HXN3型内燃机车电传动控制系统研究分析

吕娜玺

（天津铁道职业技术学院，天津 300240）

HXN3型内燃机车电传动控制系统研究分析

吕娜玺

（天津铁道职业技术学院，天津 300240）

本文详细阐述了HXN3型内燃机车的各系统的工作原理，主要包括：交流传动系统、辅助供电系统、网络通讯系统、空气制动系统等，结合内燃机车的性能特性分析了目前HXN3机车电传动的矢量控制、PWM控制等技术、网络通讯控制的观点以及方法。

内燃机车；电传动；控制技术

1 引言

随着经济的快速发展，铁路运输业的得到了迅猛发展，为此机车“客运高速，货运重载”的需求也越来越大，未来提高大功率内燃机车的性能，逐渐将先进的交流电传动技术应用于HXN3内燃机车，这不仅提高了内燃机车机车的技术水平，也提升了铁路装备的制造水平。为此，HXN3内燃机车的交流电传动技术需要更深一步分析研究。近十几年来交流电传动技术以及相关的控制技术已经逐渐应用于内燃机车控制过程，为满足铁路运输属于需求的内燃机车的大功率要求，对内燃机车的交流电传动技术以及与之相关各个系统的控制技术进行研究和分析，是目前铁路机车研究领域中的一个重要方向。

2 内燃机车电传动简介

2.1直流电传动

直流电传动是电力机车较普遍应用的一种传动方式，再工作过程输入直流电机的电能与机械能进行可逆的转换。内燃机通过具有弹性性质的联轴节来驱动直流发电机，发电机把内燃机曲轴上的机械能转变为可以调节控制的直流电能，经直流牵引电动机把电能转变为转速以及转矩都能够进行调节的机械能，然后通过联轴节连接齿轮箱，经过齿轮箱驱动机车动车轮对，这样来实现牵引控制。这种传动方式的发电机和牵引电动机都是釆用直流电机，所以也称为直-直电传动。

2.2 交-直流电传动

伴随内燃机功率与转速的逐渐提高，内燃机车逐步向大功率方向发展，但是直流牵引发电机的功率输出由于受到换向以及机车功率限界等各个因素的制约限制，单台内燃机功率一般被限制在2200KW以内，直到上世纪60年代，大功率机车的整流技术逐步成熟，交-直流电传动技术得到了广泛应用。交-直流电传动属于直流调速系统，他是采用交流牵引发电机，交流牵引发电机输出的三相交流电，经过整流器将交流整流转变为直流，然后再经过直流牵引电动机通过联轴节来驱动机车动车车轮，直流牵引发电机相比，这种交流传动方式的牵引发电机具有无换向器的特性，这种方式结构简单，运行安全可靠，并且维护简单。

2.3 交流电传动

即使串励直流牵引电动机具有较好的的调速性，但是考虑到其自身的一些特性，致使其面临着以下几个难点：第一，串励直流牵引电动机的自身结构特性导致其功率难以进一步提升。第二，由于串励直流牵引电动机功率特性相对较软，有时候导致机车在牵引工况下出现空转现象或者电阻制动工况下出现打滑现象。第三，同一等级的直流牵引电动机与交流异步电动机相比，在重量和尺寸上都相对较大。

3 HXN3型内燃机车电传动控制系统设计

3.1 交流主传动系统

内燃机车的交流主传动系统不但担负着分发挥内燃机输出功率的任务，也是内燃机车性能的最关键的部分之一。内燃机车的能量转化和输入与输出是由交流电传动系统来完成的。在HXN3机车上，其内燃机具有以架控和矢量控制特点的大容量IGBT的逆变器作为主传动系统，是能量传输以及电量转化的最关键载体，该大功率交流牵引系统，具有高调速比、大单轴功率以及少维护率的贴点，并且具有较高的牵引特性，这些特点是HXN3机车的核心优势之一。

内燃机车的主传动系统主要包括主发电机、整流单元、牵引逆变器、牵引电机以及制动电阻装置等构成。主发电机所发出的三相交流电经过牵引整流单元转化为高压直流电，该高压直流电经过牵引逆变器转化为所需电压值的交流电，最终输出给牵引电动机，牵引电机通过联轴节与动车的齿轮箱相连接，实现列车的牵引运行。

3.2 辅助供电系统

HXN3型内燃机车釆用交流辅助供电系统对车辆上的辅助电气进行供电。辅助供电系统由与主发电机同轴的辅助发电机进行供电。辅助发电机电枢具有两套三相交流电枢绕组，在这两套装中的一套主要是为控制电源以及蓄电池充电供电，另一套绕组分成两组各自独立的电压输出，其中一组输出为辅助设备供电，另一组为励磁供电。

控制电源与蓄电池充电绕组输出主要为72-220VAC的三相交流电，通过辅助电源转换器进行整流调压输出74VDC控制电，主要为控制系统、蓄电池、照明系统以及空调控制系统等供电。

3.3 微机控制及网络通讯系统

HXN3机车釆用的是32位的EM 2000微机控制系统对机车的牵引、制动、整流与逆变以及辅助系统进行控制，使机车在不同的运行工况下对机车的牵引和制动能力得到最大发挥。机车的PIS的列广系统主要是完成列车信息显示、数据下载、操作和维护，并具有远程监控数据接口等功能。

3.4 空气制动系统

HXN3机车制动部分采用微机控制系统，主要是空气制动系统CCBII。空气制动系统具有自我故障诊断、显示及人机对话等功能，这些功能是集成在机车HRE显示系统中的。本空气制动系统主要是基于网络控制技术的电空制动系统，所有的逻辑顺序都是由微机进行控制的。本空气制动系统具有减压准确、反应迅速，保养简单等特点，并具有安全可靠、集成化程度较高，同时功能可扩展性较强，能够实现分布式无线重联等控制。

4 总结

交流电传动涉在工业领域有着广泛的应用，在内燃机车上的交流电传动需要与内燃机车独特的技术特性和运用需求结合在一起，这导致内燃机车电传动系统非常复杂。本文通过对HXN3内燃机车交流电传动的相关理论分析与研究，阐述了其各个系统的工作原理，对交流传动系统、辅助供电系统、网络控制系统、空气制动系统进行了详细研究，为从事内燃机车交流电传动技术相关的设计与运用维修人员提供了理论基础。

[1]曹恒，潘大德.内燃机车大功率内燃机电控系统试验研究.车用发机.2009，1： 13-16

[2]刁利军，刘志刚，沈茂盛等.交流传动试验系统方案综述.电气传动.2007，9： 33-34

[3]金彪.大功率交流传动内燃机车电传动系统方案研究.西南交通大学，2012：38-48

【作者介绍】

吕娜玺，天津铁道职业技术学院教师，主要负责内燃机车、电力机车控制教学与研究。