韶山8型电力机车主变流器的设计及仿真研究

1、电力牵引与电力传动设计报告书韶山8型电力机车主变流器的设计及仿真研究题 目：学生姓名：指导教师：学 院：专业班级： 2014年01 月目录一、 SS8型电力机车简介1二、SS8型电力机车主电路的介绍4（一） 网侧电路4（二） 整流调压电路6（三） 牵引电路81. 牵引电动机绕组的联结92. 电动机支路的电连接103. 机车的方向控制114. 库用电路125. 磁场削弱电路12（四） 制动电路141、 制动电路的连接152、 加馈电阻制动的原理153、 故障电路17（五） 测量电路17（六） 保护电路设计181、 过压保护电路182、过流保护电路203、欠压保护电路21三、变流电路的选择及仿真2

2、1（一）方案论证211、 单拍式双开口桥式整流调压电路222、 调压开关8级相控无级调压电路223、 不等分三段桥23（二）电路仿真231、参数设置232、 仿真过程及结果25四、 心得体会30五、 参考文献31 电力牵引与传动控制课程设计任务书一、课程设计目的电力牵引与传动控制课程设计是电气工程、自动化专业本科生选修的一门专业选修课。通过电力牵引与传动控制课程的学习，对电力机车有了一个全面的了解。本课程设计就是为了更深入地全面理解电力牵引主电路、辅助电路及控制电路的工作过程及其传动控制设计方法。要求同学独立完成课题设计任务，写出课程设计说明书，画出主电路原理图，说明工作原理，并进行相应仿真设

3、计。希望同学们认真阅读课程设计任务书，认真查阅资料，完成好设计文档，圆满完成本次课程设计。二、课程设计内容及要求本次课程设计设置以不同电力牵引车型为分组，要求每个人可以自行选取一题作为自己课程设计任务，经指导教师登记确认后方可设计（题目确认后，一般不得变更）。设计任务、指标内容及要求(1）自行选取一种既有电力机车（如SS8, SS9）或电动车组（如CRH2系列）， 根据其主要指标和主电路原理图，设计主变流器；(2)器件可以选取SCR或IGBT,对所选器件进行计算验证；(3）当所选取的器件不能满足设计要求时，应该进行均压均流设计（器件串并联）；(4）完成器件阻容保护电路设计；(5）对整个系统进行

4、过流、过压、欠压等保护电路设计；(6）对设计出的电路进行仿真。三、课程设计报告要求（1）课程设计报告是对所承担课题的总结论述。基本内容要求如下：a) 目录b) 设计课题名称及要求c) 设计内容和方案论述，给出机车主电路原理图并分析d) 变流器件选型及其说明e) 阻容保护电路设计f) 过流、过压、欠压等保护电路设计g) 电路仿真h) 课程设计中遇到的问题及解决方法。i) 相关仿真图。j) 收获与体会。k) 参考文献。（2）报告要求：不得在网上直接下载、拷贝。报告字数、页数不作具体要求，以内容论述全面、简练、生动、清晰为原则。四、考核办法及成绩评定a).考核成绩：成绩分为优、良、中、及格、不及格五

5、档，综合下面几个方面，给出各同学的考核成绩。 2013年12月11日 1、 SS8型电力机车简介韶山8型电力机车是“八五”期间国家重点科技攻关项目。原设计用于广深准高速铁路，现在用于我国主要干线铁路牵引提速旅客列车。1998年6月24日，经高速试验改进的韶山8 001号机车在京广线许昌小商桥创造了239.6km/h的当年中国铁路第一速的记录。SS8型电力机车是工频交流晶闸管相控机车，机车总图如图11所示。该机车采用B0-B0轴式，总重88t，轴重22t。SS8型电力机车吸收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，机车的最高速度170km/h，以适应铁路主要技术政策

6、的要求。SS8型电力机车这要技术特点为：1、 机车主电路采用不等分三段半控桥，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，实现全运行区段无级调速的特性。2、 机车动力制动采用加馈电阻制动，在低速区，以保持强大的制动力。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、照明等功能电源。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

7、，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DK-1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。韶山八型电力机车主要性能参数UIC轴式Bo'Bo'轨距1,435毫米轮径1200毫米（半磨耗）轴重22吨通过最小曲线半径125米机车长度16,300毫米（车体长度）17,516毫米（车钩中心线距）机车宽度3,100毫米机车高度4,040毫米（受电弓座面至轨面）整备

8、重量88吨受流电压交流25kV（50Hz）传动方式交直流电牵引电动机ZD115 × 4最高速度239.6 km/h（试验）170 km/h（营运）持续速度100 km/h牵引功率3,600千瓦牵引力210 kN（最大）126 kN（持续）制动方式加馈电阻制动制动功率2700 kW制动力130kN列车制动电空制动 本文主要介绍的是韶山8型电力机车主电路的功能、主电路各部分的结构和功能以及对主电路中的变流电路三段不等分半控桥进行仿真研究。通过做这些对韶山8型电力机车的主电路及其控制过程有一个更深的了解，为自己的毕业设计做好铺垫。图1-1二、SS8型电力机车主电路的介绍 韶山8型电力机车的

9、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极调压和五级磁场削弱的方式进行调速。 （2）电压调节和磁场削弱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极调节。因而机车在整个调速区内均是无级的。 （3）供电方式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1/2的牵引力；当一台电机故障时，可保持机车牵引力的3/4。 （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。 （6）保护主电路中设有各

10、级电流的的短路和过载保护，过电压、接地、小齿轮滞缓等保护。下面对主电路各部分结构和功能进行一一介绍。（1） 网侧电路网侧电路，顾名思义，就是指机车和接触网进行联系的那部分电路。机车通过受电弓把电能引入到机车内，网侧电路就是电能流经的第一个通道。网侧电路为25kv高压电路，其具体结构如图2-2所示。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25000V/100V。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

11、受电弓，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，用以抑制操作过电压及雷击过电压。电流互感器1TA主要用作短路电流的检测，是保护用的互感器，用以驱动过电流继电器5KC动作，因而对其饱和度要求较高，对其检测精度要求比测量用互感器的要求要低。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。机车每一个轴端装有接地电刷1E4

12、E，用以构成回流电路，以防止电流流过车轴轴承产生电蚀。轮对的另一个轴端装有速度传感器SD1SD4，用以检测轮对的转速。图2-2（2） 整流调压电路整流调压电路有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I端转向架的整流调压单元来说明其调压过程。 我们在电力电子技术这么课中学到，在忽略电抗压降和电阻压降时，整流电压、绕组电压和相控角a之间有下面的关系=0.45（1+cos a）改变相控角的大小就可以改变整流的电压值。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，触发角为30度，触发V11，这是电流流经晶闸管V11、二极管V1、

13、V2、V12，这三个二极管起到续流的作用，同理，在负半波的30度的相位角， 触发晶闸管V10，则电流经由V10、V1、V2、V9，二极管V1、V2、V9起续流作用。当相控角由180度变至0度时，整流电压由0上升至整个整流电压的一半。当晶闸管V10、V11即将满开放时，投入绕组a1-b1段的整流桥，即交替触发晶闸管V3、V4，触发角均为30度；同时继续减小晶闸管V10、V11的相控角直至满开放。分析V3、V4工作过程与V10、V11的类似。由此输出的整流电压便是两段整流桥输出电压的叠加。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1/2增大到3/4。当绕组a1-b1段整流桥将满开

14、放时，投入绕组b1-x1段的整流桥，其过程与前类似。这时整流电压由整个整流电压的3/4增大至全部整流电压。当晶闸管未触发时，即在相控角30度这一段时间内，牵引电动机的电流将流过二极管元件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。整流调压电路的原理图如图2-1。整流电压的波形详见本文的第三部分。图2-1（3） 牵引电路SS8型电力机车的牵引电路如图2-3所示。图2-31. 牵引电动机绕组的联结SS8型电力机车装有四台牵引电动机，对每一电机各有一条电机支路。一个转向架上有两台电机，为了便于机车转向架的互换，因此同一转向架上的两台电机是背向布

15、局的，因此在行驶的过程中，它们的转向应该是相反的。以第一转向架前进的方向为例，从电动机1M的非整流子侧看去，应为逆时针方向，从电动机2M的非整流子侧看去应为顺时针转向。同样对于第二转向架电动机3M为逆时针转向，电动机4M为顺时针转向。为保证上述电动机的转向，各电动机的电枢绕组与主极绕组的相对接线方式应该是：1M-A11B21、D11D21；2M-A12B22、D22D12；3M-A13B23、D13D23；4M-A14B24、D24D14。2. 电动机支路的电连接下面仅以一台电动机工作过程进行分析。由图2-3、2-4可知，电流流经的方向是这样的：正极母线1#平波电抗器1L线路接触器1KM1M电

16、流传感器1SC位置转换开关“牵制”鼓1QPR位置转换开关“前后”鼓1QPV主极绕组位置转换开关“前后鼓1QPV电流传感器5SC电机隔离开关1QS位置转换开关1QPR负极母线3#。平波电抗器的作用是抑制单相相控整流电路中的谐波成分，改善电机工况。线路接触器1KM的作用防止位置转换开关带电转换；过流保护；防止并联电机环流。 电流传感器1SC、电压传感器1SV分别用于测量电动机电枢的电流值和电压值，作为显示、控制信号。位置转换开关“牵制”鼓1QPR用于机车牵引、制动工况转换。位置转换开关“前后”鼓1QPV用于机车换向工况转换。电流传感器5SC用于测量电动机的磁场电流。电动机(单刀双掷开关)隔离开关1

17、QS用于切除因电机故障或该电机的通风机故障时该电机的电路。固定分路电阻1R分流电枢电流中的交流分量，(使电机机座及主极中的交变磁通减小，从而减少涡流损耗，)改善电动机的换向和主极温升。接地继电器1KE保护按转向架供电电路，区分接地故障部位。其他电机分析过程类似。图2-43. 机车的方向控制机车的方向控制由位置转换开关1QPV和2QPV完成。SS8型电力机车利用位置转换开关改变励磁电流的方向以实现机车的方向控制。下面以牵引电动机1M为例来说明其工作原理。工作原理图如图2-5所示。当机车在端向前位时：励磁电流15 D11 D21当机车在端向后位时：励磁电流15D21D1116这样，励磁电流的方向就

18、改变了。必须注意的是，机车运行中若要改变方向，必须在机车停车后才能转换，否则会损坏机车。图2-54. 库用电路 机车在库内动车时，由库用电源供电。库用开关7QS、8QS为双刀双掷开关，有两个位置，如图2-4所示。在运行位时，其主刀与牵引电路隔离，相应辅助接点接通受电弓电磁阀，方可升弓；在库用位时，相应的辅助接开断，不能升弓，其主刀将库用插座1XS或2XS的库用电源分别与母线1、3连接，将某一电动机相应的接触器(1KM4KM)和刀开关(1QS4QS)合上，即可用该电动机牵引机车动车。5. 磁场削弱电路 当电机端电压达到最高值后，要求机车继续加速时，就要进行磁场削弱控制。SS8型电力机车采用晶闸管

19、分路，来实现从满磁场到最深削弱磁场的连续平滑控制。磁场削弱电路的原理图如图2-6所示。下面以牵引电动机1M为例来说明磁场削弱的工作原理。在图2-6中，(a)和(b)为满磁场工作情况，这时的分路晶闸管V13、V14联接的整流桥处于满开放输出状态，晶闸管V13、V14不参与工作。(c)和(d)为磁场削弱晶闸管V13、V14参与工作情况。当电源正半周时，相当于©工况，在V13未触发时，与(a)相同，元件V7、V11、V12处于导通状态。在某一时刻触发晶闸管V13，由于励磁绕组的电阻压降，点15的电位高于点3的电位，因而V13触发后，二极管V12承受反压而截止。此时流过励磁绕组的电流被分流，

20、即电枢电流直接由晶闸管V13进入整流桥，原励磁绕组中的电流经固定分路电阻继续流动，按指数曲线下降。当电源电压过零时，由于元件V8、V9的导通，晶闸管V11因承受反向电压而截止，使晶闸管V13的电流通路被截断而截止。这时电枢电流将全部流经励磁绕组。图2-6（4） 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。电机的电枢电路除串有制动电阻外，还串入一段整流桥，其制动工况简化电路如图2-7所示。图2-71、 制动电路的连接电制动时，位置转换开关1QPR、2QPR转至制动位，将电机1M4M的励磁绕组串联起来，并在电枢电路中串入电阻5R8R；电机1M和2M并联后与

21、整流器IV串联，电机3M和4M并联后与整流器2V串联，整流器作为加馈电源。4台电机的励磁绕组串联后由整流器1V的第二段整流桥和励磁绕组a5x5供电。下面以I转向架为例分析加馈制动的工作过程。2、 加馈电阻制动的原理加馈制动的等效电路如图2-8所示。在励磁电流IL的作用下，产生了主磁通，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： EC1式中机车速度C1常数 制动电流IZ为:机车的制动力B为BCZIZ式中CZ常数加馈制动可分为两个速度控制区： 在高速区，正半周的某一时刻，电流的方向为：x5接触器6KM二极管V7电机隔离开关1QSD21 D11电机隔

22、离开关2QSD12D22电机隔离开关4QS D24D14电机隔离开关3QSD13D23接触器5KM 3#二极管V12晶闸管V11a5励磁绕组x5；在负半周的某一时刻，电流流经的方向为：a5晶闸管V10电机隔离开关1QSD21D11电机隔离开关2QSD12D22电机隔离开关4QSD24D14电机隔离开关3QSD13D23接触器5KM3#二极管V9二极管V8接触器6KMx5励磁绕组a5接触器。在高速区，随着励磁电流的减小，主极磁通相应减小，机车的最大制动力随机车速度增加而减小。在加馈区，励磁电流已经达到最大值。为了维持机车最大的制动力，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

23、持最大的制动电流，制动力将随机车速度线性下降。这时绕组a1x1、a3x3投入工作，半控桥晶闸管轮流导电，相当于牵引电机的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。图2-83、 故障电路当某一台牵引电机或制动电阻故障时，将隔离开关1QS4QS之一置向下位置(制动故障位)，这时通过隔离开关的联锁触点，开断相应的线路接触器1KM4KM，故障电机的电枢将被隔离，主极绕组被隔离开关开路。当牵引风机和制动风机之一故障时，则将相应转向架的电机切除。（5） 测量电路 网侧电压测量：网侧电压用高压电压互感器(变比25KV100V)1TV测量，通过司机台交流电压表显示。电机电枢电流和

24、励磁电流测量：采用电流传感器1SC8SC作测量元件(型号为TQG4A，1000A200mA)。它们的具体测量范围如下：1PA(1SC)1M电枢电流2PA(3SC)3M电枢电流3PA(2SC)2M电枢电流4PA(4SC)4M电枢电流5PA(5SC)1M励磁电流6PA(6SC)2M励磁电流7PA(7SC)3M励磁电流8PA(8SC)4M励磁电流电机电枢电压测量：采用电压传感器14SV作测量元件（型号为TQG3，1000V80mA)。它们的测量范围如下：3PV(1SV)1M电枢电压4PV(2SV)2M电枢电压5PV(3SV)3M电枢电压6PV(4SV)4M电枢电压网侧电力测量：采用交流电度表PJ作测

25、量元件(型号为DJ-6，额定电压为100V，额定电流为1A，过载电流为5A)。机车速度测量：采用速度传感器作为测量元件。(型号DF16型)（6） 保护电路设计1、 过压保护电路主电路中的过电压产生的形式主要有两种：一种是大气过电压，主要形式为雷击；另一种是操作过电压，有的是高压侧耦合过来的，有的是在牵引电路中产生。跟距离上两种情况，可将过电压保护分成两种方式，一种是装避雷器，另一种是安装RC网络吸收器再并联压敏电阻。避雷器F接于主断路器主触头之后，为金属氧化物避雷器。根据中南地区雷击的特点，设计标准冲击波电压为90kv，工频放电电压为65kv。主要用于防止主断路器分段和合闸过程的过电压，也用于

26、防护雷击的过电压。其示意图如2-9，F为避雷器。图2-9操作过电压保护电路通过阻容耦合和压敏电阻并联用以抑制牵引绕组侧过电压。通过给它们设置合适的参数可以将电压限制到牵引绕组电压的2倍以下。其示意图如2-10所示。图2-102、过流保护电路 网侧短路保护：通过电流互感器、继电器、主断路器实现。当流经高压电流互感器超过规定值时，过流继电器动作，主断路器分断。其结构如图2-11所示。整流器侧短路保护：当牵引绕组发生短路时，可以在牵引绕组的引线上设置交流互感器检测出短路电流信号，然后通过电气控制柜发出信号，使主断路器分断，已达到保护的目的。其结构如图2-12所示。硅元件击穿保护：硅整流器每一桥臂中串

27、有快速熔断器以实现元件击穿的短路保护。牵引电机过载和环火保护：当电机环火和过载时，可以由和电机串联的一个电流互感器检测电流，然后通过电气控制柜发送信号驱动主断路器关断或者封锁三段半控桥整流电路。制动时，励磁电路单独供电。发生过载时，和励磁电路串联的电流互感器检测电流，以同样的方式关断主断路器和封锁励磁的整流器。图2-11图2-123、欠压保护电路当网压过低时，将影响机车辅助机组的正常工作，为此需要设置一个最低网压保护值，当电网电压低于某值时，微机收到高压互感器的信号后，发出一个接点信号，接通导线494和496，使18KA欠压继电器吸合并自锁，同时在劈相机按键开关合上时，经导线通过二极管30V、

28、欠压隔离开关14QS、34KA继电器、18KA使导线465有电，跳开主断路器。电网电压持续10s，u在17.5kv和19kv之间，发出跳主断信号，u2小于17.5kv时，立即发出跳主断信号。欠压保护电路原理如图2-13所示。图2-13三、变流电路的选择及仿真（一）方案论证1、 单拍式双开口桥式整流调压电路这种电路在SS1型电力机车上使用。由于电源的每一周期只有半周有电流流过，所以主变压器绕组利用率低，变压器体积大。其电路原理图如图3-1所示。图3-12、 调压开关8级相控无级调压电路这个电路的整流部分采用桥式全波整流、低压侧调压开关与晶闸管相控整流相结合的调压方式，大范围内依靠调压开关调压，调

29、压开关级间通过晶闸管相控整流实现了8级相控无极调压，获得了相当于8段桥相控无级调压特性，有较小的谐波分量和较高的功率因数，对外谐波干扰小。为实现级间相控，由两条晶闸管桥臂和两条二极管桥臂构成的半控小整流桥，作为级间相控桥以实现平滑调节，同时又起到8个级位转换的作用。这种电路主要用于SS3型电力机车。但是，由于大规模依靠调压开关调压，开关的开断会有很大的电压冲击，容易造成主电路过压的现象。电路原理图如图3-2所示。图3-23、 不等分三段桥 综合上述两种电路的优缺点，而且随着电力电子技术的发展，目前我国生产的韶山系列电力机车的整流电流大部分都采用这种电路。由于需要工作在大电压和大电流的工作环境，

30、而目前在所有电力电子器件中，晶闸管能承受的电压和电流容量是最高的，而且工作可靠，因此变流器件就选择晶闸管。因此把电路称作不等分三段半控桥。该电路的原理图及工作原理前面已经叙述过，这里就不再赘述。（二）电路仿真1、参数设置根据不等分三段半控桥电路的结构，我设计了如下仿真电路：两个交流电源AC：设置为25000V，模拟接触网的电压。变压器t1副边电压设置为686.8伏，三绕组变压器的两个副边电压设置为343.4伏。二极管V1、V2、V7、V9、V12的参数设置相同，仅以V2来说明如下：图3-3 晶闸管的参数设置的也都一样，仅以V10来说明。图3-4 电阻R1、R2、R3设置为800欧。变压器t1的副边代表原电路的a2、x2端，三绕组变压器t1的两个副边代表原电路的a1、b1、x1端。2、 仿真过程及结果 因为首先控制V10、V11的通断，触发角为30度，因此需要设置触发脉冲的参数。正半波的某一周期，触发V11，触发参数