1、 湖南铁道职业技术学院毕业设计说明书 1 毕业设计说明书 课题名称： HXD1 型电力机车牵引电传动系统分析 专 业 系 轨 道 交 通 系 班 级 城轨 091 学生姓名 李耀双 指导老师 邓木生 完成日期 2011 年 12 月 湖南铁道职业技术学院毕业设计说明书 2 2012 届毕业设计任务书 一、 课题名称： HXD1 型电力机车牵引电传动系统分析 二、 指导教师：邓木生 三、 设 计内容与要求 课题概述 HXD1 型电力机车电传动系统是按 AC25kV、 50Hz 牵引供电制式设计的，并能适应我国铁路接触网电压范围较宽的特点。两节车各自配备了独立的、相同的电传动系统，它们的网侧电路可
2、通过车顶高压连接器相连，既可固定重联运用，也可解编后各自独立运用，同时还具有外重联功能。 每节机车有一套完整的网侧电路和电传动系统，每节车的电传动系统由一台拥有 1个原边绕组、 4 个牵引绕组和 2 个二次谐振电抗器的主变压器，通过 4 个四象限整流器（ 4QC）向两个独立的中间直流回路充电。每台转向架上的 2 台三相异步电动机作 为一组负载，由连接在中间直流回路上的 1 个脉宽调制逆变器供电。因为两路中间直流回路相互独立，所以整台机车的牵引力有 75的冗余，从而提高了机车的可利用率。中间直流回路还连接有二次谐振电路、过压保护电路和接地检测电路等。机车采用再生制动，再生制动时机车能量反馈回电网
3、，达到节能的效果。四象限整流器和 PWM 逆变器采用水冷 IGBT 模块。 1.设计内容及要求 内容： 1） HXD1 型电力机车介绍 2）牵引系统原理阐述分析 3）分析系统的原理得出是否有 不足及相关单位的改进措施，自己的意见和看法。 要求： 1） 通过检索文献或 其他方式，深入了解设计内容所需要的各种信息 2) 按要求撰写毕业设计说明书 四、 设计参考书 HXD1 型电力机车 中国铁道出版社 主编 张曙光 电力电子技术 高等教育出版社 主编 徐丽娟 湖南铁道职业技术学院毕业设计说明书 3 五、 设计说明书要求 1、 封面 2、 目录 3、 内容摘要 (200400 字左右，中英文 ) 4、
4、 引言 5、 正文 （设计方案比较与选择，设计方案原理、计算、分析、论证，设计结果的说明及特点） 6、 结束语 7、 附录 (参考文献、图纸、材料清单等 ) 六、 毕业设计进程安排 1.头一周熟悉任务书、确定方案 2查阅资料，完成 设计要求说明及课题内容辅导 用时一周 3五周时间做内容的设计， 完成初稿 4 检查，修改，完善毕业设计 一周时间 5准备 毕业答辩与综合成绩评定 准备一周 七 、 毕业设计答辩及论文要求 1、 毕业设计答辩要求 答辩前三天，每个学生应按时将毕业设计说明书或毕业论文、专题报告等必要资料交指导教师审阅，由指导教师写出审阅意见。 学生答辩时对自述部分应写出书面提纲，内容包
5、括课题的任务、目的和意义，所采用的原始资料或参考文献、设计的基本内容和主要方法、成果结论和评价。 答辩小组质询课 题的关键问题，质询与课题密切相关的基本理论、知识、设计与计算方法、实验方法、测试方法，鉴别学生独立工作能力、创新能力。 2、 毕业设计论文要求 文字要求 :说明书要求打印 (除图纸外 )，不能手写。文字通顺，语言流畅，排版合理，无错别字，不允许抄袭。 图纸要求 :按工程制图标准制图，图面整洁，布局合理，线条粗细均匀，圆弧连接光滑，尺寸标注规范，文字注释必须使用工程字书写。 曲线图表要求：所有曲线、图表、线路图、程序框图、示意图等不准用徒手画，必须按国家规定的标准或工程要求绘制。 湖
6、南铁道职业技术学院毕业设计说明书 4 摘 要 和谐系列货运电力机车是南车集团和 北车集团与国外企业合作，引进消化技术，并国产化的新一代交流传动货运机车。分为每轴 1200KW 的和谐 1、 2、 3型（ 1、 2 型为八轴， 3型为六轴），以及六轴，每轴 1600KW 的和谐 1B、 2B、 3B 两代 9600KW 大功率机车。设计最高时速均为 120km/h。 HXD1 型电力机车是干线货运用 8 轴大功率交流电传动电力机车。该型机车是中国铁路由中外企业联合研发的交流电传动电力机车产品之一。 本文主要介绍了和谐大功率交流传动机车的牵引电传动，辅助电器和设备布置与通风系统的描述。详细介绍了牵
7、引传动系统的原理、部件和主要技术参数 。主要包括主电路的工作原理，牵引变压器结构、特点、技术参数，牵引变流器的结构、工作原理、主要技术参数，对变频调速异步牵引电动机的主要结构、特点、技术参数、维护等进行了较为详细的描述。 关键词： 交流传动 变压器 变流器 变频调速 湖南铁道职业技术学院毕业设计说明书 5 Abstract Harmony Series locomotives CSR and CNR cooperation with foreign enterprises, the introduction of digestion, and the localization of a new
8、 generation of AC drive locomotives.Each axis is divided into the harmony of 1,2,3 1200KW type (types 1 and 2 for the eight-axis, type 3 for the six-axis), and six-axis, each axis 1600KW harmony 1B, 2B, 3Bgenerations 9600KW power locomotives. Were designed maximum speed of 120km / h. HXD1 trunk frei
9、ght electric locomotive is 8-axis high-power AC drive electric locomotive. Kind, cars and foreign enterprises in China by the joint rail 1 electric locomotive Harmony AC drive electric locomotive developed by one of the products. This paper describes a harmonious high-power AC drive electric locomot
10、ive traction drives, auxiliary appliances and equipment layout and ventilation system description. Described in detail the principle of traction drive system, components and main technical parameters. Including the main circuit works, traction transformer structure, characteristics, technical parame
11、ters, traction converter structure, working principle, the main technical parameters of the inverter-driven induction traction motor of the main structure, characteristics, technical parameters, maintenance, etc. a more detailed description. Keyword: AC drive Transformer Converter Frequency 湖南铁道职业技术
12、学院毕业设计说明书 6 目 录 第一章 引言 7 第二章 HXD1型电力机车概述 8 第三章 辅助电气系统 12 3.1 概述 12 3.2 辅助电路 12 3.3 辅助变压器 15 第四章 主电路分析 18 4.1 机车的单节车主电路结构 18 4.2 四 象限整流 电路 22 4.3 牵引电机 26 第五章 交流传动 HXD1电力机车谐振原因分析与对策 30 5.1电力机车 PWM四象限交流器动态模型的建立 30 5.3 数据测试与结果分析 36 5.2 谐振产生的原因 36 5.4 试验结果分析 39 5.5 解决振荡的原因 42 第 六 章 毕业设计制作心得体会 44 参考文献 48
13、附录 (材料、图纸 ) 49 湖南铁道职业技术学院毕业设计说明书 7 第章 引言 HXD1 型电力机车项目从 2004 年开始启动， 2007 年完成型式试验，并交付使用和实现了大批量生产。截至 2008年 11 月，株洲电力机车有限公司已累计批量生产 180 台机车并全部交付机务段，总运行公里数 约 2452 万 km，现已担任大秦线的货运任务，运行状况良好。实现了大秦线开行 2 万 t 重载货物列车的目标，为大秦线实现 3.5亿 t 运量乃至更高运量打下了坚实的技术基础，并进一步验证 2万 t 重载组合列车的可行性和适应性，使国内运营线路大幅提高运力成为可能。 自 2006 年以来，和谐型
14、大功率交流传动机车诞生及批量投入运用，标志着我国铁路机车行业成功实现了由直流传动向交流传动的转化，机车技术平台达到世界先进水平，机车装备现代化和机车装备制造业现代化发展迈入了新的历史阶段。 和谐型大功率交流传动机车具有牵引性能优越、功 率大、黏着利用率高、启动加速性能好、可靠性高、节能减排好等特点，代表了世界先进铁路机车技术发展方向。 以和谐型系列大功率交流传动电力机车为亮点的铁路重载货物运输，显著地释放了运输能力，在既有繁忙干线实现了单机牵引 5500 至 6000 吨重载列车，在大同到秦皇岛煤炭运输专用线上实现了单机牵引 1 万吨、双机牵引 2 万吨重载列车，有力地促进了国民经济的发展。
15、在铁道部提出 “ 快速扩充铁路运输能力，快速提升技术装备水平，加快实现铁路现代化 ” 的发展思路和 “ 先进、成熟、经济、适用、可靠 ” 的方针的指引下，我国铁路机车制造业 开发研制了和谐型系列大功率交流传动电力机车和内燃机车，其中包括单轴功率 1200 千瓦的六轴、八轴货运电力机车和单轴功率 1600 千瓦的六轴货运电力机车，以及 6000 马力、低排放内燃机车。 和谐型大功率交流传动电力机车和内燃机车在系统集成技术、交流传动技术、网络控制技术、重载车体与转向架技术、重载制动技术、人机工程技术、节能环保技术以及大功率电喷控制柴油机技术等方面达到了世界先进水平。 湖南铁道职业技术学院毕业设计说
16、明书 8 第二章 HXD1 型电力机车概述 2.1 HXD1型电力机车 总体 概述 HXD1 型电力机车是一种 8 轴双节重连 重载交流传动电力机车。整车最大轮周牵引 /电制动功率 9600kW/h，最高试验速度 132km/h 运营速度 120km/h。这款机车是由中外公司共同研发的产品之一，在被命名为“和谐”型以前，被称为 DJ4，当中 DJ4 共有两个款式，第一款是由株洲电力机车及 德国 西门子 研发，编号由 0001 起；另一款则由大同电力机车及 法国 阿尔斯通 研发，编号由 6001 起。两款机车均采用交 流牵引 电动机 ，使用交直交传动及双机重联，单机轴式为 Bo-Bo，即前后各一
17、个两轴 转向架 。 DJ4 机车系八轴双节机车，轴式为 BoBo + Bo Bo。机车设计为重联牵引：最多为两台双节机车 重联，或者作为一个 LOCOTROL 牵引组合，由两台双节机车、列车、两台双节机车组合而成。一台 DJ4 双节机车始终至少包括两个单节机车并以重联模式运行。根据方向手柄的位置，一个单节机车被选定为本务机车、另一单节机车为从控机车。 2004 底 2005 年初，中国铁路为提高大秦运煤专线的运能，同时也为促进铁路装备技术的现代化， 2004 年 12 月 分别同株洲电力机车有限公司西门子联合体，大同电力机车有限公司阿尔斯通联合体各签订了 180 台 (360 节 )采用欧洲技
18、术的 8轴大功率交流传动电力机车 HXD1 型电力机车，合同总值 73.4 亿元人民币。这款机车以 EuroSprinter 系列作为技术平台，采用 SIBAS32 控制系统、 SIBAC 1800 14SP2ST01 型 IGBT 功率模块牵引逆变器、 MVB 及 WTB 等技术。受电弓使用株洲九方电器设备制造的 TSG15 型，其技术由西门 子旗下的 MWW 公司提供。株洲电力机车有限公司西门子联合体的 HXD1 项目，分为两个阶段，第一阶段48台机车为散件国内组装阶段；第二阶段的 132 台机车为国产化阶段。项目中西门子为技术支持方，所有 180 台机车均在中国南方机车车辆集团株洲电力机
19、车有限公司进行生产制造。 HXD1 机车是在西门子的“欧洲短跑手”机车平台上，结合其 DJ1 在中国大秦线上的运用经验而研制的一款适用于中国干线铁路重载货运的新型机车，其在设计中尤其考虑到了大秦运煤专线的特殊环境。 这些大功率机车主要会用于牵引货运列车上，届时会是全球最大功率的交传货运电力机车，株洲制造的首辆机车已于 2006 年 11 月 8 日 出厂，编号为 DJ40001A 及 0001B。在出厂初期，媒体曾称之为“神龙号”。首两组机车在出厂后不久，其型号被改称为“和谐型”（ HXD），编号也 改为 HXD10xxx。 湖南铁道职业技术学院毕业设计说明书 9 这些机车全数均用于大秦铁路，
20、牵引运煤货物列车。截至 2007 年 年底，株洲厂共造出 120 多台 HXD1 型机车，其中 2007 年度出厂的有 110 台。 铁道部于 2007 年 8 月 18日 再与株洲及西门子签约，订购 500 辆六轴版本的 EuroSprinter 电力机车，合同总值超过 3.34 亿欧元。新车型号被定为 HXD1B 型。 技术特点： 1 主电路形式：机车采用交 -直 -交电传动技术，每节车配装一台水冷 IGBT 变流器，给四台三相异步动机供电，辅助逆变器集成在主变流器中； 2 控制系统：采用西门子 SIBAS32 系列的微机控制， TCN 网络通讯技术； 3 车体采用 中央梁承载方式； 4
21、采用独立通风方式； 5 转向架，采用低位牵引杆，基础制动采用轮盘制动； 6 空气制动系统采用 CCBII 制动系统 ,电制动采用再生制动； 7 机车具有外重联控制功能，司机可以在一个司机室对两台重联机车进行控制； 8 根据铁道部要求，机车装有 LOCOTROL 远程重联控制系统，适合于多机分布式重载牵引； 9 根据用户的需要，车上装备卫生间、床等必要的生活设施。 机车的主要参数： 动力种类 电力 车辆设计 西门子 车辆建造 株洲电力机车 型号 DJ4 / HXD1 建造年份 2006 年 2008 年 总产量 180 UIC 轴式 BoBo+BoBo 湖南铁道职业技术学院毕业设计说明书 10
22、轨 距 1 435 mm 轮径 1 250 mm 长度 35 222 mm (车钩中心距 ) 轴重 23 / 25 t 电力系统 AC 25 kV 50 Hz 牵引电动机 1TB2624-0TD02 x8 最高速度 120 km/h 输出功率 9 600 kW 牵引力 700 / 760 kN (起动 ) 494 / 532 kN (持续 ) 服役于 大秦铁路 编号 HXD10001-HXD10180 2.2 设备布置概述 机车设备采用模块化的结构，以便有效地缩短组装时间，使系统和部件能独立的在机车外进行预组装和预试验。 车顶有 4块可拆卸的活动顶盖 ,机车车顶高压电器集中安装在靠近后端的一块活动顶盖和后端墙上固定顶盖上 ,这些设备为受电弓、主断路器、高压接地开关、高压电压互感器、避雷器、高压隔离开关、高压穿墙套管、高压连接器、及车顶支撑绝缘子。而通讯用的天线设 备分别安装在司机室顶和其它几块活动顶盖上。 机械间设备布置图 机械间设备布置图
