵引电机的出风口排出车外。
1.2油水冷却塔通风系统
每台机车设有2台油水冷却塔，通过各自的回路分别与变流器和变压器连接。变流器回路中，使用水和乙二醇的混合物作为传热介质；变压器回路中，传热介质为矿物油。整体的散热器由2个隔开的流体回路组成，变压器的热量通过油循环回路进入冷却塔散热器下层，变流器的热量通过水循环回路进入冷却塔散热器上层。在冷却风机的作用下，冷却空气过车顶风腔进入，先吸收水回路的热量，再吸收油回路的热量，然后由车底排向大气。
1.3机械间辅助通风系统
机车设有2个车体通风机，分别安装在两端的顶盖上。冷却空气由车顶风腔进入机械间，向空气压缩机、变流器控制模块提供风源，并保证机械间内部的微正压。
1.4空调通风系统
在机械间内靠近两端司机室的后墙位置各设有1个空调机组，空调的入风口设置在车体侧墙开口处，空气经过机组处理后，通过布置在司机室地板下面的风道送到司机室前端部。空调系统具有通风、制冷、制热等功能，由于新风风机的作用，送入司机室的新风使司机室保持一定的正压，保证司机室的卫生要求。
[1]
2电气系统
2.1主电路
主变压器的6组牵引绕组分别经过3组变流柜，实现对机车牵引系统和辅助系统的供电。主电路按其功能可分为以下几部分：网侧变流器、中间直流电路、电机变流器、辅助变流器及变流器的控制和保护等。机车由3个变流柜组成，每个变流柜由两个网侧变流器、两个电机变流器和一个辅助变流器组成，他们共用一套中间直流电路。当一组变流柜发生故障时，通过微机控制系统VCU 自动将故障的变流柜切除，也可通过微机显示屏隔离某个变流柜，机车继续维持2/3的牵引动力，辅助系统通过故障切换，由两组辅助变流器完成对全车辅助系统及控制系统的供电，实现机车的冗余控制。
2.1.1网侧变流器
网侧变流器为四象限整流器，它是传动系统的一个重要组成环节。每个变流柜由两组网侧变流器构成，
它们共用一套预充电回路，即由一个充电接触器、一个充电电阻和两个工作接触器构成。其作用是防止接入网侧变流器时的电流冲击。网侧变流器的工作原理为：网侧变流器的控制装置根据微机控制系统来的信号，先闭合充电接触器，经过充电电阻限流，相连的网侧变流器向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网侧变流器供电。
2.1.2中间直流电路
中间直流电路由中间电压支撑电容、二次滤波LC 谐振电路、中间直流电路过压保护环节、接地保护电路、接地监测电路、放电电阻和电压传感器等构成。在三相交流传动系统中，中间直流电路的作用，在网侧整流器和电机侧逆变器之间实现瞬时功率平衡；储能电容向牵引电动机提供基波无功功率和高次谐波的通路；变流器换流能力直接受中间电路电压的影响，逆变器的调制电压质量也取决于其平衡程度。[2]
2.1.3电机变流器
HXD3B 型机车的电机变流器是由IGBT 元件组成的PWM 变流器。
2.2辅助电路
机车设有三组独立的三相辅助电源，每组电源回路由辅助变流器、辅助隔离变压器、滤波电容、接触器、自动开关及对应辅机等构成。3组辅助逆变器采用DC-AC （三相）变换模式，分别从3组牵引变流器的中间直流环节取电，逆变成2组变压变频三相电源和1组恒压恒频电源，然后通过滤波变压器和滤波电容器滤波及降压后向3组三相负载支路供电。机车正常运行时，两组辅助电源采用变压变频方式供电，分别向两台冷却塔通风机电机和两台牵引电机通风机电机供电；第三组辅助电源采用定频定压方式供电，主要向空压机、油泵、水泵、变流器风机、司机室空调、机器间通风机、蓄电池充电器和各类单相辅助加热器等供电。当一组辅助电源出现故障时，其他两组辅助电源仍可以定频定压方式保证机车辅助系统的正常工作，实现机车辅助系统的冗余供电。[3]
3制动及防滑技术
制动系统主要包括风源系统，CCBII 制动机，辅助系统及基础制动装置。
3.1CCBII 制动机
下面主要介绍一下CCBII 制动机即制动控制系统。
CCBII 制动机的主要部件：2个电子制动阀（EBV ），2个制动显示屏（LCDM ），1个集成处理器（M-IPM ），1个继电器接口模块（CJB ）和1个电空控制单元（EPCU ）。2个EBV 和2个LCDM 分别位于2个司机操作台，M-IPM 、CJB 及EPCU 均位于制动柜内部，制动柜位于机械间内。
2个电子制动阀（EBV ）是方便司机实施动力制动以及空气制动。电子制动阀又分为自动制动阀和单独制动阀。自动控制阀控制列车管的压力，进一步控制列车的制动和缓解。单独制动阀控制机车制动缸的压力。此外，电子制动阀（EBV ）还有一个机械阀，在自动制动手柄处于紧急制动位时，此机械阀能使列车管与大气相通，列车施行紧急制动。制动显示屏（LCDM ）能够为司机显示当前的状态以及制动管充风流量和空气制动的当前模式及制动机故障信息。M-IPM 是CCBII 制动机的中央处理器，它控制所有与LCDM 的接口任务，并监测EBV 的指令，通过LON 网线向EPCU 传达命令，并同机车微机进行数据通讯。CJB 是M-IPM 与机车进行通讯的硬线接口模块，可以同MVB 网线功能相互作为备份。EPCU 由电空阀和空气阀组成，用来控制机车空气管路的压力，是制动机的执行部件，所有电空阀和空气阀集成到8个线路可更换模块（LRU ）。[4]
3.2防滑技术
拥有良好的制动系统的同时，防滑技术的提高也是不可缺少的。防滑技术的工作原理为：当制动时，由于线路条件、天气状况变化，粘着也随之变化，当车轮和钢轨之闻的粘着力比基础制动装置和主电机产生的制动力小时，在轮轨之间就会产生打滑现象，使车轮的转速迅速降低。通过速度检测传感器检测出速度信号，然后把检测信号传给滑行检测器，滑行检测器进行计算、分析和逻辑判断，发出控制指令，防滑排风阀按指令进行相应的控制，制动缸迅速降低制动力，使滑行的车轮快速缓解，待滑行缓解后，重新恢复制动力。
由此产生了空气防滑系统，该系统组成及基本功能为：采用德国KNORR 公司生产的MGS2型防滑系统。本系统由控制单元ESRA 、速度传感器、防滑电磁阀GV12_ESRA等部件组成。制动时能有效防止轮对因滑行造成的踏面擦伤；能根据轮轨间的黏着变化调节制动缸压力，从而有效利用轮轨黏着，缩短制动距离；具有轮径自动修正功能；具有防滑排风阀自动切换功能。[5]
3.3撒砂系统
撒砂装置主要由：砂箱、砂箱盖、砂室、排出室高管、低管、筒形加热器、烧结板等构成。撒沙系统的工作原理为压缩空气由端口进人，阻气门调节从底部通过烧结进入砂箱的空气。在砂箱中，供给的空气被分为两股：计量的气流和排出的气流。计量的气流从烧结板流入砂室并将砂子推向撒砂出口。排出的气流流经砂箱中的砂子使它们松散，最后通过排出室高管和排出阻气门回到机壳。[6]
4网络控制系统
HXD3B 机车采用先进的分布式微机网络控制系统，其通讯方式基于TCN 列车通信网络和Ethernet （以太网）。每台HXD3B 型机车的微机网络控制系统由2组机车控制单元VCU ，2组网关TCN-GW ，3组牵引控制单元DCU2，2组以太网交换单元，2组司机显示单元DDU ，1组制动控制单元BCU 以及分布于各个电器柜内的输入输出（I/O）模块和高压柜内的AMP 模拟监测保护装置等构成。
机车安装有两个VCU ，采用热备份冗余方式。正常情况下VCU1为主控单元，VCU2为从控单元。VCU1发生故障时，VCU2将自动投入工作，不影响机车的正常运行。机车控制单元主要完成以下功能：实现列车的控制，包括控制受电弓、主断、空气压缩机、牵引系统及电传动系统等；故障诊断与保护；管理显示单元；控制直流电源回路；管理通信网络等。列车总线和机车总线之间通过TCN 网关连接，网关采用冗余配置，当其中一个网关出现故障时，另一个网关可接管全部功能。每台机车有3个变流柜，每个变流柜由4个相同的DCU2硬件单元体构成。DCU2/L为网侧变流器控制单元，DCU2/M1和DCU2/M2为电机变流器控制单元，DCU2/A为辅助变流器控制单元，通过它们完成整车驱动级的控制。每台机车有2个显示单元DDU ，分别安装在I 、II 端操纵台面板上。司机显示单元DDU 用于实现司机与机车微机网络控制系统之间的人机对话。机车取消了CCBII 制动系统显示单元，CCBII 制动系统的各种信息显示及操作均可由DDU 完成。[7]
5结论
以上从HXD3B 的电气系统的主辅电路，辅助电源，制动及防滑技术和微机网络控制的几个方面展现了该交流机车的各部分性能及创新性，为今后交流机车的改进提供了依据。
参考文献
[1]代兴军, 王明杰, 王永良.HXD3B 型交流传动电力机车概述[J].电力机车与城轨车辆,2010,33(2):1-4,9.
[2]郝凤荣, 王明杰, 李新.HXD3B 型交流传动电力机车主辅电路[J].电力机车与城轨车辆,2010,33(2):5-9.
[3]曲文涛, 郝凤荣, 田光兴, 代兴军.HXD3系列电力机车辅助电源系统性能探析[J].铁道机车与动车,2014,6:11-15.
[4]曹灏, 王存兵, 吴国栋, 孙宝生.HXD3B 型交流传动电力机车空气制动系统[J].电力机车与城轨车辆,2010,33(2):17-20.
[5]钱炜宗.HXD3型电力机车的制动系统及防滑技术研究[J].科技资讯,2010,15:62.
[6]田桂丽, 梁信栋.HXD3型电力机车撒砂装置故障分析及制作风压测量装置[J].科技创新导报,2012,8:91.
[7]付莹, 李新, 郝凤荣.HXD3B 型交流传动电力机车网络控制系统[J].电力机车与城轨车辆,2010,33(2):21-24.