第一章 电力机车主电路

第一章 电力机车主电路 本章首先介绍决定主电路形式的主要 五个因素。接着以典型机车为例全面分 析国内现有机车主电路的结构，原理及 特点。
• 1.1概述
主电路的核心是完成功率传递，即能 量转换（电—机）首先确定的是能量形式， 电能：直，交（单，三）， 电机：直，交 解决以下五个方面内容
• 一、调速方式： 控制的主要内容，由电机学知：
• 三、8G型机车主电路 • 前苏联生产，87到90年共进100台，现属太 原北机务段（易货货易） • 调压开关式主电路
• 1.3 相控结构式主电路 • 采用相控式主电路与TK式主电路相比有以 下优点：
①平滑调压，无力矩冲击，较好利用粘着力，起动 牵引力上升10%； ②范围内的牵引力和速度的任意调节，以致实现自 动控制； ③调压调速的快速性，坡道地区，节能20~30%； ④取消笨重的TK设备，无触点切换，减少电磁波对 人体的危害。
26正
o2
DC 9~o2
x1 DC
a1
正接图
级数
具体调压原理为下： 闭合开关 绕组联接 输出电压
波形
1.接地保护电路
N3
N2 -
300
88
Ud
DC110v
+ N1
二、SS3型机车主电路 吸取SS2失败的经验，采用过渡型主 电路，即主变压器次边同时采用调压开关 和可控硅调压技术，具体即由调压开关实 现八段调压，每段内再由SCR平滑调压 。
• 不可控整流：高压侧，低压侧（调压开关） • 可控整流：无级调速，二段半控桥，三段不等分 桥 • 主电路分为原边电路，次边电路，电机负载回路， 电气制动电路和保护电路。 • 现在均为低压侧调压，故原边电路较为简单，通 常为： 受电弓 主回路器 电流互感器(电压互感器） 原边绕组 接地 次边：重点讨论整流电路。
• 一、两段半控桥调压整流原理 在调压范围在的情况下，为了改善调压整 流电路的功率系数，通常采用多段桥电路. 二、三、四段最为常见，下图为两段半控 桥原理电路。
T1
D1
• 第一段： • 第二段：
T2
D2
T3
Ud
D3 D4
T4
• 两段波形的关键是：RM2工作时要维持 RM1满开放。 • 目前采用两段相控调压的主电路的车型有： SS5、SS6、SS7、6G、8K。
一、SS1型机车主电路 调压整流电路 重点解决增加调压级数和减少变压 器抽头的矛盾。措施是利用固定绕组和 可调绕组的正反接及其波不对称过滤方 法。
a1
x1
1 2 3 4
31 32 33 34 35 38
8
o1
47
o2 16
43 48 46
12 11 10 9
42 41 40
x2
a2
39
G
26反
26反
T222
D242
四、SS9机车整流调压电路
1.4 SS9机车主电路
一、主电路的特点 SS9型电力机车主电路具有以下特点： 1 主传动型式——采用交─直传动和串励式脉流牵 引电动机，调速特性控制简单。 2 整流调压与磁场削弱——采用三段不等分半控整 流桥无级调压，其中一段占二分之一的整流电压，另 两段占另二分之一的整流电压。前者用于低速区，而 后者用于高速区，以提高高速区的功率因素。机车采 用晶闸管分路来达到无级磁场削弱，可提高列车高速 运行时的平稳性。机车在整个调速区间内均是无级的； 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；
Z
电路为中抽式不可控整流电路，Z 为整流硅，G为过滤硅， a1x1(a2x2)固定绕组Ua=1040V。 1O1（9O2)为可调绕组，： Ur=8*125=1000V（8段组成）。 两绕组反接时：Uo=Ua-Ur 见 （b)图 正接时：Uo=Ua+Ur 见（c） 图
o1 26反
DC 1~o2
DC
反接图
缺点： 1）电气设备多：每个电机支路都安一套设备。 （开关，保护） 2）负载分配差：参数和特性不同，电流不同。 3）电机最佳电压和硅整流的最佳电压不相一致。 4）串联的优缺点与并联刚好相反，串联的关键是 防空转措施。
激磁方式 串励：启动力矩大恒功好（软特性）负载分配 均匀，防空转性能差。（作业） 复励：（他励为主）防空转性能好。
四、供电方式：整流设备与牵引电机的供电电 关系 集中 独立 半集中
集中优点：变压器结构简单，通风设备简化。 独立优点：故障影响小，造价提高。 半集中：使用较多。
五、电气制动方式 电阻，加馈，再生。 优点： 1、提高列车安全性能 2、减小闸瓦和轮缘磨耗 3、提高下坡运行速度（机械制动要1min才能 恢复风压） 4、节约能量（惰行距离增加） 5、易于实现自动控制 缺点：低速时、分级 再生制动采用全控桥， 功率因数低、对网压冲击大、谐波大
二、主电路的构成 ㈠ 网侧电路
网侧电路见图。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及变压器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，接有安装于司机室内的网压表103PV、104PV，电度表105PJ 的电压线圈。升起受电弓，• 可判断接触网是否有电。在接地端X处，接有 就 交流电流互感器9TA(300A/5A)，• 电度表提供电流信号。 为 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及 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。
整流调压电路
D1 u/4 u/4 D2 D3 T2 T4 T5 T1 T3
u/2 T6
D4
• 三、8K型机车主电路 西欧50HZ集团进口（法国为主），运行 在大秦线。 • 整流调压电路
T11
T13
P.C T12 T14
M1
T21 D23
M2
Rsh T221 D241 T223 M2 T243 M1
( )

1 2
(1 co s )
• 四、两段控桥式整流整流电路的功率因数：
I1 1



0
i1 d w t
2
1

U1 Biblioteka BaiduT
[ (
0

Id 2KT
) dw t
2


(
Id KT
)dw t
Id KT
4 3 4
S U 1 I1
Id
4 3 4
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的整流电路故 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，以充分利用粘着， 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，并且使控制、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。
二、SS4型机车主电路
• 主电路特点： 1、主传动形式： 采用传统交直传动形式，串励式脉流牵引电动 机，具有较成熟的经验，控制系统较简单。 2、牵引供电方式： 采用一台转向架两台牵引电机并联，由一台主 整流器供电，即“转向架独立供电方式”具有灵 活性：一个整流器故障其它可运行。
3、整流调压电路： 初期主电路，采用了不等分经济四段桥半控式 整流调压电路，比传统的四段控制半控桥，节约 了一半的二极管，晶闸管，并可减少主变压器抽 头，简化变压器结构，但必须采用较复杂的开关 式控制电路。为了简化控制系统，避免开关式控 制电路带来的操作过电压，后期生产的采用了三 段不等分半控整流调压电路。与经济四段桥比较， 尽管功率因数较低，但提高了系统的可靠性。 4、电制动方式： 采用传统电阻制动方式，每一节车四台牵引电 机主极绕组串联，由一台励磁半控桥整流供电。 两级电阻制动，在34Km/h自动切换。
1
从上两个式看出基波电流与电压的相位移为零，即 cos 1 ＝1
P U 2 I 1 co s 1 U 2 I 1
S U 2I U 2Id

P S I1 Id 0 .9
• 二、全控桥式整流整流电路的功率因数： i波形付氏展开式
i 4

I d [sin ( w t )
• 三、半控桥式整流整流电路的功率因数：
求S：
I 1



Id dw t
2

1

I d ( ) I d
2
1

( )
S U 2I U 2Id
1

( )

P S

2 (1 co s )
( )
Ud U d0

2 2
Ud U d0

P S

U I 1 co s 1 UI

I1 I
co s 1 co s 1
称为基波系数
• 一、单相不可控整流电路的功率因数：
用付氏级数展开：
i
i
I1
4

4
I d [sin w t
I d sin w t
4 2 Id
1 3
sin 3 w t ]

实际电路复合触头由两个触头并联工作，以 提高可靠性。加+的编号同时工作。两个触 头有两种接法，如下图：
闭口桥
2 12
开口桥
2 12
• 2.开关转换过程 • 通过控制可控硅，使TK转到无流转换。 • （1）12段： 先闭TK3，不可控先导通，旁路了 TK2，使TK2无流满开（有释能回路），封锁T3、 4的情况下，闭合TK4. • （2）23段：转换时条件是SCR满开放，故流经 TK3的电流几乎为零，等于无流，经由TK4流过。 闭合TK5，不可控先导通，旁路TK4，断TK4无 流。封锁SCR,闭合TK6。无流转换 • （3）其他段转换类似。
a1
绕组电压分配： a1x1=1110V x1 b1b5=4*277.5= 1110V
U =277.5=1/8U
10 b1 b2 2 4 b3 b4 b5 6 5 7 8 3
1 9 T1 D3 D1
T2
D4
D2
1、调压过程: 第一段： 第二段： 第三段： 第四段： 第五段： 第六段： 第七段： 第八段：
1 3
sin 3( w t ) ]
P U 2 I 1 co s 1
I 1 0 .9 I d
co s 1 co s
I 1 co s 1 Id 0 .9 co s
S U 2I

P S

U d U d 0 co s
0 .9
Ud U d0
U 2Id
4 3 4
2 2 U2 P U d Id 2
1 co s 1 Id 2

P S

2 3 C O S

( 4 3
ud ud 0

3 4

1 4
co s
• 1.2基于调压开关结构的主电路
1.2 电力机车功率系数
• 电路学功率有：视在S、有用功P和无用功 Q，关系为：
cos 1
s in 1
P S
Q S
S UI
• 电牵引学所讨论的：电流非正弦波，电压是 正弦波。 由电学知：正弦波中只有同频率的u和i才产 生有功，而只有基波电流与电压同频率， 故电气化铁道中用功率系数表示：
n
U d I d R C e
f (U d , , R )
改变回路总电阻增加损耗，已淘汰；调Φ受 到电机结构的限制，且会使换向条件恶化，只在 特定情况下小范围调节（达到满压值）；改变Ud 是主要调速方式，以Ud为主，以Φ为辅。
二、调压整流方式：取决于技术发展程度， 相控技术以前用变压器调交流电压，再整流， 即调压开关式主电路，相控技术成熟以后， 直接相控调压整流。 三、电机连接和激磁方式：有多台电机组 成。 并联：粘着好，空转时转速上升，电流下 降，恢复再粘着。