型电力机车主电路

HXD3型电力机车主电路主要由网侧电路、主变压器、主变流器及牵引电动机、主电路保护及库内动车电路等组成，如图5.1所示。

一、网侧电路

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～EB6 等组成。

接触网电流通过受电弓AP1或AP2进入机车，经高压隔离开关QS1或QS2和主断路器QF1，通过高压电流互感器TA1进入车内，经 25kV 高压电缆与主变压器原边 1U 端子相连，经过主变压器原边，从1V端子流出，通过6个并联的回流装置EB1～EB6，从轮对回流至钢轨。

1.受电弓AP1、AP2

采用DSA200 型受电弓。该受电弓采用原装德国进口件，在国内组装。各项性能指标均高于国内同类产品，受电弓内装有自动降弓装置，当弓网故障时，可自动降弓保护。

2.高压隔离开关QS1、QS2

采用两台 BT25.04 型高压隔离开关，该开关是采用电空控制方式进行转换的。当一台受电弓发生故障时，可通过控制电器柜上的隔离开关SA96，将其打至对应隔离位，通过TCMS（控制监视系统）发出指令来控制相应的电空阀，实现高压隔离开关的开闭操作，以切除故障的受电弓，同时使用另一台受电弓维持机车正常运行，减少机破，提高机车运用可靠性。

3.高压电压互感器TV1

采用干式高压电压互感器，其次边输出通过保护用的自动开关QA1，分别送到主变流器UM1和主变流器UM2的控制单元，作为主变流器控制的同步信号使用，还可为原边电压的检测和电度表的计量提供电压输入，其变比为25 000V/100V。

4.主断路器QF1

采用1 台 BVAC N99.205 型真空断路器。该断路器除接通和开断机车的总电源外，还能在主电路发生过流、接地、零压等故障时，起最后一级保护作用。

5.避雷器F1

避雷器F1接在主断路器QF1和高压电流互感器TA1之间，用以抑制操作过电压及雷击过电压。

6.高压电流互感器TA1

电流互感器TA1 主要用作短路电流的检测，是保护用互感器，用以驱动过电流继电器KC1 动作，因而对其饱和度有较高要求，对其检测精度要求比测量用互感器低。

7.低压电流互感器TA2

低压电流互感器TA2 是为电度表的计量提供电流输入，为机车微机控制系统提供原边电流信号，用于原边电流显示，属于测量用互感器，要求有较高的测量精度。

8.回流装置EB1～EB6

回流装置保证网侧向钢轨的回流作用，同时保护机车轮对轴承不受电蚀，保证机车可靠接地。

9.电度表PWH

机车选用了爱尔斯特（ELSTER）公司生产的智能型电度表PWH，通过采集原边低压电流互感器TA2和高压电压互感器TV1 提供的电流和电压信号来实现机车牵引、再生电能的计量。电度表设有屏显窗口和切换按钮，通过按钮切换，可以进入不同的状态模式（滚动模式、标准模式、ABL 模式），进行信息量的查询。电度表既可查询近期每天的电能消耗及能量的反馈，还可查询当时的原边电压、电流及功率因数等。

10.高压接地开关QS10

机车通过设置高压接地开关QS10，来实现机车的高压安全互锁。高压接地开关QS10上配有1 把蓝色钥匙和2 把黄色钥匙，其中蓝色钥匙用于控制受电弓的升弓气路，黄色钥匙用于打开机械室天窗或高压电器柜门，通过它们与接地开关的联锁控制，实现 HXD3型电力机车的高压电气安全互锁功能。

机车正常运行时，需要将高压接地开关QS10 置“运行位”，此时 QS10的接地端与车顶回路断开，将蓝色钥匙拔出并插入管路柜上的升弓气路阀，保证受电弓的气路连通；同时QS10的辅助联锁触点闭合（信号425 得电），为主断路器闭合提供了必要条件。

机车需要打开顶盖天窗或电器柜门进行检修时，首先断开主断路器并降弓，然后将空气管路柜上的蓝色钥匙旋转拔除，以切断升弓气路；将蓝色钥匙插入接地开关QS10 并向右旋转至“接地位”，保证车顶设备可靠接地；旋转黄色钥匙并将其拔出，之后便可打开天窗或高压电器柜门，从而实现了机车高压安全保护。

二、主变流器和牵引电动机电路

机车采用两套主变流器UM1、UM2，分别由主变压器的牵引绕组2U1～2V6供电，主变流器再分别给牵引电动机M1、M2、M3和M4、M5、M6供电。两套主变流器的电路完全相同，以下就主变流器UM1的电路进行说明。

1.主变流器电路构成

主变流器UM1 内部可以看成由3个独立的“整流-中间电路-逆变”环节（称为牵引变流器）构成。每组牵引变流器分别有2个接触器、1个输入电流互感器、1个充电电阻、1个四象限整流器、中间电路、1个 PWM 逆变器、2个输出电流互感器等组成。

机车6组牵引变流器的主电路和控制电路相对独立，分别向 6个牵引电动机提供交流变频电源。当其中一组或几组发生故障时，可通过TCMS微机显示屏，利用触摸开关将故障的牵引变流器切除，剩余单元仍可继续工作，实现整车的冗余控制。

2.工作原理

当中间电压为零时，主变压器的牵引绕组通过充电电阻向四象限整流器供电，给中间直流回路支撑电容充电。当中间直流电压达到2 000V时，充电接触器切除充电电阻，中间电路预充电完成。在逆变器工作之前，牵引绕组迅速向中间直流回路支撑电容充电，直至2 800V。此时，牵引变流器启动充电过程完成，逆变器可以投入工作。

机车再生制动时，逆变器工作在整流状态，四象限整流器工作在逆变状态，并通过中间直流回路向主变压器牵引绕组馈电，将再生能量回馈至接触网。

3.四象限整流器主要技术参数

四象限整流器是一个脉宽调制变流器，它将电源的交流电压，通过脉冲宽度和相位控制，控制中间直流电压的幅值和流入变流器的交流电流波形和相位，使交流电流的波形尽量接近正弦，使得交流侧的基波电压和基波电流的相位差接近于0，这样既限制了谐波电流分量，又提高了机车功率因数。因此与相控整流器比较，四象限整流器有很高的功率因数，谐波电流含量也小得多，四象限整流电路如图5.2所示。

对 HXD3型电力机车，6组四象限整流器的调制波相位是一致的，但载波的相位不一致。它们依次相差 30°、60°…180°，从而达到消除谐波的目的，通过这样做还可以保证等效干扰电流Jp≤2.5A。

图5.2　四象限整流电路

4.中间直流电路

机车采用的是电压型逆变器，为了稳定中间回路电压，并联了大容量的支撑电容，同时它还对四象限脉冲整流器和逆变器产生的高次谐波电流进行滤波。中间直流电路主要由中间电压支撑电容、瞬时过电压限制电路和主接地保护电路组成。该车中间直流电路与欧洲和国内以往的交流传动电力机车不同，取消了二次滤波电路，它是通过逆变器的软件控制，来消除二次谐波电压的影响，大幅度抑制牵引电机电流脉动现象和转矩脉动现象，如图5.3所示。

瞬时过电压限制电路由IGBT和限流电阻组成。

主接地保护电路由跨接在中间回路的两个串联电容和一个接地信号传感器组成。每台主变流器含有3 套独立的接地保护电路，可以分别对 3组牵引变流器进行接地监测和保护。接地检测信息送至TCMS，可以实现故障显示。可以通过接地故障转换开关，实施对接保护的隔离。5.牵引逆变器和牵引电动机供电电路

图5.3　中间直流电路原理图

牵引逆变器参数：

牵引电动机的主要技术参数：

HXD3型电力机车的牵引逆变器是由IGBT元件组成的PWM逆变单元，整车的6个牵引逆变器分别向 6 台牵引电动机供电。由于牵引逆变器采用矢量控制模式，使异步牵引电动机具有快速反应的动态性能，实现了机车每个牵引电动机的独立控制。由于整车采用轴控方式，当整台机车的6个轴的轮径差、轴重转移及空转等可能引起的负载分配不均匀时，均可以通过牵引变流器的控制进行适当的补偿，以实现最大限度地发挥机车牵引力，如图5.4所示。

图5.4　牵引变流器、牵引电机电路原理图

三、主电路保护电路

1.主变压器牵引绕组过流保护

在每组牵引变流器的输入回路中，设有1个输入电流互感器ACCT，起控制和监视变流器充电电流及牵引绕组短路电流的作用，其动作保护值为1 960A。保护发生时，四象限脉冲整流器和逆变器的门极均被封锁，输入回路中的工作接触器断开，同时向微机控制系统发出跳主断信号，通过的复位开关可进行恢复。若这种故障在3min 内连续发生两次，故障将被锁定，必须切断变流器CI的控制电源，才能恢复正常。

2.主接地保护电路

主牵引回路正常时，由于只有1点接地，接地保护电路中流过的电流为零，接地信号检测传感器GCT 无信号输出。

当主电路某一点接地时则形成回路，接地检测回路有故障电流流过，传感器输出电流信号，使保护装置动作，其动作保护值为10A。保护发生时，四象限脉冲整流器和逆变器的门极均被封锁，输入回路中的工作接触器断开，同时向微机控制系统发出跳主断信号。此时司机可将故障支路的变流器切除，机车还剩 5/6的牵引动力，继续维持机车运行，回段后再作处理。若确认只有一点接地，也可将控制电器柜上对应的接地开关打至“中立位”，继续维持机车运行，回段后再作处理。

3.牵引电动机过流保护

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不平衡起控制和监视保护作用。牵引电机过载保护的动作值为1 400A。当保护发生时，四象限脉冲整流器和逆变器的门极均被封锁，输入回路中的工作接触器断开，同时主变流器控制单元向微机柜TCMS发出牵引变流器CI 过流信息，实施跳主断。

4.原边电压保护

当原边网压高于32kV 且持续 10 ms或者是高于35kV 且持续 1 ms时，CI实施保护，四象限脉冲整流器和逆变器的门极均被封锁，输入回路中的工作接触器断开，同时向微机控制系统发出原边过电压信息。

当原边网压低于16kV 且持续 10 ms时，CI实施保护，四象限脉冲整流器和逆变器的门极均被封锁，输入回路中的工作接触器断开，同时向微机控制系统发出原边欠压信息。

5.瞬时过电压保护

在机车出现空转、滑行或者受电弓离线造成的网压中断等情况时，牵引变流器的中间回路上可能出现瞬时过电压，为了防止这种过电压对变流器造成损坏，在中间直流回路设有瞬时过电压限制电路，由IGBT和限流电阻组成，通过牵引变流器中间直流回路电压传感器的监测。这是一种多次重复方式的保护，当过电压存在时，该 IGBT 将导通，直流回路能量经限流电阻放电和释放，消除过电压。

当中间回路电压大于等于3 200V时，瞬时过电压保护环节动作，四象限脉冲整流器和逆变器的门极均被封锁，输入回路中的工作接触器断开。

此外，当中间回路电压小于等于2 000V时，中间回路低电压保护环节动作，四象限脉冲整流器和逆变器的门极均被封锁，输入回路中的工作接触器断开（库内动车除外）。

6.牵引变流器的检修安全联锁保护

在检查或操作牵引变流器之前，须断开主断路器，降下受电弓，然后闭合主变流器的试验开关，通过司机台上的微机显示屏确认设备内的电容器已放电完毕（小于36V）或观察故障显示灯中的“预备”灯灭后，才能进行检查操作，否则中间回路的支撑电容上有很高的电压，未及时放完危及人身安全。

7.其　他

（1）原边电压显示。

机车设置2 块网压表PV1、PV2。当受电弓升起后，可分别用来显示接触网电压。在机车控制系统自检正常后，通过微机显示屏也可观察到原边电流和网压。

（2）库内动车。

库内电源通过单相插座送到二、五位牵引电动机的牵引变流器环节，进行库内动车作业。机车共设置2个主电路入库插座和2个主电路入库转换开关，方便库内动车需要。当需要用牵引电动机M2 动车时，在主电路入库插座 XSM1 处接入库内动车电源引线，转换主电路入库转换开关QS3，再闭合地面电源，通过操纵司机控制器机车便可以向前、后移动；当需要用牵引电动机M5 动车时，在主电路入库插座 XSM2 处接入库内动车电源引线，转换主电路入库转换开关QS4，再闭合地面电源，通过操纵司机控制器机车便可以向前、后移动。