劈相机的常见故障分析.docx
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劈相机的常见故障分析
高等教育自学考试
毕业设计（论文）
北京交通大学
北京交通大学
毕业设计（论文）
题 目：
劈相机常见故障分析
姓 名：
王磊 专 业：
铁道机车车辆
工作单位：
吉林铁道职业技术学院
职 务：
学 生
准考证号：
291712101123
联系电话：
159********
设计（论文）指导教师：
关洪亮
发题日期：
2013年4月15日
完成日期：
2013年6月30日
毕业设计（论文）评议意书
专业
铁道机车车辆
姓名
王磊
题目
劈相机常见故障分析
指导教师评阅意见
成绩评定：
指导教师：
年月日
答辩组意见
答辩组负责人：
年月日
备注
毕业设计（论文）任务书
毕业设计（论文）题目：
劈相机常见故障分析
1、毕业设计（论文）内容
劈相机是一种将单相电变换成三相电的特殊电机，其实质是由单相电动机和三相发电机组合而成的旋转电机。
它是电力机车的专用装置。
劈相机的工作原理：
在单相工频交流电力机车的辅助系统中，异步劈相机（简称劈相机）用来将主变压器辅助绕组供给的单相电源“劈成”三相，向辅助系统所有三相异步电动机供电。
二、基本要求
了解劈相机的运用和维修，以及基本工作原理和特性，日常维护和保养。
三、重点研究的问题
劈相机的基本原理、结构、维修。
四、主要技术指标
电力机车劈相机的工作原理，基本结构，特性及维修。
下达任务日期：
2013年4月15日
要求完成日期：
2013年6月30日
指导教师：
关洪亮
开题报告
一文献综述
本文介绍了劈相机的基本结构，工作原理以及维修方法，劈相机的基本理论知识，同时又注意反应我国当前劈相机运用与检修的现状，以劈相机的常见故障进行分析。
二选题目的和意义
劈相机的检修及常见故障是一门主干专业课程。
主要讲述电力机车上应用的劈相机的基本原理、结构特点、工作特性、技术参数等。
三研究方案
介绍劈相机的基本知识，同时又注意反映我国当前电力机车劈相机的现状，以及机车使用劈相机的
四进度计划
序号
论文内容
日期
完成情况（%）
1
确定论文设计题目
领取设计说明书
04.20
25
2
调研搜集材料
05.10
20
3
论文初稿
05.20
20
4
初稿审核修改
06.10
15
5
定稿、编排、打印
06.20
15
完成设计日期2013年6月30日
摘 要
随着社会的不断发展，经济的不断增长，人们的运输工具也在不断改进，然而铁路运输依旧是我国经济运行的大动脉，在我国交通体系中占有重要的地位。
近几年来我国铁路加快了以高速、重载、安全为主题的发展步伐。
我国铁路运输开始向电气化的飞速发展,铁路电力机车日益增多,而电力机车上的辅助电机,尤其是劈相机的可靠起动甚为重要.铁路机车劈相机是电力机车的心脏部分，它的好坏直接影响到机车的行车安全及人们的生命安全。
本文就简要介绍一下劈相机的结构、特点、电力机车控制电路的作用与工作原理，并结合电力机车劈相机控制电路的结构、起动原理分析一下铁路机车劈相机常见的故障问题。
本文简要叙述电力机车劈相机的结构相关知识、特点。
从起动方式及其工作原理分析其控制电路的结构；结合劈相机和控制电路分析其控制方法，以及对电力机车劈相机的基本故障以及分析其解决方法。
分析SS4G型电力机车劈相机的故障，再到劈相机的日常保养与维护都做了介绍。
关键词：
劈相机；故障；电力机车；启动电阻；
前 言
众所周知，电力机车通过劈相机与通风机配合，而且一条电气化铁路会分段供电，且不说因为一些原因运行中的劈相机启动故障，就说在遇到电阻烧损时，牵引通风机带劈相机工作。
有机车绝缘损坏时的问题.从劈相机的故障问题入手，对应的方法措施来寻找问题的来源以及劈相机本身带来的许多问题着手处理，详细的论述劈相机几方面问题。
对机车劈相机启动过程遇到的问题等等的一些问题，都有一些详细的论述。
本论文主要是简单的论述了劈相机的结构特点,以及劈相机工作原理，结合劈相机的综合应用来论述如何减少劈相机运行中故障的发生。
目 录
第一章劈相机概述 1
1.1. 劈相机的结构 2
1.2. 劈相机的特点 5
第二章劈相机的工作原理 6
2.1.电力机车劈相机 6
2.2.异步劈相机的工作原理 7
2.3.劈相机的起动方式 8
2.3.1. 劈相机的负载工况 10
2.3.3. 单相电容运行电动机 13
2.3.4. 单相电阻起动电动机 14
第三章劈相机常见故障及分析处理 15
3.1.劈相机电路故障分析及处理 15
3.1.1. 接触器故障分析及处理 15
3.1.2. 电器元件误动作 15
3.1.3. 劈相机接线错误 16
3.1.4. 起动电阻值变大 17
3.1.5. 供电电压过低和输入电压严重不对称 17
3.1.6. 劈相机故障，通风机兼作“劈相机”分相起动 18
3.1.7.劈相机不起动 18
3.2.劈相机机械故障分析及处理 19
3.2.1. 轴承有异音 19
3.2.2. 轴承过热 20
3.2.3. 劈相机有异常噪音或振动过大 21
3.2.4. 电机升温过高或冒烟 22
3.3.劈相机启动按钮故障现象 22
3.3.1 主断即跳的检查处理 23
3.3.2. 无任何声音的检查处理 23
3.3.3. 无劈相机启动声音的检查处理 24
3.3.4. 劈相机启动声音异常的检查处理 24
3.3.5. SS4G型电力机车劈相机起动电阻烧损的原因分析及改进措施 25
3.4劈相机常见故障及处理方法 26
第四章劈相机的保养与维护 27
4.1.运转前的检查 27
4.2.劈相机的启动 28
4.3.劈相机的运行与停止 29
第五章结束语 30
参考文献 31
第一章劈相机概述
劈相机是一种结构特殊、用途特殊的三相异步电机，是异步电动机的简称。
其实质是由单相电动机和三相发电机组合而成的旋转电机，它是一种能实现单～三相变换的异步电动机，用于一切由单相电源供电，而又以三相异步电动机为负载的场合。
它是电力机车的专用装置。
劈相机是由异步电机演变而来，因此它具备异步电机的一系列优点。
它的特性又正好和三相异步电动机进行最佳配
合，所以在单相工频交流电力机车的辅助系统中，异步劈相机（简称“劈相机”）用来将主变压器辅助绕组供给的单相电源“劈成”三相，向辅助系统所有三相异步电动机供电.
劈相机在国内外电力机车上有多年的运用历史，在当今晶闸管技术相当发达的变相领域中，劈相机仍能以它独有的经济、可靠、结构简单和节能等显著优点力克群芳，深深吸引从事单相电源变相技术的国、内外专家，在工频60Hz的新型电力机车上仍广泛采用。
劈相机除了在电力机车上的应用外，对一线一地的供电系统，使用劈相机也很有价值。
劈相机不应该是一台三相异步电动机不对称运行工况的延伸，应该是异步电动机群中和电动机相互作用。
每一台已经运行着的电动机均可作为劈相机或者辅助劈相机向其他电动机供电，每一台电动机的工况都是可逆和自然过渡的。
它具有结构简单、成本低廉、运行可靠、维修方便等优点及可以直接在单相220V交流电源上使用的特点，因此在家用电器（电扇、洗衣机、电冰箱、空调器等）及轻工业装置上得到了广泛的应用。
当然，目前也正逐渐应用于电力机车等行业。
1.1. 劈相机的结构
劈相机是鼠笼式异步电机中的一种，根据其运行特点需要一种趋肤效应差的单鼠笼转子，它可以用于一切单相供电有要求使用三相异步电动机的场合，作为单相电网三相负载直接进行相数变幻的装置。
鼠笼转子可以是铜条的，也可以是铸铝的。
从运行经验看铜条转子不如铸铝的好，铜条易疲劳损坏而使转子端环处断裂，所以寿命不及铸铝的高。
其次是转子铁芯两端需要压圈，增加了电机的重量和零部件的数量。
铸铝式转子不需要压圈，不可利用端环和和导条把铁芯压得很紧。
更主要的是，由于导条、铁芯和端环铸成一体后消除了端环和导条之间的相对运动、转子旋转式的疲劳应力，从根本上解决了端环处导条断裂的问题，因此铸铝结构比铜条式的可靠。
劈相机的结构和一般鼠笼式异步电动机的结构相似，主要是由转子和定子两部分组成,定转子之间有气隙，此外还有端盖、轴承和出线盒等部件。
作为专用劈相机轴上是不带任何机械负载的，故该电机无轴伸端。
现简单介绍如下：
1）.定子
劈相机的定子由机座，定子铁芯和定子绕组等组成。
定子采用F绝缘绕组嵌线完成后，整个定子应浸渍5152无溶剂漆或1032三聚氰胺醇酸树脂漆两次。
劈相机定子和异步电动机的相似，由定子绕组、定子铁芯和机座组成。
1定子绕组 是不对称的三相绕组，由它产生劈相机的旋转磁场。
更主要的是通过它直接把电源变换成三相电源，由它决定劈相机的主要性能。
各相绕组的匝数按性能要求实际决定。
2绕组线圈 按一定规律依次嵌入定子槽中，并按照一定的接法连接起来。
容量大的劈相机都采用双层绕组，每一槽内的导线分为上下两层，中间用绝缘隔开。
定子绕组有硬绕组和软绕组两种。
低电压的中小型电机都广泛采用软绕组。
总之，劈相机定子绕组成形、嵌制和结构与一般异步电动机相同。
3定子铁芯 是劈相机的磁路，它由定子冲片叠压而成，定子采用0.5mm的硅钢片，双面涂以硅钢片漆。
一般情况，定子铁芯上有两个绕组：
一个称为工作绕组或主绕组，用以产生主磁场和从电源吸收电功率输入给电机；另外一个称为启动绕组或辅助绕组，用来起动电动机
⑷压装方式 铁片叠压成铁芯后压入机座的称为外压装式；铁芯冲片在机座内叠压的称为内压装式。
中心高在280mm以下的电机多数采用外压装，外压装的工艺可保证定子内圆和机座止口，是一种较好的铁芯结构。
某些较大尺寸的劈相机采用内压装的形式，尺寸更大的电机可采用扇形冲片在电机内部结成整圆，这种方式主要可以节省材料，但是内圆需要旋圆。
主要作用是固定和支撑铁芯，装配端盖、轴承和转子，并起保证定、转子和气隙均匀的作用。
目前生产的几种劈相机一般都采用铸铁机座，为了加强散热能力采用开启式的结构，两侧和下部有通风孔。
2）.转子
转子是劈相机的旋转部分，也是劈相机变换相数的主要部件。
劈相机旋转起来以后，旋转着的转子对定子负序磁场有很强的阻尼作用，气隙中负序磁场的大小与转子负序阻抗成比列，转子绕组中的负序电流有双倍电源的频率，因此趋肤效应很强。
劈相机的鼠笼转子以单鼠笼为佳，转子槽形设计时要考虑到在转子导条中负序电流渗透的有效高度范围内，槽形面积尽可能要求要大。
劈相机的转子均采用轴肤效应较差的单鼠笼式结构，而转子槽型的设计应考虑到在转子导条中负序电流渗透的有效高度范围内的槽型面积能尽可能大些，通常采用上宽下窄的倒梨型槽或中字形组合槽，劈相机的定子铁芯与转子铁芯之间气隙约在1mm左右。
3）.气隙
定子铁芯与转子铁芯之间的气隙时很小的，气隙大小根据劈相机容量而定，目前生产的集中劈相机气隙在1mm左右。
气隙小不但装配困难、同心度要求高，而且谐波电流产生的寄生力矩也大。
气隙大磁阻就大，需要的激磁电流也大，为了减小激磁电流，气隙应尽可能小。
这两方面的要求是相互矛盾的，因此劈相机的气隙值要由几方面的因素决定的，比一般同尺寸的三相
图1-1异步劈相机的主要结构
图1-1异步劈相机的主要结构
异步电动机要大出15%—25%。
异步劈相机的主要结构如图1-1所示：
1.2. 劈相机的特点
⑴电压变化范围虽电网电压而变化，适用于电网电压变化较大的电网系统中，一般将来电压变化范围在0.7～1.2倍额定电压范围内。
⑵劈相机过载能力达尤其电动机起动时能提供较大的起动电流。
⑶劈相机供电时已经运行的异步电动机能协助劈相机供电给其它正在起动的电动机。
它本身具有劈相机的功能。
⑷劈相机只有在额定电压下、额定负载下输出的三相电压才能使对称的，对每一个电压来讲只有在某一个负载下劈相机才能输出三相对称电压。
在其它负载下它的输出时不对称的。
（5）劈相机除W相绕组能向三相负载送出电流外，其转轴还可能拖动功率比较小的机械负载，这种机械负载的功率约为劈相机的10%左右。
从这一方面讲劈相机兼有电动机的功能，但是它所拖动的机械应是类似鼓风机那样的软特性机械。
否则由于劈相机起动过程中的最小转矩比较小，机械负载的阻力距比较大，而使劈相机无法起动。
第二章劈相机的工作原理
2.1.电力机车劈相机
电力机车的劈相机实际上是单相电动机与三相发电机的组合。
就针对于目前SS4改进型电力机车的劈相机而言，SS4改进型电力机车上所有的辅助电动机均由主变压器的辅助绕组a6-x6供给单相电源，经异步劈相机将单相电源劈成三相电源，再供给辅助电路的所有三相异步电动机使用。
异步劈相机的结构与三相异步电动机不同，转子为鼠笼式，定子绕组按三相不对称规律嵌入在定子槽内，劈相机实际上是单相电动机与三相发电机的组合。
劈相机的电负荷不是固定的，是随机车运行工况的改变而变动。
由于三相负载D侧的U相V相电流可直接从单相电网获得，这样就可以大大减轻劈相机的负担，劈相机只需要向三相负载的W相提供电流和电能即可。
它尤其适用于电动集群的场合，例如在电力机车上，一台劈相机可供电给6～10台电动机在电动机群总容量不变的情况下，台数越多、容量越小越适合。
因此，对电气化铁路两侧边远山区中小容量的农机厂也比较适合，更适合用于电力机车和电动车组上。
电动机单相交流电通过电机定子的单相绕组时，产生交变的脉振磁场，一个脉振磁场可以分解为两个幅值一样，转速相等转向相交的旋转磁场，与电机转子的转动方向相同为正序放置磁场，与转子转动方向相反的磁场为负序旋转磁场。
劈相机的电动相绕组接到单相交流电源上，在劈相机的空气隙中产生两个大小相同的磁场，当劈相机的转子静止不动时，这两个磁场在转子导体中感应的电动势和电流的大小相等，方向相反。
由此而产生的两个转矩也大小相等，方向相反而互相抵消。
起动转矩为零，劈相机不能自行起动。
如果转子与正序旋转磁场的相对速度比较小，而转子与负序旋转磁场的相对速度比较大，转子以几乎两倍于同步转速的速度切割该负序磁场，使转子导体内感应出近两倍于电网频率的电势和电流，该电流产生的磁场几乎抵消了定子绕组产生的负序磁场。
即当转子转动时，在劈相机的气隙中主要剩下了一个正序旋转磁场，它与转子相互作用产生电磁转矩，克服了转子的机械阻力矩及转子负序电流产生的电磁阻力矩，驱使转子沿着正序旋转磁场方向旋转，同时该正序旋转磁场切割定子三相绕组，并使它感应出三相电势，于是单相电源被劈成三相电源。
在劈相机定子的三相输出端接上电负载，因其中两相负载直接与单相电源相联，不需要经过劈相机而直接从单相电源得到供电，而另一相负载则由劈相机的发电相得到供电，所以劈相机是将单相交流电源劈成三相，而本身只输出一相的异步电机。
在单相工频交流电力机车的辅助系统中，异步劈相机（简称劈相机）用来将主变压器辅助绕组供给的单相电源“劈成”三相，向辅助系统所有三相异步电动机供电。
2.2.异步劈相机的工作原理
图2—1所示为异步劈相机工作原理线路图。
2-1异步劈相机工作原理线路图
劈相机的结构与三相鼠笼式异步电动机相似，转子为鼠笼式，定子绕组按三相不规律嵌放在定子槽内。
劈相机的工作原理：
在单相工频交流电力机车的辅助系统中，异步劈相机（简称劈相机）用来将主变压器辅助绕组供给的单相电源“劈成”三相，向辅助系统所有三相异步电动机供电。
如图2-1所示。
劈相机的实质：
是一种本身只输出一相电流的异步电机。
劈相机工作状态实际上是三相异步电机在不对称条件下运行的一个特例。
异步电机进入劈相机工作状态一般应具备以下两个条件：
（1）、电机轴上的机械负载不变。
（2）、三相电网中W相缺相,使W相电流反相输出。
只要具备上述条件，一般的三相异步电动机同样具有劈相机功能。
2.3.劈相机的起动方式
异步劈相机的起动方法有辅助电动机起动法和分相起动法两种。
辅助电动机起动法是在劈相机的转轴上安装一台辅助电动机，起动时先由辅助电动机带动劈相机转子转动，待劈相机转速达到一定值时，将劈相机投入单相电网，并切除辅助电动机的电源。
分相起动法分为电阻分相起动和电容分相起动两种。
这两种启动方法具有线路简单，设备成本低等优点，因而得到广泛的应用。
劈相机的电阻分相起动原理线路如图2－3（a）所示，图中RQ为起动电阻。
当劈相机的电动相绕组UV接通单相电源起动时，可以把定子绕组看作是由两相组成：
一相是VOU，它直接由单相电源供电；另一相是VOW，它与起动电阻RQ串联后由单相电源供电。
这时流经VOU相电流
滞后电压
图2－3劈相机电阻分相起动原理图
（a）原理线路图；（b）向量图
90°电角，而流经VOW相电流
滞后
角（
＜90°），如图2—3（b）所示。
这两个时间上有不同相位的起动电流通人在空间彼此相差一定电角度的两相绕组中，所产生的气隙合成磁场是一个旋转磁场，在该磁场的作用下能产生较大的起动转矩，使劈相机的转子转动起来。
当转速达到同步转速的80%-90%时，借助接触器切除起动电阻，起动即告完成，劈相机投人空载运行。
由于单相异步电动机转子不能自行启动，为了解决启动问题，应设法加大正向磁场，抑制反向磁场，使在启动时电动机气隙中能够形成一个旋转磁场。
例如在定子上另装一个空间和时间上与工作绕组都不同相的启动绕组。
根据启动方法或运行方法的不同，单相异步电动机可分为单相电容启动电动机、单相电容运行电动机、单相电阻启动电动机、单相罩极启动电动机等几类，下面介绍单相电容启动电动机、单相电容运行电动机和单相电阻启动电动机的启动方法。
2.3.1. 劈相机的负载工况
当劈相机与三相电负载接通后，因U、V两相负载直接与单相电源相连，不需要经过劈相机即可直接从单相电源获得负载电流
/和
。
W相负载电流
则由劈相机的W相提供。
因为当电网W相缺相时，劈相机的W相电势高于W相端电压，从而使W相电流反相，源源不断地向三相负载输出第三相电流件，这时电机才真正进人劈相机工况运行。
由于专用劈相机的轴上均不带机械负载，故劈相机负载前后的轴输出机械功率是不变的，所以它的气隙正序磁场也应保持不变。
但W相输出电流
产生的单相磁势将使气隙磁场发生变化，这就需要从U相和V相输人相应的附加电流面Δ
和Δ
，以保持气隙正序磁场不变，而定子的负序磁场将随着W相电流
的增加而增加，这些新增加的负序磁场同样由转子产生新的负序电流去抵消，仍然保持气隙负序磁场几乎为零的特点。
用数学关系式来表示上述两个物理现象，可把劈相机负载时的定子三相电流分解成两组：
一组是劈相机空载时，仅在U、V相绕组中流过的单相电流，此电流与转子作用产生电磁转矩，以维持转子的继续转动，故称此电流为电动机电流，习惯上将U、V相绕组称为劈相机的电动相绕组；另一组是劈相机负载后，在三相绕组中重新加人的三相电流和Δ
，该电流与转子作用产生电磁阻转矩，相应地将这一组电流称为发电机电流，习惯上将W相统组称为劈相机的发电相绕组。
由此可知，当劈相机负载时，在劈相机的发电相绕组中仅有发电相电流
流过，而在U、V电动相绕组中同时存在着电动机电流
和发电机电流Δ
、Δ
，所以劈相机负载后的定子三相电流的关系可写成：
因此，劈相机无论是空载工况还是负载工况，其定子三相电流都是不对称的，这种三相电流的不对称是劈相机负载后三相电压不对称的重要原因之一，这将直接影响辅助电动机的正常运行。
如何在劈相机负载后或负载变化时保持其输出三相电压的对称性，也是劈相机运用中必须解决的核心问题之一。
上述分析表明：
劈相机实质上是一种本身只输出一相电流的异步电机。
劈相机工况实际上是三相异步电机在不对称条件下运行的一个特例。
异步电机进入劈相机工况一般应具备以下两个条件：
（1）电机轴上的机械负载不变；
（2）三相电网中W相缺相，使W相电流反相输出。
只要具备上述条件，一般的三相异步电动机同样具有劈相机功能。
对于多台异步电动机并联运行的场合，如果电网突然缺相造成三相异步电动机单相运行，那么先运行的电动机便会自动投人劈相机工况来起动后面的电动机，当后面的电动机起动完成后，该电机的劈相工况自动结束。
根据这个原理SS4改型电力机车的每节内仅设置一台劈相机，另将一台牵引通风机电动机作为先导机，即它不仅是一台通风机。
也是一台“劈相机”。
在劈相机烧损或控制失灵的故障情况下，作为应急手段，实践证明这种设计是有益的。
2.3.2. 单相电容起动电动机
图2—4单相电容启动电动机的接线原理图
单相电容启动电动机的接线原理图如图2—4所示。
装在定子铁芯上的启动绕组
（又称副绕组）与工作绕组（又称主绕组）在空间互差90。
电角度。
启动绕组
与电容器C串联后：
通过离心开关或继电器触点s与工作绕组
一起并接到同一电源上。
采用分析三相旋转磁势的方法，可以得到如下结论：
向空间位置互差90°电角的两相定子绕组内通人在时间上互差90°的两相电流，产生的磁势也是沿定子内圆旋转的旋转磁势。
适当地选择电容器值，使启动绕组中的电流超前工作绕组中的电流约90。
相角，则在定子内圆气隙中就会产生一个旋转磁势，相应地产生旋转磁场，在该磁场的作用下，能产生较大的启动转矩，使电动机转动起来。
启动绕组是按照短时运行方式设计的，如果长期通过电流，会因过热而损坏。
因此，当电动机的转速达到同步转速的75％～80％时，由离心开关s把启动绕组从电源断开，电动机便作为单相异步电动机运行。
单相电容启动电动机有较大的启动转矩，但启动电流也较大，适用于各种满载启动的机械，如小型空气压缩机，在部分电冰箱压缩机中也有采用。
2.3.3. 单相电容运行电动机
如果启动绕组不仅供启动用，而且允许长期接在电源上工作，这种电机就称为单相电容运行电动机，如图2—5所示。
图2-5 单相电容运行电机
电容运行电动机实质上是一台两相异步电动机，其两个绕组在空间相隔90。
电角度，绕组中的电流也相差约90°相角。
单相电容运行电动机的性能有较大的改善，其功率因数、效率及最大转矩都比普通单相异步电动机高。
单相电容运行电动机结构简单，使用维护方便，只要任意改变工作绕组（或启动绕组）的首端、末端与电源的接线，即可改变旋转磁场的转向，使电动机反转这类电动机常用于吊扇、台扇、洗衣机、吸尘器等。
2.3.4. 单相电阻起动电动机
将图2-6中的电容器换成电阻就构成单相电阻启动电动机，如图2-6所示。
这
图2-6单相电阻启动电动机
种电动机的特点是启动绕组
的导线直径较细，匝数少，又与启动电阻串联，则该支路的总电阻远大于感抗，可近似看作流过绕组中的电流与电源电压同相位；工作绕组
的导线直径较粗，匝数较多，则感抗远大于绕组中的直流电阻，可近似看作流过绕组中的电流滞后电源电压约90°电角。
因此，可近似看作启动绕组中的电流与工作绕组中的电流相差90°电角，从而在定子与转子气隙中产生旋转磁场，使转子获得转矩而旋转。
这种电
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