第五章交直電力機車輔助電路

第五章交直電力機車輔助電路

§5.1輔助電路的電源電路

§5.2輔助電路的負載電路

§5.3典型機車輔助電路

§5.4列車供電系統(tǒng)

§5.1輔助電路的電源電路電力機車輔助電路，包括輔助設(shè)備及相關(guān)電氣設(shè)備。作用：保證主電路正常工作。組成：電源電路、負載電路、保護電路等。關(guān)于輔助電路電源：①三相交流電源：獲?。河煞窒嘣O(shè)備“單-三”相變換而得。方法：旋轉(zhuǎn)式劈相機、電容器分相、電子靜止逆變器等，將變壓器副邊輔助繞組單相→三相?！敖?直”機車普遍用旋轉(zhuǎn)式異步劈相機（電子靜止逆變器見“交-直-交”或“交-交”變換原理（參見第七、八章內(nèi)容），而8G車用電容分相）§5.1輔助電路的電源電路用途：異步電機驅(qū)動風機（冷卻Ld、主變壓器散熱器、整流、牽引電機、制動電阻等）、油泵（主變壓器）、壓縮機（空氣制動、受電弓、其他氣動機）等。②單相交流電源：獲?。簡蜗嘟涣麟娫从勺儔浩鞲边呡o助繞組提供。用途：加熱器、空調(diào)等（380V或220V）。一、異步劈相機工作原理1、結(jié)構(gòu)有定子繞組、鼠籠轉(zhuǎn)子（同普通三相異步電機）。定子繞組：三繞組接成Y型，或兩繞組接成T型?！?.1輔助電路的電源電路兩繞組T型：主、輔兩繞組，主繞組接變壓器副邊輔助繞組兩端（對外兩端子），輔繞組則接其中點（對外一端子）。起動后輔繞組電勢超前單相電源電勢90o，則主、輔繞組的三端得三相電壓。僅6K車用。三繞組Y型：結(jié)構(gòu)如圖5-1所示，oa、ob、oc繞組空間上彼此120o角，接成Y型，而cb接變壓器副邊輔助繞組兩端，a、b、c三端輸出。國產(chǎn)SS機車采用。

圖5-1劈相機原理線路圖

應(yīng)用：§5.1輔助電路的電源電路2、原理（1）單相異步電動機

cb通單相交流電，則oc、ob中產(chǎn)生一大小隨時間作正弦變化、空間位置不動的脈動磁場。若使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，則劈相機作一臺單相異步電動機運行。（2）三相發(fā)電機

脈動磁場→同幅、反向的二旋轉(zhuǎn)磁場，同轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向為正序，反轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向為負序。正序旋轉(zhuǎn)磁場:（速度n1）對轉(zhuǎn)子（速度n）的相對轉(zhuǎn)差率s1為

同普通三相異步電動機，值很小（約為0.02～0.03）。負序旋轉(zhuǎn)磁場:對轉(zhuǎn)子相對轉(zhuǎn)差率s2為§5.1輔助電路的電源電路

轉(zhuǎn)子幾乎2n速度切割負序磁場→感應(yīng)約2f（網(wǎng)頻）的e和i，此i產(chǎn)生的磁場抵消負序磁場→氣隙只存在正序旋轉(zhuǎn)磁場→切割定子繞組oa、ob、oc→感應(yīng)電勢Eoa、Eob、Eoc三相電勢。則是一臺三相發(fā)電機，可供給三相負載。（3）三端電壓不對稱異步劈相機是單相異步電動機和三相發(fā)電機的組合體，既可軸上接機械負載，又可a、b、c三端接電負載。繞組名：cob與轉(zhuǎn)子起單相電動機作用，oa、ob、oc和轉(zhuǎn)子起三相發(fā)電機作用，故oc、ob叫電動相繞組，oa叫發(fā)電相繞組。電流名：無電負載，僅cob中有電流（與轉(zhuǎn)子作用產(chǎn)生力矩），叫電動機電流；有電負載，繞組oa、ob、oc新加一組電流（與轉(zhuǎn)子作用產(chǎn)生反力矩），叫發(fā)電機電流?？梢姡琽a僅有發(fā)電機電流，而ob、oc同時有兩種電流。

§5.1輔助電路的電源電路不對稱電勢：三繞組對稱（匝數(shù)相等、空間差120o），空載時a、b、c三端電壓對稱，電負載后則不對稱。

原因：ob、oc中有電動機電流，即使三相負載電流對稱，各相電流亦不對稱，有不對稱壓降。感性負載，發(fā)電機電流引起的壓降使繞組的端電壓小于感應(yīng)電勢，而電動機電流使端壓大于感應(yīng)電勢，則劈相機三端電壓不對稱。此外，剩余負序磁場在繞組中感應(yīng)負序電勢，加劇電壓的不對稱。（4）改善電壓對稱的措施不對稱繞組：三相匝數(shù)不等、角度不對稱?？蛰d不對稱，負載后對稱。注意：此法簡單，但只能帶單一負載，負載變就不對稱，不適于電力機車（因電力機車的輔助電機負載變化)?！?.1輔助電路的電源電路對稱繞組并聯(lián)電容，如圖5-2（a）所示。設(shè)負載IA滯后Ua（角），未并電容C時，流經(jīng)oa的IA′=IA；并C后，流經(jīng)C的電流ICK超前Uab電壓90o，則流經(jīng)oa的IA′為IA與ICK的矢量和,由圖（b）知IA′＜IA，即并C后流過oa的IA′↓→壓降↓→端壓↑，劈相機端壓不對稱性↓。（電力機車普遍采用）

圖5-2劈相機并電容接線圖及矢量圖

(a)(b)§5.1輔助電路的電源電路二、劈相機并聯(lián)電容的確定

劈相機負載隨輔助機械工作的不同而變，則分相電容值也隨負載而變。設(shè)a、b間并電容C，如圖5-3所示。電壓電流參考方向中，電源和電容電流方向與前述相反，目的便于繪制矢量圖。IH為負載電流，ICK為分相電容電流。1、電壓對稱條件分析可得，劈相機端壓對稱的條件（5-1）式中，I0為劈相機空載電流。圖5-3并聯(lián)電容原理圖

§5.1輔助電路的電源電路注意：負載變，只要保證滿足上式，則劈相機端壓對稱。由圖，電容電流為（5-2）據(jù)電壓、電流參考方向和滿足上式，可繪出矢量圖。因繞組純感性，I0滯后Ubc電壓90o；感性負載，IH取滯后功率因數(shù)。則矢量圖如圖示?？梢?，ICK超前Uba電壓90o，從而保證接入適當電容后電壓對稱。2、并聯(lián)電容值圖5-4并聯(lián)電容時電壓矢量圖

由I0和IH可求得ICK，再由ICK和電源f求得并聯(lián)電容值為（5-3）式中，U為電源電壓（即Ubc）?！?.1輔助電路的電源電路注意：SS機車采用并電容改善對稱性，其電容分別接在各負載電機上，當投入使用時其電容跟著一起接入，保證負載變電容也變，使電壓對稱。此外，并聯(lián)電容還能改善劈相機的功率因數(shù)。三、劈相機的起動單相異步電動機起動原理?！邌蜗唷}動磁場→正、負旋轉(zhuǎn)磁場→轉(zhuǎn)子正、反轉(zhuǎn)矩→轉(zhuǎn)子靜止?！噍o助電機起動、分相起動。分相有電阻、電容分相起動（多采用前者）。1、電阻起動過程電阻分相起動如圖5-5所示。RQ為起動電阻，J為接觸器?！?.1輔助電路的電源電路可視定子兩相繞組，cob和coa。cob由單相電源供電，coa串RQ后由單相電源供電。起動時，cob純感性，IQb滯后Ucb電壓90o；coa接RQ，IQa滯后Ucb一γ角（＜90o）。IQa與IQb有相位差，兩繞圖5-5分相電阻起動原理圖

組空間上有角度差，形成橢圓旋轉(zhuǎn)磁場，產(chǎn)生起動轉(zhuǎn)矩使電機轉(zhuǎn)動。電樞轉(zhuǎn)動后，定子三相繞組感應(yīng)三相電勢。劈相機起動后，J斷開，切除RQ。

SS機車采用電阻分相起動。選擇最佳RQ，以獲最大起動轉(zhuǎn)矩。

2、起動電阻的確定§5.1輔助電路的電源電路方法：列起動電路電壓方程式，對電勢正、負序分解；據(jù)等效電路對電流正、負序分解；求解合成力矩，再求出最佳RQ值。（求解過程復(fù)雜，工程中一般用對稱分析法。）分析有最大起動轉(zhuǎn)矩的RQ為（5-4）式中，XK、RK為劈相機每相繞組的短路電抗、短路電阻（設(shè)計數(shù)據(jù)或試驗數(shù)據(jù)）。

起動結(jié)束，自動切除RQ，再逐個起動三相輔助電動機。注意：異步劈相機是關(guān)鍵設(shè)備，也是薄弱環(huán)節(jié)，為提高可靠性，設(shè)置兩臺劈相機（一臺備用），或設(shè)置一臺劈相機再由一臺通風機兼做劈相機用。一臺出現(xiàn)故障，另一臺（或通風機）仍能保證輔助電路正常工作。§5.2輔助電路的負載電路主要是三相負載，如空氣縮機、通風機、油泵等，直接影響主電路是否正常工作。單相有取暖、通風、電熱玻璃、熱飯電爐、空調(diào)等，不影響機車性能。1、輔助電路負載（1）壓縮機組組成：空氣壓縮機及驅(qū)動的電動機。作用：壓縮空氣（風源），提供機車上所有風動電器（如受電弓、主斷路器、兩位置轉(zhuǎn)換開關(guān)、電空接觸器、各種閥等）的操縱控制，是空氣制動之源。注意：機車設(shè)有兩臺空氣壓縮機，有一定儲備，以保證可靠性。（2）通風機組組成：通風機及驅(qū)動的電動機。（俗稱鼓風機）§5.2輔助電路的負載電路作用：對牽引電機、整流硅機組、牽引變壓器散熱器、平波電抗器、制動電阻及其他設(shè)備進行冷卻。（3）循環(huán)油泵組成：油泵及電動機。作用：強迫循環(huán)牽引變壓器的冷卻油，以使內(nèi)部冷卻。

2、輔助機組的起動∵一般不需要調(diào)速∴直接起動，起動時間短起動方式：輔助機組分別起動

原因：直接起動電流大，若所有輔助機同時起動，電流過大，網(wǎng)壓降低大，嚴重時會導致輔助機起動失敗，則分別起動不至于使網(wǎng)壓過分降低。

§5.3典型機車輔助電路以典型的SS4改、SS8機車輔助電路為例簡介。一、SS4改型電力機車輔助電路“單-三”相異步劈相機供電，三相異步電動機負載。電源：變壓器副邊輔助繞組a6-b6-x6（中抽式），其中a6-x6額壓為400V，而b6-x6額壓為226V。設(shè)有庫用插座，在庫內(nèi)可用380V的單、三相庫內(nèi)電源供電。1、單-三相供電系統(tǒng)異步劈相機電阻分相起動，電壓繼電器監(jiān)測起動過程及控制切除起動電阻。注意：劈相機參數(shù)有調(diào)整，以克服SS1、SS3劈相機起動電流較大、分相起動后切除起動電阻的自起動性能較差等缺點?！?.3典型機車輔助電路圖5-6SS4改型劈相機分相起動

接觸器201KM控制劈相機的運轉(zhuǎn)與停止。接觸器213KM將起動電阻263R接入第二電動相D2與發(fā)電相D3之間。電壓繼電器283AK監(jiān)測起動過程并控制起動電阻的開斷，其工作電源（直流110V）從導線531經(jīng)533KT常開聯(lián)鎖由導線281引入。

（1）劈相機分相起動①電路說明§5.3典型機車輔助電路②劈相機起動過程

按下主駕駛臺上劈相機按鍵→213KM閉合（接入263R）→201KM閉合（接入電源）→劈相機開始起動；283AK監(jiān)測發(fā)電相電壓（由導線279、280引入）間接反映劈相機轉(zhuǎn)速，當達約0.9倍額定轉(zhuǎn)速時（即283AK測得發(fā)電相電壓接近比較電壓（額定網(wǎng)壓下約為220V，由導線202、206引入）），283AK動作→213KM失電→斷開263R，起動完成；起動后，283AK失去工作電源處于閉置狀態(tài)。注意：設(shè)有備用起動電阻，一組燒壞可換另一組，若兩組均燒損則通過閘刀開關(guān)296QS倒向233改用電容分相起動?！?.3典型機車輔助電路（2）通風電動機電容分相起動劈相機故障備用電路:第一牽引通風電動機、電容分相起動。劈相機出故障→切除劈相機，以253C對第一牽引通風電動機進行分相起動。這時，劈相機故障轉(zhuǎn)換開關(guān)242QS打向“1”位，即把283AK接入到第一通風電動機的第三相上（從導線3MAD3、3MAD4引入），同時閘刀開關(guān)296QS倒向233位接入起動電容。起動過程：仍由283AK控制，起動完后283AK動作使213KM失電斷開起動電容。此后它既是一臺通風電機，又是一臺劈相機。網(wǎng)壓19kV以上，該電動機能分相起動；網(wǎng)壓22kV以上，該機能起動所有其他輔助機組。注意：機車兩節(jié)車的輔助電路不重聯(lián)，則一節(jié)車用劈相機電阻分相起動，另一節(jié)車（其劈相機故障時）用第一牽引通風機電動機電容分相起動?！?.3典型機車輔助電路2、三相負載電路

劈相機起動后，輔助電路導線201、202、203提供三相不完全對稱電源，各輔助機組依次間隔陸續(xù)投入工作。（1）三相負載（一節(jié)車）

壓縮電動機1臺，牽引風機電動機2臺，制動風機電動機2臺，變壓器風機電動機1臺，變壓器油泵1臺。各輔助電動機由各自的交流接觸器進行通斷控制。為改善對稱性，在兩臺牽引風機電動機及第一臺制動風機電動機的二、三相間接入移相電容，隨其投入使用而一并投入。（2）接觸器采用3TB系列三相交流繼電器，其中變壓器風機、油泵電動機的接觸器額定工作電流75A，而其余額定工作電流均170A。3TB系列純直流控制，結(jié)構(gòu)簡單，機械壽命長，可靠性高。§5.3典型機車輔助電路（3）庫用插座294XS和庫用轉(zhuǎn)換開關(guān)235QS（如圖5-7所示)機車線路上運行，235QS倒向“運行”位，變壓器副邊輔助繞組a6-x6通過導線204、205經(jīng)235QS與導線201、202連接，提供單相380V→劈相機。機車在庫內(nèi)，235QS倒向“庫用”位：圖5-7SS4改型庫用插座開關(guān)

①輸入單相380V。由庫用插座294XS的207、208輸入，經(jīng)235QS及導線201、202供電給劈相機。209不帶電，若誤從208、209輸入，也可避免劈相機的不正常起動及造成的損壞。在制造廠和大修廠時使用?！?.3典型機車輔助電路②輸入三相380V。由294XS的207、208、209輸入，經(jīng)235QS及導線209與203連接母線直接為輔助電路供電。段內(nèi)時使用。3、單相負載電路（1）380V單相負載電路一路給窗加熱玻璃，另一路給壁爐、腳爐供電。有自動開關(guān)作電路過載保護。（2）220V單相負載電路司機的空調(diào)、熱飯電爐。有自動開關(guān)作電路過載保護。4、保護電路（1）零壓保護是接觸網(wǎng)供電的失壓保護，電路如圖5-8所示。組成：零壓變壓器281TC、整流290U、電容256C及零壓時間繼電器286KT?！?.3典型機車輔助電路圖5-8SS4改型輔助電路保護

§5.3典型機車輔助電路原理：電網(wǎng)正常供電，導線204、205的380V交流電壓→281TC→261R→290U→零壓時間繼電器286KT吸合；電網(wǎng)失壓，286KT失電動作，其常閉聯(lián)鎖閉合，經(jīng)零壓中間繼電器將接通主斷路器分閘電路，并顯示零壓信號。改進型零壓保護裝置：保證網(wǎng)失電2秒內(nèi)斷開主斷路器，以避免牽引變電所故障重合閘（間隔2秒）引起主、輔電路的沖擊。網(wǎng)壓消失，a6-x6端壓隨時間衰減到零，兩穩(wěn)壓管（穩(wěn)壓50V）串，使286KT在網(wǎng)失壓2秒內(nèi)動作，以達保護的準確性。穩(wěn)壓管并電容256C，電壓不躍變，使286KT線圈上電壓有一衰減過程（即吸合電流隨時間衰減），使286KT的常閉觸頭可靠吸合，無抖動。另：零壓保護電路還起門聯(lián)鎖保護閘287YV的交流保護作用。287YV兩路供電，即使出現(xiàn)控制電路切斷而機車高壓供電依然存在的情況，287YV仍得電，門聯(lián)鎖鎖閉，各室門打不開，達§5.3典型機車輔助電路到確保人身安全的目的。（2）接地保護繞組的x6與地間接輔助電路接地保護電路，如圖5-8示。組成：輔接地繼電器285KE、整流291U、限流262R、電容257C、故障隔離開關(guān)237QS等。支路由導線464經(jīng)110V控制電源接地，屬有源保護裝置。工作原理：當輔助電路某點接地，接地保護系統(tǒng)形成回路，285KE動作吸合，主斷路器分閘線圈得電跳閘，駕駛臺輔接地信號顯示。此時285KE常閉觸頭斷開，串入262R限流，避免大電流燒損接地繼電器；同時接通“自鎖”回路，保持信號記憶。故障解除后，借助主斷路器合閘操作使285KE恢復(fù)，保持信號消失。262R兩端接電容257C，是為了使285KE動作時可靠吸合，以提高保護系統(tǒng)的可靠性?！?.3典型機車輔助電路另：輔接地保護故障隔離開關(guān)237QS，在輔助電路一點接地且不能排除時，切除保護電路，使機車作故障運行。（3）過壓保護同主電路過壓保護，即在a6-x6兩端并RC（圖中255C、260R），吸收過電壓。（4）過流保護過流繼電器保護，如圖5-6中的282KC。當輔助電路短路超過2800A時，過流繼電器282KC吸合動作使主斷路器分閘，并顯示輔過流信號。此外還有輔機過載保護（詳見SS8型機車的輔機過載保護）。

§5.3典型機車輔助電路二、SS8型機車輔助電路“單-三”相供電，三相異步電機。輔助繞組a6-b6-x6（中抽式），a6-x6額壓389V，b6-x6額壓229V。庫用插座可引入380V的單相或三相電源，同SS4機車。1、單-三相供電系統(tǒng)劈相機，除無備用起動電阻外，同SS4改機車。2、三相負載電路劈相機起動后，各輔助機組依次間隔一定時間投入工作。三相負載：壓縮電機2臺（SS4改1臺），牽引風機電機2臺，制動風機電機2臺，變壓器風機電機1臺，變壓器油泵1臺，整流硅風機電動機3臺（SS4改沒專設(shè)）。同SS4改，兩臺牽引風機電機及第一制動風機電機的二、§5.3典型機車輔助電路三相間接入移相電容，隨其投入。交流繼電器用3TB系列三相交流繼電器。庫用插座和庫用轉(zhuǎn)換開關(guān)，與SS4改機車相同。3、單相負載電路a6-x6提供380V、b6-x6提供220V均與SS4改相同。4、保護電路過電壓、過電流、接地及安全保護。（1）接地保護x6與地間接輔助電路接地保護電路，同SS4改。（2）過壓、過流保護過壓、過流保護同SS4改?！?.3典型機車輔助電路（3）欠壓保護

微機控制進行欠壓保護，整定值為網(wǎng)壓19kV延時10秒跳主斷路器，而17.5kV時立即跳主斷路器。（4）輔機過載保護11臺三相異步電機（SS4改7臺）均接三相自動開關(guān)。自動開關(guān)，以熱脫扣和電磁脫扣方式進行保護。短路保護：是電磁脫扣方式，保護動作及時，可在0.5秒內(nèi)動作，切斷故障支路。過流保護：是熱脫扣方式，有反時限特性：故障電流大，動作時間短；反之相反。注：自動開關(guān)脫扣動作后，需間隔2～3分鐘后才能恢復(fù)接通?！?.4列車供電系統(tǒng)長期來，普客車用軸驅(qū)式發(fā)電機供電，軟臥空調(diào)車用柴油機發(fā)電或軸驅(qū)式發(fā)電（效率低、停車時不能發(fā)電）。20世紀80年代起開始研制用柴油機發(fā)電車集中供電（三相380V），依我國能源政策，自1998年開始研究電氣化區(qū)段由機車向旅客列車供電技術(shù)，已在SS8及其他電力機車車上應(yīng)用。一、機車的列車供電電源SS8的列車供電系統(tǒng)，機車集中整流、客車分散逆變。機車牽引變壓器的兩套繞組對應(yīng)兩套整流裝置，向列車供給兩路DC600V電源，各車據(jù)需要來變換、取用。機車的列車供電電路有主電路和控制電路兩部分。1、列車電源主電路電路：圖5-9所示（一套電路），副邊輔助繞組a7-x7（交流870V），供電接觸器30KM，半控橋3V（額定平均電壓600V，額定§5.4列車供電系統(tǒng)電流670A），LC濾波（5L、29C組成），供電插座15XS、17XS輸出。（另一套組成一樣）作用：將繞組的交流整流濾波成600V的直流向列車供電。

圖5-9列車電源主電路原理圖（一路）

§5.4列車供電系統(tǒng)2、主電路的檢測與保護（1）過壓保護阻容吸收電路（67R、31C組成）和壓敏電阻6RV來實現(xiàn)。（2）接地保護組成：接地故障隔離開關(guān)11QP、限流電阻73R、電阻69R、接地繼電器7KE、浪涌吸收電容33C等。（傳統(tǒng)有源保護，以消除保護死區(qū)，提