第三章 电力机车.doc

第三章 电力机车第一节 电力机车的特点和分类电力机车是从接触网获取电能，用牵引电动机驱动的机车。这里叙述的电力机车仅指用于铁路干线的一般客货运电力机车，且以交直传动电力机车为主。一、电力机车具有一系列特点: (1) 可广泛利用多种一次能源如可以由热力、水力、天然气甚至于地热、原子能、太阳能等转换而来，只要有相应的发电站，便可以利用相应的能量。(2) 功率大由于在电力机车上没有产生能量的装置，也没有燃料储备，因而在同样的机车重量下，其功率要比自给式机车大。机车按单位重量所具有的功率称为机车的比功率，这是衡量机车技术水平的一个标志。目前电力机车的比功率一般达到40-60kW/t。(3) 速度高由于电力机车功率大，因而可以获得较高的速度。目前，一般客运电力机车运行速度已达160200km/h，货运电力机车也达到120140km/h。随着新型机车的不断出现，电力牵引的高速动车运行速度已达到300400km/h。(4) 效率高电力机车本身的效率为80%85%。但考虑到整个电力牵引系统，其平均效率则不是固定的，它与供电系统的电能来源有关，在由水力发电站供电的情况下，电力牵引的效率可达到60%70%。(5) 过载能力强机车在起动、牵引重载列车和通过困难区段时，具有一定的过载能力是十分重要的。对于非自给的电力机车，其能量是来自较强大的供电系统，因此机车的过载能力仅受牵引电机的限制，而牵引电机的过载能力是较高的。(6) 运输成本低电力机车检修工作量小，维修周期长，每两次大修之间运行公里数为蒸汽机车和内燃机车的2倍。由于电力机车运输能力的增加，足以补偿电气化初期投资，所以铁道电气化长远经济效益好。(7) 司机劳动条件好，无烟气排放污染电力机车不冒烟，不排废气，通过长大隧道时，乘务人员和旅客可免受烟气之苦，从而也为广大旅客创造清洁的旅行条件。此外，电力机车可以将接触网电能转供列车使用而不影响牵引功率，不用装设车下柴油发电机组，也不用发电车，提高列车的舒适度和经济性。(8) 不受外界条件限制在山区和高寒地区电力机车功率发挥更好。二、电力机车的分类 1、按机车轴数分四轴车 轴式为B0-B0；六轴车 轴式为C0-C0、B0-B0-B0；八轴车 轴式为2(B0-B0)；十二轴车 轴式为2(C0-C0)、2(B0-B0-B0)。轴式B表示一个转向架有2根轴;轴式C表示一个转向架有3根轴;脚号0表示每个轴有一台牵引电机;-表示转向架之间是通过车体传递牵引力。2、按用途分(1)客运电力机车。用来牵引各种速度等级的客运列车，其特点是速度较高，所需牵引力较小。(2)货运电力机车：用来牵引货物列车，其特点是载荷大，牵引力大，但速度较低。(3)客货通用电力机车：尤其是近年来新型电力机车中，其恒功运行速度范围大，可适用牵引客运列车，也可适用牵引货运列车。3、按轮对驱动型式分(1)个别驱动电力机车指每一轮对是由单独的一台牵引电动机驱动的电力机车。(2)组合驱动电力机车指几个轮对用机械方式互相连接成组，共同由一台牵引电动机驱动的电力机车。现代电力机车大都采用个别驱动方式，而很少再采用组合驱动。4、按电流制分类在铁道干线电力牵引中，电力机车主要按照供电电流制分为直流制电力机车、交流制电力机车和多流制电力机车。直流制电力机车即直流电力机车，它是由直流电网供电，采用直流牵引电机驱动的电力机车。它是发展最早的电力机车，其接触网电压通常为15kV和3kV直流电压。直流电力机车采用的直流牵引电动机结构简单、控制方便、易于维修、运用比较可靠。但由于接触网电压不高而使送电距离受到限制，变屯所数目增加，尤其不适于机车向大功率方向发展。其调速方法多采用调节起动电阻和改变电机连接方式，但能耗大并有一定冲击。目前，已大量使用晶闸管进行斩波调速，以实现无级调速而成为直流电力机车的发展方向。在意大利、西班牙、波兰、俄罗斯、日本、法国仍有相当数量的直流电力机车在运营。交流制电力机车又可分为单相低频(25Hz或162/3Hz)电力机车和单相工频(50Hz)电力机车。(1)单相低频电力机车它是在单相交流低频供电网下采用单相交流整流子电动机驱动的电力机车。低频是为了有利于单相交流整流子电动机的整流，其接触网电压可提高到11-15kV，便接触网简化，变电所数目减少，适应大功率牵引的要求。但因为供电频率与工业用电不同，需专门发电厂或在工业系统和铁道系统之间设置复杂的变频设备。等到单相工频制出现之后，单相工频电力机车的原理和电路应用到了单相低频电力机车中，两种机车除供电频率不同外，其间无大的区别。单相低频电力机车在早期发展电气化的国家中延用至今，在西德、瑞士、瑞典、挪威等仍在盛行，并占有一定比重。(2)单相工频电力机车它是单相交流工频供电网下采用的直(脉)流或交流牵引电动机驱动的电力机车。单相工频交流制自20世纪50年代开始发展而成为当今世界铁道电气化最先进的供电制。其接触网电压高达20kV或25kV，而且与工业系统频率相同。在这种电流制下工作的单相工频电力机车，又可分为交直传动电力机车和交流传动电力机车。(3)交直传动电力机车是由接触网引人单相工频交流电经机车内的变流装置供给直(脉)流牵引电动机来驱动的机车。伴随着半导体器件的发展，交直传动电力机车先后有整流(引燃管或半导体二极管)电力机车和目前最广泛应用的相控(晶闸管)电力机车。(4)交流传动电力机车是由接触网引人单相工频交流电经机车内的变流装置供给交流(同步或异步)牵引电动机来驱动的机车。与之相应的为同步牵引电动机电力机车和异步牵引电动机电力机车。交流传动电力机车的发展是起源于20世纪70年代。它的发展同样与新型功率半导体器件的层出不穷和微机控制技术的进步而密切相关，从快速晶闸管到GTO、IGBT(IPM)、IGCT，使1979年出现的E120型异步交流传动电力机车之后，又相继出现的同步型或异步型交流传动电力机车，充分展示了交流传动电力机车的优越性。当前，由交直交电压型变流装置和鼠笼式异步牵引电动机构成的交流传动系统已成为世界电力机车电传动技术的主流，这就是通常我们称之为交直交电力机车。多流制电力机车这种机车可以同时适用直流制、交流制在不同的频率、不同电压下工作。这是由于有些国家或相邻国家联运时存在着不同电力牵引供电网形成的，以西欧国家居多。第二节 电力机车概述电力机车由机械部分(包括车体和转向架)、电气部分和空气管路系统构成。车体是电力机车的骨架，是由钢板和压型梁组焊成的复杂的空间结构，电力机车大部分机械及电气设备都安装在车体内，它也是机车乘务员的工作场所。转向架是由牵引电机把电能转变成机械能，便电力机车沿轨道走行的机械装置。它的上部支持着车体，它的下部轮对与铁路轨道接触。电气部分包括机车主电路、辅助电路和控制电路形成的全部电气设备，在机车上占的比重最大，除安装在转向架中的牵引电机之外，其余均安装在车顶、车内、车下和司机室内。空气管路系统主要执行机车空气制动功能，由空气压缩机、气阀柜、制动机和管路等组成。新型电力机车的设计都遵循了简统化、系列化工作的原则，完全按标准化进行。这对于我们了解和分析不同型式的新型电力机车提供了方便。电力机车简统化、系列化工作原则的主要内容为：（1）主电路标准化设计。采用两种整流电路形式；两段桥、再生制动，牵引无级磁场削弱；三段不对称半控桥，加馈电阻制动，牵引三级磁场削弱。统一牵引电机电压等级，不同轴式采用积木式组合，货运机车牵引电机功率 800 kW，电压1000V左右，6极机，半悬挂，滚动抱轴承，单边刚性齿轮传动；货运机车采用机车功率因数补偿装置；统一装备有防空转、防滑行系统；统一装备有特性控制系统；采用标准电压、电流等级的主电路各类电器设备。（2）机车车体采用统一结构。统一的司机室基本设备及布置；统一的大顶盖结构及车顶预布线工艺；统一的高台架及车上布管工艺；统一的侧墙高度及结构，底架基本结构，架车升高高度。（3）统一的DK1型制动机。（4）统一的电子控制柜，电子插件采用模块化结构。（5）统一的大功率晶闸管与整流管。（6）统一的同一种类型转向架的基本组件，其中包括轮对系统、悬挂系统、基础制动系统等组件的统一。一、韶山8型电力机车简介韶山8型电力机车（代号SS8型，以下均用代号）是“八五”国家重点科技攻关项目（专题合同编号；85一40201一02）。原设计用于广深线准高速铁路，现用于我国主要干线铁路牵引提速旅客列车。1994年完成的两台SS8型机车样机，经20万km运行考核，井经多种试验，于1997年2月通过国家鉴定。为适应提速需要，1997年上半年已批量生产。1996年5月至10月间，SS8型电力机车在铁道部科学研究院环行试验基地型式试验时，最高试验速度达到187kmh1996年11月在郑州一浑河间提速试验和动力学性能试验时，正线最高试验速度达到 1853kmh，创既有线最高运行速度。1997年元月在高速综合性能试验时，创造了最高试验速度2126kmh的记录、1998年6月24日，经高速试验改进的SS80001机车在京广线的许昌一小商桥间创造了2396kmh的中国铁路新的第一速记录。SS8型客运电力机车是工频交流晶闸管相控机车，机车总图及外形尺寸如图1l所示。该机车采用B0B0轴式，总重88t，轴重22 t 。SS8型电力机车吸收了SS5型电力机车的技术，并改进提高，把机车持续功率提高到3600kW，机车最高速度提高到170kmh ，以适应铁路主要技术政策的要求。SS 8型电力机车主要技术特点为：1机车主电路为不等分三段半控桥式电路，转向架电机并联供电，采用晶闸管分路的无级磁场削弱电路，可实现全运行区无级调速特性。2机车动力制动为加馈电阻制动，在低速区，亦能保持大的制动力。3采用微机控制系统，控制功能有：特性控制；空转（滑行）保护控制；速度分级控制系统的制动配合控制；过相分段的操纵控制以及诊断、监测显示功能。4机车设有列车供电系统，可向旅客列车提供空调、采暖、茶炉、照明等供能电源。5机车可安装速度分级控制系统，与车载微机进行通信、查询，并执行牵引至电制动的优先转换、常用制动、紧急制动。6转向架为轮对空心轴六连杆弹性传动装置减轻了簧下质量。牵引装置为推挽式低位平牵引杆，牵引点高220mm。7 采用 900kw脉流电动机，该电机为全叠片结构，双 H绝缘。8采用DKl型制动机，具有空电联合制动功能，并能实现列车的电空制动系统的电指令直通控制。9经风洞模拟试验的机车外形，可减小风阻。10车体为整体承载结构，采用有限元分析优化设计。二、韶山8型电力机车的总体布置电力机车上有品种繁多的电机、电气设备以及元器件，为便于制造和检修，常把零散的元器件组合成相对独立的单元，设备布置就是把这些设备和单元合理地定位。一般设备布置应兼顾以下原则：1重量分布均匀。目的在于使机车轴重均衡，牵引力能充分发挥。2安装和维修方便。设备尽可能成套组装，容易接近，特别是在运用中经常要接近的设备，应留有足够的作业空间。3安全、凡危及人身安全的设备，要有防护措施，不耐热的设备和器件，应与热源远离或隔离。4经济。设备布置时，充分利用空间缩短车体长度，按电路走向布置相应设备，使大截面的电缆、母线、风管、风道尽可能短，以简化施工，节约用料。5舒适、机车的空间小，工作时又是运动的，为乘务人员提供一个舒适的工作环境，以便安全操纵机车是十分必要的。在舒适方面，重点要考虑司机室的设备布置，要求人机之间的作业范围合适，操作方便，视线角度合理，容易正确观察仪器、仪表及信号灯指示。噪声源远离司机室，留出必要的工作和生活空间。机车通风的作用是使发热部件散热，使其在允许温度内正常工作。要充分利用冷却风源，进风速度要尽可能低，以减少尘埃侵入；风道短，弯道圆滑过渡，减少风压损失。通风方式有两种：一种是独立通风，设置专用风道；另一种是车体通风，风由侧墙吸入车内，风进车内后再自行分配进入各风道。有时两种通风方式混合使用。A. 设备布置SS8型电力机车为四轴客运机车，其总体布置原则上仍采用我国韶山型电力机车的布置方式，即双侧走廊、两端司机室，各设备采用斜对称布置等。为适用机车准高速客运的要求，在具体的布置上与以往机车有较大的不同。其特点有：图321 机车设备布置总图（列车供电方式改造后）l司机室设备布置；2机械室设备布置；3电器室设备布置；4变压器室设备布置；5车顶设备布置；6辅助设备布置；7机车布线。1、机车的电气柜采用了适当集中方式，尽量减少电气柜的数量。例如：将高、低压电气柜合并成两个电气柜，仅用一个整流柜，一个电阻柜，一个电空柜，微机柜与电源柜合成一个。与SS4型机车比较，电器柜从11个减少至7个，除减轻重量，减少组装时吊装工作量外，更主要的是减少了各电气柜间控制导线的联接及接插件的数量，以减少机车的故障率。实际运行表明，机车故障相当一部分是因接头接触不良产生。2、SS8机车的主变压器、平波电抗器置于同一油箱内；并与油散热器做成一体，总组装时一起吊装。该设备置于机车中部，并下沉于车体底架下，以降低机车重心。3、SS8型电力机车采用电阻制动，制动电阻的冷却采用独立风道通风方式。4、车体采用大顶盖结构，主电路、辅助电路电缆布于台架下，控制电缆布于走廊上部的顶板上，使高低压布线分开布设。也有利于机车预布线工艺，缩短总装周期。机车的总体布置分车顶布置，车体底架下布置及车内布置三个部分。车体底架下安装有二台动力转向架，两个总风缸（总容积为1000L），制动用压缩空气干燥器，两个蓄电池箱柜分置于主变压器的两侧，每一蓄电池箱柜内有100Ah的蓄电池37个。牵引电动机的风口通过帆布连管与底架上的风口相联。图322 司机室设备布置l一正司机台；2一副司机台；3一司机座椅；4一空调；5一暖风机。机车车体内安装了机车的主要电气设备。按功能分为：I、II端司机室，变压器室，I、II端电器室，I、II端机械室。两侧有连通全车的贯穿式走廊。电气设备多布置在各室内，尚有一些设备布置，在车顶及其他部位。机车设备布置总图见图2l所示。1、司机室设备布置SS8型电力机车为两端司机室布置，两司机室的布置完全相同，面积均为 2250mm 3000mm。司机室的设计考虑了司机能清楚地瞭望前方情况和仪表显示，方便司机操作，以及改善司机室的环境条件。司机室设备以正、副司机为中心作合理布置，司机室设备布置见图322所示。（1）司机操纵台a、正司机台正司机台布置见图323。正司机台最左边安装板上装有机车空气制动系统的图323 正司机台示意图1主台仪表；2主台显示；3微机显示；4司机主控制器；5正台按键开关；6电控制动控制器；7空气制动阀压力表，以显示列车管压力、总风缸压力、制动缸压力，均力风缸压力。从左自右为双针双管总风缸、均衡风缸压力表，双针双管制动缸、列车管压力表。气压表量程分别为1600kPa和1000kPa。牵引电机1、牵引电机3（II端牵引电机2、牵引电机4）电枢电流表，励磁电流1、励磁电流3（II端励磁电流2、励磁电流4）电流表，牵引电机电压表（1、3）（II端2、4），网压表，辅压表从左自右排列，均为双针表。型号为YS3。另外还装有刮雨器控制旋钮，上旋钮是调速钮，下旋钮是控制钮。第二块安装板上安装有双针速度表，型号为EGZ38。绿指针指示实际运行速度，红指针指示区间限速，实际速度由第二轴速度传感器检测速度信号，经LKJ93型列车运行监控记录装置处理后发出速度指令。限速命令也由LKJ93型列车运行监控记录装置送出，用以提示乘务员注意列车速度，若列车运行速度超过限速，监控装置将实行干预使列车减速。第二块安装板上还装有主台故障显示屏，用以提示机车现有状态及故障情况。另外还设有“紧急”、“警惕”、“微机复位”、“信号检查”按钮，其中“微机复位”按钮的作用是当微机发生死机故障时进行临时应急处理，按钮按下时，主调速手轮应处于零位。“信号检查”按钮按下后，主、副司机台上的故障显示屏内所有发光二极管都在，显示所有的信号内容，用以检查显示屏状态是否完好。第三块安装板上安装有微机显示屏。第二代是液晶显示。等离子体显示屏显示面积为211mm132mm，采用汉字显示，带有一级汉字库。键盘上有7个键，其中5个为功能键，用于莱单选择；1个亮度控制键和1个复位键。液晶显示屏附带集成插件板，无需显示控制箱，使结构更趋合理紧凑。在液晶显示屏上所有电机的电枢电流、电压均能在同一级显示屏中出现，还增加司机给定级位显示，保留原有的速度显示，ATC接口，上下控制机箱状况，牵引工况，电制动工况的显示。在第一级显示内容中还可同时反映当时出现某些故障的信息。第二级显示可以反映故障出现前后约1SS时间内检测信号、指令信号、控制信号的动态变化曲线，以及其他辅机的故障情况。主司机台上还有主按键开关箱、司机控制器、调车控制器以及DK1制动机系统。主按键又关箱由11个TKA1型按键开关、电源联锁开关及机械联锁机构组成，是司机操纵器的主令开关。开关箱左端是钥匙锁，具有电联锁与机械锁功能。将钥匙插入锁孔向前推转约45，电联锁开关接通，同时机械锁的锁板被打开，按键开关方能进行按合操作。按键开关的排列，由左至右分别为“主断路器断”；“主断路器合”；“后受电弓”、“前受电弓”；“劈相机”；“压缩机”；“通风机”；“强泵”、“减光”、“副前照”、“前照”。按键开关工作位为按下呈倾斜状态，非工作位为水平状态，其中主断路器“断”、“合”按键开关为自复式，而“副前照”、“前照”按键开关不受机械锁的锁板限制，可随意分合。司机控制器是选择机车运行方向、确定牵引或制动工况、调节机车速度的主令控制器，由两个部分组成。右手柄为换向手柄，可实现机车制动、牵引向前、牵引向后工况的转换；左手轮为调速手轮，顺时针旋转是牵引，逆时针旋转是电制动，牵引位刻有018级，电制动位刻有180，牵引、电制动之间有一个机械零位。手轮和手柄之间互有机械联锁限制。调车控制器是为司机调车作业而专设的，安装在正司机侧窗的左下方，便于司机在调车作业时向机车前、后方盼望。利用司机控制器的换向手柄作为调车控制器操纵手柄，只设向前、向后两个方向操作位置，均是06级。DK1制动机包括我们常说的大闸、小闸控制器，安装在主司机台的左边靠侧窗位置。图324 副司机台示意图1一副台监控；2一副台显示；S一副台开关；4一副台按键开关。左边侧窗处还设有一个记事灯，供司机夜间行车时作记事照明。b、副司机台（图324所示）副司机台从左至右三块面板上分别安装有不同的电气仪表及开关。副司机台上还有副按键开关箱，由12个TKA1型按键开关组成，无锁扣装置，按键开关的排列由左至右分别为：“备用”、“备用”、“电扇”“前标志灯”、“后标志灯”、“副后照灯”。“副前照灯”“前照灯”、“后照灯”、“仪表灯”、“走廊灯”、“司机室灯”。2、机械室设备布置I端机械室设备布置：I端机械室内装有供I端转向架两台牵引电机通风用的牵引风机，一台空气压缩机，电源微机柜，信号柜，工具柜，一台劈相机。II端机械室设备布置：II端机械室内装有供II端转向架两台牵引电机通风用的牵引风机，一台空气压缩机，供电整流电容柜，一台劈相机。3、电气室设备布置电气室介于机械室和变压器室之间，室内以高压电器为主，两端设备基本上对称布置。I端电气室装有整流柜和电器柜。II端电气室装有制动电阻柜和电器柜。图325 I端机械室设备布置（列车供电方式改造后）l一信号工具柜；2一劈相机；3牵引通风机；4压缩机4、变压器室设备布置变压器室位于机车中部，主要安装TBQ95816/25型牵引变压器及其附件，以及阻容保护装置。图325所示。5、车顶设备布置图326 变压器室设备布置（列车供电方式改造后）1一阻容柜；2一牵引主变压器（内装滤波电抗器）；3一阻容开关柜。34机车车顶设备属高压户外电气设备，既要满足机车电气性能的要求，还要具有抗风沙、雨雪侵袭以及防污染的能力，车顶设备布置见图326。车顶两端各装一台 TSG363025型单臂受电弓，受流滑板中心线与转向架旋转中心相差700mm。两台受电弓及电器设备通过车顶母线并联，受电弓和车顶母线都用25kV高压绝缘瓷瓶支撑。在机车中央顶盖上装有一台TDZIA1025型空气断路器，它是机车的总开关，承担机车正常工作时电路的分、合闸。一、机车通风方式 SS8型电力机车采用车体通风和风道式独立通风两种通风方式。进风口由侧墙上2 X 10块立式百叶窗组成，有同样数量的无纺编织料过滤器，各百叶窗进风口平均风速约为17ms。SS8型机车通风系统示意图，见图 327。图 327 SS8型电力机车通风系统示意图1一牵引通风支路；2一硅机组通风支路；3一变压器通风支路；4一制动电阻通风支路；5一侧墙过滤器和百叶窗。 第三节 电力机车的基本工作原理 一、电力机车调速原理及劈相机原理 电力机车的工作特性主要取决于作为牵引动力的牵引电动机，其原理及特性如下： (一)直流电动机的工作特性 直流电动机由于励磁型式的不同，其特性各异。按励磁线圈接入电抠的方式不同分为串励、并励和复励。只有串励电动机才适合于电力牵引，其接线原理及特性如图54所示。 串励牵引电机具有人们常说的牛马特性。即上坡时，电流很大，速度可以很慢，但理论上不会停车(即特性曲线永远不会与横坐标相交)，即所谓的爬坡像牛一样的有劲，而在乎直区段行驶时电流很小，速度很快，理论上可以达到无限快(即特性曲线永远不会与纵坐标相交)，即所谓的平道行驶像马一样跑的快。 (二)直流串励牵引电动机的调速 当电动机的电枢(转子)在磁场内旋转时感应电势，其值由下式求得 EKn式中 E电机电势(近似电机外加电压)； K常数(对某一具体电机而言，极对数、导体数等确定后，x为一定数)； 磁极的磁通量； n电机转速。 可知 n V / 这个数学关系，说明了电机的转速与电枢的电势成正比，而与磁场的磁通量成反比。也就是说：当逐渐提高电动机的外加电压时，电机的转速就会逐渐加快；当外加电压一定时，减少磁通(亦即减少励磁电流)电机转速还可以进一步提高。这一概念对于理解电力机车调速及机车高速下使用磁场削弱进一步提高机车运行速度极为重要。 (三)三相感应电动机的调速 感应电动机是应用最广的电动机，它由定子和转子组成。定于是电动机的不转动部分，它的任务是利用三相交流电形成一个旋转磁场；转子是一个可以转动的部分它在旋转磁场作用下产生感应电流并受磁力矩的作用而转动。但转子的转速永远不能达到旋转磁场的转速。如果转子的转速与旋转磁场的转速相等的话lM转子与磁场之间就没有相对转速，转子受不到磁力矩的作用，这时转子内不再有感应电势和电流的存在，因此，转子的转速永远达不到旋转磁场的速率。正是由于这一原因，所以感应电动机又称异步电动机或称非同步电动机。 感应电动机的转速可用下式表示 n60fp式中n电机转速； f电源频率； p电机的极对数。 电机的转速与电源频率成正比，与电机的极对数成反比。当电源频率一定时(我国为50Hz)，极对数越少，转速越高。正如我们常识所知道的那样常用的二极、四极感应电动机，它们的同期转速分别为3000转分、1500转分，但又永远达不到这个转速值，只是接近这一值。综上所述，可知感应电动机的转速调节只有改变频率或极对数，改变极对数特使电机结构复杂，且达不到均匀调速的目的；一般采用改变频率的办法实现调速。 (四)劈相机原理 由于电力机车上的辅助电机，如停车或减速制动用的空气压缩机，用作机车主变压器、整流器、平波电抗器、牵引电机等通风散热的通风机，强制变压器油循环用的潜油泵等，都是使用性能可靠的三相鼠笼式异步电动机拖动。这些电动机的三相电源，是利用装设在机车上的一种特殊的“相变换电机”供给的，这种特殊的电机能把单相电源变换成三相电源，所以称为劈相机。图331劈相机定子绕组的接线原理 劈相机实际上是一台单相电动机和三相异步发电机组合在一起的特殊电机，然而在构造上并不是由两台独立的电机构成的，而是利用大家比较熟悉的鼠笼式异步电动机原理，用单相电源起动电动机，通过绕组上特定的连接产生相位差，劈成我们所需要的三相电源。劈相机定子绕组的接线原理如图55所示。劈相机旋转的转子在图中没有画出，它与通常的鼠笼式三相异步电动机的转子基本相同。 图中的a、x接在电力机车主变压器次边固定电压的单相端子上； C1、C2、C3即是输出的三相电源。电阻R是在劈相机单相起动时接入的起动后立即断开，因此也称起动电阻。根据劈相机的功能，通常把U、V相绕组称为电动相绕组，而把W相绕组称为发电相绕组。二、整流电路(一) 单相中点抽头式不可控整流电路 接触网供给电力机车的是单相交流电，而机车上的直流牵引电机需要直流电，所以必须把交流电变换成直流电，这一任务由机车上的整流机组来完成。因此，整流电路就成为机车上的重要环节。国产韶山l型电力机车的整流电路是单相中点抽头式不可控整流电路，其原理如图328所示。 由图332可知，工颇单相交流电由接触网1，通过受电弓2引入牵引变压器3的原边(高压)绕组，然后经轮对、钢轨回到牵引变电所。牵引变压器的次边(低压)绕组(又称牵引绕组)分为两相，即oa和ob，其电压相等，相位相反。由于两绕组oa和ob串联，从中点。抽出一头，故称中点抽头式。图332整流器式电力机车接线原理1接触网；2受电弓；3牵引变压器；4硅整流器；5牵引电动机；6平波电抗器；7调压开关。 当机车工作时，牵引变压器高压侧绕组两端加有单相正弦交流电，低压侧产生 感应电压。在相应于正半周的时间内，若a点电位高于o点，于是左侧整流器4导电。这时电流自a点流出，经左侧硅整流器、牵引电动机5、平波电抗器6，最后回到牵引变压器中点o。与此同时，右侧整流器承受反向电压而不导电。在负半周的时间内，b点电位高于o点，则右例整流器4导电。电流自b点流出，经硅整流器、牵引电动机5、平波电抗器6最后回到牵引变压器中点o。此时，左侧整流器承受反向电压而不导电。综上所述，牵引变压器低压侧绕组的两个臂oa和ob在电源正负半周交替导电，在K、o两点间得到整流电压，通过牵引电动机的电流连续不断，且电流的方向也不改变，总是从K点到o点。这样，就保证了直流串励牵引电动机的正常运转同时通过调压开关7，可对牵引变压器低压侧绕组的调压分接翻头进行切换，从而改变硅整流器4的输入电压，达到调节直流输出电压，即调节牵引电动机转速的目的。 对于整流器式电力机车来说，由于其整流电路的电压高、电流大，用单个硅整流元件作为机车的整流装置是不行的，因为单个硅元件的电压和电流有限，所以，机车的整流装置，一股都由一定数量的硅元件通过串、并联组合而成。串并联数的多少，与硅整流元件的额定参数、特性以及机车主电路的形式和参数有关。整流臂中串联的元件数，是根据整流臂所承受的最大反向峰值电压和硅整流元件本身的反向峰值电压确定的；而并联的元件数，则根据牵引电动机的最大起动电流和硅整流元件的额定正向平均电流确定。一句话，电压决定于串联元件数量，而电流决定于并联元件数量。 中抽式整流电路的优点是结构简单。缺点是牵引变压器低压例绕组利用率不高，即每一相绕组只有半周时间在工作。（二）单相桥式可控整流电路分全控整流电路和半控整流电路两类。全控整流电路的桥臂都用可控硅，多用在有特殊要求的场合，比如，要求电力机车图333半控桥式整流电路能够进行再生制动时、则必须采用全控整流电路，以便解决把直流电变换为交流电的问题。对一整流器式电力机车来说。为了达到可控整流的目的，只有两个桥臂用可控硅，而另外两个桥臂则用硅二级管，见图436，。全控整流电路和半控整流电路的差异在于：前者既可进行整流，又可实现逆变（即把直流电变换成交流电八而后者只能进行整流，不能实现逆变。因此，在不需要逆变的情况下，半控桥式整流电路在整流器式电力机车上得到广泛应用。图33一3所示为半控桥式整流电路的基本形式，其中可控硅T1；和T2为不共阴极连接，硅二极管D1和D2兼有流续作用。对于可控整流电路来说，通过调节可控硅控制角a的大小，即可改变整流电压的波形ud=f（ t）以及整流电压的平均值比Ud当控制角为时，整流电压和整流电流的波形如图334所示。图334半控桥式整流电路整流波形在分析半控桥式整流电路的工作原理时，为了突出主要问题仍然假设L= 一，整流电流被完全敷平。同时不考虑换相重叠角，即认为XS = 0，换相过程是瞬时完成的。由图333和图334可知，在牵引变压器低压侧电压u2的正半周时间内（a点电位高于b点），触发脉冲于 t = 时刻加到可控硅Tl上，于是Tl导通，则T1和D1导电。电流 iT1自 a点流出，经 Tl、M、PK和硅二极管 D1回到 b点，且 iT1 = iD1。= i d。在 u 2的负半周时（b点电位高于 a点），触发脉冲于 t = + 时刻加到可控硅T2上。于是T2导通，则 T2和 D2导电。电流iT2自b点流出，经硅二极管D2、M、PK和T。回到a点，iT2 = iD2= i d。以后则重复上述过程。电力机车的电气线路按其功能和作用的不同，分为主电路、辅助电路及控制电路三大系统： 1主电路是特产生机车牵引力和制动力的各有关电气设备，按设计要求在电的方面连接成一个独立的电系统，以实现机车的功率传输，将接触网汲取的电能转变成牵引列车的机械能。SS8型电力机车主电路的电气设备主要包括受电弓、主断路器、牵引变压器、整流装置、平波电抗器、制动电阻和牵引电动机等。主电路是电力机车的高电压、大电流动力回路。 2辅助电路是将机车上为主电路电气设备服务的各种电气设备和辅助电源，按设计要求在电的方面连接戊一个独立的电系统，以确保主电路正常工作。辅助电气设备包括：作为机车气源的空气压缩机，冷却牵引电动机、整流装置、乎被电抗器以及牵引变压器的通风机组，强迫变压器油循环用的潜油泵等。实际上，辅助电路就是给上述辅助机组的拖动电机提供电源的电气线路。由于机车辅助机纽的拖动电机采用了三相异步电动机，而机车电源为单相，通常是由牵引变压器低压侧的辅助绕组提供单相交流电源。然后再由劈相机将单相交流电转换成三相交流电。为了改善乘务人员的工作与生活条件，辅助电路内还有取暖、热饭、降温等辅助设备。按电压等级为380V和220V。 3控制电路是将控制机车主电路和辅助电路中各种电气设备的控制电器同控制电源以及照明、信号显示等装置，按设计要求在电的方面连接成一个独立的电系统，以实现对整台机车的操纵和控制。控制电路是电力机车的低电压、小电流回路。其中有触点控制电路包括司机控制器、各种控制开关、接触器、继电器、电空阀等；无触点控制电路则包括机车上的微机、信号、通信、故障显示等各种电子设备电路。上述各控制电气设备及照明、信号显示等装置均由控制电源供电，控制电源采用晶闸管直流110伏稳压电源，再配以蓄电池组作为备用电源。在电力机车上普遍采用既安全又方便的间接控制方法，即司机通过其控制器和按钮开关来操纵各种低压控制电器，然后再通过这些电器去控制主电路相辅助电路中各种电器的接通或断开，以改变主电路和辅助电路的工作状态，从而使机车技照司机的意图运行。这种以低电压、小功率、轻便的控制设备去操纵高电压、大功率、笨重的电气设备的间接控制系统，具有操纵灵活、方法简便、性能良好、安全可靠等优点。 综上所述，电力机车的电气线路由主电路、辅助电路和技制电路三部分组成。这三部分在电方面是相互隔离的但通过电磁、电空或机械传动等方式又将它们相互联系起来，使三者互相配合，协调动作，从而实现机车的运行。 SS8型电力机车的主电路电路的特点如下：（1）主传动采用串励脉流电动机驱动。电动机的速度采用端电压无级调压和无级磁场削弱方式进行调速。 （2）电压调节与磁场削弱一电压调节采用三段半控桥相控整流无级调压；磁场削弱采用晶闸管分路的无级调节。因而机车在整个调速区内均是无级的。 （3）供电方式一电动机的供电按转向架独立供电，即一组整流器对同一转向架的两台并联电动机供电。当一组整流器故障时，可保持机车12的牵引力；当一台电机故障时，可保持机车牵引力的34。（4）动力制动采用加馈电阻制动，在低速区可以有较大的制动力。（5）测量系统电流、电压的测量采用传感器方式，可使高压与测量控制系统隔离。图335 网侧电路原理图（6）保护主电路中设有各级电流的短路和过载保护，过电压、接地、小齿轮滞缓等保护。（一）网侧电路网侧电路如图335所示。同侧电路为25kV高压电路。单相工频交流电流从接触网流入升起的受电弓，经主断路器QF、主变压器的高压绕组AX，进入车体、轮对、钢轨、返回变电所。高压电压互感器1TV是检测机车所在位置接触网电压的电器，变比为25000V100V。它接在主断路器之前，二次侧通过保护用自动开关QA，接网压表1PV、2PV及电度表PJ的电压线圈。升起受电弓，就可判断接触网是否有电。主断路器QF除接通和开断机车的总电源外，当主电路发生短路、过流、接地等故障时，起最后一级保护作用。在主断路器的隔离闸刀一端（71号线）接有避雷器F，用以抑止操作过电压及雷击过电压。电流互感器1TA和2TA都用以测量主变压器的同侧电流。但作用不同。电流互感器1TA主要用作短电流的检测，是保护用互感器，用以驱动过电流继电器5KC动作，因而对其饱和度有较高要求，对其检测精度要求比测量用互感器为低。它接在高压绕组的A端，即使主变压器高压绕组对地短路也能保护。互感器2TA用来检测机车正常运行时的工作电流，要求有较高的测量精度，负载为电度表PJ的电流线圈。它安装于高压线圈的X端，以降低互感器的耐压要求。机车每一轴端装有接地电刷IE4E，用以构成回流电路，以防止电流流过车轴轴承产生电蚀。轮对的另一轴端装有速度传感器SDISD4，用以检测轮对的转速。二、整流调压电路整流调压电路由两个独立的单元组成，分别向相应转向架上两台并联的牵引电动机供电。现以其中1端转向架的整流调压单元来说明其调压过程。图336为1端转向架单元整流调压的简化电路，总的调压方式是通过牵引绕组的投入与晶闸管相控角的变化来达到。网侧25kV电压经主变压器降压，牵引绕组alb1一xl、a2x2的绕组电压已降至686.6V，其中alb1、b1xl绕组电压为343.4V。这些绕组与相应的整流元件构成了三段不等分整流桥。图336 整流调压电路原理图对半控整流桥来说，在忽略电抗压降与电阻压降时，整流电压Ud、绕组电压U2与相控角间有下面的关系改变相控角的大小，即可改变整流电压值。图337 整流电压波形我们先交替控制晶闸管V10、V11使牵引绕组a2x2供电的整流桥开放。例如在正半波的某一时刻，触发晶闸管Vll（相应于一定的相位角），这时电流由牵引绕组的 a2V 7V2V1一导线1一平波电抗器一牵引电动机电枢一励磁绕组一导线3V12V11x2一牵引绕组a2，二极管V1、V1、V12起到了续流的作用。同理，在负半波的某一相位角，触发晶闸管V10，电流则由牵引绕组x2V10一V2V1一导线1一平波电抗器牵引电动机电枢励磁绕组导线3V9V8a2牵引绕组一x2，二极管V1、V2、V9起续流作用。当相控角由180变至0时，整流电压由0逐渐上升至整个整流电压Ud的12。在整流过程中，第二段桥（即绕组a2x2所连整流桥）的元件交替导电，第一段桥（绕组al一b1x1所连整流桥）的整流管V1、V2起续流作用。整流电压波形如图337（a）所示。当晶闸管V11、V12将满开放，但还未满开放时，投入绕组alb1段的整流桥，即交替触发晶闸管V3、V4；同时继续减小晶闸管V10 V11的相控角直至满开放，即在电压过零点时触发晶闸管V10、V11，这时控制晶闸管V3、V4的相控角，使电压继续上升。当电源为正半周时，若在相控角a时触发晶闸管V4，则电流由牵引绕组alV1导线1一平波电抗器一牵引电动机电枢一励磁绕组V12V11x2一牵引绕组a2一V7V4、hi十牵引绕组、al。与上述不同的是有二段牵引绕组即alhi、aZxZ投入了工作。当电源为负半周时，与上不同的是整流元件V2、V3导电，V1、V4截止。随着晶闸管V3、V4相控角的减小，整流电压将由整个整流电压的12增大到34。整流电压波形如图337（b）所示。当绕组a1b1段整流桥将满开放时，投入绕组b1xl段的整流桥，其过程与前类似。整流电压由整个整流电压的34增大至全部整流电压，整流电压波形如图3一37（c）所示。另外，当晶闸管未触发时，即在相控角a这一段时间内，牵引电动机的电流将通过二极管元件 V1、V2、V7、V8、V9续流。电阻19R为整流桥的负载电阻，以实现晶闸管整流电路的空载高压试验。II端转向架的整流调压电路与1端转向架类似。三、牵引电路SS8型电力机车牵引工况的简化电路如图33 所示。图33 牵引工况简化电路图由图可知，SS8型机车装有4台牵引电动机，对每一电机各有一条电机支路。第一转向架的1M和2M牵引电动机支路并联，由主整流器1V供电；第二转向架的3M和4M牵引电动机支路并联由主整流器2V供电，两组电路完全相同，并互不相关。图38 制动工况简化电路日（二）加馈电阻制动原理加馈电阻制动的等值电路如图3一9所示。在励磁电流人的作用下，产生了主极磁通中，电机电枢在轮对的驱动下产生电势E，由于电枢电路中串有整流器的整流电压Ud，所以有如下关系式ECldiU （一1）式中V机车速度；四、制动电路SS8型电力机车采用加馈电阻制动，在电制动时各励磁绕组串联后由励磁电源供电，电机的电枢电路中除串有制动电阻外，还串入一段整流桥。其制动工况的简化电路如图33 所示。图33 制动工况简化电路图（二）加馈电阻制动原理加馈电阻制动的等值电路如图3一9所示。在励磁电流人的作用下，产生了主极磁通中，电机电枢在轮对的驱动下产生电势E，由于电枢电路中串有整流器的整流电压Ud，所以有如下关系式EClv （3一1）图33 加馈电阻制动的等值电路式中v机车速度；Cl常数。制动电流IZ为机车的制动力B为BCZIZ （33）式中CZ常数。加馈电阻制动可分为两个速度控制区：1高速区制动电流的最大值，受整流元件、制动电阻、电枢电流的最大值限制。在高速区，由于电机电势很高，因而式（32）中的整流电压Ud必须等于零，即晶闸管处于封锁状态。制动电流的通路为主整流器二极管一平波电抗器IL4L一牵引电机1M4M电枢一制动电阻5R8R一二极管。当机车速度高于73kmh时，随着速度增加，必须减少励磁电流值，以保证制动电流不超过规定值。当速度为73km / h时，励磁电流达到最大值。由式（33）可知，在高速区，随着励磁电流的减小，主极磁通相应减小，因而机车的最大制动力随机车速度增加而减小。2加馈区在加馈区，励磁电流已达最大值。为维持机车的最大制动力，应保持最大的制动电流。由于机车速度降低，牵引电机的电势不足以维持最大制动电流，制动力将随机车速度线性下降。这时绕组alxl、a3x3投入工作，半控桥的晶闸管轮流导电，相当于牵引电机电势再串联一个整流电压。调节整流电压的大小，以维持制动电流达到某一数值。(六) SS8型电力机车的主要电气设备 1单臂受电弓 它是电力机车的高压电源接受装置通过它将接触网的高压电源引入机车内部，其结构如图33所示。 单臂受电弓底架由槽钢和球墨铸铁铸成的三角架装配而成，它通过3个支持绝缘子，安装在机车顶盖上。 升弓时，当空气经缓冲阀进入传动风缸后，活塞被推往右方，降弓弹簧无力，此时下臂杆在升弓弹簧的作用下沿顺时针方向抬起，使上部框架升起。降弓时，压缩空气从传动风缸排出，降弓弹簧克服升弓弹簧的拉力将活塞推向左方，带动滑环向右移动强制下臂杆作逆时针转动迫使框架落下。司机通过电空阀可以远距离控制传动风缸进气或排气，从而使受电弓升起或降落。受电弓的受流性能在很大程度上决定于接触压力，压力太小导致接触不良产生电弧压入太大将增加受电弓滑板和导线的磨损。因此，要求受电弓的机械结构能保证滑板在工作高度范围内具有相同的接触压力。电力机车牵引列车运行时、原则上仅升后部受电弓，只有在长大上坡、列车超重时，为了确保受流良好，才同时升起两个受电弓牵引运行。其理由是： (1)对于单臂受电弓而旨，前弓滑板支撑在行进中处于拉伸状态，不如后弓推压状态受流良好； (2)列车在牵引受流时，机车后面的车辆通过车钩，紧紧拉住电力机车，后弓较前弓振动小，受流较好； (3)如因某种意外事故，机车中途停车，后部受电弓正好停在接触网绝缘分段无电处，则可降下后受电弓，升起前受电弓，起动行驶。否则，只能请求救接，技中途停车事故处理。 2主断路器 这是电力机车的主要防护和保安设备。当变压器高、低压侧发生短路时能自动切断高压25kV电源线路。通过司机控制按钮能使主断路器人为的开合，其