电气自动化毕业设计（论文）-SS9型电力机车电路研究.doc

宁夏理工学院毕业设计（论文） i 摘 要 随着电力机车技术的发展，机车控制系统性能的好坏越来越受到广泛的关注。因为， 机车控制系统性能的好坏在很大程度上影响着机车性能的好坏，从而影响列车运行的安 全性和可靠性。 ss9型电力机车作为我国自主研制的新型电力机车，采用了许多国际客运机车先进技 术，最高构造时速达 170km/h，满足了在长距离区间、长大坡道上牵引大编组旅客列车运 行的需要。通过对 ss9型电力机车主电路、辅助电路结构的研究及其运行工况的探讨，使 我们可以很好的了解该机车的性能，为以后更多快速运行列车工作状况的学习以及交流 传动电力机车的研究作铺垫。 本论文首先针对 ss9型电力机车的基本特性做了一定的介绍，再结合相关的理论基础 对该机车的主电路、辅助电路做了详细的研究。最后分析了 ss9型电力机车的牵引、制动 工况。作为 ss9型电力机车上一个至关重要的部分lcu 逻辑控制单元，我们也对其基 本结构和功能做了简单的介绍。 关键字：电力机车；主电路；辅助电路；lcu 逻辑控制单元；运行工况 宁夏理工学院毕业设计（论文） i abstract with the electric locomotive technology, locomotive control system performance is good or bad more and more attention. because the locomotive control system performance is good or bad to a large extent affect locomotive performance is good or bad, thus affecting the safety of train operation and reliability. ss9 electric locomotive, as china has independently developed a new type of electric locomotives, using many advanced technologies the international passenger locomotive, the maximum structural speed of 170km / h, met in the long interval, a large grouping of growing up the ramp on the traction needed to run passenger trains. by ss9 electric locomotive circuit, auxiliary circuit structure and its operating conditions of, so that we can well understand the performance of the locomotive, running trains for the future working conditions for more rapid learning and the ac drive electric locomotives research for bedding. this paper first ss9 electric locomotive for the basic characteristics of some description to do, combined with the theoretical basis of the relevant main circuit of the locomotive, the auxiliary circuit to do a detailed study. finally the ss9 electric locomotive traction and braking conditions. ss9 electric locomotive as a vital part-lcu logic control unit, we have to do its basic structure and function of a simple introduction. keywords: electric locomotive; the main circuit; auxiliary circuit; lcu logic control unit; operating conditions 宁夏理工学院毕业设计（论文） i 目 录 摘 要i abstract i 第一章 ss9 型电力机车的简介1 第二章 电力电子技术基础.2 2.1 电力电子技术发展2 2.2 电力电子的整流电路2 2.2.1 单相可控整流电路.2 第三章 ss9 型电力机车主电路6 3.1 主电路的特点6 3.2 主电路的构成6 3.3 整流调压电路7 3.3.1 主电路三段桥顺序控制运行如下：.7 2.3.2 在整流器输出端并联了电阻的作用.8 3.4.磁场削弱电路8 3.7.保护电路10 3.7.1 短路保护.10 3.7.2 过载保护10 3.7.3 过电压保护.11 3.7.4 接地保护11 第四章 电力机车牵引运行工况.13 4.1 牵引运行工况的介绍13 4.2 牵引运行工况的调压14 4.3 运行工况控制15 第五章 电力机车制动运行工况.17 5.1 纯电阻制动18 5.1.1 电阻制动原理及优势.18 5.1.2 制动力调节.18 5.1.3 电阻制动特性曲线.19 5.1.4 电阻制动工作范围.19 宁夏理工学院毕业设计（论文） ii 5.1.5 电阻制动的控制.21 5.2.加馈电阻制动22 第六章 整流装置.23 6.1 整流装置的主要功能.23 6.2 整流装置的均流与保护.24 6.2.1 整流装置的均流24 6.2.2 整流装置的保护24 6.3 整流桥臂的选择26 6.3.1 桥臂之路串联元件数确定.26 6.3.2 桥臂晶闸管并联支路的确定.26 6.4 整流装置的试验27 6.4.1 低电压大电流试验.27 6.4.2 绝缘试验.28 第七章 逻辑控制单元 lcu29 7.1 概述.29 7.2 ss9型电力机车逻辑控制单元的基本硬件 .29 7.2.1 主机板30 7.2.2 输入板30 7.2.3 输出板30 7.3 逻辑控制单元的功能.30 参考文献.32 结 束 语.33 致 谢.34 附 录.35 宁夏理工学院毕业设计（论文） 1 第一章 ss9 型电力机车的简介 ss9 型电力机车是通用化、标准化、系列化交直传动电力机车。电气线路主要由主 电路、辅助电路、控制电路组成。 机车主电路主要有高电压功率电气部件及附属测量、保护元件组成，完成电能与机 械能之间的转换，产生牵引力和制动力。主电路按其功能及电压等级划分为：网测电路、 整流调压电路、磁场削弱电路、牵引电路、制动电路、保护电路、测量电路几部分。 机车辅助电路由辅助电源及各种辅助电气设备组成，用来保证主电路发挥功率和实 现其性能，并为司乘人员和旅客改善生活和工作条件。辅助电路由传统的单三相供电 系统和列车供电系统两大部分组成。 机车控制电路由控制电源、主令电器及控制电气设备组成，完成对主电路、辅助电 路中各电气设备工作的控制，完成对机车的牵引、制动的操作和控制。控制电路由整备 控制电路、调速控制电路、信息显示电路、照明控制电路、控制电源电路几部分组成。 ss9 型电力机车在控制电路上采用了逻辑控制单元（luc） ，实现无触点控制以实现 电力机车电气控制线路的可靠性。luc 利用现代的电力电子技术和微计算机技术构成无 触点控制电路取代机车上原有的时间继电器、中间继电器等低压电器和大量的迂回线路， 具有控制方式灵活、编程方便、布线直观、检修条理清晰等特点，采用了无触点输出控 制方式解决了原有系统在强震环境下的不可靠问题。 宁夏理工学院毕业设计（论文） 2 第二章 电力电子技术基础 2.1 电力电子技术发展 在电力牵引系统中，为了完成从直流到交流或电能转换与控制，大量的应用各种电 力电子器件。 现在的电力电子技术是利用电力电子器件对电能进行变换、控制、开关的技术。现 代电力电子技术始于 20 世纪 70 年代，在开关技术的基础上，经过近 30 年的飞速发展， 现已以大容量、高电压、高频率、高效率、高性能、轻质量、小尺寸的面貌出现在各个 工业领域，发挥着巨大的作用。 20 世纪 70 年代，电力电子技术还是以晶闸管为主，而到 80 年代已发展成为自关断 器件的时代，以 gtr、gto 为代表的产品开关频率已达到 110khz，moset、tgbt 等 器件相继达到实用化，开关频率越到 10khz100khz 2.2 电力电子的整流电路 2.2.1 单相可控整流电路 1、单相半波可控整流电路 图 2-1 所示为单项半波可控整流电路的原理图，图 2-2 带电阻负载时工作波形。图中 变压器 t 起到变换电压和隔离作用，其一次侧和二次侧的瞬时电压值分别用和表示 1 u 2 u 其有效值分别用和表示、其中的大小根据需要的直流输出电压的平均值确 1 u 2 u 2 u d u d u 定。 t vt u2 ud uvt 图 2-1 单相半波可控整流电路原理图 图 2-2 单相半波可控整流电路波形图 在晶闸管 vt 处于断态时，路中无电流，负载电阻两端电压为零，全部施加于 vt 2 u 两端。如在正半周 vt 承受正向电压期间的时刻给 vt 门极加触发脉冲，如图 2-2 2 u 1 t 所示，则 vt 开通。忽略晶闸管通态压降，则直流输出电压瞬时值与相等。至 d u 2 u t t t 2 u2 ud uvt 宁夏理工学院毕业设计（论文） 3 时，即降为零时，电路中电流亦降至零，vt 关断，之后，均为零。图 2-2t 2 u d u d i 分别给出了和晶闸管端电压波形，波形与和晶闸管端电压波形波形与 d u vt u d i d u vt u d i 波形相同。 d u 改变触发时刻，和波形随之改变，整流输出电压为极性不变,，但瞬时值变化 d u d i d u 的脉动直流，其波形只在正半周内出现，故半波整流加之电路中采用了可控器件晶闸 2 u 管且交流输入为单相，故称该电路为单相半波整流电路。 从晶闸管开始承受正向阳极电压起到触发脉冲止的电角度称为触发延迟角，用表示 也称触发角或控制角晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度称为导通角，用表示直 流输出电压的平均值为 2 cos1 45 . 0 )cos1 ( 2 2 )(dsin2 2 1 2 2 2d u u ttuu =0 时，整流输出电压平均值最大，为 2d 45 . 0 uu =时，0 d u 在该电路中的取值范围 0。调节角即可控制大小。 d u 这种通过控制触发脉冲的相位来控制直流输出电压大小的方式成为相位控制方式。 2.单相桥式整流电路 单相可控整流电路应用较多的是单相桥式全控整流电路。我们分析电阻负载。电路 原理图如图 2-3 在单项桥式整流电路中，晶闸管 vt1 和 vt4 组成一对桥臂，vt2 和 vt3 组成另一 对桥臂。在正半周（即 a 点电位高于 b 点电位） ，若 4 个晶闸管均不导通，负载电流 2 u 为零，也为零，vt1、vt4 串联承受电压，设 vt1 和 vt4 漏电电阻相等，则各承 d i d u 2 u 受的一半。若在触发角 处给 vt1 和 vt4 加触发脉冲，vt1 和 vt4 导通电流从电源 2 u a 端经 vt1、r、vt4 流回电源 b 端。当过零时，流经晶闸管的电流也降到零，vt1 2 u 和 vt4 关断。 t t t 2 u2 ud uvt 宁夏理工学院毕业设计（论文） 4 图 2-3 单相桥式整流电路原理图 图 2-4 单相桥式整流波形图 在的负半周，仍在触发角处触发 vt2 和 vt3（vt2 和 vt3 的=0 位于 2 u 处） ，vt2 和 vt3 导通，电流从电源 b 端流出，经 vt3、r、vt2 流回电源 a 端。t 当过零时电流又降为零。vt2 和 vt3 关断。此后又是 vt1 和 vt4 导通，如此循环下 2 u 去，整流电压和晶闸管 vt1、vt4 两端电压波形分别如图 2-4 所示，晶闸管承受的最 d u 大正向电压分别为和。 2 2 2 u 2 2u 由于在交流电源的正负半周都有整流输出电流流过负载，故该电路成为全波整流电 路 整流电压输出的平均值为 2 cos1 9 . 0)cos1 ( 2 )(dsin2 1 2 2 2d u u ttuu =0 时，整流输出电压平均值最大，为 2d 9 . 0 uu =时，0 d u 在该电路中的取值范围 0。调节角即可控制大小。 d u 3.单相不对称半控桥式整流电路 图 2-5 为不对称半控桥整流器的电路，当负载为感性负载时，晶闸管 vt1 和 vt2 在 电压过零时，不再产生负的直流电压，而通过二极管 vd1 和 vd2 续流。结果使基波相位 移减少为，从而减少了无功功率，改善了电源的功率因数。 2 0 t t t 2 u2 ud uvt a u2 vt1 uvt u1 vt2 vt3 vt4 b i2 id ud r t 宁夏理工学院毕业设计（论文） 5 图 2-5 不对称半控桥式整流电路 图 2-6 不对称半控桥式整流电路整流波形图 4.顺序控制 图 2-7 由 2 个半控桥串联组成的所谓多段桥电路，用以改善功率因数和电流波形，与单相 整流电路比较，由于减少了延迟角而是供电电源功率因数提高，特别是在起动时更加如 此，在大功率领域中，并未看到功率因数显著改善到超过二极管构成的不可控整流器， 尽管如此，在牵引领域中，特备是采用电流型变流器供电的同步电动机系统中，大都以 此作为入端的交直变流器。 图 2-7 多段桥整流电器电路 图 2-8 多段桥整流电器电路整流波形图 ss9 型电力机车多段桥顺序控制过程（见附表一） 宁夏理工学院毕业设计（论文） 6 第三章 ss9 型电力机车主电路 3.1 主电路的特点 1.主传动型式采用交直传动和串励式脉流牵引电机，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 1/2， 的整流电压，另两段各为剩下的 1/2 的整流电压。前者用于启动时及低速区，而后者则用 于高速区，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平稳性。 机车在整个调速范围内是无级调速。 3.电制动方式电制动采用加馈电阻制动，在低速区有较大的制动力。 4.牵引电机供电方式采用转向架独立供电方方式，即每台转向架有三台并联的牵 引电机，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。 5.测量系统交直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，同时提高控制的精度。 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。 3.2 主电路的构成 1.网侧电路 网侧电路（高压电路）如图 3-2-1。其主要功能是由接触网获得电能，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、高压隔离开关、真空断路器、高压电压互感器、高压电流互感器、避雷器、 主变压器绕组。 高压隔离开关用于故障隔离受电弓。 高压互感器接在主断路器主触头之前，再起二次侧通过保护用自动开关，接有安装 于司机室内的网压表，电度表的电压线圈。 在主断隔离开关与主阀之间接有避雷器，用于移植操作过电压及运行时的累积过电 压。 宁夏理工学院毕业设计（论文） 7 高压电流互感器是原边电流测量装置，起作用为原边过电流保护。 2.低压部分有：电流互感器网压表、电度表、自动开关、接地电刷及变压器。 3.网侧电路电流通路 网测电流从接触网流入升起的受电弓，经主断路器、高压隔离开关、主变压器的高 压绕组进入车体，通过车体与转向架的软连线、接地电刷、轮对、钢轨，返回变电所。 图 2-2-1 网侧电路 3.3 整流调压电路 整流调压电路分为两个独立单元，分别向相应的转向架供电。如图 3-3-1 图 3-3-1 为端转向架单元的整流调压简化电路。 t t t 2 u2 ud uvt t t t 2 u2 ud uvt t t t 2 u2 ud uvt t t t 2 u2 ud uvt t t t 2 u2 ud uvt t t t 2 u2 ud uvt t t t 2 u2 ud uvt 宁夏理工学院毕业设计（论文） 8 牵引绕组 a1-b1-x1、a2-x2 电压有效值均为 686.8v，其中 a1-b1、b1-x1 为 343.4v，与 相应的整流器构成 3 段不等分整流桥。 3.3.1 主电路三段桥顺序控制运行如下： 先开放有牵引绕组 a2-x2 供电的整流桥晶闸管 t5、t6 顺序移相，调整电压有 0 逐渐 升至。整流电流由二极管 d1、d2 和 d5、d6 续流。在电源正半周期时，电流由牵 d u 2 1 引绕组 a2t5d2d1导线 71平波电抗器牵引电动机电枢主极绕组导线 72d6t6a2x2。这时第二段桥的元件交替导电第一段桥的整流管 d1、d2 起续流 作用。 当晶闸管 t5、t6 将满开放，但还未满开放时，投入绕组 a1b1 段的整流桥，触发 t1、t3，而 t5、t6 继续维持满开放。当电源为正半周期时若在相控角时触发 t3，则 电流由 a1d1导线 71平波电抗器牵引电动机电枢主极绕组导线 72d5d4x2a2t5t3b1a1。当电源负半周时，电流由牵引绕组 x2d3d2d1导线 71平波电抗器牵引电机电枢主极绕组导线 72d6t6a2x2d3d2a1b1。与前面不同的是 t1、d2 导通，t3、d1 截止。 t1、t3 顺序相移，整流电压在至之间调节。 d u 2 1 d u 4 3 当绕组 a1、b1 段整流桥将满开放时，投入绕组 b1、x1 段的整流桥，其过程与前类似。 t2、t4 顺序相移，整流电压在至之间调节。 d u 4 3 d u 2.3.2 在整流器输出端并联了电阻的作用 1、机车高压高压空载做限压试验时，作整流器的负载，其续流作用； 2、正常运行时，能够吸收部分过电压。 3.4.磁场削弱电路 当电机电压到最高值后，要求机车继续加速时，就要进行磁场削弱。ss9 型电力机车 采用晶闸管无机分路，来实现从满磁场到最深削弱磁场的连续平滑控制，以改善高速区 的牵引功能。 磁场无级削弱电路也是按转向架分为两个相同而独立的部分。以前转向架为例，从 电枢和磁场绕组的连接点 14、24、34 分别到第二段桥的二段桥臂中点 78、79 串入三对 磁场分路的晶闸管。 现以牵引电机 1m 为例来说明磁场无级 宁夏理工学院毕业设计（论文） 9 削弱的工作原理。如图 2-2-3、为满磁场的工作情况。这时与分路晶闸管联接的整流 桥处于满开放输出状态。晶闸管 t11、t12 当高速运行时（电源电压为，削磁）工作： d u 图 3-4-1 削磁运行电路图 当电机电压到最高值后，要求机车继续加速时，就要进行磁场削弱。ss9 型电力机车 采用晶闸管无机分路，来实现从满磁场到最深削弱磁场的连续平滑控制，以改善高速区 的牵引功能。 磁场无级削弱电路也是按转向架分为两个相同而独立的部分。以前转向架为例，从 电枢和磁场绕组的连接点 14、24、34 分别到第二段桥的二段桥臂中点 78、79 串入三对 磁场分路的晶闸管。 现以牵引电机 1m 为例来说明磁场无级削弱的工作原理。、为满磁场的工作情况。 这时与分路晶闸管联接的整流桥处于满开放输出状态。晶闸管 t11、t12 不参与工作，正 半波元件 t5、d5、d4 处于导通状态，负半波 d3、d6、t6 导通。 、为磁场无级削弱的工作工况，当电源的正半周时，相当于的工况。在 t11 未触发时，元件 t5、d5、d4 导通，在某一时刻触发晶闸管 t11，因 t11 加有正向压降， 其值等于励磁绕组的压降，d5 受反向电压迅速截止，电枢电流经 t11、d4 构成回路，此 时流过励磁绕组的电流被分流，励磁电流仅靠绕组电感储存的电能释放来维持，由固定 分路绕组 14r 续流构成续流回路，电流按指数曲线下降，原来励磁绕组中的电流减小， 所形成的励磁磁场削弱。电压过零时，即负半波的工作工况如所示，由于 t6、d6 的导 通，使元件 d5、d4 因受反向电压而截止，而流经元件 t11 的电流无通路而截止，在 t12 触发后励磁绕组再次分流。达到削磁的目的。 宁夏理工学院毕业设计（论文） 10 在整流器输出端并联了电阻 75r 和 76r，其电阻的作用有两个： 1、机车高压高压空载做限压试验时，作整流器的负载，其续流作用； 2、正常运行时，能够吸收部分过电压。 3.7.保护电路 机车主电路保护、过载保护、过电压保护及主电路接地保护 机车主保护器件为主断路器 4qf，其分断的故障除主电路的短路、牵引电机过载或 还火、主电路接地之外，还有辅助电路过载、短路、辅助电路接地、接触网停电或离弓 0.3s 的欠压保护等。 3.7.1 短路保护 1.短路保护器件为网侧主断路器 4qf。短路故障和过载性质相似，仅仅是故障电流的 数值较大，上升的梯度较大，因此要求故障发生后至保护器件 4qf 动作开断时间（保护 动作时间）尽可能短，是被保护对象（电器或电气设备）本身能承受这个期间短路电流 的冲击而不至于损坏。 a. 网测短路保护 当流经高压电流互感器 7ta（300a/5a）的电流超过整定值 520a 时，过流继电器 101kc（整定值 8.7a，允许5%）动作，主断路器 4qf 分断。 这种故障往往是车内 25kv 高压电路的对地短路，包括主变压器高压绕组的击穿，导 电杆的对地短路等。但车顶设备对地短路则不起作用，需由牵引变电所的油开关跳闸来 进行保护。 b. 整流器侧短路保护 整流器侧短路保护有以下几种： 牵引绕组短路；整流元件击穿形成的内短路；整流器母线间的短路。 当产生上述短路时，牵引绕组引线上的电流互感器 176ta、177ta、186ta、187ta（整定值 4400a）微机柜短路保护组件逻辑控制单元 （lcu）主断路器 4qf 分断。 3.7.2 过载保护 a. 牵引工况电机的过载和环火保护 当电机环火和过载时，由直流传感器 111sc161sc 检测电路微机柜保护组件，然 后分二路：一路至逻辑控制单元（lcu）主断路器 4qf 分断；另一路封锁整流桥 70v、80v。过载整定值 i=1520a。 宁夏理工学院毕业设计（论文） 11 b. 制动工况的过载保护 电枢电路过载及环火时，由直流传感器 111sc161sc 检测电流微机柜短路保护组 件，然后分二路：一路至逻辑控制单元（lcu）主断路器 4qf 分断；另一路封锁整流 桥 70v、80v。 励磁电流过载时，由直流传感器 113sc163sc 检测电流微机柜保护组件，然后分 二路：一路至逻辑控制单元（lcu）接触器 92km 动作；另一路封锁励磁整流桥。 制动电流过载整定值 i=1 150a。 励磁电流过载整定值 i=1 130a。 3.7.3 过电压保护 1. 大气过电压及操作过电压保护 过电压形成于雷击过电压或操作过电压，主要保护形式有： 避雷器 5f避雷器 5f 接于主断路器的隔离开关与主阀之间，为金属氧化物避雷器。 主要用于防止主断路器分断和合闸过程的操作过电压，也用于机车运行中的雷击过电压。 标准冲击波电压为 105kv。 阻容保护在牵引绕组侧设有 rc 网络吸收器（71c82c，73r84r） ，电阻为交 流电容器（1700v、18f） ，电阻由两支 6.2 电阻并联而成，阻值为 3.1。 压敏电阻牵引绕组侧还并联有压敏电阻 138rv、139rv、148rv、149rv，用以 抑制牵引绕组侧的过电压，过电压主要由大气过电压或操作过电压产生。阻容保护和压 敏电阻可将过电压限制到牵引绕组峰值电压的 2 倍以下。 2. 牵引电机的过电压保护 牵引电机的过电压保护由微机柜限制环节进行限制，使整流器的整流电压输出不超 过 1185v，允差2.5%。 3. 整流装置换向过电压保护 主整流装置的每一晶闸管和二极管元件上均并联 rc 阻容保护，用于限制整流元件换 向过程中产生的过电压，以保护元件本身。 3.7.4 接地保护 牵引工况时，由图可知，接地保护按“转向架供电单元”设置，所以除网侧电路外， 主电路中任一点接地，接地继电器均能动作，无“死区” 。 制动工况时，由图可知接地保护装置也是分区设置，不同的是端接地保护除保护 端转向架的电机电枢电路外，还保护六台电机的励磁电路。端的接地保护仅保护 宁夏理工学院毕业设计（论文） 12 端转向架的电枢电路。 主电路接地故障时，通过 97ke、98ke 的连锁触点使主断路器 4qf 开断。 接地继电器吸引线圈（20时为 120）流过 0.15a 左右的电流就动作，相当于电压 为 18v。因此电阻 193r（194r）为限流电阻；电阻 191r（192r）为线圈放电电阻，以防 止断续接地时产生的过电压；电容 197c（198c）则是抑制线圈二端因接地接通瞬间引起 的尖峰过电压。 如接地故障不能排除，而且主电路只有一点接地时，则可将开关 95qs（96qs）置于 故障位，将接地保护隔离。通过电阻 195r（196r）接地，维持故障运行，此时接地故障 电流流入大地。 宁夏理工学院毕业设计（论文） 13 第四章 电力机车牵引运行工况 4.1 牵引运行工况的介绍 ss9型电力机车牵引工况如图 4-1-1 所示： 图 4-1-1 牵引工况主电路图 机车牵引供电电路采用转向架独立供电的方式，第一转向架的 1m、2m、3m 牵引电 机并联，由主整流器 70v 供电。第二转向架的 4m、5m、6m 牵引电机并联，由主整流器 80v 供电。两组供电电路完全相同且独立。 牵引电机共有四个绕组，即电枢绕组、补偿绕组、附加绕组和主极绕组。前三个绕 组在电机出厂前已固定连接，简称之为电枢绕组，因此对外连接的只有电枢绕组和主极 绕组。串励电机的转向取决于这两个绕组的连接方式。 由于第一台牵引电机与第二台和第三台电机布置方向一致，其旋转方向相同，第四 台与第五台和第六台电机旋转方向相同，且两台转向架上的电机旋转方向相反。由此， 各牵引电机的电枢绕组与主机绕组连接方式是： 1m：a11a12d11d12 2m：a21a22d21d22 3m：a31a32d31d32 4m：a41a42d41d42 5m：a51a52d51d52 6m：a61a62d61d62 在单相相控电路整流电压波形有很大的波动，即含有相当大的高次谐波电压，因此 必须在电动机支路中串有平波电抗器 11l61l 以抑制该之路中谐波电流分量，改变电动 机的换向。 宁夏理工学院毕业设计（论文） 14 牵引电机隔离开关 19qs69qs 为但到双投开关，有上中下三个位置，上位置为运行 位，中为牵引工况的故障位。在牵引工况若牵引电机之一故障或其相应通风机故障时， 将相应电机的隔离开关置中间位置，其相应常开连锁接点打开接触器 12km62km 线圈 之一，使得电机支路与供电电路完全隔离。 在牵引电路中，牵引电机主极绕组与接地电器相连，处于低电位，而电枢 a11a61 点及附加绕组处于高电位。 库用开关 20qs、50qs 为双刀双投开关，有两个位置。当在运行时，其主刀与主电路 隔离，相应辅助接点接通受电弓电磁阀，方可升弓；放在库用位置时不能升弓，其主刀 将库用插座 30xs 或 40xs 的库用电源分别与 2m 与 5m 电机正负两端相连，即可在库内动 车。刀开关上具有接通 11km61km 线圈连接的辅助联接点，在库用位时可通过 11km61km 使相应的电机得电，达到动车、旋轮和试验转向的目的。 每台电机电枢电流、磁场电流和电枢电压将用电流传感器 111sc161sc、113sc163sc 和电压传感器 112sv162sv 测量，电压传感器接在 1m6m 的电枢两端，传感器除了提供司机室的电压表、电流表的信号外，还提供了子系统的反 馈信号，可实现高低压的隔离。 机车的方向控制可由转换开关的方向开关 107qpv、108qpv 完成。利用 107qpv、108qpv 的转换改变励磁电流的方向，从而改变电机的转向。 （励磁电流的改变 必须在机车停车后才能转换，否则会损坏机车） 4.2 牵引运行工况的调压 图 4-2-1 顺序控制调压电路图 宁夏理工学院毕业设计（论文） 15 牵引绕组 a1-b1-x1、a2-x2 电压有效值均为 686.8v，其中 a1-b1、b1-x1 为 343.4v，与 相应的整流器构成三段不等分整流桥。 主电路三段桥运行工况如下： 当低速运行时（电源电压在 0、满磁）的工作； d u 2 1 此时开放有牵引绕组 a2-x2 供电的整流桥晶闸管 t5、t6 顺序移相，调整电压有 0 逐 渐升至。整流电流由二极管 d1、d2 和 d5、d6 续流。在电源正半周期时，电流由 d u 2 1 牵引绕组 a2t5d2d1导线 71平波电抗器牵引电动机电枢主极绕组导线 72d5d4x2a2。在电源负半周期时，电流由牵引绕组 x2d3d2d1导线 71平波电抗器牵引电动机电枢主极绕组导线 72d6t6a2x2。第一段桥的 整流管 d1、d2 起续流作用。 4.3 运行工况控制 （1）控制目标的产生： 司机给定值与速度反馈信号一起进入牵引控制特性形成环节，微机根据这两个信号 生成符合机车特性要求的牵动特性曲线，其输出即司机控制目标的计算值。为考虑客运 机车的平稳启动及加速，司机指令信号设置了 12s 延时环节，即保证司机手柄突加时，司 机指令信号按给定的上升率限制曲线增加，防止了机车车辆的冲动。特性曲线的输出值 经复位上升率限制，牵引外包络线限制（粘着限制、换向限制）或制动外包络线限制 （最大制动电流和励磁电流限制）等限制比较，取最小值，再经过轴重转移电气补偿得 ，再经过空转/滑行校正得到目标控制值。作为电枢调节器和励磁调节器的给定值。 s i ss i ss i 1.采用特性控制：即低速时的恒流控制和设定速度点的准恒速控制。电机电流按下式 控制： （a） min 1305 880880 110 vn n im 式中 n牵引级位； v机车速速（km/h） n=018 级连续可调。 在粘着限制范围内，机车先按特性的 宁夏理工学院毕业设计（论文） 16 平直恒流启动，待机车速度升高进入特性的斜线段即准恒速控制区后，机车按准恒速运 行，同一级位的速度变化范围约 10km/h。 2.采用顺序控制方式。先开放大桥，再依次开放两段小桥，当机车速度小于 99km/h 时，电机电压限制值为 990v；速度达到 119km/h 时，电机电压限制值 1100v，即自动超 压，中间范围线性调整，超压后可进行磁场削弱，磁削弱时电机电压维持在 1100v。 ss9 机车无级磁场削弱的控制关键： （1）在第三段桥开放后，电机电压达到规定的限制值（1100v） ；或是在低压网压下 第三段已满开放时，尚不能满足司机手柄给定速度要求，则需开始磁场削弱。 （2）一旦开始磁场削弱后，要使电机电枢电压保持恒定，以免磁场削弱时有时无而 产生振荡。 （3）无级磁场削弱靠平滑调节晶闸管触发角来实现，要控制最深磁场削弱系数为 49%。 3.粘着限制由两段折线构成，用速度电流限制曲线作为粘着限制曲线。其表达式为： （a） max 1024 36 . 3 8 . 1321 v im 对轴重转移进行电气补偿。两个转向架分别补偿，前架转载 2.5%，后架增加 2.5%， 额定电流以下不补偿。 4.有速度监控装置常用制动外封锁口。 微机控制装置接收到列车运行监控记录装置的常用制动命令时（减速命令） ，封锁触 发脉冲，取消牵引动力。 宁夏理工学院毕业设计（论文） 17 第五章 电力机车制动运行工况 ss9 型电力机车采用了加馈电阻制动，在电气制动时，各励磁绕组串联后由励磁电源 供电，而电机的电枢电路除串有制动电阻外，还串入一段整流电源。其制动工况的简化 电路图如下： 图 5-1-1 制动工况主电路图 电制动时，位置转换开关 107qpr、108qrs 转至制动位，将牵引电机的电枢和励磁 绕组隔开，并将电机 1m6m 的励磁绕组串联起来，在电枢电路中串入制动电阻， 13r63r，并联后与上面的一段整流器串联作为加馈电源，端的下面一段整流器串联与 励磁绕组 a5x5 相连作为励磁电源。 电枢回路中由于串有整流器，因而电枢电流方向应与牵引时相同，所以制动时的励 磁电流应与牵引时相反（有“牵” “制”转换开关保证） ，以改变电机电势方向。 加馈电阻制动分为两个速度控制区： 1.高速区由于电势很高，足以维持一定的制动电流，所以无需电源参与工作，主 整流器仅起续流作用，晶闸管处于封锁状态。制动电流通路为主整流器二极管平波电 抗器（11l61l）牵引电机（1m6m）二极管 宁夏理工学院毕业设计（论文） 18 5.1 纯电阻制动 5.1.1 电阻制动原理及优势 电阻制动的基本原理是利用牵引电动机的可逆原理，在列车运行中，使电动机改为 发电机，由列车的惯性力带动该发电机运行，通过调节发电机的负载，改变发电机的输 出电流，从而可以调节阻止列车向前运行的制动力。 电力机车采用电阻制动，能提高列车下坡（特别是长大坡道）的平均运行速度。减 少闸瓦磨损，避免轮箍和闸瓦过热，保证列车在下坡时的安全可靠。 牵引电机从牵引工况过度到制动工况，必须做到以下几点 a 将牵引电机的励磁绕组与电枢绕组断开，改为他励方式并与电源接通，以建 立一定的磁场，是旋转的牵引电机变为发电工况。 b 牵引电机与电力机车主电路断开，使电枢绕组与制动电阻串联成独立回路， 使其产生的热量消耗在电阻上。 在制动工况时，牵引电机作为发电机运行。由于串激发电机电气不稳定性，且励磁 绕组与电枢绕组串联时，磁通难以控制，故电阻制动时牵引电机改为他励，这样可以在 较大范围内调节制动力，方便地控制列车运行速度。 5.1.2 制动力调节 制动力调节方法，可以从电机电磁转矩公式看出。式中为电机结构常数；为磁 t c 通；为制动电流。因此制动力大小可通过改变电机励磁磁通或制动电流来实现。改变 z i 制动电流可以通过控制晶闸管 t2、t4 导通角来控制输出电压的大小，从而控制制动电流 大小。 1.制动力计算 直流牵引系统在实施电阻制动时一般采用他励方式，其电路图连接如图所示，在电 阻制动时有如下电枢回路方程和电磁转矩公式： （5- )( zzdzzdded rirrince 1） （5- zdmd icm 2） dd z mz dd z em z ddem d n r c n r cc r ncc m 22 2 宁夏理工学院毕业设计（论文） 19 （5-3） （5- z d zmz d z e zm z de zz md r n ic n i c rc i nc ri cm 11 22 4） 将式 5-3 和 5-4 中的电动机转速和电机转矩，用速度 和制动力来表示，则 d n d mvb 有如下表达式： （5- v ircb zz 1 2 1 5） （5-v r c b z dz 2 2 6） 式 5-5 和 5-6 是电阻制动中两个基本表达式，分别表示在不同给定条件下电阻制动时 列车速度与制动力关系，这种制动力与列车速度关系成为电阻制动特性曲线。 5.1.3 电阻制动特性曲线 将电阻制动特性曲线绘制在同一个坐标图中即为电力机车电阻制动特性曲线。它由 以下两组曲线组成： （1）电力机车恒电流电阻制动特性曲线公式已说明，当制动电流保持恒定时电阻制动力 与速度成反比制动特性是一组双曲线。但当速度一定时，对应制动电流越大，制动力就 越大。 （2）电力机车恒励磁电阻制动特性曲线公式已说明，当励磁磁通不变时，电力机车电阻 制动力与速度成正比，制动特性曲线是一组过原点的直线簇，不同的励磁磁通对应着不 同斜率的直线。在电力机车速度不变的情况下，制动力与磁通的平方成正比，所以调节 励磁磁通对制动力有显著的影响。 5.1.4 电阻制动工作范围 列车在制动时由于受到电机、制动电阻和机车本身一些因素的限制，只允许在一定 的范围内使用电阻制动。如图所示，通常受到下列五个因素限制。 最大励磁电流限制。根据电机允许最大励磁电流所求出的制动力 f 与机车速度 v 的关系，如图所示的曲线，一般允许组大致选择等于额定电流，但考虑其热容量比制动 电阻大，可适当超过，超过太多，一则发热不允许，其次是此路饱和，磁通增加有限， 宁夏理工学院毕业设计（论文） 20 效果不明显。 最小励磁电流限制，励磁电流减小，引起主磁场减弱，使电枢反应强烈，造成主磁 场畸变，从而使换向器表面电势分布不均匀产生火花。最小励磁电流限制曲线如图曲线 2 粘着力限制。根据列车牵引计算规定，计算制动时粘着系数应比牵引时低 20%， 故可以表示为： 由此得出，机车能够实现最大粘着制动力： 最大制动电流限制。 此值根据牵引电机电枢绕组或制动电阻的允许发热而定。由于电机热容量大，故电 机的制动电流一般取决于制动电阻的容量。为了充分发挥制动效果，电力机车的制动功 率一般等于或大于电力机车小时功率。 牵引电机安全整流限制。 电力机车的最大速度限制 如图中曲线所示，电阻制动受电力机车机 械行走部分强度限制，实际上还有能受到线路 允许的速度限制，图示工作范围中 oabcde 所 限定的面积越大，表示调节范围越大，同时在 紧急停车过程中，倘若能按曲线 51 来调节制 动力，即可取得电阻制动效果。 最大制动力计算 当时，有 maxzz ii v ircb zz 1 2 maxmax 当，即时，有 maxdd maxll ii （5-v r c b z di 2 max 2 7） 根据式，可以获得最大制动力与最大制动电流，最大磁通（励磁电流）之间的关系， 如下式 （5- 2 max 2 max 2 maxdzi iccb 8） 图 5-1-1 电阻制动特性曲线 宁夏理工学院毕业设计（论文） 21 （5- maxmaxmaxdzi iccb 9） 将式中任一个表达式，可得最大制动力时的速度。 max b （5- max max max max l z z id z z i i i cr c ci r c c v 10） 式中为常数 cr c c z i 根据式可知，在保持最大制动电流，和最大励磁电流的条件下，最大制动 maxz i maxl i 力不变，但出现时的速度可以变化，与制动电阻的大小成正比，若制动 max b max b m v m v z r 电阻变小，速度也减小，在制动特性曲线上表现为曲线左移，从另一个角度来看， z r m v 曲线左移意味着最大励磁电流的制动特性曲线陡度增加，显然制动力随之增加，从而可 以提高低速时的制动力。 5.1.5 电阻制动的控制 电阻制动的特性曲线如图所示，图中 oabc 曲线是一种典型的制动特性曲线，oa 段 式恒励磁电流（恒磁通）的特性，ab 段是恒制动力的特性，bc 端是横制动电流的特性。 图中还有 v1 和 v2 两条恒速制动的特性曲线。恒励磁电流（恒磁通）特性和恒制动电流 特性基本特性，不同的励磁电流和不同的制动电流可以获得一簇曲线，而恒制动力特性 和恒速制动特性是调节特性，则是由两个基本特性的曲线来构筑，也即需要有控制系统 不断地调节励磁电流或制动电流来实现的。图所示说明理论上可以由一簇恒制动电流曲 线上 5678 点构成恒速制动特性，v1。反之也可以由恒励磁电流曲线构成，恒速制动特性。 1.恒制动力模型控制 根据式可以得到恒制动力时磁通表达式为 在电机磁通不饱和的条件下，磁通与励磁电流成正比 ， （5- vc rb i z d 2 vc rb i z d 11） 宁夏理工学院毕业设计（论文） 22 在电机磁通不饱和条件下，磁通与励磁电流成正比， （5- l ik d 12） 将上述两个表达式合并，可以得到在确定的制动电阻下，恒制动力控制时励磁电流 与列车速度关系式， （5- vc rb k i i z l 1 13） 从式已经得到 b 为恒值时励磁电流与速度的关系，控制系统根据检测的实际列 l iv 车速度可以得到励磁电流给定值，然后与检测到的进行比较后进行闭环控制，获v l i l i 得恒制动力特性 图式恒制动力控制结构示意图。其中是给定制动力，是根据公式计算的励磁电 r b l i 流给定，和是检测的制动电流和列车速度，环节则根据检测和计算当前制动 z ivb z iv 力，并与制动力给定值相比较，来实现恒制动力的控制。从图中可以得到恒制动力控 r b 制的最外环是制动力，而环内还包含两个内环，制动电流环合励磁电流环（恒磁通 z i l i 环） 。但实际过程中，恒制动力的实现主要是由恒励磁电流特性来完成；制动电流这个闭 环主要用于最大制动电流的限制。 maxz i 2.恒速控制模式 制动工况下恒速条件：f=0，b+w=0。由于阻力 w 的不可预知性，根据式（6.11）可 知当速度 v 为恒定值时，随制动力 b 变化而调节可以达到恒速。图是恒速控制的示意 l i 图。 恒速制动控制的系统中，闭环系统最外环肯定是速度控制环。图中调节手段是励磁 电流，一次励磁电流控制时一个内环。另外在内环中还包括有最大制动力限制和最大制 动电流限制。 5.2.加馈电阻制动 励磁电