韶山8型电力机车主变流器的设计及仿真研究

电力牵引与电力传动设计报告书题目：学生姓名：指导教师：学院：专业班级：2014年01月韶山8型电力机车主变流器的设计及仿真研究目录一、SS8型电力机车简介.............................................1二、SS8型电力机车主电路的介绍......................................3（一）网侧电路.................................................3（二）整流调压电路.............................................5（三）牵引电路.................................................71.牵引电动机绕组的联结......................................82.电动机支路的电连接........................................93.机车的方向控制...........................................104.库用电路.................................................115.磁场削弱电路.............................................11（四）制动电路................................................131、制动电路的连接..........................................142、加馈电阻制动的原理......................................143、故障电路................................................16（五）测量电路................................................16（六）保护电路设计............................................171、过压保护电路............................................172、过流保护电路.............................................193、欠压保护电路.............................................20三、变流电路的选择及仿真...........................................20（一）方案论证.................................................201、单拍式双开口桥式整流调压电路............................212、调压开关8级相控无级调压电路............................213、不等分三段桥............................................22（二）电路仿真.................................................221、参数设置.................................................222、仿真过程及结果..........................................24四、心得体会......................................................29五、参考文献......................................................30《电力牵引与传动控制》课程设计任务书一、课程设计目的《电力牵引与传动控制》课程设计是电气工程、自动化专业本科生选修的一门专业选修课。通过电力牵引与传动控制课程的学习，对电力机车有了一个全面的了解。本课程设计就是为了更深入地全面理解电力牵引主电路、辅助电路及控制电路的工作过程及其传动控制设计方法。要求同学独立完成课题设计任务，写出课程设计说明书，画出主电路原理图，说明工作原理，并进行相应仿真设计。希望同学们认真阅读课程设计任务书，认真查阅资料，完成好设计文档，圆满完成本次课程设计。二、课程设计内容及要求本次课程设计设置以不同电力牵引车型为分组，要求每个人可以自行选取一题作为自己课程设计任务，经指导教师登记确认后方可设计（题目确认后，一般不得变更）。设计任务、指标内容及要求(1）自行选取一种既有电力机车（如SS8,SS9）或电动车组（如CRH2系列），根据其主要指标和主电路原理图，设计主变流器；(2)器件可以选取SCR或IGBT,对所选器件进行计算验证；(3）当所选取的器件不能满足设计要求时，应该进行均压均流设计（器件串并联）；(4）完成器件阻容保护电路设计；(5）对整个系统进行过流、过压、欠压等保护电路设计；(6）对设计出的电路进行仿真。三、课程设计报告要求（1）课程设计报告是对所承担课题的总结论述。基本内容要求如下：a)目录b)设计课题名称及要求c)设计内容和方案论述，给出机车主电路原理图并分析d)变流器件选型及其说明e)阻容保护电路设计f)过流、过压、欠压等保护电路设计g)电路仿真h)课程设计中遇到的问题及解决方法。i)相关仿真图。j)收获与体会。k)参考文献。（2）报告要求：不得在网上直接下载、拷贝。报告字数、页数不作具体要求，以内容论述全面、简练、生动、清晰为原则。四、考核办法及成绩评定a).考核成绩：成绩分为优、良、中、及格、不及格五档，综合下面几个方面，给出各同学的考核成绩。2013年12月11日1一、SS8型电力机车简介韶山8型电力机车是“八五”期间国家重点科技攻关项目。原设计用于广深准高速铁路，现在用于我国主要干线铁路牵引提速旅客列车。1998年6月24日，经高速试验改进的韶山8001号机车在京广线许昌—小商桥创造了239.6km/h的当年中国铁路第一速的记录。SS8型电力机车是工频交流晶闸管相控机车，机车总图如图1—1所示。该机车采用B0-B0轴式，总重88t，轴重22t。SS8型电力机车吸收SS5型电力机车的技术，并改进提高，把机车持续功率提高到3600kw，机车的最高速度170km/h，以适应《铁路主要技术政策》的要求。SS8型电力机车这要技术特点为：1、机车主电路采用不等分三段半控桥，转向架电机并联供电，采用晶闸管分路的无级磁场削弱电路，实现全运行区段无级调速的特性。2、机车动力制动采用加馈电阻制动，在低速区，以保持强大的制动力。3、采用微机控制系统，控制功能有：特性控制；空转（滑行）保护控制；速度分级控制系统的制动配合控制；过相分段的操纵控制以及诊断、监测显示功能。4、机车设有列车供电系统，可向旅客列车提供空调、采暖、茶炉、照明等功能电源。5、机车可安装速度分级控制系统，与车载微机进行通信、查询，并执行牵引至电制动的优先转换、常用制动、紧急制动。6、转向架为轮对空心轴六连杆弹性传动装置，减轻了簧下质量。牵引装置为推挽式低位平牵引杆，牵引点高220mm。7、采用900kw脉流电动机，该电机为全叠片结构，双H绝缘。8、采用DK-1型制动机，具有空电联合制动功能，并能实现列车的电空制动系统的电指令直通控制。9、经风洞模拟试验的机车外形，可减小风阻。10、车体为整体承载结构，采用有限元分析优化设计。2韶山八型电力机车主要性能参数本文主要介绍的是韶山8型电力机车主电路的功能、主电路各部分的结构和功能以及对主电路中的变流电路三段不等分半控桥进行仿真研究。通过做这些对韶山8型电力机车的主电路及其控制过程有一个更深的了解，为自己的毕业设计做好铺垫。UIC轴式Bo'Bo'轨距1,435毫米轮径1200毫米（半磨耗）轴重22吨通过最小曲线半径125米机车长度16,300毫米（车体长度）17,516毫米（车钩中心线距）机车宽度3,100毫米机车高度4,040毫米（受电弓座面至轨面）整备重量88吨受流电压交流25kV（50Hz）传动方式交—直流电牵引电动机ZD115×4最高速度239.6km/h（试验）170km/h（营运）持续速度100km/h牵引功率3,600千瓦牵引力210kN（最大）126kN（持续）制动方式加馈电阻制动制动功率2700kW制动力130kN列车制动电空制动3图1-1二、SS8型电力机车主电路的介绍韶山8型电力机车的主电路电路的特点如下：（1）主传动—采用串励脉流电动机驱动。电动机的速度采用端电压无极调压和五级磁场削弱的方式进行调速。（2）电压调节和磁场削弱—电压调节采用三段半控桥相控整流无级调压；磁场削弱采用晶闸管分路的无极调节。因而机车在整个调速区内均是无级的。（3）供电方式—电动机的供电按转向架独立供电，即一组整流器对同一转向架的两台并联电动机供电。当一组整流器故障时，可保持机车1/2的牵引力；当一台电机故障时，可保持机车牵引力的3/4。（4）动力制动—采用加馈电阻制动，在低速区可以有较大的制动力。（5）测量系统—电流、电压的测量采用传感器方式，可使高压与测量控制系统隔离。（6）保护—主电路中设有各级电流的的短路和过载保护，过电压、接地、小齿轮滞缓等保护。下面对主电路各部分结构和功能进行一一介绍。（一）网侧电路网侧电路，顾名思义，就是指机车和接触网进行联系的那部分电路。机车通过受电弓把电能引入到机车内，网侧电路就是电能流经的第一个通道。网侧电路为25kv高压电路，其具体结构如图2-2所示。4单相工频交流电流从接触网流入升起的受电弓，经主断路器QF、主变压器的高压绕组AX，进入车体、轮对、钢轨，返回变电所。高压电压互感器1TV是检测机车所在位置接触网电压的电器，变比为25000V/100V。它接在主断路器之前，二次侧通过保护用自动开关QA，，接网压表1PV、2PV及电度表PJ的电压线圈。升起受电弓，判断接触网是否有电。主断路器QF除接通和开断机车的总电源外，当主电路发生短路、过流、接地等故障时，起最后一级保护作用。在主断路器的隔离闸刀一端（71号线）接有避雷器F，用以抑制操作过电压及雷击过电压。电流互感器1TA主要用作短路电流的检测，是保护用的互感器，用以驱动过电流继电器5KC动作，因而对其饱和度要求较高，对其检测精度要求比测量用互感器的要求要低。它接在高压绕组的A端，即使主变压器高压绕组对地短路也能保护。互感器2TA用来检测机车正常运行时的工作电流，要求有较高的测量精度。负载为电度表PJ的电流线圈。它安装于高压线圈的X端，以降低互感器的耐压要求。机车每一个轴端装有接地电刷1E~4E，用以构成回流电路，以防止电流流过车轴轴承产生电蚀。轮对的另一个轴端装有速度传感器SD1~SD4，用以检测轮对的转速。5图2-2（二）整流调压电路整流调压电路有两个独立的单元组成，分别向相应转向架上两台并联的牵引电动机供电。现以I端转向架的整流调压单元来说明其调压过程。我们在《电力电子技术》这么课中学到，在忽略电抗压降和电阻压降时，整流电压du、绕组电压2u和相控角a之间有下面的关系du=0.452u（1+cosa）6改变相控角的大小就可以改变整流的电压值。先交替控制晶闸管V10、V11使牵引绕组a2—x2供电的整流桥开放。例如在正半波的某一时刻，触发角为30度，触发V11，这是电流流经晶闸管V11、二极管V1、V2、V12，这三个二极管起到续流的作用，同理，在负半波的30度的相位角，触发晶闸管V10，则电流经由V10、V1、V2、V9，二极管V1、V2、V9起续流作用。当相控角由180度变至0度时，整流电压由0上升至整个整流电压du的一半。当晶闸管V10、V11即将满开放时，投入绕组a1-b1段的整流桥，即交替触发晶闸管V3、V4，触发角均为3