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SS9型电力机车电气线路分析毕业论文
SS9型电力机车电气线路分析
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摘要
随着电力机车技术的发展，机车控制系统性能的好坏越来越受到广泛的关注。
因为，机车控制系统性能的好坏在很大程度上影响着机车性能的好坏，从而影响列车的安全性和可靠性。
SS9型电力机车作为我国自主研发的新型电力机车，采用了许多国际客运机车先进技术，最高构造速度达170km/h，满足了在长距离区间、长大坡道上牵引大编组旅客列车运行的需要。
通过对SS9型电力机车主电路、辅助电路结构的研究与其运行工况的探讨，使我们可以很好的了解该机车的性能，为以后更多快速运行列车工作状况的学习以与交流传动电力机车的研究作铺垫。
本论文首先针对SS9型电力机车的基本特性做了一定的介绍，在结合相关的理论基础对该机车的主电路、辅助电路作了详细的研究。
最后分析了SS9型电力机车的牵引、制动工况。
作为SS9型电力机车上一个至关重要的部分—LCU逻辑控制单元，我也对其基本结构和功能做了简单的介绍。
关键词：
电力机车；主电路；辅助电路；保护电路
引言
SS9型电力机车采用交—直流电传动，是六轴干线大功率准高速客运电力机车。
以成熟的韶山型系列电力机车技术为基础，采用了许多国际客运机车先进技术，是我国干线铁路牵引旅客列车功率最大的机车。
SS9型电力机车采用大功率晶闸管和二极管组成的三段不等分半控桥整流电路、晶闸管分路进行无级磁场削弱、加馈电阻制动恒流准恒速的特性控制方式，能较好地发挥机车最大起动牵引力，机车装有防空转／滑行保护系统、轴重转移补偿控制、轮轨自动润滑系统、列车安全监控装置。
采用LCU逻辑控制单元与微机控制系统，使机车控制系统具有控制、诊断、监测功能，并能方便地改变软件满足机车控制要求。
本文也是围绕上述特点对SS9型电力机车进行分析、说明。
通过对机车主电路、辅助电路以与保护电路的详细分析，所总结出来的机车电气线路特点对现场师傅进行机车的维护与保养具有一定的参考作用，以至于提高机车的利用率，降低机车的故障率，使机车能产生更大的效益。
第一章概述
1.1电力机车发展历程简述
电力机车是一种特殊形式的电力拖动系统。
相比较于必须依靠大量煤和水才能运行的蒸汽机车以与利用大功率柴油机驱动的燃机车，电力机车是利用铁路接触网牵引电动机驱动的一种机车。
1825年，英国建立了第一条铁路。
1879年5月31日在德国柏林的世界贸易博览会上，由西门子公司和哈克斯公司展示出了世界上第一条电气化铁路，迄今为止已有130年的历史。
20世纪60年代，世界上第一条高速电气化铁路—东京到大阪的新干线在日本建成。
到20世纪80年代，法国和德国先后建成了时速超过300公里的高速电气化铁道。
中国第一台电力机车于1958年诞生于株洲，命名为“韶山”，1961年8月15日，我国第一条全长93km的电气化铁路宝成线（—凤洲段）正式通车，从此揭开了中国电气化铁路的序幕。
经过四十多年的建设和发展，我国成为了继俄罗斯之后世界第二大电气化铁路国家。
目前，中国铁路电气化率已经达到27%，承担着全路43%的货运量，初步形成了布局合理、标准统一的电气化铁路运营网络。
按照国家批准的《中长期铁路发展规划》，到2020年，全国电气化总里程将达到5000km，电气化率超过50%，将承担铁路运输80%以上的运载量。
电气化铁路将逐步成为我国铁路运输的主体，在铁路网中的地位与对铁路运输和安全的影响将日益重要和突出。
1.2SS9电力机车主要特点介绍
SS9型客运电力机车是依据铁道部科技研究开发项目要求而设计的C0—C0式六轴干线客运电力机车，它用于牵引160Km/h准高速旅客列车。
其研制目的是加大机车功率、提高牵引力，以满足较大坡度线路的旅客列车提速需要，该车型是韶山型电力机车系列产品，在研制过程中坚持了系统化，标准化，系列化的原则。
SS9型机车是吸取了SS8型机车和SS6B型机车的成功经验，并融合了先进技术设计而成。
第一、二台样机（0001号与0002号）于1998年12月26日竣工完成，并交付机务段进行实验运用。
为牵引线和哈大线牵引特快列车的需要，SS9机车投入批量生产，其中，SS90001—0043号机车为SS9型；2002年，株洲厂从0044号机车开始了技术改造，主要对其通风方式，外形等方面进行了较大改动，形成了我们常说的SS9G机车，截止到2006年年底，最大编号的车辆为SS9—0213。
目前SS9和SS9G机车总共已生产了100台左右，主要配属给局机务段和局机务段，另外在、、和铁路局也有SS9电力机车使用。
该车型的特点主要包括以下几点：
（1）采用有限元分析与强度测试等手段对车体、变压器油箱等结构进行轻量化的优化设计，对转向架与其他部件均进行了轻量化设计，轴重仅21t。
（2）主电路采用不等分三段半控桥调压电路，采用晶闸管进行无级磁场削弱。
（3）机车采用恒流准恒速特性控制用以恒流平稳启动，进入准恒速区后，机车按司机控制器所置级位相对应的速度特性运行。
在制动时，机车具有同样的限流恒速控制特性。
（4）辅助电路采用旋转劈相机供电，辅助电机采用三相异步电动机。
机车设有DC600V、800KW的列车供电电源，为列车的取暖以与空调供电。
采用新开发的高效风机与新型通风机电机，提高了需强迫风冷的电气设备的风速和风量。
（5）机车具有空转、滑行保护装置。
当出现空转、滑行时（由速度传感器检测），该装置发出自动撒砂指令；若空转、滑行未能停止，则发生自动减载指令，使机车恢复粘着，能更好的发挥机车的牵引特性和制动特性。
（6）机车主电路、辅助电路、控制电路均设有可靠的故障保护与对应的故障显示功能。
机车装有通用制式机车信号与列车安全运行监控记录装置。
1.3SS9型电力机车特性分析
电力机车是一个能量变换器，它将接触网上的高压电能经过多次转换，变换为牵引列车的机械能，最终以机车的牵引力和机车的速度表现出来，每个换节的能量转换总是伴随着损耗或者性能的变化，均会对机车的牵引特性产生影响，其中以牵引电动机的特性和机车控制方式的影响最大。
机车牵引特性是列车运行时牵引计算的依据。
1.3.1机车速度特性
机车速度特性是指机车运行速度与牵引电动机电流之间的关系，即为：
机车速度与牵引电机转速之间有下关系：
（1.1）
（1.2）
由式1.1~1.2可推出：
（1.3）
式中：
为车轮直径，
为电极常数，
与
、
分别为牵引电动机端电压（v）、电枢电流（A）、回路电阻（Ω），
为齿轮传动比，
为主磁极磁通（Wb）。
SS9型电力机车采用恒流准恒速控制：
即低速是恒流控制和设定速度点的准恒速控制，机车运行电流和速度随司机控制器（以下简称司控器）调速手柄的级位调节而变化。
司控器调速手柄分为18级，级位连续，机车特性控制函数如下所示：
（1.4）
式中：
为牵引电机给定电流（A），
为机车速度（Km/h），
为级位。
机车牵引特性控制函数表如表1.1所示：
表1.1牵引特性控制函数表
n级
1
2
3
4
5
6
Im（A）
00
110
00
220
0
330
00
440
0
550
0
660
v（Km/h）
00
8.75
20
17.5
30
26.25
00
35
50
43.75
0
52.5
n级
7
8
9
10
11
12
Im（A）
00
770
00
880
0
990
00
1100
0
1210
0
1305
v（Km/h）
00
61.25
80
70
90
78.75
10
87.5
10
96.25
20
105.2
n级
13
14
15
16
17
18
Im（A）
00
1305
0
1305
0
1305
0
1305
0
1305
0
1305
v（Km/h）
130
115.2
140
125.2
150
135.2
160
145.2
170
155.2
180
165.2
根据机车牵引控制特性与牵引电动机特性，可以得出速度特性曲线如图1.1所示。
图中OABCDEFG是限制曲线，由于SS9型电力机车采用了晶闸管整流以与磁场削弱，牵引电机的端电压和励磁电流均可平滑调节，因此可以运行在限制曲线任何一点。
机车限制曲线由以下限制条件形成：
（1）最大起动电流限制。
SS9型电力机车在0至5Km/h起动电流被限制在1305A，如图中OA所示。
（2）黏着与最大功率限制。
机车从5Km/h开始，电流随机车速度的增加而线性下降，到B点时，机车功率达到最大值5400KW，其限制曲线如图中AB所示。
（3）牵引电动机额定电压限制。
这是为保证额定电压下安全换向的限制，如图中曲线BC所示，该曲线为电动机端电压为990V时的自然速度特性。
（4）牵引电动机持续功率的限制。
机车运行到C点达到牵引电动机的额定电压990V，额定电流870A，机车如需要增加速度，则电压将自动超压至1100V，电流降至783A，以维持机车功率不变，其限制曲线如图中CD所示。
此时机车若需继续增加速度，则保持电压1100V不变，采用无级削磁的办法，即将磁场分路系数由0.87减小至0.49来实现，其限制曲线如图中DE所示。
（5）最深磁场削弱限制。
SS9型电力机车控制最深磁场削弱系数为0.49，其限制曲线如图中EF所示。
（6）机车最高速度限制。
机车最高速度为170Km/h，如图中FG所示。
图1.1机车速度特性曲线v=f（Id）
1.3.2机车牵引力特性
机车牵引力特性是指机车轮周牵引力与牵引电机电枢电流的关系，即为
机车牵引力可以根据牵引电机输出轴上的转矩进行计算，其关系可由下式推出：
（1.5）
其中
等于电磁转矩
减去用于克服电机铁损和机械损耗形成的转矩
。
（1.6）
式中：
为电机常数，
为牵引电机台数（SS9型电力机车为6台）；
为牵引电机轴上转矩，
为传动效率，
为齿轮传动比。
1.3.3机车牵引特性
机车牵引特性是指机车轮周牵引力F与机车速度之间的关系，即为
，机车牵引特性曲线可由机车速度特性和机车牵引力特性求得。
牵引电机轴上转矩
可以根据电参数表示的转轴功率与机械参数表示的转轴功率相等的原则求出，即：
（1.7）
式1.7中：
（1.8）
因此：
（1.9）
机车牵引特性曲线一般由机车型式试验测出，如图1.2所示：
图1.2机车牵引特性曲线
曲线中外包络限制曲线可由表1.2中所列近似公式计算：
表1.2机车牵引特性曲线近似公式
公式
速度围
F=286KN
0---5Km/h
F=290.566-0.9133V（KN）
5---88.65Km/h
F=570.3138-4.069V（KN）
88.65---98.51Km/h
F=16519.06/V（KN）
98.51---161.96Km/h
第二章主电路
2.1主电路的特点SS9型电力机车主电路图如附图1所示。
电路具有以下特点。
1、主传动型式---采用交--直传动和串励式脉流牵引电机，调速特性控制简单。
2、整流调压和磁场削弱---采用三段不等分半控整流桥无极调压，其中一段占1/2的整流电压，另两段占另1/2的整流电压。
前者用于低速区，而后者用于低速区，以提高低速区的功率因素。
机车采用晶闸管分路来达到无极磁场削弱，可提高列车高速运行时的平稳性。
机车在整个调速区间均是无极的。
3、电制动方式---电制动采用加馈电阻制动，在低速区可以有较大的制动力。
4、牵引电动机供电方式---采用转向架独立供电方式，即每台转向架有三台并联的牵引电动机，由一组整流器供电。
优点是当一台转向架整流电路故障时，可保持1/2的牵引能力，实现机车故障运行；前后两个转向架可进行各架轴重转移电气补偿，即对前转向架减荷后转向架增荷，以充分利用黏着，发挥最大牵引能力；实现以转向架供电为基础的电气系统单元化供电控制系统，装置简单。
5、测量系统---直流电流和电压的测量均采用霍尔传感器，交流电流和电压的测量采用交流互感器，使高压电路与测量控制系统隔离，以利于司机安全，并使控制、测量、保护一体化，同时提高了控制精度。
6、保护系统---机车采用双接地保护，每一台转向架电气回路单元各接一台主接地继电器，以利于查找接地故障。
2.2主电路的构成
2.2.1网侧电路
网侧电路见图2.1。
其主要功能是由接触网取得电能，因而属于25kV电路。
网侧电路又称高压电路，在主变压器高压绕组AX的A侧为高压部分，主要设备有受电弓1～2AP、高压隔离开关17QS、18QS、真空断路器4QF、高压电压互感器6TV、高压电流互感器7TA、避雷器5F、主变压器的高压绕组AX。
低压部分有：
电流互感器9TA、网压表103PV、104PV、电度表105PJ、自动开关102QA、接地碳刷110E～160E与变压器100TV。
网侧电流从接触网流入升起的受电弓，经主断路器4QF、高压隔离开关17QS（或18QS）、主变压器的高压绕组（A-X）进入车体,通过车体与转向架的软连线、接地电刷110E～160E、轮对、钢轨，返回变电所。
高压电压互感器6TV接在主断路器主触头之前，在其二次侧通过保护用自动开关102QA，接有安装于司机室的网压表103PV、104PV，电度表105PJ的电压线圈。
升起受电弓，就可判断接触网是否有电。
在接地端X处，接有交流电流互感器9TA（300A/5A），为电度表提供电流信号。
在主断隔离开关与主阀之间接有避雷器5F，用于抑制操作过电压与运行时的雷击过电压。
高压电流互感器7TA是原边电流的测量装置，其作用为原边的过流保护。
高压隔离开关17QS、18QS用于隔离故障受电弓。
图2.1网侧电路图
2.2.2整流调压电路
整流调压电路分为两个独立的单元，分别向相应的转向架供电。
现以其中一个调压供电单元，说明其调压过程。
图2.2为Ⅰ端转向架单元的整流调压简化电路。
牵引绕组a1-b1-x1、a2-x2电压有效值均为686.8V，其中a1-b1、b1-x1为343.4V，与相应的整流器构成三段不等分整流桥。
2.2整流调压电路
先开放由牵引绕组a2-X2供电的整流桥的晶闸管T5、T6，顺序移相，整流电压由零逐渐升至1/2Ｕd。
整流电流由二极管D1、D2和D5、D6续流。
在电源正半周时，电流由牵引绕组a2→T5→D2→D1→导线71→平波电抗器→牵引电动机电枢→主极绕组→导线72→D5→D4→X2→a2，当电源负半周时，电流由牵引绕组X2→D3→D2→D1→导线71→平波电抗器→牵引电动机电枢→主极绕组→导线72→D6→T6→a2→X2。
这时第二段桥的元件交替导电，第一段桥的整流管D1、D2起续流作用。
当晶闸管T5、T6将满开放，但还未满开放时，投入绕组a1-b1段的整流桥，触发T1、T3，而T5、T6继续维持满开放。
当电源为正半周时，若在相控角α时触发T3，则电流由a1→D1→导线71→平波电抗器→牵引电动机电枢→主极绕组→导线72→D5→D4→X2→a2→T5→T3→b1→a1。
当电源为负半周时，则电流由b1→T1→导线71→波电抗器→牵引电动机电枢→主极绕组→导线72→D6→T6→a2→X2→D3→D2→a1→b1。
与前面不同的是T1、D2导通，T3、D1截止。
T1、T3顺序移相，整流电压在1/2Ｕd至3/4Ｕd之间调节。
当绕组a1-b1段整流桥将满开放时，投入绕组b1-x1段的整流桥，其过程与前类似。
T2、T4顺序移相，整流电压在3/4ＵdＵd至Ｕd之间调节。
在整流器的输出端并联了电阻75R和76R，其电阻的作用有两个：
一是机车高压空载做限压试验时，作整流器的负载，起续流作用；二是正常运行时，能够吸收部分过电压。
2.2.3磁场削弱电路
当电机电压达到最高值后，要求机车继续加速时，就要进行磁场削弱。
SS9型电力机车采用晶闸管无级分路，来实现从满磁场到最深削弱磁场的连续平滑控制，以改善高速区的牵引功能。
磁场无级削弱电路也是按转向架分为两个一样而独立的部分。
以前转向架为例，从电枢和磁场绕组的连接点14、24、34分别到第二段桥的二个桥臂中点78和79，串入三对磁场分路晶闸管。
现以牵引电动机1M为例来说明磁场无级削弱的工作原理。
如图2.3所示，①、②为满磁场的工作情况。
这时与分路晶闸管联接的整流桥处于满开放输出状态，晶闸管T11、T12不参与工作，正半波元件T5、D5、D4导通，负半波D3、D6、T6导通，与前述的情况一样。
电压过零时，即电源为负半波的工作情况。
由于元件D5、D4的导通使元件T6、D6因反向电压而截止，而流经元件T12的电流无通路而截止，在T11触发后将励磁绕组再次分流。
因此，元件T11、T12导电时间的长短，决定了分路时间的长短。
调节晶闸管T11、T12移相触发角，就能达到所需的磁场削弱系数。
接地继电器97KE、98KE分别保护各自的按转向架供电的电路，以区分接地故障的部位。
图2.3磁场削弱电路
2.2.4牵引电路SS9型电力机车牵引工况的简化电路如图2.4所示。
机车牵引供电电路，采用转向架独立供电方式。
第一转向架的1M、2M、3M牵引电动机并联，由主整流器70V供电。
第二转向架的4M、5M、6M牵引电动机并联，由主整流器80V供电。
两组供电电路完全一样且完全独立。
图2.4牵引电路简化图
牵引电动机共有4个绕组，即电枢绕组、补偿绕组、附加极绕组和主极绕组。
前3个绕组在电机出厂前已固定连接，简称之为电枢绕组；因此对外连接的就只有电枢绕组和主极绕组，串励电机的转向取决于这两个绕组的连接方式。
由于三轴转向架第一台牵引电机与第二、第三台牵引电机布置方向一致，其相对旋转方向一样。
以第一转向架前进方向为例，从lM、2M、3M电机非换向器端看去，电枢旋转方向应为顺时针方向；第一转向架与第二转向架反向布置,因此第二转向架4M、5M、6M电机为顺时针方向。
由此，各牵引电机的电枢与主极绕组的相对接线方式是：
1M：
A11A12—D11D122M：
A21A22—D21D223M：
A31A32—D31D324M：
A41A42—D42D415M：
A51A52—D52D516M：
A61A62—D62D61上述接线方式为机车向前方向时的状况。
当机车向后时，主极绕组通过“前”—“后”换向鼓反向接线。
牵引支路的电流路径是：
正极母线71或81→平波电抗器11L～61L→线路接触器12KM～62KM→电枢→电流传感器111SC～161SC→位置转换开关的“牵”━“制”鼓107QPR或108QPR→位置转换开关的“前”━“后”鼓107QPV或108QPV→主极磁场绕组→“前”━“后”鼓107QPV或108QPV→电流传感器113SC～163SC→电机开关隔离19QS～69QS→“牵”━“制”鼓107QPR或108QPR→负极母线72～82。
由于单相相控电路整流电压波形有很大波动，即含有相当大的高次谐波电压，因此必须在电动机支路中串有平波电抗器11L～61L以抑制该支路中谐波电流分量，改善电动机的换向。
否则电动机将不能工作。
线路接触器12KM～62KM有三个主要作用：
一是当牵引电动机过流或其他故障时开断该支路，保护电动机；二是防止位置转换开关带电转换，因而在位置转换开关动作之前，线路接触器必须先开断电路；三是与牵引电机隔离开关配合完全隔离电机。
若没有线路接触器，假如某一电机发生烧损造成接地，则接地故障无法隔离，机车无法运行。
在主极绕组上并联了固定分路电阻14R～64R，其作用是将电枢电流中的交流分量分流，使电机机座与主极中因交变磁通的涡流损耗减小，改善电动机的换向和主极温升。
牵引电机隔离开关19QS～69QS为单刀双投开关，有上、中、下三个位置。
上为运行位，中为牵引工况故障位，下为制动工况故障位。
在牵引工况，若牵引电机之一故障或相应通风机故障时，将相应牵引电机隔离开关置中间位，其相应常开联锁接点打开接触器12KM～62KM线圈之一，使得该电机支路与供电电路完全隔离，不投入工作。
在牵引电路中，牵引电机主极绕组与接地电器相连，处于低电位，而电枢A11～A61点与附加极绕组处于高电位。
库用开关20QS、50QS为双刀双投开关，有两个位置。
当在运行位时，其主刀与主电路隔离，相应辅助接点接通受电弓电磁阀，方可升弓；放在库用位，不能升弓，其主刀将库用插座30XS或40XS的库用电源分别与2M或5M电机正、负两端相连接，即可在库动车。
刀开关上设有接通11KM～61KM线圈的辅助联结点，在库用位时可通过11KM～61KM使相应电机得电，达到动车、旋轮和试验转向的目的。
每台牵引电机电枢电流、磁场电流和电机电压将用电流传感器111SC～161SC、113SC～163SC和电压传感器112SV～162SV测量，电压传感器接在1M～6M的电枢两端。
传感器除提供司机室电压表、电流表的信号外，还提供电子系统的反馈信号，可实现高、低压电路的隔离。
机车的方向控制由转换开关的方向开关107QPV、108QPV完成。
利用107QPV、108QPV的转换改变励磁电流方向，从而改变电机的转向。
以牵引电动机1M的励磁绕组为例，当机车在Ⅰ端向前位时，励磁电流由D11流入，D12流出；而Ⅰ端向后位时，励磁电流由14→D12→D11→15。
必须注意，机车运行中若要改变方向，必须在机车停车后才能转换，否则会损坏机车。
接地继电器97KE、98KE分别保护各自的按转向架供电的电路，以区分接地故障的部位。
2.2.5制动电路
SS9型电力机车采用了加馈制动电阻。
在电制动时，各励磁绕组串联后由励磁电源供电，而电机的电枢电路除串有制动电阻外，还串入一段整流电源。
其制动工况的简化电路如图2.5所示。
图2.5电制动电路简化原理图
电制动时，位置转换开关107QPR、108QPR转至制动位，将牵引电机的电枢和励磁绕组隔开，并将电机1M～6M的励磁绕组串联起来。
在电枢电路中串入制动电阻13R～63R，并联后与上面的一段整流器串联作为加馈电源，Ⅰ端的下面一段整流器串联与励磁绕组a5-x5相连作为励磁电源。
电枢电路中，由于串有整流器，因而电枢电流方向应与牵引时一样，所以制动时的励磁电流应与牵引时相反（由“牵”━“制”转换开关保证），以改变电机电势的方向。
加馈电阻制动分为两个速度控制区。
1高速区——由于电机电势很高，足以维持一定的制动电流，所以无需电源参与工作，主整流器仅起续流作用，晶闸管处于封锁状态。
制动电流的通路为主整流器二极管→平波电抗器（11L～61L）→牵引电机（1M～6M）→制动电阻（13R～63R）→二极管。
2加馈区——励磁电流已达到最大值。
为维持最大制动力应保持最大的制动电流。
由于机车速度降低，牵引电机的电势不足以维持最大制动电流。
这时绕组a1-x1投入工作，半控桥的晶闸管轮流导通，相当于牵引电机电势再串联一个整流电压。
调节整流电压的大小，以维持制动电流达到某一数值。
当一台牵引电机或制动电阻故障时，将隔离开关19QS～69QS之一置向故障位，这时相应的线路接触器12KM～62KM之一打开，相应的电机被隔离，主极绕组被隔离开关开路。
当牵引风机或制动风机之一故障时，则将相应转向架的电机切除，剩下半台车的电机工作。
接地继电器97KE对整流器70V、Ⅰ端转向架电机的电枢电路与励磁电路进行接地保护。
而接地继电器98KE仅对整流器80V、Ⅱ端转向架电机的电枢进行接地保护。
2.2.6保护电路
机车主电路有短路保
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