SS4改电力机车.docx

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SS4改电力机车

SS4改电力机车

1、电力机车主电路组成：

  2

2、电力机车辅助电路组成  5

3、电力机车控制系统  8

SS4改电力机车是“六五”科技攻关项目，1985年9月问世，主型货运干线机车。

SS4是八轴2（B0-B0），两节车重联组成。

两节车之间，主电路在车顶用软辫线连接传递25kV电压，控制电路用三根43芯电缆连接，辅助电路则各自单用。

采用转向架供电、三段不等分绕组与四段半控桥整流、采用加馈电阻制动、三级磁场削弱等。

1、电力机车主电路组成：

1、主电路结构

1、网侧高压：

单相工频25kV经受电弓、车顶母线进入车体，经主变压器、车体、转向架、车轮到钢轨回流。

车体与转向架间软线连接，转向架与轮轴间电刷联接。

组成：

牵引变压器、牵引电动机及其相关电气设备；特点：

高电压、大电流、控制复杂、工作条件差等；作用：

传递功率，实现电能向动能的转换。

对主电路的基本要求：

满足起动、调速、制动要求，保证牵引电机转矩、转速独立可调，且范围宽。

采用无级调压，无再生制动用半控，因此可改善功率系数。

2、牵引电机供电方式

转向架独立供电。

两车各有一主变压器，都有两个副边，每个副边接一整流装置向同一转向架的两并联电机供电（先串平波电抗器再并联）。

优点：

灵活性大，一主整流器故障，只须切除对应两电机，机车保留3/4的牵引力；对同车前后转向架轴重转移电气补偿，即对轴重较轻的前转向架电机供较小电流或电压，以充分利用粘着力；转向架电气系统单元化。

缺点：

一组故障时，功率降低一半。

3、调速与磁场削弱方式：

起动及低速时调电机端压、高速时用削磁来调速。

削磁方式：

电阻分流（三级）。

4、电制动方式：

加馈电阻制动、再生制动。

5、牵引电动机型式及联结方式：

串励

6、检测及保护方式

1检测：

交流侧：

交流电压、电流互感器，测网压、变压器一次电流。

直流侧：

直流电压、电流互感器或传感器，检测牵引电机端压、电枢电流、励磁电流（电气制动状态）。

2保护种类：

过流（含短路和过载）、接地、过压、欠压及其它保护。

方式：

切断机车总电源、切断故障电路电源等，或仅给司机信号引起注意。

电力机车的功率系数，“交-直”环节，使电力机车具有功率系数的特殊性。

功率因数与功率系数

1、交流电路（

正弦），有功P与视在S之比，叫功率因数。

“交-直”机车，电压正弦，电流畸变（理想情况下为矩形波）。

牵引变压器原边有功P与视在S之比叫功率系数，用μ来表示。

2、功率系数的物理意义

（1）定义         

 （4-1）

电压正弦，电流非正弦→基波、谐波，其与电压同频基波产生有功功率、不同频谐波只产生无功功率。

因此

（4-2）

式中，U为正弦有效值，I为电流总有效值，I

（1）为基波电流有效值, 

 为基波电流的相位系数，

为基波电流的有功分量。

引入电流波形畸变系数（亦即电流基波系数）

，则有                    

可见：

↑→畸变↓，

→无畸变，有

。

通常情况，

 。

（2）浅析

①

：

一是基波电流与电压不同相，

；二是电流畸变有谐波，

。

②提高μ，一是使

与

同相，二是使电流接近正弦。

理想情况：

硅元件正向管压降为零；直流侧Ld=∞；变压器绕组漏抗、电阻忽略不计；变压器次边电压正弦。

2、三段不等分桥式整流电路

采用不等分三段绕组、四段半控桥整流。

优点：

无级平滑调压，功率系数μ较高，谐波电流干扰降低。

图示电路，变压器副边ax1、bx2两段，其ax1段半控桥，bx2段中抽式半控桥，故实际上是三段不等分（电压比例为1：

1：

2）。

D1～D4提供续流通道。

图4-12 三段不等分半控桥电路

图4-13三段不等分半控桥波形

第一段，低压调节（大桥调压）。

绕组ax1、T1、T2、D1、D2工作，D3、D4联通电路；T3～T6均关断。

据波形，整流电压平均值

（4-29）

式中，Uax1为ax1段电压有效值，是副边总电压有效值的一半（即0.5U2）。

可见:

α1=π，Ud=0；α1=0，Ud=0.9Uax1=0.5Ud0。

即α1由π～0，Ud从0～0.5Ud0。

第二段，中压调节（小桥调压）。

大桥满开放（即α1=0），绕组bc、T3、T4、及D3、D4投入工作，整流电压平均值为                      

（4-30）

式中，Ubc为bc段电压有效值，为副边总电压有效值的四分之一（即0.25U2。

可见:

α2=π，Ud=0.5Ud0；α2=0，Ud=0.75Ud0。

即α2从π～0，Ud从0.5Ud0～0.75Ud0。

第三段，高压调节，前两段桥满开放（即α1=0、α2=0），绕组cx2、T5、T6也工作，整流电压平均值为

（4-31）

式中，Ucx2为cx2段电压有效值，为副边总电压有效值的四分之一（即0.25U2）。

可见：

α3=π，Ud=0.75Ud0；α3=0，Ud=Ud0。

即α3从π～0，Ud从0.75Ud0～Ud0。

按前述方法，可求出μ，并得μ=f（Ud/Ud0）曲线，见后图4-14的曲线5所示。

比较曲线4、5可见，三段比两段的μ高，且波形畸变小，故被“交-直”机车广泛用。

SS4改、SS8、SS34000等机车采用三段不等分桥调压。

8K机车亦之，不同的是第一段桥为全控桥，类似半控桥工作，可再生制动；第一段全桥移相π/2～0，当α1=0时再顺序开放第二段桥。

3、牵引、制动电路

三段绕组，中抽两段空载均335V，另一段空载670V，副边总电压共1340V。

电机固定电阻削磁0.96，而Ⅰ～Ⅲ级电阻削磁同SS3，分别为0.7、0.54、0.45。

电阻制动。

一节车四电机主极串联，由主变压器励磁绕组经可控硅整流他励（电流反向，使电机电势反向）供电，各电机电枢与各RZ串成回路。

两级电阻制动。

高速时RZ为1Ω，而低于34km/h时短接2/5为0.6Ω，保证在20km/h左右低速区有大制动力，使低速区的制动力提高65％。

SS4下坡道电阻制动时，采用恒速控制为主、恒励磁控制为辅的控制方式。

4、主电路保护

原边：

主断路器采用新型真空断路器，优点是固有分闸时间短、结构简单、分闸时无需压缩空气，因而不象空气断路器那样易受压缩空气污染以及导致的高压瓷瓶内部闪络甚至于击穿的恶性事故。

副边：

仍采用阻容吸收电路保护。

整流器：

内部短路或外部短路（如电机环火）由串联的快速熔断器保护。

牵引电机：

过流、接地保护用同型号（利于通用化）的电压型继电器。

其接地保护与SS3不同，每转向架电气单元均接一个接地继电器，利于查找接地故障。

关于检测:

①主电路直流电流、电压检测全互感化，使主、控间电气隔离，还使复杂的驾驶台仪表接线插座化，其同一检测量作指示、过流保护、反馈控制三用。

②交流网压25kV首次使用高精度25kV/100V交流电压互感器，并与特制的防振直读式单相电度表配合，使机车有功电能测量比较满意。

（1）不等分三段绕组供电、三段半控桥整流。

（2）一节车主变压器的两个副边绕组，分别向前、后转向架供电，便于轴重转移电气补偿。

（3）加馈电阻制动。

以33km/h为界，高于为纯电阻制动（同SS4，但RZ不变，调IL来调B），低于为加馈电阻制动。

（注意：

加馈电阻制动时，同转向架电机（2台）的电枢串制动电阻后并联，再按前、后转向架接对应主整流器；一节车4电机）励磁绕组串联后由变压器副边专用绕组经半控桥整流器供电（励磁方向与牵引时相反）。

调制动力由调主整流器α实现。

当某电机或RZ故障时，拉下相应的隔离开关，甩开对应的电机电枢回路。

（4）有功功率补偿。

在主变压器副边装PFC装置（两节车共4组），通过LC串联谐振滤波，降低3次谐波含量，提高μ。

2、电力机车辅助电路组成

“单-三”相异步劈相机供电，三相异步电动机负载。

电源：

变压器副边辅助绕组a6-b6-x6（中抽式），其中a6-x6额压为400V，而b6-x6额压为226V。

设有库用插座，在库内可用380V的单、三相库内电源供电。

1、单-三相供电系统

异步劈相机电阻分相起动，电压继电器监测起动过程及控制切除起动电阻。

注意：

劈相机参数有调整，以克服SS1、SS3劈相机起动电流较大、分相起动后切除起动电阻的自起动性能较差等缺点。

（1）劈相机分相起动

①电路说明

接触器201KM控制劈相机的运转与停止。

接触器213KM将起动电阻263R接入第二电动相D2与发电相D3之间。

电压继电器283AK监测起动过程并控制起动电阻的开断，其工作电源（直流110V）从导线531经533KT常开联锁由导线281引入。

②劈相机起动过程

按下主驾驶台上劈相机按键→213KM闭合（接入263R）→201KM闭合（接入电源）→劈相机开始起动；283AK监测发电相电压（由导线279、280引入）间接反映劈相机转速，当达约0.9倍额定转速时（即283AK测得发电相电压接近比较电压（额定网压下约为220V，由导线202、206引入）），283AK动作→213KM失电→断开263R，起动完成；起动后，283AK失去工作电源处于闭置状态。

（注意：

设有备用起动电阻，一组烧坏可换另一组，若两组均烧损则通过闸刀开关296QS倒向233改用电容分相起动。

）

（2）通风电动机电容分相起动

劈相机故障备用电路:

第一牵引通风电动机、分相起动电容。

劈相机出故障→切除劈相机，以253C对第一牵引通风电动机进行分相起动。

这时，劈相机故障转换开关242QS打向“1”位，即把283AK接入到第一通风电动机的第三相上（从导线3MAD3、3MAD4引入），同时闸刀开关296QS倒向233位接入起动电容。

起动过程：

仍由283AK控制，起动完后283AK动作使213KM失电断开起动电容。

此后它既是一台通风电机，又是一台劈相机。

网压19kV以上，该电动机能分相起动；网压22kV以上，该机能起动所有其他辅助机组。

注意：

机车两节车的辅助电路不重联，则一节车用劈相机电阻分相起动，另一节车（其劈相机故障时）用第一牵引通风机电动机电容分相起动。

2、三相负载电路

劈相机起动后，辅助电路导线201、202、203提供三相不完全对称电源，各辅助机组依次间隔陆续投入工作。

（1）三相负载（一节车）

压缩电动机1台，牵引风机电动机2台，制动风机电动机2台，变压器风机电动机1台，变压器油泵1台。

各辅助电动机由各自的交流接触器进行通断控制。

为改善对称性，在两台牵引风机电动机及第一台制动风机电动机的二、三相间接入移相电容，随其投入使用而一并投入。

（2）接触器

采用3TB系列三相交流继电器，其中变压器风机、油泵电动机的接触器额定工作电流75A，而其余额定工作电流均170A。

3TB系列纯直流控制，结构简单，机械寿命长，可靠性高。

（3）库用插座294XS和库用转换开关235QS（如图5-7所示）

机车线路上运行，235QS倒向“运行”位，变压器副边辅助绕组a6-x6通过导线204、205经235QS与导线201、202连接，提供单相380V→劈相机。

机车在库内，235QS倒向“库用”位：

①输入单相380V。

由库用插座294XS的207、208输入，经235QS及导线201、202供电给劈相机。

209不带电，若误从208、209输入，也可避免劈相机的不正常起动及造成的损坏。

在制造厂和大修厂时使用。

②输入三相380V。

由294XS的207、208、209输入，经235QS及导线209与203连接母线直接为辅助电路供电。

段内时使用。

3、单相负载电路

（1）380V单相负载电路

一路给窗加热玻璃，另一路给壁炉、脚炉供电。

有自动开关作电路过载保护。

（2）220V单相负载电路

司机的空调、热饭电炉。

有自动开关作电路过载保护。

4、保护电路

（1）零压保护

是接触网供电的失压保护，电路如图5-8所示。

组成：

零压变压器281TC、整流290U、电容256C及零压时间继电器286KT。

图5-8 SS4改型辅助电路保护

原理：

电网正常供电，导线204、205的380V交流电压→281TC→261R→290U→零压时间继电器286KT吸合；电网失压，286KT失电动作，其常闭联锁闭合，经零压中间继电器将接通主断路器分闸电路，并显示零压信号。

改进型零压保护装置：

保证网失电2秒内断开主断路器，以避免牵引变电所故障重合闸（间隔2秒）引起主、辅电路的冲击。

网压消失，a6-x6端压随时间衰减到零，两稳压管（稳压50V）串，使286KT在网失压2秒内动作，以达保护的准确性。

稳压管并电容256C，电压不跃变，使286KT线圈上电压有一衰减过程（即吸合电流随时间衰减），使286KT的常闭触头可靠吸合，无抖动。

另：

零压保护电路还起门联锁保护闸287YV的交流保护作用。

287YV两路供电，即使出现控制电路切断而机车高压供电依然存在的情况，287YV仍得电，门联锁锁闭，各室门打不开，达到确保人身安全的目的。

（2）接地保护

绕组的x6与地间接辅助电路接地保护电路，如图5-8示。

组成：

辅接地继电器285KE、整流291U、限流262R、电容257C、故障隔离开关237QS等。

支路由导线464经110V控制电源接地，属有源保护装置。

工作原理：

当辅助电路某点接地，接地保护系统形成回路，285KE动作吸合，主断路器分闸线圈得电跳闸，驾驶台辅接地信号显示。

此时285KE常闭触头断开，串入262R限流，避免大电流烧损接地继电器；同时接通“自锁”回路，保持信号记忆。

故障解除后，借助主断路器合闸操作使285KE恢复，保持信号消失。

262R两端接电容257C，是为了使285KE动作时可靠吸合，以提高保护系统的可靠性。

另：

辅接地保护故障隔离开关237QS，在辅助电路一点接地且不能排除时，切除保护电路，使机车作故障运行。

（3）过压保护

同主电路过压保护，即在a6-x6两端并RC（图中255C、260R），吸收过电压。

（4）过流保护

过流继电器保护，如图5-6中的282KC。

当辅助电路短路超过2800A时，过流继电器282KC吸合动作使主断路器分闸，并显示辅过流信号。

（4）辅机过载保护

7台三相异步电机，均接三相自动开关。

自动开关，以热脱扣和电磁脱扣方式进行保护。

短路保护：

是电磁脱扣方式，保护动作及时，可在0.5秒内动作，切断故障支路。

过流保护：

是热脱扣方式，有反时限特性：

故障电流大，动作时间短；反之相反。

注：

自动开关脱扣动作后，需间隔2～3分钟后才能恢复接通。

3、SS4改型电力机车控制系统

1、控制系统

SS4改不等分三段绕组、三段半控桥，无移相桥向开关桥过渡，控制较SS4简单。

但采用恒速、恒流双环控制，速度外环是主反馈，电流内环是局部反馈。

控制器（调速手轮）：

给定速度（电压）与速度反馈（电压）比较，经速度PI调节得电流信号，再与电流反馈比较，然后由电流PI调节输出控制形成触发脉冲。

则一旦给定速度，也就给定了相应的电流。

控制的基本原理相似于SS4。

注意：

当调速手轮在6大级以上时，可三级削磁调速，由换相手柄来控制。

SS4用两条反馈支路，两个PI调节器，恒值控制两个量。

恒流、恒速双闭环自动控制系统：

结构框图：

如图所示。

速度主反馈，电流局部反馈。

给定速度un与速度反馈unf比较，偏差△un经速度PI输出ui电流调节信号；ui与电流反馈uif比较，△ui经电流PI输出直流控制电压uc去控制产生触发脉冲，从而控制牵引电机端电压，保证在给定速度下运转。

2（B0—B0），每个转向架有一套控制系统，如图6-38所示。

最大（饱和限幅决定），△ui最大，经电流调节器控制Ud迅速增大，Id也迅速增大至最大起动电流。

第二阶段：

加速。

随Id↑→△ui↓；因控制电路电磁惯性→Id超调→△ui改变极性（为负），电流调节器控制Ud开始↓，Id回到恒定，但大Id→M电磁＞M负载→电机加速。

第三阶段：

最大电流加速起动（双环起动过程主要阶段）。

速度调节器仍饱和，仍单闭环恒流控制。

Id恒在最大，电机恒加速，电机反电势及端压线性增大。

第四阶段：

双闭环控制。

电机n达给定值，因起动电流大于负载电流及列车惯性，n继续上升而超调，△un改变极性，速度调节器退出饱和起调节作用，系统进入双闭环控制。

速度调节主导，电流调节紧跟其输出而变化。

速度调节，ui开始↓→Id从最大迅速↓。

第五阶段：

n达最高后，Id↓到小于负载电流，n开始下降，当n 

等于给定时，电机的转矩和电压方程式都达到平衡。

至此，起动调节过程结束。

调速调节：

与起动相似，只是速度起点和终点不同，而n和Id达稳定前的过程相同。

2、控制元件

函数发生器

非线性控制，如图6-13示机车轮缘μN=f（V）特性。

机车起动时，随V↑，电机I应随μN↓有所减小，以免F＞F粘max而发生空转。

机车粘着限制             三段折线模拟粘着曲线

SS4改车粘着力极限控制装置：

电路如图6-14。

比例放大器A1：

输入ui∝V，当ui从零开始变化时，经电位器W2、W3提供的u2、u3使D2、D3均截止，反馈电阻为Rf1=R1，比例放大系数K1=R1/R，得特性图的oa段；随ui↑→u01变负，W2、W3提供的u2、u3减小，首先使D2导通，反馈为R1∥R2，K2=Rf2/R减小，有特性图的ab段；同理，随ui↑↑，D3也导通，有D2、D3均导

通，反馈为R1∥R2∥R3，K3=Rf3/R更小，有特性图的bc段。

这里A1输出为三段折线，同理可得多段折线，其逼近曲线的精度提高。

比例放大器A2：

，输入除u01外，还有经WZ稳压后由W4提供的电压，二电压极性相反，合成有近似图6-15粘着限制曲线。

所以，A1、A2组成粘着限制曲线函数发生器。