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）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）2.辅助电路（有两类）①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）②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）3.控制电路（有两类）①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）②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主要考虑因素：①满足机车牵引中的起动、调速和制动的基本要求；②功率大、控制复杂、工作条件差，体积、重量受到限制；③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：①牵引电机联接与激磁方式；②牵引电机的供电方式；③整流线路；④调速方式；⑤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：①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）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；②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）③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①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；②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①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）②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）③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Lf整流器单相交流输入MLpRf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：①平波电抗器如何减小电流的脉动？②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：①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：①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；②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：①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：①有触点调压：SS1、８Ｇ机车；②有触点与相控结合调压：SS3；③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：①激磁绕组并电阻调速：SS1、SS3、SS4、SS6；②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：①机械制动：常备制动，低速时投入；②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。D1M1M2M3M4M5M6D2Lp1Lp2uin图１-２SS1机车主电路简图一、SS1型机车主电路(续１)图１-２SS1机车主电路原理D1x1D2主断路器M1M2M3M4M5M625kVC0-C06×700kW1o1o29x2D3D4TK26D5D6Lp1Lp2313233343536373847394041424344454648Ud+-a1a2一、SS1型机车主电路（续2）1.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。①０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。②0-1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：①Ud中的系数0.9是如何来的？一、SS1型机车主电路（续4）②1-2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）③16-17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。④17-18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：①保证调速时电流连续，不中断主电路；②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？1040VD38×125VD4K31K32Id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：①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UdωtωtωtωtUdiNiNωt一段工作输出电压和电网输入电流波形两段工作输出电压和电网输出电流波形M1M2M3Ud25kV500V500VT1T2D1D2T3T4D3D4LpC0-C06×800kW6G机车一个转向架主电路RM1RM2二、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。M1M2Ud335V670VD1D2T6D3D42(B0-B0)8×800kWSS4机车1/4主电路Lp1T1T2T3T4T5T6335V三、SS4型电力机车主电路（续1）ωt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