摘" 要：主變流器是交直交電力機車牽引傳動系統(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車專業(yè)核心技能。以HXD3電力機車主變流器為例，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正反轉、主變流器試驗、庫內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、測試參數，可隨機設置多個故障點，在線故障處置和驗證，為機車主變流器控制電路的教學和研究提供良好的平臺。

關鍵詞：HXD3；Multisim；主變流器；電力機車；仿真分析

中圖分類號：U264.6" " " 文獻標志碼：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

機車主變流器將變壓器引入的單相交流電經過整流、濾波和逆變轉化為頻率和大小可變的三相交流電，進而控制牽引電機的轉動，是交直交電力機車牽引傳動系統(tǒng)的核心部件[1]?！爸髯兞髌骺刂齐娐贰奔仁歉呗氃盒ｈF道機車運用與維護專業(yè)核心課電力機車控制的核心技能之一，同時又是電力機車檢修工對主變流器進行檢修和調試所需的必備理論基礎。該項目涉及電力電子學、可編程邏輯控制等專業(yè)知識，對教師和學員的綜合技能要求較高。當前的主變流器控制電路的教學大都依賴于靜態(tài)的控制電路圖，重理論課堂教學，無法實現與電路的實時交互，無法體驗故障現象和故障處置效果，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行仿真研究。魯其東等[2]選取韶山8型（SS8）電力機車的主變流器作為研究對象，在MATLAB軟件的Simulink環(huán)境下構建SS8型電力機車主變流器的仿真系統(tǒng)，模擬不同故障類型的運行模式，仿真得到相應的輸出電壓波形；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，能夠實現主變流器各種工作狀況的模擬與切換。本文以HXD3交流機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正反轉、主變流器試驗、庫內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、測試參數，可隨機設置多個故障點，在線故障處置和驗證，為機車主變流器控制電路的教學和研究提供了良好的平臺。

1" HXD3機車主變流器控制原理

HXD3機車主變流器有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的轉速、方向等的控制。機車主變流器裝置的控制主要是按照司機控制器給定指令，由TCMS通過通信線傳遞給主變流器控制單元，按照機車牽引制動特性曲線，完成對牽引電動機的控制[6]。圖1是簡化的HXD3機車主變流器控制電路圖。

1.1" HXD3型機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：包括牽引風機風速繼電器KP41、KP42、KP43和主變壓器油流繼電器KP49信號。當所有這些繼電器處于正常閉合狀態(tài)時，表明主變流器外圍工作條件已滿足，可以啟動運行。

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、牽引電動機速度傳感器BV41、BV42、BV43的信號等。每個速度傳感器同時發(fā)送2個速度信號至主變流器控制裝置，用于實現主變流器對牽引電動機的矢量控制，有效地進行機車的防空轉、防滑行保護，并對機車的軸重轉移進行補償。

主變流器控制單元根據輸入信號進行分析處理，一方面輸出控制信號用于控制主變流器UM1和UM2，實現調速、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型機車主變流器故障處理

當主變流器發(fā)生接地、次邊過流、牽引電動機過流等故障時，故障信號會傳送至TCMS，進行故障顯示和記錄，并在司機顯示屏上給出提示，指導司機進行相關的故障隔離操作。主變流器的故障可以通過按下“故障復位”按鈕進行恢復。

牽引變流器隔離開關：此開關位于微機顯示屏內，是一種觸摸開關。在正常情況下，這些開關均閉合。當由于某種原因，如牽引電動機故障或主變流器支路接地，需要隔離某個牽引變流器支路或牽引電動機時，可以通過微機顯示屏進行隔離操作，使其停止工作。這些開關還可用于牽引電動機轉向試驗和機車旋輪等。

1.3" HXD3型機車主變流器測試與庫內動車控制

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

庫內動車信號通過庫用開關QS3或QS4傳送至主變流器控制單元，用于在庫內動車時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，過流繼電器聯鎖ACCT、庫用開關QS3，開關SA75，自主斷路器聯鎖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：主數據庫-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、正轉、反轉、主變流器故障保護等輸出信號使用線圈狀態(tài)模擬，配合相應的常開觸點實現聯鎖。線圈元件索引名稱為“ENERGIZING COIL”，常開觸點元件索引名稱為“NO CONTACT”；電路不對6個牽引電機進行仿真，選擇1 M電機，模擬電機驅動和電機換向。三相交流電機模型選擇SYNCHRONOUS_MACHINE_PERMANENT_MAGNET。本任務涉及TCMS以及主變流器控制單元，全部使用軟件內的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" 主變流器驅動牽引電機

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

2.3.2" 牽引電機反轉控制

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

觀察示波器，此時可見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，可知相序已經發(fā)生改變，電機轉向發(fā)生改變。

2.3.3" 主變流器故障保護仿真

以牽引繞組過流故障為例，在電機反轉仿真時，將ACCT開關閉合，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" 結束語

機車主變流器將單相交流電轉化為頻率和大小可調的三相交流電，是交直交電力機車牽引傳動系統(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車運用與維護專業(yè)核心技能，是電力機車控制專業(yè)核心課的重要教學任務。以HXD3型電力機車的主變流器為例，深入探討其控制機制，并利用Multisim軟件對控制電路進行合理簡化，從而構建仿真模型。在此基礎上，編寫控制邏輯程序，以實現交互仿真功能，涵蓋主變流器對牽引電機的正反轉控制、主變流器性能測試、車庫內動車操作控制以及主變流器故障應對等核心功能。此平臺不僅允許用戶直觀瀏覽電路原理圖、仿真響應曲線及各項測試參數，還具備隨機設定多種故障情景的能力，支持在線故障處理與驗證，為電力機車主變流器控制電路的教學實踐及深入研究提供了一個高效、直觀的實驗與驗證環(huán)境。

參考文獻：

[1] 張洪明，孟繁星.分析電力機車牽引主變流器故障智能診斷系統(tǒng)[J].百科論壇電子雜志，2018（9）：538.

[2] 魯其東，楊瑞.四種電力機車主變流器的故障診斷方法及仿真對比[J].山東科技大學學報（自然科學版），2017，36（4）：73-79，95.

[3] 黃開.城市軌道交通再生制動能量回饋系統(tǒng)仿真研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學，2016.

[4] 張宇，譚娟，王堅，等.一種新型三電平主變流器實時仿真建模研究[J].機車電傳動，2013（6）：6-9.

[5] 楊艷萍.HXD3機車主變流器IGBT故障分析與對策研究[J].山東工業(yè)技術，2018（12）：11.

[6] 李聯福，于彥良，李辰佑.電力機車控制：M+Book版[M].北京：北京交通大學出版社，2017.