交直型电力机车主电路和辅助电路

第一章交直型电力机车主电路和辅助电路第一章交直型电力机车主电路和辅助电路本章要点：主电路设计考虑的主要因素我国主要干线机车主电路机车的牵引特性及制动特性概念“粘着”、“空转”、“滑行”、“轴重补偿”主电路保护的种类与原理机车辅助电路的结构与功能第一节　概述一、电力机车能量传递过程：车上受电弓牵引变压器牵引整流器转向架牵引电机机车车辆27.5kv单相接触网交流直流机械能电能二、机车电路分类机车电路主电路辅助电路控制电路二、机车电路分类（续１）主电路功能：牵引和制动时，完成能量传递和转换；特点：大功率、高电压、大电流；主要包括：牵引变压器、整流器、牵引电机二、机车电路分类（续2）辅助电路（有两类）交流辅助电路功能：给主电路的通风、冷却辅助电机等；特点：三相380V交流供电,功率较小；包括：单／三相变换器、通风电机、压缩电机等二、机车电路分类（续3）直流辅助电路功能：给电器控制、电子控制及照明、空调设备供电；特点：直流110V供电，有蓄电池作后备电源；包括：DC110V交直流变换电源、蓄电池、车灯、空调等。此外，用于客车牵引的机车上有DC600V直流电源供客车车厢内空调、采暖、照明及旅客信息服务系统供电。二、机车电路分类（续4）控制电路（有两类）电器控制功能：完成电路和气路的开关及逻辑互锁；特点：电动或气动的逻辑开关．包括：继电器、电控阀、气动开关等。近年来生产机车上的逻辑联锁已由逻辑控制单元（LCU)完成。二、机车电路分类（续5）电子控制功能：配合主辅助电路完成机车的控制；特点：弱电控制、控制复杂；包括：给定积分器、特性控制、防空转／防滑、移相控制、功率放大、脉冲变压器等控制单元。三、主电路设计考虑的 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 主要考虑因素：满足机车牵引中的起动、调速和制动的基本要求；功率大、控制复杂、工作条件差，体积、重量受到限制；牵引性能的好坏、技术难易程度，维护费用及可靠性。三、主电路设计考虑的内容（续１）更具体来讲五个方面：牵引电机联接与激磁方式；牵引电机的供电方式；整流线路；调速方式；电气制动方式。下面将参照这五个方面的内容进行详细分析。一、牵引电机的联接与激磁方式交直型电力机车采用脉流牵引电机（直流电机）。１、激磁方式问题：直流电机的激磁方式有几种？各有何种特点？主电路设计考虑的内容一、牵引电机的连接与激磁方式（续１）串激　特点：起动力矩大、恒功性能好，有“牛马”特性，并联时负载分配较易均衡，但特性较软，防空转能力差；并激（他激）特点：特性较硬，防空转性能好，但是其它性能（起动和恒功）较差；主电路设计考虑的内容一、牵引电机的连接与激磁方式（续2）复激部分绕组是与电枢串联，部分绕组为他激。特点：兼有串激和并激的优点，但电机结构和控制复杂。实际情况：机车多用串激电机、６K/SS7机车采用了复激电机，没有采用并激的。说明：斩波地铁机车中，有采用它激电机，但其激磁电流控制是按电枢电流规律控制的。主电路设计考虑的内容一、牵引电机的连接与激磁方式（续３）２、电机联接方式串联特点：主电路开关电器少、简化主电路结构，电机负荷分配均匀，但防空转性能差；并联特点：防空转性能好，整车粘着利用充分，但主电路结构复杂；主电路设计考虑的内容一、牵引电机的连接与激磁方式（续４）实际应用：普遍采用电机并联方式，只有8K机车采用电机串联。主电路设计考虑的内容二、供电方式集中供电（车控）　　整台机车牵引电机由一套整流器供电。特点：变压器结构简单，集中冷却简化了通风设备，但一台电机故障时，影响整车工作；主电路设计考虑的内容二、供电方式（续１）独立供电（轴控）每一个牵引电机由一套独立的整流器供电。特点：机车的粘着利用好，一台电机故障时不影响其它电机的运行。但变压器、整流器及控制复杂。主电路设计考虑的内容二、供电方式（续２）部分集中（架控）同一转向架上的电机由一套整流器供电。特点：简化了电路和变流器结构，粘着利用较为充分，同时实现一定的冗余。实际应用：SS1、SS3机车采用集中供电；其它部分机车由部分集中供电，其中6K机车上有一个转向架上两台电机分别由两套不同的整流器供电；没有交直型车采用独立供电。主电路设计考虑的内容二、供电方式（续3）说明：随着电力电子技术的发展和高速重载的需求，新型的交直流机车开始采用轴控技术，这样整车的粘着利用充分，同时在一轴故障整车的牵引力影响不大。主电路设计考虑的内容三、整流线路　　50Hz单相交流整流，SS1采用二极管不控整流；其它机车多用半控桥整流且是二段桥、三段桥甚至四段桥。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图１－１整流器的简化线路图主电路设计考虑的内容三、整流线路（续１）Ｌp－平波电抗器，减小电流脉动，改善电机换相性能。　Ｌf－激磁绕组。　Ｒf－磁场分路电阻，减小磁场电流脉动。问题：平波电抗器如何减小电流的脉动？磁场分路电阻如何减少磁场电流脉动？主电路设计考虑的内容四、调速方式调速要求：　　在不中断主电路的情况下，尽量使牵引力变化平滑，有尽可多的级位均匀分布在整个调速范围内。问题：直流电机如何调速的？主电路设计考虑的内容四、调速方式（续１）分两步：调压调速：在额定电压以下，改变电机电枢电压Ｕd实现电机调速；弱磁调速：在端压达到额定电压后，削弱磁场进步提高速度。问题：为何要先调压后弱磁？主电路设计考虑的内容四、调速方式（续2)调压调速：有触点调压：SS1、８Ｇ机车；有触点与相控结合调压：SS3；无触点相控调压：SS4、SS5、6K、8K等；　其中方式①为有级调压，方式②和③为无级调压。主电路设计考虑的内容四、调速方式（续３)弱磁调速：激磁绕组并电阻调速：SS1、SS3、SS4、SS6；相控弱磁，相控弱磁有两种不同的形式：6K、SS7是复励电机，由他励绕组的相控电路励磁；8K、SS5是串励电机、由分路晶闸管弱磁；　　方式①为有级、方式②为无级。主电路设计考虑的内容四、调速方式（续４)由上可知：　有级调速分有级调压调速和有级弱磁调节速两种；无级调速也分为无级调压和无级弱磁两种。二者比较：　无级调速可实现牵引电流和牵引力的连续调节；有级调速在级间变换时有电流冲击和机械冲击。主电路设计考虑的内容五、电气制动两类制动：机械制动：常备制动，低速时投入；电气制动：一般高速时投入效果好；电阻制动能耗电阻制动：稳定可靠，多用。SS1-SS4加馈电阻制动：在低速时可获大的制动力.SS8再生制动向电网回馈能量，功率因数低，控制复杂。8K（２台）、SS5、SS7。主电路设计考虑的内容习题１、机车主电路设计时要考虑那几方面的因数？主要涉及机及主电那些方面？２、画出串激直流电机和并激直流电机牵引时的牵引力（Ｆ）与速度力（Ｖ）关系曲线，并说明其特点。３、分析牵引电机有级电压调速和有级弱磁调速时的电流和牵引力冲击情况。第二节　交直型机车主电路我国交直型机车主电路的发展过程：有触点调压不控整流器SS1有触点与相控结合SS3相控多段桥SS4相控多段桥无级弱磁再生制动SS5交直型电力机车主电路基本情况C0-C0一、SS1型机车主电路特点：　二组管整流，调节整流器的交流输入电压调节输出电压，可实现33级调压和３级磁场削弱，功率因数高。图１-２SS1机车主电路简图一、SS1型机车主电路(续１)图１-２　SS1机车主电路原理Ud+-a1a2一、SS1型机车主电路（续2）调压过程　QKT-18组合开关和TK26反向开关组合，使变压器的不变绕组和可调绕组分段正接和反接，改变整流器的输入电压，从而实现了33级整流电压。０级开关31-38全部断开，形成不了回路，Ud=0；　一、SS1型机车主电路（续３）1-17级TK26正向位，a1x1与o1-1,a2x2与o2-9反向串联，电压相减。0-1级　QKT-18右旋20º，TK31、TK39合，a1x1与o1-1,a2x2与o2-9电压相减。U左=1040-1000=40(V)U右=1040-1000=40(V)Ud=0.9×40=36(V)问题：Ud中的系数0.9是如何来的？一、SS1型机车主电路（续4）1-2级QKT-18右旋到40º，TK39合,TK32合，TK31分，a1x1与o1-1,a2x2与o2-9电压相减。U左=1040-7×125=165(V)U右=1040-1000=40(V)Ud=(0.9×40+0.9×165)/2=92.25(V)ΔUd=0.9×165/2=56.25(V)一、SS1型机车主电路（续5）16-17级QKT-18右旋到340º，TK47,TK48合，a1x1与o1-1,a2x2与o2-9电压相减。U左=1040VU右=1040VUd=0.9×1040=936(V)一、SS1型机车主电路（续5）18-33级TK26反向位，a1x1与o2-9,a2x2与o1-1正向串联，电压相加。17-18级　　QKT-18左旋到340º,K47和K46合，k48断。　　U左=1040＋125=1165VU右=1040VUd=0.9×(1165+1040)/2=992.5(V)直至33级,a1x1与o2-9全部串联，a2X2与o1-1全部串联，电压相加。　Ud=0.9×(1000+1040)=1836(V)一、SS1型机车主电路（续5）２、电压计算公式　由上述分析过程可知，第一级电压为36V；　随后每级位增加一级，输出电压级增加：0.9×125/2=56.25V，　电压输出可写为：Ｕd=36+56.25×(n-1)56.25其中：n＝１～33，调压手柄级位。一、SS1型机车主电路（续６）３、过渡硅机组　相邻级位转换时先合后分，有两个方面的作用：保证调速时电流连续，不中断主电路；减少级间转换开关断开时产生的电弧。问题：电弧是如何产生的？一、SS1型机车主电路（续７）４、奇数级位和偶数级位差异　　奇数级位时，输入正负半波电压对称；偶数级位时输入电压正负半波相差125V,会引起变压器的直流磁化，影响变压器工作，但实际证明影响不大。问题：直流磁化是如何影响变压器的？习题１、试述SS1型电力机车调压过程；２、说明并分析过渡硅机组在调压过程中的作用；二、６G机车主电路二、６Ｇ机车主电路（续１）１、特点二段桥调压，整流器直流侧电压串联。２、调压过程第一调节区：RM2闭锁（α2=180º），RM1的T1、T2被触发逐渐开放，RM2的D3和D4续流，Ud由0～450V调节；第二调节区：RM1满开放（α1=0º），RM2逐渐开放，Ud由450～900V调节；三、SS4型电力机车主电路特点：１)等份四段经济桥功率因数0.85以上。２)加装了功率因数补偿器。半功率以上运行时功率因数大于0.9.3)控制复杂。三、SS4型电力机车主电路（续1）工作时的输出电压和输入电流波形一段桥二段桥三段桥四段桥三、SS4型电力机车主电路（续2）２、调压过程：第一段：触发T1,T2，T3、T4、T5、T６闭锁，D3、D4续流，α2=180、α3=180、α1=180º～0º,输出电压：Ｕd=0～1/4Ud0;其中：Ｕd0=0.9×2×670V＝1206V第二段：T1、T2满开放，T5、T6闭锁，触发T3、T4，α1=0º，α2=180º～0º，α2=180º输出电压：Ｕd=1/4Ud0～1/2Ud0;三、SS4型电力机车主电路（续3）第三段：T1、T2、T3、T4满开放后，先封锁T1-T4触发，T5、T6满开放，将电压从上面整流桥转移到下面整流桥，再逐渐开放T1和T2,α3=0º，α2=180º，α1=80º～0º,输出电压：Ｕd=1/2Ud0～3/4Ud0;第四段：T1、T2、T5、T6满开，T5、T6满开放后，再逐渐开放T3和T4,α3=0º，α2=0º，α２=80º～0º,输出电压：Ｕd=３/4Ud0～Ud0;三、SS4型电力机车主电路（续４）３、SS4G与SS4B主电路三、SS4型电力机车主电路（续５）SS4G与SS4B采用三段控制方法，调压过程：第一段：触发T5、T6，T1、T2、T3、T4闭锁，D1、D2续流，α1=180º，α2=180º、α3=180º～0º,输出电压：Ｕd=0～1/２Ud0;第二段：T５、T6满开放，触发T１、T２，T３、T4闭锁，α3=0º，α2=180º,α1=180º～0º，输出电压：Ｕd=1/2Ud0～3/4Ud0;三、SS4型电力机车主电路（续６）第三段：T1、T2、T5、T6满开放，触发T3、T4，α3=0º，α1=0º,α2＝180º～0º，输出电压：Ｕd=3/4Ud0～Ud0;原因四段工作时，第二段向第三段转换时，控制复杂，容易两桥同时满开的可能性；四段桥与三段桥相比主要是1/2Ud0以下时，功率因数高，1/2Ud0以上，二者一样。三、SS4型电力机车主电路（续６）习题1、画出三段桥工作时的输出电压和输入电流波形；（图间应能反应大小比例）２、利用变流技术知识分析为何多段桥有较高的功率因数；３、试用学过的电路分析和资料查阅分析LC电路是如何提高功率因数的。四、8K型电力机车主电路1、特点全控桥，制动时可再生；电机串联；无级弱磁。四、8K型电力机车主电路（续１）２、调速过程二段桥工作，PM桥闭锁，PC桥先逐渐开放，输出电压：Ｕd=1～1/2Ud0；PC桥满开放后，再逐渐开放PM桥输出电压：Ud=1/2Ud0~Ud0；PC和PM满开放后，可通过控制T223和T243来实现无级弱磁来提高速度，如Ud过高可由PC调节，可以保证弱磁范围不受限制。四、8K型电力机车主电路（续２）３、全控桥的类似半控工作　全控桥功率因数低，牵引时工作在类似半控状态来提高功率因数。有两个晶闸管电压过零触发，相当于二极管。问题:半控桥有两种模式，类似那种？四、8K型电力机车主电路（续３）４、无级弱磁　有级弱磁不足：不连续，存在电和机械冲击，且电气设备多，电阻值随温度变化而变化。　弱磁过程：满磁磁场时，Ｔ223,T243不导通，电机电流流过Lf1和Lf2，RsH分流。弱磁时，正半周t1时触发T243,id由T243流向D241,D242受反压关断，if在Lf1、Lf2和，RsH内续流，按指数规律衰减；负半周时，过程周正半周一样。四、8K型电力机车主电路（续４）磁弱系数β=弱磁后的磁场／满磁场β近似＝（π－θ）/π可见θ变化时，可以连续调节弱磁系数；其它Rsh的电流脉动很大，但if脉动很小10%;弱磁后ＰＭ一直满开放，保证了弱磁范围。四、8K型电力机车主电路（续５）习题１、８Ｋ主电路中T222和Ｄ242起何作用，能否取消？T222能不否二极管？２在弱磁过程中，如T243触发导通if如何流动？３、电机弱磁很深时，对电机有何不良影响？轴式      B0-B0串励电机机车主电路为不等分三段半控桥式整流电路，并采用晶闸管分路无级磁场削弱电路，可实现机车牵引特性全运行区无级调速。机车电制动方式为加馈电阻制动五、SS8型电力机车主电路五、SS8型电力机车主电路（续1）五、SS8型电力机车主电路（续2）调压过程1、第一段桥绕组a2x2工作，逐渐开放VT5,VT6正半周：五、SS8型电力机车主电路（续3）1、第一段桥负半周Ud=0~1/2Ud0五、SS8型电力机车主电路（续4）2、第二段桥VT5、VT6满开放时，投入绕组a1-b1段，移相VT1、VT2。正半周：五、SS8型电力机车主电路（续5）2、第二段桥负半周：Ud=1/2Ud0~3/4Ud0五、SS8型电力机车主电路（续6）3、第三段桥VT1、VT2满开放时，投入绕组b1-x1段，移相VT3、VT4。正半周：五、SS8型电力机车主电路（续7）3、第三段桥负半周：Ud=3/4Ud0~Ud0五、SS8型电力机车主电路（续8）4、无级弱磁最深削弱磁场（βmin＝43％）正半周负半周六、SS7E机车主电路特点：1、主传动——复励牵引电动机C0-C02、牵引电机供电方式——架控3、三段半控桥相控整流，复励电路，无级调压，磁场削弱采用调节复励电机的他励电流的无级调节4、加馈电阻制动六、SS7E机车主电路（续1）牵引绕组a1-x1,a3-x3电压为675.6V;a5-x5为励磁绕组168.9V。调压过程1、先开放半控桥U12，V9、V10交替导通，V1V2续流，Ud=0~1/2Ud0;2、U12满开放后，V3V4逐渐开放，Ud=1/2Ud0~3/4Ud0;3、V3V4满开放后，V5V6逐渐开放，Ud=3/4Ud0~Ud0。六、SS7E机车主电路（续2）他励半控桥U131、启动机车时，先闭合接触器KM7，调节V13、V14，使其输出一个预他励电流If0=32A,然后再闭合KM1~KM3，避免在启动时产生较大冲击电流。然后If跟随电枢电流线性变化。六、SS7E机车主电路（续3）If＝32A，IA≤143AIf＝0.2234IA，143A＜IA≤1320A他励半控桥U132、无级弱磁当整流电压达到最大值时，要继续提速，则进入恒功无级弱磁区，即维持U=1030V,IA=830A不变，通过控制U13的V13,V14，使他励电流If从210A逐渐下降到48A，削弱磁场。磁场削弱系数β从95.4%~41.9%。六、SS7E机车主电路（续4）七、SS9机车主电路轴式C0-C0串励牵引电机架控三段不等分半控桥无级调压，分路晶闸管无级弱磁加馈电阻制动七、SS9机车主电路（续1）a1x1,a2x2电压为686.8V调压、弱磁控制与SS8完全一样。第三节　机车牵引负载电路机车牵引负载电路：电力机车牵引工况下的牵引电动机电路。影响机车的牵引力或制动力的因素：牵引电机本身的电气特性机械悬挂方式、电机激磁方式电机速度控制方式电机之间的联结分式；机械走行部分的结构一、有级与无级调速机车的牵引持性一、有级与无级调速机车牵引持性（续１）牵引限制：最大速度限制－机车结构速度；电机的安全换向限制－ＶＩ为常数，否则环火或火花；粘着限制－牵引力大于最大值时空转；电机最大电流限制－电机电流大于额定值时发热；一、有级与无级调速机车牵引持性（续２）调速过程：级间变化时有电流冲击和牵引力的冲击；机车可以在任何电压级位上运行，按电机的固有特性；一、有级与无级调速机车牵引持性（续3）２、无级调速可按任何曲线运行，无级调速控制有：有恒流控制（６Ｇ机车）恒压和恒流控制（SS4）特性控制（8K、SS4G………）一、有级与无级调速机车牵引持性（续4）特性控制优点：恒流启动，平稳快速，准恒速运行；操作方便，粘着性能好。现机车多用。二、牵引电机的联接牵引电机之间的联结方式：第一种是集中供电，牵引电机并联运行SS1、SS3；第二种是部分集中供电，同一转向架牵引电机并联运行，6G、SS4、SS7、SS8、SS9等集中供电，牵引电机并联部分集中供电，同一转向架电机并联二、牵引电机的联接(续１)部分集中，牵引电机串联部分集中供电，同一转向架牵引电机串联运行，8K；部分集中供电，不同转向架电机并联运行，6K；部分集中，不同转向架牵引电机并联二、牵引电机的联接(续2)作业：自学电机串联与并联的性能比较，并利用电机学和数学知识从理论是指导电机串联时，因轮径和电机特性引起的牵引力差较并联时小。说明：随着技术的发展电力电子技术和网络控制技术发展，为了充全利用粘着，现机车开始采用轴控制技术．三、电机的空转与滑行１、牵引力的产生oMM’FiFi’o’fi’Gi三、电机的空转与滑行（续１）2、粘着o’点保持相对静止，轮轨之间没有相对滑动，在力Ｆi’的作用下，动轮对绕o‘点作滚动运动。动轮与钢轨接触处，由于正压力而出现的保持轮轨接触处相对静止、而不相对活动的现象称为“粘着”。粘着状态下的静摩擦力fi又称为粘着力。三、电机的空转与滑行（续２）轮轨间的粘着与静力学中的静摩擦力具有十分相似的物理性质。驱动转矩M产生的切向力Fi增大时，粘着力fi随之增大，并保持与Fi相等。当切向力增大到一定数值时，粘着力达到最大值。若使切向力继续增大，粘着力反而迅速减小，发生空转。粘着力fi最大值:fimax=μGi，μ粘着系数三、电机的空转与滑行（续３）３、粘着利用　机车电机M/R接近最大粘着力μＧi时，牵引力利用充分，大于时会发生空转，小得太多时利用不充分。４、轴重补偿　实际上每个轮对的Ｇi是不一样的，轴控可以充分利用粘着力。架控中的轴重补偿也可充分利用粘着。三、电机的空转与滑行（续４）三、电机的空转与滑行（续４）轴重补偿控制以第一转向架粘着利用时，第二转向架空转；控制以第二转向架粘着利用时，第一转向架粘着利用不充分；第一转向架与第二转向架分开控制，且第一转向架牵引力大于第二转向架时，能使粘着利用更充分。三、电机的空转与滑行（续５）说明：　轴控方式可以使粘着利用最充分，但是因为粘着系数复杂的特性，实际上很难得到。如何能使机车的粘着能达到最佳利用，是牵引的关键技术之一。三、电机的空转与滑行（续６）空转——牵引时，牵引力大于轮轨间的粘着力，轮轨间发生相对滑动的现象。滑行——制动时，制动力大于轮轨间的粘着力，轮轨间发生相对滑动的现象。５、空转过程三、电机的空转与滑行（续７）６、空转与特性的关系硬特性：转速与牵引力变化小的特性（dn/dF小）；软特性：转速与牵引力变化大的特性（dn/dF大）；特性越硬，防空转能力越强，反之越弱，因此是否容易空转可以用特性来比较．三、电机的空转与滑行（续８）电机串联特性较并联软，更容易空转；串激电机较并激特性软，更容易空转。作业：１、分析为何电机串联特性较并联软，串激电机较并激特性软；２、画出电机恒压控制、恒流控制和恒速控制的特性，并以此来比较空转发生容易程度的顺序。四、牵引电机励磁方式串励电机：起动力矩大，恒功性能好，有牛马特性，但防空转性能差。并励电机：防空转性能好，但其它性能差，实际中很少用。复励电机：有较硬的特性，防空转性能好。但空转发生的速度慢，要求较灵敏的防空转 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