電力電子應(yīng)用技術(shù)書81韶山四型電力機(jī)車供電系統(tǒng)

1、第 8 章 電力電子應(yīng)用技術(shù)實(shí)例SS 4 型電力機(jī)車牽引整流器供電系統(tǒng)SS4型電力機(jī)車牽引整流器韶山 4型電力機(jī)車是我國(guó)第三代電力機(jī)車的“領(lǐng)頭”產(chǎn)品，于1989 年獲國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。隨著我國(guó)電力電子技術(shù)和功率器件的發(fā)展和應(yīng)用，我國(guó)交- 直流傳動(dòng)電力機(jī)車的調(diào)壓調(diào)速技術(shù)實(shí)現(xiàn)了換代的跳躍發(fā)展，經(jīng)歷了第一代韶1、韶 2 型電力機(jī)車的低壓側(cè)或高壓側(cè)調(diào)壓開關(guān)調(diào)幅式的有級(jí)調(diào)壓調(diào)速技術(shù)， 到第二代韶 3 型電力機(jī)車采用調(diào)壓開關(guān)分級(jí)和級(jí)間晶 閘管相控平滑調(diào)壓相結(jié)合的調(diào)壓調(diào)速技術(shù)，到第三代韶4韶 8 型電力機(jī)車的多段橋晶閘管相控?zé)o級(jí)平滑調(diào)壓調(diào)速的發(fā)展歷程。第三代電力機(jī)車以韶4型（SS）為起點(diǎn)，使晶閘管相控調(diào)壓

2、調(diào)速的交直傳動(dòng)電力機(jī)車形成了電力機(jī)車家族。型電力機(jī)車主電路的特點(diǎn)韶 4 型和韶 4 改進(jìn)型電力機(jī)車的電氣線路主要有主牽引電路、 輔助供電電路、 有觸點(diǎn)控制 電路、控制電源電路和電子控制電路五大部分，整個(gè)控制系統(tǒng)十分龐大和復(fù)雜，本節(jié)介紹SS型電力機(jī)車的牽引整流器供電系統(tǒng)。（ 1）牽引電動(dòng)機(jī)供電方式1 25kV 50Hz51Di11JZ79 RXiM ' M513JZX2T2 i D44曲531廿a2 321L16116452前轉(zhuǎn)向架供電單元52fl6193KC 94KC1M 4MX353L2L14JZ111GK112 GK62后轉(zhuǎn)向架供電單元34 日491KC 92KC19PKWPK33

3、日3113GK <114 GK1128 DJ20PK80X4127DJIT 110V圖8-1 SS4型電力機(jī)車簡(jiǎn)化主電路（牽引工況，一單元）1-受電弓；3-主變壓器；4-主斷路器；5-主放電器；6-高壓互感器；1M4M牽引電動(dòng)機(jī)；79R80R負(fù)載電阻；1L4L主極繞組；3134-過壓吸 收電路；91KC94KC線路接觸器；161164-接地電刷；11JZ14JZ-主整流 器；127DJ128DJ主接地繼電器；111GK114GK牽引電機(jī)隔離開關(guān)。17PK20PK主平波電抗器重載貨運(yùn)八軸SS4型電力機(jī)車的牽引供電電路如圖8- 1所示，使用直流串勵(lì)牽引電動(dòng)機(jī)，采用傳統(tǒng)的交-直流供電方式；牽引

4、電機(jī)采用“轉(zhuǎn)向架獨(dú)立供電方式”，一臺(tái)轉(zhuǎn)向架的兩臺(tái)牽引電機(jī)并聯(lián)，由一臺(tái)相控式主整流器供電，全車四個(gè)兩軸轉(zhuǎn)向架，具有四臺(tái)獨(dú)立的相控主整流器。網(wǎng)側(cè)電流從接觸網(wǎng)流入升起的受電弓，經(jīng)25kV車頂母線分為兩路，一路進(jìn)本節(jié)車，經(jīng)主斷路器 4、主變壓器高壓繞組 AX進(jìn)入車體，經(jīng)車體與轉(zhuǎn)向架間軟線和軸箱電刷到 車輪和鋼軌；另一路，25kV經(jīng)高壓連接器到另一節(jié)車的車頂母線。全車8臺(tái)電機(jī)牽引，總功率6400Kw這種供電方式具有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)，其一，可以實(shí)現(xiàn)以轉(zhuǎn)向架為中心的電氣系統(tǒng)單元化，便于控制；其二，當(dāng)一臺(tái)主整流器故障時(shí)，只須切除一臺(tái)轉(zhuǎn)向架的兩臺(tái)電機(jī)，機(jī)車仍可保留3/4的牽引能力；其三，同一節(jié)車前后兩臺(tái)轉(zhuǎn)向架可進(jìn)行電氣

5、式軸重補(bǔ)償，即對(duì)前轉(zhuǎn)向架可給予較小的電流，以充分利用黏著。（2）整流調(diào)壓電路圖8-1為在牽引工況、給兩個(gè)轉(zhuǎn)向架供電的主電路原理圖。兩臺(tái)電機(jī)1M和2M并聯(lián)，由原理圖左側(cè)的前轉(zhuǎn)向架供電，兩臺(tái)電機(jī)3M和4M并聯(lián)，由右側(cè)的后轉(zhuǎn)向架供電。主變壓器.次繞組分為四組，abxi與a2X2繞組供電給主整流器 11和13,組成前轉(zhuǎn)向架供電單元；asbsxs 與a4X4繞組供電給主整流器 12和14,組成后轉(zhuǎn)向架供電單元。下面以前轉(zhuǎn)向架供電單元為 例加以說明。主整流器采用不對(duì)稱不等分四段經(jīng)濟(jì)半控橋式整流電路，采用順序控制和開關(guān)控制相結(jié)合的移相控制方式。給前、后轉(zhuǎn)向架供電的整流器各組成一獨(dú)立柜體，分別由兩大段不對(duì)稱1

6、1橋組成。繞組電壓安排為Ua1b1 Ub1x1 一U2,Ua2x2 一UqU?為兩牽引繞組電壓之和。42從結(jié)構(gòu)上看，電路實(shí)際是三段不等分橋，即1/4，1/4，1/2，但可通過T6之間的順序控制與開關(guān)控制相結(jié)合的方式達(dá)到等分四段的效果。具體的繞組供電狀況、元件的觸發(fā)控制順序、移相導(dǎo)通范圍、輸出整流電壓波形和整流電壓平均值等如圖8-2所示，讀者只要運(yùn)用晶閘管導(dǎo)通和關(guān)斷的原理不難分析得出此結(jié)果。1由上可見，在整流電壓達(dá)到Ud -Udmax時(shí)，發(fā)生11?111段的轉(zhuǎn)換過程，產(chǎn)生開關(guān)2式跳躍，其控制邏輯由牽引控制“邏輯轉(zhuǎn)換”電路保證。下橋不進(jìn)行移相控制，它或者處于續(xù)流狀態(tài)，或者處于滿開放狀態(tài)，因此稱其為

7、開關(guān)橋；而上橋往往處于移相控制狀態(tài)，常稱其為微調(diào)橋。由于整流器的負(fù)載為感性負(fù)載，在II III段的開關(guān)式轉(zhuǎn)換過程中必然會(huì)引起操作過電壓， 加之邏輯轉(zhuǎn)換控制所帶來的系統(tǒng)的復(fù)雜性， 使系統(tǒng)的可靠性降低， 故后期的 SS4 型電力機(jī)車主電路采用三段不等分半控整流調(diào)壓電路，這將在后面說明。2. 牽引電路如圖 8- 1 所示，每一牽引支路的電流路徑是： 正極母線 ?平波電抗器 ?線路接觸器 ?電樞? 主極磁場(chǎng)繞組？牽引電機(jī)隔離開關(guān)？負(fù)極母線。圖中，牽引電機(jī)隔離開關(guān) 111GK114GK單刀 雙投開關(guān)，上、中、下三個(gè)位置分別為運(yùn)行位、牽引工況故障位和制動(dòng)工況故障位。當(dāng)電機(jī) 之一出現(xiàn)故障時(shí)，隔離開關(guān)應(yīng)置中間

8、位，其相應(yīng)的常開連鎖接點(diǎn)斷開相關(guān)接觸器91KC94KC的線圈，該電機(jī)支路與供電電路隔離。在牽引工況下，牽引電機(jī)隔離開關(guān)處于運(yùn)行位，牽引 電機(jī)主極繞組與磁場(chǎng)削弱電阻（圖中未畫出）與接地繼電器回路相連，處于低電位。79R和80R為主整流器的負(fù)載電阻，參數(shù)為，。其作用是，當(dāng)牽引控制柜調(diào)試時(shí)作整流器的空載續(xù)流之用， 此時(shí)應(yīng)使接觸器91KC94KC失電斷開，各牽引電機(jī)與主電路隔離；當(dāng)機(jī)車惰行或電制動(dòng)時(shí)，79R和80R將主整流器由電容充電引起的空載電壓降到約1kV。每臺(tái)牽引電機(jī)的電流測(cè)量和電壓測(cè)量分別采用直流電流傳感器和直流電壓傳感器，其信號(hào)僅取自電樞端， 而不包括主極繞組壓降， 這樣的連接方式可通用于電

9、阻制動(dòng)工況下的電樞 電壓測(cè)量。每個(gè)“轉(zhuǎn)向架供電單元”設(shè)一套接地保護(hù)系統(tǒng)，除網(wǎng)側(cè)電路外，主電路任一點(diǎn)接地時(shí)， 接地繼電器均動(dòng)作，斷開主斷路器，并同時(shí)封鎖主整流器觸發(fā)脈沖。3電阻制動(dòng)電路電阻制動(dòng)工況簡(jiǎn)化電路如圖8-3所示。SS4型電力機(jī)車采用了傳統(tǒng)的能耗制動(dòng)方式，每節(jié)車的四臺(tái)牽引電機(jī)主極繞組串聯(lián)，由一臺(tái)勵(lì)磁半控橋整流器15JZ供電。為了擴(kuò)大低速制動(dòng)范圍，增加低速區(qū)的電制動(dòng)力，以適應(yīng)干線自動(dòng)閉塞區(qū)段的需要，設(shè)計(jì)了兩級(jí)制動(dòng)電阻， 在速度低于34km/h時(shí)，電空接觸器95KC98KC閉合，短接3/5制動(dòng)電阻，以增加低速區(qū)的 機(jī)車電制動(dòng)力，即設(shè)置所謂的半電阻制動(dòng)。5161圖8-3電阻制動(dòng)工況簡(jiǎn)化主電路1M

10、4M牽引電動(dòng)機(jī)；1L4L主極繞組；47R50R制動(dòng)電阻；91KC100KC 線路接觸器；83R84R主接地繼電器限流電阻； 127DJ128DJ主接地繼電器；111GK114GK牽引電機(jī)隔離開關(guān)電阻制動(dòng)時(shí)，位置轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)換到制動(dòng)位，牽引電機(jī)1M4M電樞與主極繞組1L4L脫離,同時(shí)與制動(dòng)電阻47R50R串聯(lián)，然后經(jīng)線路接觸器 91KC94KC平波電抗器17PK20PK“掛” 在主整流器11JZ或12JZ的正極端51或61上。第一轉(zhuǎn)向架電機(jī) 1M 2M電樞與第二轉(zhuǎn)向架 電機(jī)3M4M電機(jī)的電樞在線路上互不相干。勵(lì)磁繞組a5X5經(jīng)勵(lì)磁接觸器99KC,勵(lì)磁整流器15JZ給四個(gè)電機(jī)1M4M的串聯(lián)主極繞組

11、1L - 4L供電，勵(lì)磁電流方向與牽引時(shí)相反，在由下往上的方向流動(dòng)，女口8-3圖所示。勵(lì)磁電流的路徑為，勵(lì)磁整流器15JZ正極？主極繞組？勵(lì)磁整流器負(fù)極 62端。負(fù)極62為主整流 器12JZ與勵(lì)磁整流器15JZ的公共點(diǎn)，并通過限流電阻84R與主接地繼電器128DJD電路相連接，由此形成兩個(gè)獨(dú)立的接地保護(hù)電路系統(tǒng)：（1 ）主整流器11JZ（ 13JZ）的負(fù)端通過限流電阻 83R與主接地繼電器127DJ電路相連。 第一轉(zhuǎn)向架牽引電機(jī) 1M 2M的電樞和制動(dòng)電阻回路以及主整流器 11JZ（ 13JZ）組成第一轉(zhuǎn) 向架主接地繼電器系統(tǒng)，如發(fā)生接地故障，接地繼電器127DJ動(dòng)作，將斷開主斷路器 4,并同

12、時(shí)封鎖主整流器11JZ（ 13JZ）的觸發(fā)脈沖。（2）第二轉(zhuǎn)向架牽引電機(jī) 3M和4M電樞及制動(dòng)電阻回路、四臺(tái)電機(jī)勵(lì)磁回路、 主整流器12JZ（ 14JZ）組成第二轉(zhuǎn)向架主接地繼電器系統(tǒng)，如發(fā)生接地故障128DJ動(dòng)作，同樣斷開主斷路器4,同時(shí)切除勵(lì)磁整流器 12JZ( 14JZ)的觸發(fā)脈沖。設(shè)置電容37C38C和電阻85R86R 是為了抑制接地繼電器線圈因接地故障引起的尖蜂電壓。在制動(dòng)工況時(shí)，當(dāng)一臺(tái)牽引電機(jī)或制動(dòng)電阻出現(xiàn)故障或相應(yīng)通風(fēng)機(jī)故障時(shí)，將相應(yīng)隔離開關(guān)111GK114GK置向下故障位，則91KC94KC之一打開，電樞回路被甩開，同時(shí)主極繞組 沒有了電流。8. 1. 2 SS4改進(jìn)型電力機(jī)車

13、主電路SS改進(jìn)型電力機(jī)車主電路是以SS4 SS5和SS6型機(jī)車主電路為基礎(chǔ)，并消化、吸收了 8K和6K機(jī)車的先進(jìn)技術(shù)而設(shè)計(jì)的，其牽引電路與其他機(jī)型的牽引電路只是大同小異，主要不同點(diǎn)在于：采用三段不等分半控整流調(diào)壓電路提高了系統(tǒng)的可靠性；運(yùn)用有級(jí)分路的方法削弱磁場(chǎng)以改善高速區(qū)的牽引功能，采用加饋電阻制動(dòng)以提高制動(dòng)性能。下面就這些特點(diǎn)作一簡(jiǎn)單介紹，請(qǐng)讀者查閱有關(guān)專述獲得細(xì)節(jié)。1.整流調(diào)壓電路7111PK-21PKDi70JZ12KM22KM V75R1MCO2MCD15 R 14R76 R T4162Llb 22 272圖8-4前轉(zhuǎn)向架單元整流調(diào)壓簡(jiǎn)化電路(牽引工況)圖8-4為SS4改進(jìn)型電力機(jī)車

14、前轉(zhuǎn)向架單元的整流調(diào)壓簡(jiǎn)化電路。仍采用轉(zhuǎn)向架獨(dú)立控制方式，前轉(zhuǎn)向架的牽引電機(jī)1M和2M并聯(lián)由主整流器70供電，后轉(zhuǎn)向架的牽引電機(jī) 3M和4M并聯(lián)由主整流器80供電。當(dāng)電機(jī)電壓達(dá)到最高后仍要求機(jī)車?yán)^續(xù)加速時(shí)，就要進(jìn)行磁場(chǎng)削弱，SS改進(jìn)型電力機(jī)車采用有級(jí)分路的方法來削弱磁場(chǎng)，以改善高速區(qū)的牽引功能。固定分路電阻14R與主極繞組并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)機(jī)車的固定磁場(chǎng)削弱，磁削系數(shù)為；磁場(chǎng)削弱電阻15R通過接觸器17K M的閉合，實(shí)現(xiàn)一級(jí)磁場(chǎng)削弱，磁削系數(shù)為；二級(jí)磁場(chǎng)削弱電阻16R通過接觸器18KM的閉合，實(shí)現(xiàn)2級(jí)磁場(chǎng)削弱，磁削系數(shù)為。當(dāng)15R、16R同時(shí)投入實(shí)現(xiàn)機(jī)車的3級(jí)磁場(chǎng)削弱，磁削系數(shù)為。圖中所示整流調(diào)壓電路

15、各段繞組電壓為：U a2x2 U a 1x1 2U albl 2U blxl 699.5V整流調(diào)壓電路采用三段不等分半控整流調(diào)壓電路。工作順序是，首先由繞組a2X2供電，T5、T6、D3和D4構(gòu)成移相半控橋式整流。整流電壓的范圍在0丄Ud（Ud為三段橋總的整流電2壓），TiT4不觸發(fā)，Di、D2續(xù)流。當(dāng)T5、T6滿開放后，保持 T5、T6的滿開放，增加繞組 aibi 供電，由、T2、D和D2構(gòu)成移相半控橋式整流，此時(shí)整流電壓在丄？Ud之間調(diào)節(jié)。當(dāng)Ti、24T2滿開放后，Ti、T2、T5、T6維持滿開放，并觸發(fā) T3、T4,使bixl繞組投入工作，整流電壓在2Ud之間調(diào)節(jié)。電阻75R和76R為機(jī)

16、車高壓空載限壓實(shí)驗(yàn)時(shí)的整流器負(fù)載，起續(xù)流作4用，在正常運(yùn)行時(shí)能吸收部分過電壓。 這種控制方式和四段順序控制相比， 盡管在低級(jí)位上 功率因數(shù)較低，但減少了開關(guān)式控制電路帶來的操作過電壓，提高了系統(tǒng)的可靠性， 又可節(jié)約1/2的二極管、1/4的晶閘管，減少了主變壓器的抽頭，簡(jiǎn)化了變壓器線圈結(jié)構(gòu)。2.加饋電阻制動(dòng)電路71T5ita270JZ75 R11PkQ21PKp80JZT612KC4 bX1D1x2-'-y * -22 KC13R 1_23rH72F1M762M第2轉(zhuǎn)向架3M 4M95GK195R193R191R19GK加2 2&22&1L2L97 JD110Va5C/U

17、929GKCK2X599JZ82圖8-5機(jī)車加饋電阻制動(dòng)工況簡(jiǎn)化電路圖1M4M牽引電動(dòng)機(jī)；1L4L主極繞組；13R43R制動(dòng)電阻；91KC92KC、12KC22KC 線路接觸器； 193R194R主接地繼電器限流電阻；97JD98JD主接地繼電器；19GK49GK牽引電機(jī)隔離開關(guān)，11 21PK平波電抗器。SS 4改進(jìn)型電力機(jī)車采用了加饋電阻制動(dòng)。所謂加饋電阻制動(dòng)是指，在電阻制動(dòng)到低速時(shí)，為了增大制動(dòng)力，由主整流器提供合適的整流電壓與電樞電勢(shì)共同產(chǎn)生制動(dòng)電流和制動(dòng)力 矩。加饋電阻制動(dòng)又稱為“補(bǔ)足”電阻制動(dòng)，它是在常規(guī)電阻制動(dòng)的基礎(chǔ)上發(fā)展的一種能耗 制動(dòng)技術(shù)。根據(jù)理論分析，機(jī)車輪周制動(dòng)力矩M與電

18、機(jī)主極磁通和電機(jī)電樞電流成正比，而在常規(guī)的電阻制動(dòng)中，電樞電流隨機(jī)車速度的減小而減小，因而機(jī)車輪周制動(dòng)力也隨著機(jī)車速度的變化而變化。為了克服機(jī)車低速時(shí)輪周制動(dòng)力不足的狀況，在低速時(shí)電機(jī)從電網(wǎng)吸收電能來補(bǔ)足電樞電流，將制動(dòng)力提高到所需要的程度，方便地實(shí)現(xiàn)恒制動(dòng)力控制，以獲得理想的制動(dòng)特性。圖8-5為機(jī)車加饋電阻制動(dòng)工況時(shí)的簡(jiǎn)化電路。機(jī)車加饋電阻制動(dòng)時(shí)，經(jīng)位置轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)換到制動(dòng)位，牽引電機(jī)電樞與主極繞組脫離并與制動(dòng)電阻串聯(lián)，且同一轉(zhuǎn)向架的二臺(tái)電機(jī)電樞支路并聯(lián)后與主整流器串聯(lián)構(gòu)成回路；每節(jié)車的四臺(tái)牽引電機(jī)主極繞組串聯(lián)，由一臺(tái)勵(lì)磁半控橋供電。以電機(jī)1M為例加以說明：（1 ）當(dāng)機(jī)車速度高于 33km/h時(shí)，機(jī)車處于純電阻制動(dòng)狀態(tài)，電機(jī)1M與平波電抗器和制動(dòng) 電阻