HXD3電力機(jī)車主變流器控制電路仿真分析

摘" 要：主變流器是交直交電力機(jī)車牽引傳動系統(tǒng)最重要的部件之一，掌握其控制原理和電路是高職院校鐵道機(jī)車專業(yè)核心技能。以HXD3電力機(jī)車主變流器為例，分析其控制原理，使用Multisim軟件對其控制電路進(jìn)行仿真建模，編寫控制邏輯程序，交互仿真主變流器控制牽引電機(jī)正反轉(zhuǎn)、主變流器試驗(yàn)、庫內(nèi)動車控制和主變流器故障處置等功能，直觀觀察電路原理圖、仿真響應(yīng)、測試參數(shù)，可隨機(jī)設(shè)置多個(gè)故障點(diǎn)，在線故障處置和驗(yàn)證，為機(jī)車主變流器控制電路的教學(xué)和研究提供良好的平臺。

關(guān)鍵詞：HXD3；Multisim；主變流器；電力機(jī)車；仿真分析

中圖分類號：U264.6" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）05-0071-04

Abstract： The main converter is one of the most critical components of the AC-DC-AC electric locomotive traction drive system. Mastery of its control principles and circuitry is a core skill in vocational college railway locomotive programs. This paper uses the main converter of the HXD3 electric locomotive as an example to analyze its control principles. It employs Multisim software for simulation modeling of its control circuit， writes control logic programs， and performs interactive simulations for functionalities such as forward and reverse traction motor control， main converter testing， in-depot locomotive control， and main converter fault handling. The study provides a clear view of the circuit schematics， simulation responses， and test parameters， with the capability to randomly set multiple fault points for online fault handling and verification， thus establishing an excellent platform for teaching and research on locomotive main converter control circuits.

Keywords： HXD3; Multisim; main converter; electric locomotive; simulation analysis

機(jī)車主變流器將變壓器引入的單相交流電經(jīng)過整流、濾波和逆變轉(zhuǎn)化為頻率和大小可變的三相交流電，進(jìn)而控制牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)動，是交直交電力機(jī)車牽引傳動系統(tǒng)的核心部件[1]?！爸髯兞髌骺刂齐娐贰奔仁歉呗氃盒ｈF道機(jī)車運(yùn)用與維護(hù)專業(yè)核心課電力機(jī)車控制的核心技能之一，同時(shí)又是電力機(jī)車檢修工對主變流器進(jìn)行檢修和調(diào)試所需的必備理論基礎(chǔ)。該項(xiàng)目涉及電力電子學(xué)、可編程邏輯控制等專業(yè)知識，對教師和學(xué)員的綜合技能要求較高。當(dāng)前的主變流器控制電路的教學(xué)大都依賴于靜態(tài)的控制電路圖，重理論課堂教學(xué)，無法實(shí)現(xiàn)與電路的實(shí)時(shí)交互，無法體驗(yàn)故障現(xiàn)象和故障處置效果，較為枯燥。近年來，不少研究者開始利用各類EDA軟件對主變流器電路進(jìn)行仿真研究。魯其東等[2]選取韶山8型（SS8）電力機(jī)車的主變流器作為研究對象，在MATLAB軟件的Simulink環(huán)境下構(gòu)建SS8型電力機(jī)車主變流器的仿真系統(tǒng)，模擬不同故障類型的運(yùn)行模式，仿真得到相應(yīng)的輸出電壓波形；黃開[3]通過MATLAB/Simulink軟件建立了城市軌道車輛能量回饋系統(tǒng)的仿真模型和應(yīng)用仿真模型；張宇等[4]基于MATLAB/Simulink提出了一種新型的三電平主變流器的建模方法，能夠?qū)崿F(xiàn)主變流器各種工作狀況的模擬與切換。本文以HXD3交流機(jī)車主變流器控制電路為例，使用Multisim搭建其控制電路，編寫控制邏輯程序，交互仿真主變流器控制牽引電機(jī)正反轉(zhuǎn)、主變流器試驗(yàn)、庫內(nèi)動車控制和主變流器故障處置等功能，直觀觀察電路原理圖、仿真響應(yīng)、測試參數(shù)，可隨機(jī)設(shè)置多個(gè)故障點(diǎn)，在線故障處置和驗(yàn)證，為機(jī)車主變流器控制電路的教學(xué)和研究提供了良好的平臺。

1" HXD3機(jī)車主變流器控制原理

HXD3機(jī)車主變流器有2套，分別為UM1和UM2，其控制電路基本一致[5]。需要注意的是，與受電弓和主斷路器不同，主變流器不是直接由TCMS系統(tǒng)控制，而是由主變流器控制單元完成對牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)速、方向等的控制。機(jī)車主變流器裝置的控制主要是按照司機(jī)控制器給定指令，由TCMS通過通信線傳遞給主變流器控制單元，按照機(jī)車牽引制動特性曲線，完成對牽引電動機(jī)的控制[6]。圖1是簡化的HXD3機(jī)車主變流器控制電路圖。

1.1" HXD3型機(jī)車主變流器控制單元的輸入輸出信號

輸入信號主要包括3類：條件信號、來自TCMS系統(tǒng)的命令信號以及傳感器信號。

1）條件信號：包括牽引風(fēng)機(jī)風(fēng)速繼電器KP41、KP42、KP43和主變壓器油流繼電器KP49信號。當(dāng)所有這些繼電器處于正常閉合狀態(tài)時(shí)，表明主變流器外圍工作條件已滿足，可以啟動運(yùn)行。

2）TCMS信號：主變流器控制單元與TCMS的接口信號包括2套通信線及主變流器隔離、工作、功率預(yù)備和故障等信號。

3）傳感器信號：例如，在主變流器控制單元中引入高壓電壓互感器TV1同步信號、牽引電動機(jī)速度傳感器BV41、BV42、BV43的信號等。每個(gè)速度傳感器同時(shí)發(fā)送2個(gè)速度信號至主變流器控制裝置，用于實(shí)現(xiàn)主變流器對牽引電動機(jī)的矢量控制，有效地進(jìn)行機(jī)車的防空轉(zhuǎn)、防滑行保護(hù)，并對機(jī)車的軸重轉(zhuǎn)移進(jìn)行補(bǔ)償。

主變流器控制單元根據(jù)輸入信號進(jìn)行分析處理，一方面輸出控制信號用于控制主變流器UM1和UM2，實(shí)現(xiàn)調(diào)速、換向等控制；另一方面保持與TCMS的信號交互，例如將變流器故障信號告知TCMS。

1.2" HXD3型機(jī)車主變流器故障處理

當(dāng)主變流器發(fā)生接地、次邊過流、牽引電動機(jī)過流等故障時(shí)，故障信號會傳送至TCMS，進(jìn)行故障顯示和記錄，并在司機(jī)顯示屏上給出提示，指導(dǎo)司機(jī)進(jìn)行相關(guān)的故障隔離操作。主變流器的故障可以通過按下“故障復(fù)位”按鈕進(jìn)行恢復(fù)。

牽引變流器隔離開關(guān)：此開關(guān)位于微機(jī)顯示屏內(nèi)，是一種觸摸開關(guān)。在正常情況下，這些開關(guān)均閉合。當(dāng)由于某種原因，如牽引電動機(jī)故障或主變流器支路接地，需要隔離某個(gè)牽引變流器支路或牽引電動機(jī)時(shí)，可以通過微機(jī)顯示屏進(jìn)行隔離操作，使其停止工作。這些開關(guān)還可用于牽引電動機(jī)轉(zhuǎn)向試驗(yàn)和機(jī)車旋輪等。

1.3" HXD3型機(jī)車主變流器測試與庫內(nèi)動車控制

主變流器裝置測試開關(guān)SA75用于在低壓測試或機(jī)車出廠前對主變流器的控制單元進(jìn)行測試，確認(rèn)其是否工作正常。

庫內(nèi)動車信號通過庫用開關(guān)QS3或QS4傳送至主變流器控制單元，用于在庫內(nèi)動車時(shí)主變流器按照特定的控制程序工作。

2" 主變流器控制電路仿真建模與分析

2.1" 主變流器控制電路圖建模

根據(jù)圖1，在Multisim中繪制受主變流器控制電路圖，如圖2所示。其中控制電源線使用直流電源模擬，在Multisim中，該元件索引名稱為“Digital Power（VCC）”；KP41、KP42、KP43、KP47和KP49等繼電器，過流繼電器聯(lián)鎖ACCT、庫用開關(guān)QS3，開關(guān)SA75，自主斷路器聯(lián)鎖QF1等均使用相同元件模擬，該元件索引名稱為“DIPSW1”；為簡化模型，僅使用一個(gè)換向手柄，該元件索引名稱為“4POS_ROTARY”；使用指示燈模擬主變流器控制單元輸出指令，燈泡索引路徑為：主數(shù)據(jù)庫-Indicators-PROBE；使用三相電源模擬主變流器輸出的三相交流電，其模型為THREE_PHASE_WYE；啟動電機(jī)、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、主變流器故障保護(hù)等輸出信號使用線圈狀態(tài)模擬，配合相應(yīng)的常開觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖。線圈元件索引名稱為“ENERGIZING COIL”，常開觸點(diǎn)元件索引名稱為“NO CONTACT”；電路不對6個(gè)牽引電機(jī)進(jìn)行仿真，選擇1 M電機(jī)，模擬電機(jī)驅(qū)動和電機(jī)換向。三相交流電機(jī)模型選擇SYNCHRONOUS_MACHINE_PERMANENT_MAGNET。本任務(wù)涉及TCMS以及主變流器控制單元，全部使用軟件內(nèi)的PLC替代，輸入模塊選擇INPUT MODULE 120Vdc，輸出模塊選擇OUTPUT MODULE 120Vdc。使用四通道示波器觀察牽引電機(jī)輸入電壓波形，示波器元件索引名稱為“Four channel oscilloscope”。

2.2" 主變流器控制邏輯仿真

因HXD3機(jī)車的主變流器控制涉及TCMS的程序控制，因此需要編輯PLC仿真模塊的邏輯梯形圖。如圖3所示為主變流器控制簡化邏輯梯形圖。

2.3" 功能仿真測試

2.3.1" 主變流器驅(qū)動牽引電機(jī)

本仿真電路圖可仿真滿足以下條件變流器正常工作：①當(dāng)TCMS牽引控制信號（=S21）狀態(tài)為“向后”或“向前”。②牽引風(fēng)機(jī)風(fēng)速繼電器KP41、KP42、KP43，冷卻塔風(fēng)機(jī)繼電器KP47以及主變壓器油流繼電器KP49閉合。③主電路庫用開關(guān)（QS3）在“正常位”（QS3斷開狀態(tài)）。④庫內(nèi)試驗(yàn)開關(guān)（SA75）在“正常位”。⑤微機(jī)復(fù)位按鈕（S61）在斷開狀態(tài)。⑥主斷路器輔助觸點(diǎn)（QF1）在閉合位。⑦未觸發(fā)牽引電機(jī)過流（ACCT動作）。

2.3.2" 牽引電機(jī)反轉(zhuǎn)控制

以I端司機(jī)室向前牽引為例，運(yùn)行仿真，將方向手柄至于后位，模擬主變流器向牽引電機(jī)供電，觀察“可啟動牽引電機(jī)”“反轉(zhuǎn)”工作信號燈亮。如圖6所示。

觀察示波器，此時(shí)可見A、B、C三相初相位分別為120°、0°、-120°，如圖7所示。對比圖5和圖7，可知相序已經(jīng)發(fā)生改變，電機(jī)轉(zhuǎn)向發(fā)生改變。

2.3.3" 主變流器故障保護(hù)仿真

以牽引繞組過流故障為例，在電機(jī)反轉(zhuǎn)仿真時(shí)，將ACCT開關(guān)閉合，模擬牽引繞組過流故障，觀察所有信號燈滅，然后封鎖主變流器信號燈亮。如圖8所示。

3" 結(jié)束語

機(jī)車主變流器將單相交流電轉(zhuǎn)化為頻率和大小可調(diào)的三相交流電，是交直交電力機(jī)車牽引傳動系統(tǒng)最重要的部件之一。掌握主變流器的控制原理和電路是高職院校鐵道機(jī)車運(yùn)用與維護(hù)專業(yè)核心技能，是電力機(jī)車控制專業(yè)核心課的重要教學(xué)任務(wù)。以HXD3型電力機(jī)車的主變流器為例，深入探討其控制機(jī)制，并利用Multisim軟件對控制電路進(jìn)行合理簡化，從而構(gòu)建仿真模型。在此基礎(chǔ)上，編寫控制邏輯程序，以實(shí)現(xiàn)交互仿真功能，涵蓋主變流器對牽引電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制、主變流器性能測試、車庫內(nèi)動車操作控制以及主變流器故障應(yīng)對等核心功能。此平臺不僅允許用戶直觀瀏覽電路原理圖、仿真響應(yīng)曲線及各項(xiàng)測試參數(shù)，還具備隨機(jī)設(shè)定多種故障情景的能力，支持在線故障處理與驗(yàn)證，為電力機(jī)車主變流器控制電路的教學(xué)實(shí)踐及深入研究提供了一個(gè)高效、直觀的實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證環(huán)境。

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