电力电子应用技术书8.1 韶山四型(SS4)电力机车供电系统

第8章 电力电子应用技术实例8.1 SS4型电力机车牵引整流器供电系统8.1.1 SS4型电力机车牵引整流器韶山4型电力机车是我国第三代电力机车的“领头”产品，于1989年获国家科技进步一等奖。随着我国电力电子技术和功率器件的发展和应用，我国交-直流传动电力机车的调压调速技术实现了换代的跳跃发展，经历了第一代韶1、韶2型电力机车的低压侧或高压侧调压开关调幅式的有级调压调速技术，到第二代韶3型电力机车采用调压开关分级和级间晶闸管相控平滑调压相结合的调压调速技术，到第三代韶4韶8型电力机车的多段桥晶闸管相控无级平滑调压调速的发展历程。第三代电力机车以韶4型（SS4）为起点，使晶闸管相控调压调速的交直传动电力机车形成了电力机车家族。 1.SS4型电力机车主电路的特点韶4型和韶4改进型电力机车的电气线路主要有主牵引电路、辅助供电电路、有触点控制电路、控制电源电路和电子控制电路五大部分，整个控制系统十分庞大和复杂，本节介绍SS4型电力机车的牵引整流器供电系统。（1）牵引电动机供电方式 重载货运八轴SS4型电力机车的牵引供电电路如图8- 1 所示，使用直流串励牵引电动机，采用传统的交-直流供电方式；牵引电机采用“转向架独立供电方式”，一台转向架的两台牵引电机并联，由一台相控式主整流器供电,全车四个两轴转向架，具有四台独立的相控主整流器。网侧电流从接触网流入升起的受电弓，经25kV车顶母线分为两路，一路进本节车，经主断路器4、主变压器高压绕组AX进入车体，经车体与转向架间软线和轴箱电刷到车轮和钢轨； 另一路，25kV经高压连接器到另一节车的车顶母线。全车8台电机牵引，总功率6400Kw这种供电方式具有三个优点，其一，可以实现以转向架为中心的电气系统单元化，便于控制；其二，当一台主整流器故障时，只须切除一台转向架的两台电机，机车仍可保留3/4的牵引能力；其三，同一节车前后两台转向架可进行电气式轴重补偿，即对前转向架可给予较小的电流，以充分利用黏着。（2）整流调压电路图8-1为在牵引工况、给两个转向架供电的主电路原理图。两台电机1M和2M并联，由原理图左侧的前转向架供电，两台电机3M和4M并联，由右侧的后转向架供电。主变压器二次绕组分为四组，a1b1x1与a2x2绕组供电给主整流器11和13，组成前转向架供电单元；a3b3x3与a4x4绕组供电给主整流器12和14，组成后转向架供电单元。下面以前转向架供电单元为例加以说明。主整流器采用不对称不等分四段经济半控桥式整流电路，采用顺序控制和开关控制相结合的移相控制方式。给前、后转向架供电的整流器各组成一独立柜体，分别由两大段不对称桥组成。绕组电压安排为为两牵引绕组电压之和。从结构上看，电路实际是三段不等分桥，即1/4，1/4，1/2，但可通过T1T6之间的顺序控制与开关控制相结合的方式达到等分四段的效果。具体的绕组供电状况、元件的触发控制顺序、移相导通范围、输出整流电压波形和整流电压平均值等如图8-2所示，读者只要运用晶闸管导通和关断的原理不难分析得出此结果。 由上可见，在整流电压达到时，发生 IIIII段的转换过程，产生开关式跳跃，其控制逻辑由牵引控制“逻辑转换”电路保证。下桥不进行移相控制，它或者处于续流状态，或者处于满开放状态，因此称其为开关桥；而上桥往往处于移相控制状态，常称其为微调桥。由于整流器的负载为感性负载，在IIIII段的开关式转换过程中必然会引起操作过电压，加之逻辑转换控制所带来的系统的复杂性，使系统的可靠性降低，故后期的SS4型电力机车主电路采用三段不等分半控整流调压电路，这将在后面说明。 2.牵引电路如图8- 1所示，每一牵引支路的电流路径是：正极母线平波电抗器线路接触器电枢主极磁场绕组牵引电机隔离开关负极母线。图中，牵引电机隔离开关111GK114GK为单刀双投开关，上、中、下三个位置分别为运行位、牵引工况故障位和制动工况故障位。当电机之一出现故障时，隔离开关应置中间位，其相应的常开连锁接点断开相关接触器91KC94KC的线圈，该电机支路与供电电路隔离。在牵引工况下，牵引电机隔离开关处于运行位，牵引电机主极绕组与磁场削弱电阻（图中未画出）与接地继电器回路相连，处于低电位。79R和80R为主整流器的负载电阻，参数为1.2k ,3.6kW。其作用是，当牵引控制柜调试时作整流器的空载续流之用，此时应使接触器91KC94KC失电断开，各牵引电机与主电路隔离；当机车惰行或电制动时，79R和80R将主整流器由电容充电引起的空载电压降到约1kV。每台牵引电机的电流测量和电压测量分别采用直流电流传感器和直流电压传感器，其信号仅取自电枢端，而不包括主极绕组压降，这样的连接方式可通用于电阻制动工况下的电枢电压测量。每个“转向架供电单元”设一套接地保护系统，除网侧电路外，主电路任一点接地时，接地继电器均动作，断开主断路器，并同时封锁主整流器触发脉冲。3电阻制动电路电阻制动工况简化电路如图8-3 所示。SS4型电力机车采用了传统的能耗制动方式，每节车的四台牵引电机主极绕组串联，由一台励磁半控桥整流器供电。为了扩大低速制动范围，增加低速区的电制动力，以适应干线自动闭塞区段的需要，设计了两级制动电阻，在速度低于34km/h时，电空接触器95KC98KC闭合，短接3/5制动电阻，以增加低速区的机车电制动力，即设置所谓的半电阻制动。 电阻制动时，位置转换开关转换到制动位，牵引电机1M4M电枢与主极绕组1L4L脱离，同时与制动电阻47R50R串联，然后经线路接触器91KC94KC、平波电抗器17PK20PK“挂”在主整流器11JZ或12JZ的正极端51或61上。第一转向架电机1M、2M电枢与第二转向架电机3M4M电机的电枢在线路上互不相干。励磁绕组a5x5经励磁接触器99KC，励磁整流器15JZ给四个电机1M4M的串联主极绕组供电，励磁电流方向与牵引时相反，在由下往上的方向流动，如8-3图所示。励磁电流的路径为，励磁整流器15JZ正极主极绕组 励磁整流器负极62端。负极62为主整流器12JZ与励磁整流器15JZ的公共点，并通过限流电阻84R与主接地继电器128DJD电路相连接， 由此形成两个独立的接地保护电路系统：（1）主整流器11JZ（13JZ）的负端通过限流电阻83R与主接地继电器127DJ电路相连。 第一转向架牵引电机1M、2M的电枢和制动电阻回路以及主整流器11JZ（13JZ）组成第一转向架主接地继电器系统，如发生接地故障，接地继电器127DJ动作，将断开主断路器4，并同时封锁主整流器11JZ（13JZ）的触发脉冲。（2）第二转向架牵引电机3M和4M电枢及制动电阻回路、四台电机励磁回路、主整流器12JZ（14JZ）组成第二转向架主接地继电器系统，如发生接地故障128DJ动作，同样断开主断路器4，同时切除励磁整流器12JZ（14JZ）的触发脉冲。设置电容37C38C和电阻85R86R是为了抑制接地继电器线圈因接地故障引起的尖蜂电压。在制动工况时，当一台牵引电机或制动电阻出现故障或相应通风机故障时，将相应隔离开关111GK114GK置向下故障位，则91KC94KC之一打开，电枢回路被甩开，同时主极绕组没有了电流。 812 SS4 改进型电力机车主电路 SS4 改进型电力机车主电路是以SS4、SS5和SS6型机车主电路为基础，并消化、吸收了8K和6K机车的先进技术而设计的，其牵引电路与其他机型的牵引电路只是大同小异，主要不同点在于：采用三段不等分半控整流调压电路提高了系统的可靠性；运用有级分路的方法削弱磁场以改善高速区的牵引功能，采用加馈电阻制动以提高制动性能。下面就这些特点作一简单介绍，请读者查阅有关专述获得细节。1 整流调压电路 图 8-4为SS4 改进型电力机车前转向架单元的整流调压简化电路。仍采用转向架独立控制方式，前转向架的牵引电机1M和2M并联由主整流器70供电，后转向架的牵引电机3M和4M并联由主整流器80供电。当电机电压达到最高后仍要求机车继续加速时，就要进行磁场削弱，SS4 改进型电力机车采用有级分路的方法来削弱磁场，以改善高速区的牵引功能。固定分路电阻14R与主极绕组并联，实现机车的固定磁场削弱，磁削系数为0.96；磁场削弱电阻15R通过接触器17KM的闭合，实现一级磁场削弱，磁削系数为0.70；二级磁场削弱电阻16R通过接触器18KM的闭合，实现2级磁场削弱，磁削系数为0.54。当15R、16R同时投入实现机车的3级磁场削弱，磁削系数为0.45。 图中所示整流调压电路各段绕组电压为： 整流调压电路采用三段不等分半控整流调压电路。工作顺序是，首先由绕组a2x2供电，T5、T6、D3和D4构成移相半控桥式整流。整流电压的范围在为三段桥总的整流电压），T1T4不触发，D1、D2续流。当T5、T6满开放后，保持T5、T6的满开放，增加绕组a1b1供电，由T1、T2、D1和D2构成移相半控桥式整流，此时整流电压在之间调节。当T1、T2满开放后，T1、T2 、T5、T6维持满开放，并触发T3、T4，使b1x1绕组投入工作，整流电压在之间调节。电阻75R和76R为机车高压空载限压实验时的整流器负载，起续流作用，在正常运行时能吸收部分过电压。这种控制方式和四段顺序控制相比，尽管在低级位上功率因数较低，但减少了开关式控制电路带来的操作过电压，提高了系统的可靠性，又可节约1/2的二极管、1/4的晶闸管，减少了主变压器的抽头，简化了变压器线圈结构。 2加馈电阻制动电路 SS4 改进型电力机车采用了加馈电阻制动。所谓加馈电阻制动是指，在电阻制动到低速时，为了增大制动力，由主整流器提供合适的整流电压与电枢电势共同产生制动电流和制动力矩。加馈电阻制动又称为“补足”电阻制动，它是在常规电阻制动的基础上发展的一种能耗制动技术。根据理论分析，机车轮周制动力矩与电机主极磁通和电机电枢电流成正比，而在常规的电阻制动中，电枢电流随机车速度的减小而减小，因而机车轮周制动力也随着机车速度的变化而变化。为了克服机车低速时轮周制动力不足的状况，在低速时电机从电网吸收电能来补足电枢电流，将制动力提高到所需要的程度，方便地实现恒制动力控制，以获得理想的制动特性。图8-5为机车加馈电阻制动工况时的简化电路。机车加馈电阻制动时，经位置转换开关转换到制动位，牵引电机电枢与主极绕组脱离并与制动电阻串联，且同一转向架的二台电机电枢支路并联后与主整流器串联构成回路；每节车的四台牵引电机主极绕组串联，由一台励磁半控桥供电。以电机1M为例加以说明：（1）当机车速度高于33km/h时，机车处于纯电阻制动状态，电机1M与平波电抗器和制动电阻串联接于主整流器上，不过此时主整流器晶闸管完全截止，仅由四个二极管导通续流，因此主整流器实际并没有给电机供电，电机处于能耗制动状态。（2）当机车速度低于33km/h时，机车处于加馈电阻制动状态，电机1M与平波电抗器和制动电阻串联，经主整流器 70 进行相控整流供电（此时由主变压器a2x2绕组供电，处于续流状态），制动力因此可以得到调整控制。（3）机车制动时，主变压器的励磁绕组a5x5向励磁整流器99JZ供电，整流电压给串联的主极绕组供电，且使励磁电流方向与牵引时相反。（4）两个独立的接地保护电路系统。牵引电机1M、2M，制动电阻及主整流器70JZ组成第一转向架主接地保护系统，由主接地继电器97KE担任保护功能；第二转向架牵引电机3M、4M，制动电阻，主整流器80JZ及励磁整流器99JZ组成第二转向架主接地保护系统，由主接地继电器98KE