HXD3型系列电力机车牵引变流器功率模块分析及研究

HXD3型系列电力机车牵引变流器功率模块分析及研究

李大海王泽众刘俊华

中车大连电力牵引研发中心有限公司 技术中心 辽宁大连 116022

摘要：以HXD3C型电力机车为研究对象，对牵引变流器参数及特性、四象限整流单元、中间直流电路、PWM逆变单元分别进行了分析研究。着重对HXD3C型电力机车牵引主电路各模块的构成及各个环节的作用等进行了阐述和分析。

关键词：牵引变流器；传动系统；功率模块；

1、前言

随着国民经济快速增长，中国铁路机车技术装备水平实现了质的飞跃，铁路运输牵引力实现了由直流传动向交流传动的更新换代，形成了较为完善的和谐型交流传动机车谱系。

HXD3C型电力机车是中车大连机车有限公司按照先进、成熟、经济、适用、必须的原则和模块化、标注化、简统化、系列化的要求，在引进消化吸收国外先进技术的基础上进行自主创新和集成设计的成果。HXD3C型电力机车是交流传动6轴干线电力机车，采用C0-C0轴式，持续功率7200KW，单轴功率1200KW，最高运行速度120km/h，最大起动牵引力570kN，最大再生制动力400kN，能满足长距离区间，长大坡道、重载长达编组的货运列车运输需要。HXD3C型电力机车自2010年起上线运行，在干线列车牵引中发挥了重要作用。

2、牵引变流器概述

变流装置用于直流和交流之间电能的变换，并对各种牵引电机起控制和调节作用，从而控制机车的运行。

每台机车装有两台变流装置，每台变流装置内含三组牵引变流器和一组辅助变流器。牵引变流器为牵引电机提供三相交流的变压变频（VVVF）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、真空接触器等主电路部分和无接点控制单元等的控制电路部分构成。根据车辆的速度，通过矢量控制，精确快速地控制牵引电机的转矩和转速。牵引变流器参数如下表所示。

表1 牵引变流器重要技术参数

3、牵引变流器功率模块

功率模块是构成变流器的核心部件，是由上下桥臂的两组IGBT元件和反并联二极管构成，还包括冷却元件的水冷基板组件及控制IGBT栅极电压的驱动电路。

四象限整流单元是由U相、V相两个功率模块构成，逆变器单元由U相、V相、W相三个功率模块构成，即功率模块数量是由相单元决定的。

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两个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，但采用的IGBT元件相同，额定值都是4500V/900A，因此两种模块内的元件是可以互换的，增强了模块检修部件的通用性。

3.1 四象限整流单元

每台牵引变流器中有三个四象限变流器，每个四象限变流器由并联的桥臂组成。四象限变流器可以实现交流到直流的整流变换功能，也能实现直流电变换为交流电回馈电网的逆变功能。

四象限变流器可以完成四个任务，一是实现从网侧到直流侧或直流侧到网侧的功率传递，二是稳定中间直流回路电压，三是优化机车功率因数，四是降低网侧电源失真。

3.2 中间直流电路

中间支撑电容作为储能器件，起缓冲和平滑中间直流回路电压的作用。为了保证四象限变流器，电机侧牵引逆变器及辅助逆变器之间实现瞬时功率平衡，必须设置储能电容。储能电容还用于向牵引电动机提供基波无功功率和高次谐波通路。

3.3 逆变单元

逆变电路是由U、V、W三相逆变单元构成的。将PWM整流单元输出的直流电转换为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。

机车的牵引电机M1~M3分别有牵引变流器UM1的3个PWM逆变器单独供电，M4~M6分别由牵引变流器UM2的3个PWM逆变器单独供电，实现牵引电动机的独立控制，由于机车六根动轴的轮径差、轴重转移及空转等可能引起负载分配不均匀，都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。

4、结论

本文对HXD3C型电力机车变流器的牵引传动系统各功率模块进行了分析。介绍了牵引变流器的技术参数、各主要功率模块结构组成及工作原理，可为机车的运用、检修和整备等提供可靠的技术支持。

参考文献：

[1] 中国北车集团大连机车车辆有限公司.HXD3C型交流传动电力机车培训教材[Z]．大连：中国北车集团大连机车车辆有限公司，2010.

[2] 陈芳．HXD3C型机车主传动系统分析与研究[J].山东工业技术，2013（13）：28-29.

[3] 刘怀银，刘怀金．浅析HXD3C型电力机车电传动系统[J].机电信息，2018（09）：8-9.

[4] 李瑞荣．机车电力电子技术[M].北京：中国铁道出版社，2009.