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第四章交直电力机车主电路§4.1概述§4.2理想整流电路§4.3非理想整流电路§4.4主电路保护§4.5典型机车主电路§4.1概述组成:牵引变压器、牵引电动机及其相关电气设备。特点:高电压、大电流、控制复杂、工作条件差等。作用:传递功率,实现电能向动能的转换。一、对主电路的基本要求满足起动、调速、制动要求,保证牵引电机转矩、转速独立可调,且范围宽。(如:升弓带电下……)二、主电路的结构特点1、变流调压方式变压器高压侧自耦调压,再整流,如早期6Y2、SS2机车。变压器次边分段调压,再整流,如SS1机车(有级)。§4.1概述变流器调压,如SS3~SS9机车(无级调压)。相控调压有全控、半控调压。无再生制动用半控,因可改善功率系数。2、供电方式(1)集中供电方式一组调压整流(半波或全波)给所有牵引电机供电。电路配线、布置简单;整流容量大,电机可全并联,防空转性能好;整流并联元件多,故障短路时分流图4-1集中供电电路好,对元件短路保护低些。电机特性差异→负载分配不均;被拖动与原方向相反运动,电机因剩磁发电,高者通过其他电机形成自励回路,造成并联自励发电短路(加设线路接触器);一台电机环火,可引起另一台电机环火。中抽半波整流,一组故障时电压减半,功率也减半。优点:缺点:§4.1概述(2)半集中供电方式两组调压整流装置,每组给一半的电机供电。优点:整流器容量小些。缺点:一组故障时,功率降低一半。注意:C0-C0、B0-B0轴式机车,半集中供电也叫转向架独立供电。MMMMMM......图4-2半集中供电电路.MMMMMM.....................MMMMMMM(a)(b)图4-3独立供电电路(3)独立供电方式一整流器对一电机独立供电。图(a)变压器二次共用绕组中抽供电,绕组结构简单,但整流易出现各支路逐个换向→各输出平均电压不相等,加大了电机特性差异的后果。§4.1概述图(b)变压器二次独立绕组供电,能克服(a)的缺点,二次电流减小,但绕组增多,结构复杂及绕组间绝缘问题。注意:现代交-直电力机车用半集中供电(交-直-交亦如此)。3、调速与磁场削弱方式调速:起动及低速时调电机端压、高速时用削磁来调速。削磁方式:电阻分流(三级)、可控硅分流(无级)。4、电制动方式电阻制动、再生制动。(见前述)5、牵引电动机型式及联结方式型式:串励(常用)、复励(6K、SS7)。§4.1概述联结方式:牵引电机并联,更好利用粘着力。6、检测及保护方式(1)检测交流侧:交流电压、电流互感器,测网压、变压器一次电流。直流侧:直流电压、电流互感器或传感器,检测牵引电机端压、电枢电流、励磁电流(电气制动状态)。(2)保护种类:过流(含短路和过载)、接地、过压、欠压及其它保护。方式:切断机车总电源、切断故障电路电源等,或仅给司机信号引起注意。§4.1概述三、电力机车的功率系数“交-直”环节,使电力机车具有功率系数的特殊性。1、功率因数与功率系数交流电路(U、I正弦),有功P与视在S之比,叫功率因数。“交-直”机车,电压正弦,电流畸变(理想情况下为矩形波)。牵引变压器原边有功P与视在S之比叫功率系数,用μ来表示。2、功率系数的物理意义(1)定义(4-1)电压正弦,电流非正弦→基波、谐波,其与电压同频基波产生有功功率、不同频谐波只产生无功功率。因此SP§4.1概述(4-2)式中,U为正弦有效值,I为电流总有效值,I(1)为基波电流有效值,为基波电流的相位系数,为基波电流的有功分量。引入电流波形畸变系数(亦即电流基波系数)ξ=I(1)/I,则有(4-3)可见:ξ↑→畸变↓,ξ=1→无畸变,有。通常情况,μ<。(2)浅析①μ<1:一是基波电流与电压不同相,<1;二是电流畸变有谐波,ξ<1。②提高μ,一是使I(1)与U同相,二是使电流接近正弦。IIUIUISP1)1(1)1(coscos1cos1)1(cosI11)1(coscosII1cos1cos1cos§4.2理想整流电路理想情况:硅元件正向管压降为零;直流侧Ld=∞;变压器绕组漏抗、电阻忽略不计;变压器次边电压正弦。一、不可控整流电路二极管整流,有级调速,如SS1机车。(一)中抽式整流电路图4-1原理电路。集中供电,每三台电机并联串PK后再并联;M1~M6均串励;变压器副边ao、bo两段,其电压大小相等而相位相反。理想情况:变压器u2正弦、i2直流,u1正弦、iT方波;D1换流到D2瞬间(0、π、……)完成,即瞬间自然换相。PK1PK2MMMMMM.........abi2D1D2iD2i2iD10u2u2u1iT图4-1中抽式整流电路§4.2理想整流电路1、整流电压与电流分析有:整流电压(4-4)式中,Ud为平均电压,Ud0为理想空载电压。整流平均电流(4-5)式中,R为直流电路的总电阻(6台电机并联的总电阻)。牵引变压器:副边:电压每段正弦有效值(4-6)电流每段矩形波有效值(4-7)原边:电压正弦电流方波有效值(KT变压器变比)(4-8)2209.022UUUUddRURUIdd2220000uiD2iD1iu,ttttudUdIdIdu1iT图4-5整流电路波形dUU11.12dddIItdII707.0221022TMTdTKIKIII61§4.2理想整流电路2、整流元件的电压电流参数(1)硅元件电流整流器电流有效值I=0.707Id=0.707(6IM)=4.242IM。(2)硅元件电压中抽整流,D1导通时,D2反向电压为变压器副边两段绕组电压之和,则整流元件反向峰值电压为(代入U2)(4-9)可见:由电机电压(即Ud)、电流选择整流元件参数。3、牵引变压器的计算容量副边两段,计算容量(4-10)ddRMUUUU2222222dddPIUIUP57.122222222§4.2理想整流电路原边计算容量(4-11)铭牌容量(标志变压器重量和尺寸的大小)计算(4-12)整流功率Pd=UdId(6台电机Pd=6UMIM)。4、机车功率系数变压器原边正弦电压与方波电流同相位,据电流付氏级数可得(4-13)dddTdTPIUKIUKIUP11.122.2111ddTpPPPP34.1257.111.12219.04.21cos1TTII注意:当忽略电路电阻和变压器铜、铁耗时,μ可表示为整流功率与变压器副边视在功率的比(4-14)9.022UUIUIUdddd§4.2理想整流电路可见:不可控中抽整流电力机车,功率系数较高;且在调压过程中相位不变、电流畸变不变、功率系数不变。(注:对桥式整流,除整流管受反压比中抽式小一半、变压器原副边及铭牌容量都相等外,iT、u1波形和μ、ξ都相同)(二)整流的脉动与平波电抗器实际中(Ld≠∞),电压脉动,电流亦有脉动,影响直流电机的安全换相。1、整流电压、电流的脉动(1)电压脉动系数脉动电压付氏级数分解,仅考虑直流和最大幅值谐波分量,则有§4.2理想整流电路(4-15)电压脉动系数(脉动程度):交流分量的脉动幅值与直流分量之比(4-16)注意:考虑其它谐波时,脉动系数Ku还会增大。(2)电流脉动系数电流脉动与整流电路负载性质有关:纯阻负载:电流脉动与整流电压的脉动相同,Ki与Ku相同。感性负载:电流脉动减小,若Ld=∞则为直流,Ki为零。注意:电力机车负载为牵引电动机,属反电势性质负载。为安全换相,结构上特殊设计,电路串平波电抗器(Ld足够大)。tUUud2cos3222222266.03222322222UUKu§4.2理想整流电路2、平波电抗器的作用Ld产生自感电势阻止电流变化,电流脉动↓;Ld足够大,可敷平电流。二、可控整流电路(一)全控整流电路全桥可控硅整流。改变可控硅α→改变整流电压ud波形→改变Ud。注意:①在nπ≤ωt≤nπ+α期间,因Ld=∞出现负的整流电压,且Id为常数;②在ωt=nπ+α瞬间换向,可控硅电流、变压器原边电流i都滞后α角。PKabT1T2u2u1MT4T3udiT图4-6全控整流电路§4.2理想整流电路1、整流电压依电力电子学有(4-17)可见:①当α=0,同不可控整流,②当α=90º时,有Ud=0(整流电压波形正负面积相等)。③当α>90º时,cosα为负,有Ud为负,整流电路逆变状态。另:可控硅元件承受反向电压峰值为(4-18)i0iu,tu1iTITi(1)0utud00ttIdIdiiT1iT2iT4iT3coscos22sin21022ddUUttdUU图4-7全控桥整流波形2209.022UUUUdd002222.22ddRMUUUU§4.2理想整流电路2、变压器电流Ld=∞,Id直流,变压器原、副边电流均为方波,其副边I2=Id、原边I1=IT=Id/KT。3、机车功率系数因iT基波i(1)与电压u1相位差α角,即=α。(4-19)将式(4-17)代入式(4-19)得(4-20)可见:①全桥整流的μ与Ud成正比。②当α=0(全导通),Ud=Ud0最大,μ=0.9最高。③随α↑→Ud↓→μ↓;当α=90º→Ud=0→μ=0。则调压时,须考虑μ降低问题。1cos9.0cos22coscos)1(1)1(IIII09.0ddUU§4.2理想整流电路据(4-19)、(4-20),不同α对应有Ud/Ud0、μ值,可绘制出μ=f(Ud/Ud0)特性曲线,见后图4-14中曲线2所示。(注意:可控整流,因变压器原边i(1)与电压u1不同相,电源视在功率S中有P和Q,还有畸变功率。Q和畸变功率不提供有效功率,其无功电流、高次谐波电流还产生损耗和压降,影响变压器、接触网和变电所设备容量,并使损耗增大,机车的输出力降低,且高次谐波干扰通讯。因此,提高μ是一项重要任务,也是选择整流电路调压方式的重要指标。)(二)半控桥式整流电路共阴电路:全控桥的T3、T4为二极管。由导通的可控硅与其串的二极管续流(缺点:半周无触发,则为半波整流)。不共阴电路:全控桥的T2、T3为二极管。无前者缺点,电力机车广泛采用。§4.2理想整流电路不共阴半控桥电路如图4-8所示。1、整流电压由波形图得(4-21)可见:①当α=0时,同不可控整流电压,即②当α=90º时,Ud=0.5Ud0=0.45U2;而当α=π时,Ud=0。与全控桥比:Ud同样在最大与零间平滑调节,但控制角α大一倍(0~180°)。整流元件反压同全控桥。(注:整流波形图中没有负的阴影面积)PKabT1D1u2u1MT2D2udiTcdIdi2..图4-8不共阴半控桥整流电路图4-9不共阴半控桥整流波形2cos12cos122sin21022ddUUttdUU2209.022UUUUdd§4.2理想整流电路2、变压器电流Ld=∞,Id直流。变压器绕组在α内无电流,是断续矩形波。i2的大小为Id、iT的大小为Id/KT,iT的有效值为(4-22)4、机车功率系数变压器原边视在功率(4-23)变压器原边有功功率(不计变压器、整流器的损耗)(4-24)机车的功率系数(4-25)据(4-21)、(4-25),不同α对应有Ud/Ud0、μ值,可绘制μ=f(Ud/Ud0)曲线,见后图4-14曲线3。)(1)(121TdTdTKItdKIIIdTdTIUKIUKIUS2211)(1ddddIUIUIUp22)cos1(22cos122)()cos1(2SP§4.2理想整流电路比较曲线2、3可见:①半控桥改善了μ,它高于全桥,但它低于不可控。②α↑→Ud↓→Ud/Ud0↓,其μ↓;反之则相反。③Ud/Ud0→1时,半控桥的iT比不可控桥更接近正弦,其μ>0.9。另:由波形图知,半控桥变
本文标题:交直电力机车主电路
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