HXN3型内燃机车牵引控制系统分析

毕鉴东　张如意　牟文涛　徐光

摘 要： 新经济时期，我国铁路事业迎来了蓬勃发展，对内燃机车也提出了“货车加大载重、客车高速运行”的更高要求，因此应用交流电传动控制技术，改善HXN3型内燃机车的性能，增加其最大功率数值，成为提升HXN3型内燃机车客运载货能力，进一步提高铁路建设质量与水平的重要举措。下文中，笔者将结合个人参与HXN3型内燃机车交流电传动控制技术应用与系统设计的实践经验，分析当前我国HXN3型内燃机车的技术概况、设计原理及交流电传动系统控制方案，以供同行参考与借鉴。

关键词： 交流电传动控制技术；HXN3型内燃机车；系统应用；客运载货能力

1.HXN3型内燃机车交流电传动技术概况

1.1直流电传动技术分析

在过去，我国内燃机车传动方式普遍采用了直流电电传动技术，其运行原理为机械能与直流电电能的相互转换——利用弹性联轴节使发电机工作运转，并将内燃机中的机械能转化为电能，通过控制与调节电能的大小，实现对内燃机运行功率、转矩、转速等数值的控制与调节；将齿轮箱与联轴节接入，驱动机车与齿轮箱接入，从而实现直流电牵引、传动过程。上述内燃机电传动过程中，依赖直流电传动，因此属于直流电传动技术。

1.2交流电-直流电传动技术分析

随着技术与科学的不断进步，我国内燃机传动工艺水平也得到了提升与发展，为了增大内燃机车的转速和内燃功率，需要在原有基础上，进一步提高内燃机车的功率数值。因此，原有的直流电传动技术已经不符合内燃机车的技术发展需求，被逐渐放弃使用；而受限较小、能够打破功率最大数值和易于换向输出的交流电传动技术，得到重视与推广。到20世纪中期，交流电传动技术已经与原有的直流电传动技术结合使用，以弥补直流电传动技术的的不足与局限性，其通常安装了交流牵引发电机和直流调速设备，依靠整流器，将向外输出的三相交流电能转化为直流电能，利用联轴节，将转化后的直流电能输送给内燃机车的车轮，转变为使车轮运转的机械能，从而驱动内燃机车。与传统的直流电传动技术相比，该种交流电-直流电传动技术具有无换向器的运作属性，从而简化了内燃机车的运行流程与设计结构、提升了内燃机车的安全性能，并且具有便于维护的优势。

1.3交流电传动技术分析

现阶段交流电传动技术已经逐步成熟完善，并被广泛使用于我国的内燃机车传动设计中，在实践应用中，存在如下几点问题与优势：首先，内燃机传动功率仍然受到电动机结构设计的限制；其次，内燃机运行过程中，仍然存在电动机负载能力和牵引能力不足的问题；第三，内燃机车交流电传动技术的应用，改善了原有直流电传动技术中的功率不足、电动机重量过重的问题——通过降低内燃机车的簧下、轴重重量，有效避免了因为内燃机车电动机重量数值过高对轨道的磨损和冲击；最后，AC—DC—AC交直交内燃机车主要采用了三相交流电传动技术，利用变压、变频的交流电传动优势，提升了内燃机车的高粘着利用率，从而也在原有基础上拓展了内燃机车的调速数值和牵引力数值。AC—DC—AC交直交内燃机车降低了使用了铜质材料制作交流电机的配比，从而使得内燃机车的整体材料质量减轻，同时有利于内燃机车的功率大幅提升。AC—DC—AC交直交内燃机车还放弃了原有的直流电传动碳刷和换向器结构设计，从整体上优化了内燃机车的设计结构，减轻质量的同时也便于之后的机车检修和日常维护。交流电传动技术在内燃机车设计方案中的应用，打破了电动机的牵引限制，但在初期使用中，由于电子配件和理论的局限性，使用领域较窄；后期发展中，交流电传动技术进一步完善与成熟，有效提升了内燃机车的运作功率，促进了铁路事业的发展，收到国内外业界人士的关注与重视。

2.HXN3型内燃机车的电传动控制设计方案

2.1交流电传动控制的设计方案

采用了交流电传动控制设计方案的内燃机车，大大提升了内燃机车的功率与性能。整个交流系统的工作由机车微机控制系统EM2000统一指挥完成。该大功率交流牵引系统，具有高调速比、大单轴功率以及少維护率的优点，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。

2.2系统原理

机车柴油机带动牵引发电机转动，完成机械能向电能的转换，牵引发电机首先将3相交流电输出到主牵引整流器，从而提供牵引变流器的直流电压，柴油机每个档位对应一个不固定的中间直流电压。逆变单元由两个变流柜组成，每个变流柜的主电路和控制电路相对独立，分别向两个转向架的牵引电机提供交流变频电源。当一组变流器发生故障时，直通过微机控制系统EM2000，自动将故障的变流器切除，也可通过微机显示屏手动隔离某个变流器，机车维持55%的牵引功率。辅助发电机的输出经辅助整流柜后，供给三组逆变器一冷却风扇电机组，两组逆变器一空压机电机组；辅发电机的输出同时也接到牵引电动机通风机电机，直接驱动该通风机电机；辅发电机的输出经可控整流向机车辅助电压回路提供流74VDC，包括照明、蓄电池充电等；辅发电机和主发电机的励磁如上文中所描述的那样，都来自辅助发电机输出的可控整流控制。

2.3辅助供电系统的设计方案

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。辅发电机的一组输出l、2、3端子负责向冷却风扇风机和空压机电机提供电源，该三相交流电源随柴油机转速变化，电压范围144V---440V频率范围44HZ～133HZ。经过5个桥式整流单元后，进入空压机电机辅助逆变器AIR COMP INVl，2和风扇电机辅助逆变器CLG FAN INVl，2，3。这五个逆变器根据EM2000控制指令驱动空压机1，2和冷却风扇1，2，3，使其按需要的转速工作。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.小结

综上所述，交流电传动技术在内燃机车上的推广应用与发展，大幅度提升了内燃机车的运作功率，简化了内燃机车的电传动设计结构，符合市场发展需要的同时，也提升了内燃机车制造工业的整体水平。有关公司与企事业的设计人员，应当重视对HXN3型内燃机车交流电传动技术的应用与研究，分析其局限性与技术优势，致力于内燃机车电传动控制系统与设计方案的优化，促进我国铁路事业的健康发展。

参考文献

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