韶山4改进型电力机车主辅电路分析.docx
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韶山4改进型电力机车主辅电路分析
韶山4改进型电力机车主辅电路分析
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关键词：
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摘要I
引言1
1.绪论2
1.1电力机车能量传递过程2
1.2电力机车电路的分类3
1.2.1主电路3
1.2.2辅助电路（有两类）3
1.2.3控制电路（有两类）3
2.主电路设计考虑的内容4
2.1牵引电机的联接与激磁方式4
2.1.1激磁方式4
2.1.2电机联接方式4
2.2电力机车的供电方式5
2.3整流线路5
2.4调速方式6
2.5电气制动6
3.交直型机车主电路发展简论7
3.1我国交直型机车主电路的发展过程7
3.2交直型电力机车主电路基本情况7
4.机车牵引负载电路9
4.1有级与无级调速机车的牵引持性9
4.2牵引电机的联接10
4.3电机的空转与滑行11
4.3.1牵引力的产生11
4.3.2粘着12
4.3.3粘着利用12
4.3.4轴重补偿12
4.3.5轴重补偿12
4.3.6空转与特性的关系13
4.4牵引电机励磁方式13
5.主电路保护电路14
5.1过电流保护电路14
5.2接地保护15
5.3过电压保护15
5.5其他保护16
6.1网侧高压电路18
6.2整流调压电路19
6.3牵引电路20
7.SS4改型电力机车辅助电路分析22
结论36
致谢37
参考文献38
附录A附录内容名称39
铁道牵引电传动技术是牵引动力设备的核心技术，其发展LI标一直是致力于改善机车牵引和电制动性能，提高运用可靠性和能源的有效利用率，减少对环境的影响，降低运营成本，更好地满足铁路运输市场的需求。
自上世纪50年代末，我国第一台干线电力机车问世至今，我国电力机车电传动技术随着电力电子和功率电力电子器件技术的发展和应用，经历了从第一代SS1型电力机车的低压侧调压开关调幅式的有级调压调速技术，到第二代的SS3调压开关分级与级间晶闸管相控平滑调压相结合的调压调速技术，再到第三代的SS4~SS9电力机车的多段桥晶闸管相控无极平滑调压调速技术，知道全新一代的“和谐”型交流传动机车的跨越式发展历程。
电传动技术与功率电力电子器件技术紧密相关，一代功率电力电子器件产生一代牵引设备。
只有在GTO、IGBT等全控型大功率电力电子器件及先进的控制技术出现后，才真正确立了现代交流传动技术的优势。
使机车电传动技术发生了根本变革，111直流传动向交流传动变革。
我国机车电传动技术已走过了50年的发展历程，取得了巨大的进步。
铁路运输从速度和功率已被用到技术的极限的交流传动迈入速度更快、功率更高的交流传动的阶段。
但这项技术的创新和开拓史永无止境的。
它必将随着相关技术的发展而不断提高到更新的水平。
1.绪论
韶山4改进型电力机车，代号SS4G。
是在SS4、SS5和SS6型电力机车的基础上，吸收了8K机车一些先进技术设计的。
机车山各自独立的乂互相联系的两节车组成，每一节车均为一完整的系统。
它电路采用三段不等分半控调压整流电路。
采用转向架独立供电方式，且每台转向架有相应独立的相控式主整流器，可提高粘着利用。
电制动釆用加馈制动，每台车四台牵引电机主极绕组吊联，由一台励磁半桥式整流器供电。
机车设有防空转防滑装置。
每节车有两个BO-B0转向架，采用推挽式牵引方式，固定轴距较短，电机悬挂为抱轴式半悬挂，一系采用螺旋圆弹簧，二系为橡胶叠层簧。
牵引力山牵引梁下部的斜杆直接传递到车体。
空气制动机釆用DK-1型制动机。
机车功率持续6400kW,最大速度100km/h,车长2x15200mm,轴式2（BO-BO）,电流制为单相工频交流。
SS4改型电力机车全长约32m,总功率6400kW,最高速度100km/h,起动牵引力628kNo它山两节完全相同的4轴电力机车通过内重联环节连接组成，每节车为一个完整系统，可在其中任一节车的司机室对全车进行统一控制，每节车有一个司机室，两节车通过中间走廊连通。
两节车也可分开，作为一台四轴机车独立运用，SS4改机车具有外重联功能。
机车主传动采用传统的交一直传动方式。
1.1电力机车能量传递过程
127.5kv单相
1相接触网|*
受电弓1变压器1r整流器
受由弓|F变压器|F整流器
-
交流直流
►
牵引电机
|转向架卜f|机车车辆
电能机械能
1.2电力机车电路的分类
机车电路：
主电路、辅助电路和控制电路。
1.2.1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
1.2.2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、圧缩电机等
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、釆暖、照明及旅客信息服务系统供电。
1.2.3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山逻辑控制单元（LCU）完成。
（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。
2.主电路设计考虑的内容
电力机车主电路设计主要考虑因素：
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，维护费用及可鼎性。
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。
2.1牵引电机的联接与激磁方式
交直流电力机车釆用脉流牵引电机（直流电机）。
2.1.1激磁方式
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；
复激
部分绕组是与电枢吊联，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。
实际悄况：
机车多用串激电机、6K/SS7机车采用了复激电机，没有釆用并激的。
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。
2.1.2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；
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。
2.2电力机车的供电方式
（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；
（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。
（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：
SSI、SS3机车釆用集中供电；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山两套不同的整流器供电；没有交直型车采用独立供电
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。
2.3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1一1整流器的简化线路图
Lp—平波电抗器，减小电流脉动，改善电机换相性能。
Lf一激磁绕组。
Rf—磁场分路电阻，减小磁场电流脉动。
2.4调速方式
调速要求：
在不中断主电路的悄况下，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。
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。
A调压调速：
有触点调压：
SSI、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。
B弱磁调速：
激磁绕组并电阻调速：
SSI、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，山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
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。
2.5电气制动
电力机车分为两类制动：
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、SS7o
3.交直型机车主电路发展简论
3.1我国交直型机车主电路的发展过程:
3.2交直型电力机车主电路基本情况
^31
SS1
SS3
SS4
SS5
QG解）
6k（曰）
CO-CO
CO-CO
2（B0-B0）
BO-BO
CO-CO
BO-BO-BO
二极
分段相
四段
半
路
控
能耗
能耗
两级^raL
再主
再生（2台〉
耗
^31
SK（K）
SS4.G
SS7
sss
SS9
2（BO-BO）
2（BO-BO）
BO-BO-BO
BO-BO
CO-CO
路
桥
桥
再主
加馈
再生
加馈电阻
加谨
«0L
调压过程：
第一段：
触发T1,T2,T3、T4、T5、T6闭锁，D3、D4续流，a2=180.a3=180、a1=180°〜0°,输出电压：
Ud=0〜l/4UdO;
其中：
Ud0=0.9X2X670V=1206V
第二段：
Tl、T2满开放，T5、T6闭锁，触发T3、T4,a1=0°,a2=180°〜0°,a2=180°输出电压：
Ud二l/4UdO〜l/2UdO;
第三段：
Tl、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,a3=0°,a2=180°,a1=80。
〜0°,输出电压：
Ud=l/2UdO〜3/4UdO;
第四段：
Tl、T2、T5、T6满开，T5、T6满开放后，再逐渐开放T3和T4,a3=0°,a2=00,a2=80。
〜0°,输出电压：
Ud=3/4UdO〜UdO；
4.机车牵引负载电路
4.1有级与无级调速机车的牵引持性
牵引限制：
最大速度限制一机车结构速度；
电机的安全换向限制一VI为常数，否则环火或火花;
粘着限制一牵引力大于最大值时空转；
电机最大电流限制一电机电流大于额定值时发热：
1、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;
/⑷
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）
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。
4.2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SSI、SS3；
SS9等
部分集中供电，同一转向架牵引电机宙联运行，8K；
部分集中供电，不同转向架电机并联运行，6K：
4.3电机的空转与滑行
4.3.1牵引力的产生
4.3.2粘着
o'点保持相对静止，轮轨之间没有相对滑动，在力尸『的作用下，动轮对绕点作滚动运动。
动轮与钢轨接触处，山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。
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产生的切向力用增大时，粘着力力随之增大，并保持与用相等。
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//最大值：
（/?
max="Gi,"粘着系数）。
4.3.3粘着利用
机车电机M/R接近最大粘着力“67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。
4.3.4轴重补偿
实际上每个轮对的67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。
转向架1转向架2
4.3.5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笫二转向架时，能使粘着利用更充分。
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。
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。
4.3.6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.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。
5.主电路保护电路
为了机车乘务人员随时了解机车的运行状态，掌握牵引电动机的工作情况，机车通常设有各种检测电路。
机车主电路的交流侧通过电流、电压互感器对接触网电压、一次侧电流进行检测，牵引电动机电流的检测方式是用直流电流传感器检测牵引电机的电枢电流和励磁电流（电气制动状态），检测获得的电流信号送入安装在司机台的电流表，直接向司机指示牵引电动机电流。
电压的检测是用直流电压传感器，检测获得的电压信号后送到安装在司机台的电压表，直接向司机指示牵引电机电压。
为了保证电力机车可靠运行，在机车的电路中必须设置一系列的保护，使机车电路在发生故障时迅速及时的切断相应电路，避免机车电气设备遭到损坏，或防止故障进一步扩大。
当机车故障不能及时排除时，还应能够方便地组成故障电路，使机车能在故障情况下维持运行。
根据机车故障现象的不同性质，电路中的保护一般分为过流保护（包括短路和过载保护）、接地保护、过电压保护、欠电压保护和其他一些特殊保护。
保护的方式则根据故障对机车电路、电气设备及对列车运行的影响大小而不同，有切断机车主电源的，或切断故障电路的电源，也可以仅给司乘人员以信号引起注意，还可以在故障发生后自动予以调整。
5.1过电流保护电路
过电流是指电气设备过载、设备及电路短路引起的电流剧增。
过电流容易造成电气设备的绝缘老化，设备烧损，严重地引起失火。
机车上通用断路器、自动开关和熔断器进行过电流保护。
电力机车的短路保护一般釆用高速自动开关或主断路器。
在整流器机车上，变压器的一次侧设有过电流继电器，当变压器一次或二次侧发生短路时，均引起变压器一次侧电流剧增，超过保护继电器动作值而使其动作，使主断路器跳闸。
辅助电路的过电流保护有两种保护方式，一种是通过过流继电器切断机车总电源，另一种是切断辅助线路电源，后者对机车运行有利，但须增设一断路器。
对于控制电路及其他部件（如电炉、电热玻璃等）的过载一般采用熔断器、自动开关等进行保护。
牵引电动机的过载保护多采用电磁式继电器。
牵引电动机回路中的母线穿过继电器铁心，当牵引电动机过载电流超过继电器动作值时，继电器动作，引起主断路器跳闸。
对于相控机车，用直流互感器检测牵引电动机电流，并把过载信号送入牵引过载继电器，此时不仅要切断机车总电源，同时还要封锁电子触发电路。
电气制动时的牵引电动机过载也可用过载继电器，但一般不切断机车总电源，而只切断励磁回路电源，同时封锁相应得电子触发电路。
5.2接地保护
机车上的电气设备或电路因绝缘破坏、飞弧或其他意外情况，使带电体与金属部分接触即为接地。
根据接地点是否稳定分为“死接地”和“活接地”，与车体钢结构直接接触的为“死接地”；裸露导线部分通过空气对钢结构放电或通过绝缘物表面对钢结构爬电的为“活接地”。
接地将导线短路故障而烧损设备或导线，因此在电力机车的主电路、辅助电路和控制电路中必须设有接地保护。
主要的接地保护手段是釆用接地继电器。
发生接地故障后，如运行途中不能及时处理而需要维持机车运行时，在确认只有一处接地时，可以用故障转换开关将接地继电器切除，将转换开关山1位转至2位，将主电路经由一大电阻R接地，维持机车运行。
5.3过电压保护
过电压是指对电气设备绝缘有危险的电压升高，它是山系统的电磁能量发生瞬间突变所引起的，对电力机车的电气设备会造成严重损坏，如使绝缘击穿、电机环火等。
过电压主要有两种，一是大气过电压（外部过电压），它是由外部直击雷或雷电感应突然加到机车上引起的；二是操作过电压（内部过电压），由于电路本身的变化产生，如切断感性回路、整流装置换相或故障等引起的机车内部电磁能量的震荡、积聚、释放。
这两种过电压产生时，电压增长速度很快，以冲击波形式出现，因而一般不用带由传动件的电器进行保护。
为防止大气过电压带来的危害，最早在机车顶部装有放电间隙或氧化锌避雷器。
当大气过电圧袭击时，若电压大于放电间隙的击穿电压，则放电间隙FDQ被击穿成短路状态直接接地，将过电压的能量排泄掉，使过电压不致进入机车内部。
山于放电间隙被击穿后不能恢复，引起变电所跳闸，故现在多用避雷器。
对于低于放电间隙击穿电压的过电压，则可以进入机车内部，虽然是变压器和主断路器所能承受的，但它可通过电磁感应和静电感应进入变压器二次侧，仍然损坏机车内部的其他电器设备。
另外，机车操作过电压及硅整流元件反向恢复过电压对电气设备也有损坏。
因此对这两种过电压的保护釆用阻容吸收电路。
阻容吸收电路是由电阻和电容吊联起来而成的支路构成，并接在变压器二次侧绕组处。
电容元件具有端电压不能跳跃的特性，可抑制尖峰状过电压。
为了避免电容与电感产生谐振现象，在保护电路中串入阻尼电阻，待过电压消失后，电容在通过审联的电阻构成放电回路而缓慢放电。
除上述两种过电压外，运行中会出现缓慢的过电压，如山于网压的波动有时会使牵引电动机的电压超出额定电压。
再如机车在电气制动时，牵引电动机为发电机运行的发电电压也会由于各种原因超过额定电压（如运行速度较高、励磁电流较大等）。
但是，这种过电压由于增长的比较缓慢，且幅值不是太大，因而危害也小些，不需要专设保护装置，仅靠仪表监视或给司机以信号（如装设过电压音响信号），引起司机注意，通过操作来消除。
在相控机车上都设有电机过圧保护，山电机电压传感器检测，有主断路器进行保护。
5.4欠电压保护
欠电压的产生是山于接触网的电压过低或者突然失压，当接触网电压过低时，使机车不能以正常功率运行，辅助机组不能正常工作，在再生制动时容易使逆变失控，接触网电压消失时，机车当然要停止运行，但如果电压乂突然恢复，会造成电气及机械上很大地冲击，这是不能允许的，因而也必须进行保护。
在整流器机车上，一般在变压器的辅助绕组上装设欠电压继电器或者电子装置，当电压低于某一数值时，通过欠电压继电器或者电子装置都能使主断路器跳闸保护。
在机车运行过程中受电弓短暂离线会使机车失压，这种情况是允许的，因此，欠电压继电器应有适当的延时。
例如，SS8型电力机车，失压延时为0.5s,欠压当Uc低于19kV时延时10s,当Uc低于17.5kV时立即跳主断路器进行保护。
5.5其他保护
除了以上儿节介绍的儿种保护外，在电力机车上还有一些其他的保护，如防空转保护、再生制动时的特殊保护，以及油流、风速监视等。
大功率的货运电力机车在牵引状态下运行时，容易发生空转现象。
当发生空转后，粘着条件被破坏，造成牵引力丧失，牵引电动机转速剧增，易造成转子绑线甩开、绝缘损坏形成“扫膛”等。
同时空转也会增加机车轮箍的磨耗，因而在机车上应设有防空转保护。
防空转保护的方法有很多种，一般取牵引电动机的电流、电压或速度作为信号，将各电机信号进行比较，规定一差值限度，当电机之间的差值超过这一差值限度时，即视为牵引电动机发生空转，这时可通过电子装置自动降低牵引电动机的电压（电流），以减小机车牵引力，使之恢复到粘着条件之内。
也有的机车在发生空转时通过保护装置使机车动轮自动地小量上闸来制止空转。
对于防空转来说，LI前大量地保护装置都是在机车发生空转现象后，采取措施迅速地阻止其发展而恢复粘着状态。
比较理想的保护方法应该是空转即将发生时，将其滑动过程（即空转意识）测出，从而防止空转发生。
先进的防空转保护是利用仪器对车轴的振动进行测量，山于一个轮对地两个轮子的粘着情况是不同的，当空转发生时，必然是其中的一个轮子首先失去粘着力，这样就在车轴内形成一种特有的振动，用一种仪器将此时的振动测岀来之后，以此时作为控制信号来对机车进行自动
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