第五章交直电力机车辅助电路

第五章交直电力机车辅助电路

§5.1辅助电路的电源电路

§5.2辅助电路的负载电路

§5.3典型机车辅助电路

§5.4列车供电系统

§5.1辅助电路的电源电路电力机车辅助电路，包括辅助设备及相关电气设备。作用：保证主电路正常工作。组成：电源电路、负载电路、保护电路等。关于辅助电路电源：①三相交流电源：获取：由分相设备“单-三”相变换而得。方法：旋转式劈相机、电容器分相、电子静止逆变器等，将变压器副边辅助绕组单相→三相。“交-直”机车普遍用旋转式异步劈相机（电子静止逆变器见“交-直-交”或“交-交”变换原理（参见第七、八章内容），而8G车用电容分相）§5.1辅助电路的电源电路用途：异步电机驱动风机（冷却Ld、主变压器散热器、整流、牵引电机、制动电阻等）、油泵（主变压器）、压缩机（空气制动、受电弓、其他气动机）等。②单相交流电源：获取：单相交流电源由变压器副边辅助绕组提供。用途：加热器、空调等（380V或220V）。一、异步劈相机工作原理1、结构有定子绕组、鼠笼转子（同普通三相异步电机）。定子绕组：三绕组接成Y型，或两绕组接成T型。§5.1辅助电路的电源电路两绕组T型：主、辅两绕组，主绕组接变压器副边辅助绕组两端（对外两端子），辅绕组则接其中点（对外一端子）。起动后辅绕组电势超前单相电源电势90º，则主、辅绕组的三端得三相电压。仅6K车用。三绕组Y型：结构如图5-1所示，oa、ob、oc绕组空间上彼此120º角，接成Y型，而cb接变压器副边辅助绕组两端，a、b、c三端输出。国产SS机车采用。

图5-1劈相机原理线路图

应用：§5.1辅助电路的电源电路2、原理（1）单相异步电动机

cb通单相交流电，则oc、ob中产生一大小随时间作正弦变化、空间位置不动的脉动磁场。若使转子转动，则劈相机作一台单相异步电动机运行。（2）三相发电机

脉动磁场→同幅、反向的二旋转磁场，同转子转向为正序，反转子转向为负序。正序旋转磁场:（速度n1）对转子（速度n）的相对转差率s1为

同普通三相异步电动机，值很小（约为0.02～0.03）。负序旋转磁场:对转子相对转差率s2为§5.1辅助电路的电源电路

转子几乎2n速度切割负序磁场→感应约2f（网频）的e和i，此i产生的磁场抵消负序磁场→气隙只存在正序旋转磁场→切割定子绕组oa、ob、oc→感应电势Eoa、Eob、Eoc三相电势。则是一台三相发电机，可供给三相负载。（3）三端电压不对称异步劈相机是单相异步电动机和三相发电机的组合体，既可轴上接机械负载，又可a、b、c三端接电负载。绕组名：cob与转子起单相电动机作用，oa、ob、oc和转子起三相发电机作用，故oc、ob叫电动相绕组，oa叫发电相绕组。电流名：无电负载，仅cob中有电流（与转子作用产生力矩），叫电动机电流；有电负载，绕组oa、ob、oc新加一组电流（与转子作用产生反力矩），叫发电机电流。可见，oa仅有发电机电流，而ob、oc同时有两种电流。

§5.1辅助电路的电源电路不对称电势：三绕组对称（匝数相等、空间差120º），空载时a、b、c三端电压对称，电负载后则不对称。

原因：ob、oc中有电动机电流，即使三相负载电流对称，各相电流亦不对称，有不对称压降。感性负载，发电机电流引起的压降使绕组的端电压小于感应电势，而电动机电流使端压大于感应电势，则劈相机三端电压不对称。此外，剩余负序磁场在绕组中感应负序电势，加剧电压的不对称。（4）改善电压对称的措施不对称绕组：三相匝数不等、角度不对称。空载不对称，负载后对称。注意：此法简单，但只能带单一负载，负载变就不对称，不适于电力机车（因电力机车的辅助电机负载变化)。§5.1辅助电路的电源电路对称绕组并联电容，如图5-2（a）所示。设负载IA滞后Ua（角），未并电容C时，流经oa的IA′=IA；并C后，流经C的电流ICK超前Uab电压90º，则流经oa的IA′为IA与ICK的矢量和,由图（b）知IA′＜IA，即并C后流过oa的IA′↓→压降↓→端压↑，劈相机端压不对称性↓。（电力机车普遍采用）

图5-2劈相机并电容接线图及矢量图

(a)(b)§5.1辅助电路的电源电路二、劈相机并联电容的确定

劈相机负载随辅助机械工作的不同而变，则分相电容值也随负载而变。设a、b间并电容C，如图5-3所示。电压电流参考方向中，电源和电容电流方向与前述相反，目的便于绘制矢量图。IH为负载电流，ICK为分相电容电流。1、电压对称条件分析可得，劈相机端压对称的条件（5-1）式中，I0为劈相机空载电流。图5-3并联电容原理图

§5.1辅助电路的电源电路注意：负载变，只要保证满足上式，则劈相机端压对称。由图，电容电流为（5-2）据电压、电流参考方向和满足上式，可绘出矢量图。因绕组纯感性，I0滞后Ubc电压90º；感性负载，IH取滞后功率因数。则矢量图如图示。可见，ICK超前Uba电压90º，从而保证接入适当电容后电压对称。2、并联电容值图5-4并联电容时电压矢量图

由I0和IH可求得ICK，再由ICK和电源f求得并联电容值为（5-3）式中，U为电源电压（即Ubc）。§5.1辅助电路的电源电路注意：SS机车采用并电容改善对称性，其电容分别接在各负载电机上，当投入使用时其电容跟着一起接入，保证负载变电容也变，使电压对称。此外，并联电容还能改善劈相机的功率因数。三、劈相机的起动单相异步电动机起动原理。∵单相→脉动磁场→正、负旋转磁场→转子正、反转矩→转子静止。∴辅助电机起动、分相起动。分相有电阻、电容分相起动（多采用前者）。1、电阻起动过程电阻分相起动如图5-5所示。RQ为起动电阻，J为接触器。§5.1辅助电路的电源电路可视定子两相绕组，cob和coa。cob由单相电源供电，coa串RQ后由单相电源供电。起动时，cob纯感性，IQb滞后Ucb电压90º；coa接RQ，IQa滞后Ucb一γ角（＜90º）。IQa与IQb有相位差，两绕图5-5分相电阻起动原理图

组空间上有角度差，形成椭圆旋转磁场，产生起动转矩使电机转动。电枢转动后，定子三相绕组感应三相电势。劈相机起动后，J断开，切除RQ。

SS机车采用电阻分相起动。选择最佳RQ，以获最大起动转矩。

2、起动电阻的确定§5.1辅助电路的电源电路方法：列起动电路电压方程式，对电势正、负序分解；据等效电路对电流正、负序分解；求解合成力矩，再求出最佳RQ值。（求解过程复杂，工程中一般用对称分析法。）分析有最大起动转矩的RQ为（5-4）式中，XK、RK为劈相机每相绕组的短路电抗、短路电阻（设计数据或试验数据）。

起动结束，自动切除RQ，再逐个起动三相辅助电动机。注意：异步劈相机是关键设备，也是薄弱环节，为提高可靠性，设置两台劈相机（一台备用），或设置一台劈相机再由一台通风机兼做劈相机用。一台出现故障，另一台（或通风机）仍能保证辅助电路正常工作。§5.2辅助电路的负载电路主要是三相负载，如空气缩机、通风机、油泵等，直接影响主电路是否正常工作。单相有取暖、通风、电热玻璃、热饭电炉、空调等，不影响机车性能。1、辅助电路负载（1）压缩机组组成：空气压缩机及驱动的电动机。作用：压缩空气（风源），提供机车上所有风动电器（如受电弓、主断路器、两位置转换开关、电空接触器、各种阀等）的操纵控制，是空气制动之源。注意：机车设有两台空气压缩机，有一定储备，以保证可靠性。（2）通风机组组成：通风机及驱动的电动机。（俗称鼓风机）§5.2辅助电路的负载电路作用：对牵引电机、整流硅机组、牵引变压器散热器、平波电抗器、制动电阻及其他设备进行冷却。（3）循环油泵组成：油泵及电动机。作用：强迫循环牵引变压器的冷却油，以使内部冷却。

2、辅助机组的起动∵一般不需要调速∴直接起动，起动时间短起动方式：辅助机组分别起动

原因：直接起动电流大，若所有辅助机同时起动，电流过大，网压降低大，严重时会导致辅助机起动失败，则分别起动不至于使网压过分降低。

§5.3典型机车辅助电路以典型的SS4改、SS8机车辅助电路为例简介。一、SS4改型电力机车辅助电路“单-三”相异步劈相机供电，三相异步电动机负载。电源：变压器副边辅助绕组a6-b6-x6（中抽式），其中a6-x6额压为400V，而b6-x6额压为226V。设有库用插座，在库内可用380V的单、三相库内电源供电。1、单-三相供电系统异步劈相机电阻分相起动，电压继电器监测起动过程及控制切除起动电阻。注意：劈相机参数有调整，以克服SS1、SS3劈相机起动电流较大、分相起动后切除起动电阻的自起动性能较差等缺点。§5.3典型机车辅助电路图5-6SS4改型劈相机分相起动

接触器201KM控制劈相机的运转与停止。接触器213KM将起动电阻263R接入第二电动相D2与发电相D3之间。电压继电器283AK监测起动过程并控制起动电阻的开断，其工作电源（直流110V）从导线531经533KT常开联锁由导线281引入。

（1）劈相机分相起动①电路说明§5.3典型机车辅助电路②劈相机起动过程

按下主驾驶台上劈相机按键→213KM闭合（接入263R）→201KM闭合（接入电源）→劈相机开始起动；283AK监测发电相电压（由导线279、280引入）间接反映劈相机转速，当达约0.9倍额定转速时（即283AK测得发电相电压接近比较电压（额定网压下约为220V，由导线202、206引入）），283AK动作→213KM失电→断开263R，起动完成；起动后，283AK失去工作电源处于闭置状态。注意：设有备用起动电阻，一组烧坏可换另一组，若两组均烧损则通过闸刀开关296QS倒向233改用电容分相起动。§5.3典型机车辅助电路（2）通风电动机电容分相起动劈相机故障备用电路:第一牵引通风电动机、电容分相起动。劈相机出故障→切除劈相机，以253C对第一牵引通风电动机进行分相起动。这时，劈相机故障转换开关242QS打向“1”位，即把283AK接入到第一通风电动机的第三相上（从导线3MAD3、3MAD4引入），同时闸刀开关296QS倒向233位接入起动电容。起动过程：仍由283AK控制，起动完后283AK动作使213KM失电断开起动电容。此后它既是一台通风电机，又是一台劈相机。网压19kV以上，该电动机能分相起动；网压22kV以上，该机能起动所有其他辅助机组。注意：机车两节车的辅助电路不重联，则一节车用劈相机电阻分相起动，另一节车（其劈相机故障时）用第一牵引通风机电动机电容分相起动。§5.3典型机车辅助电路2、三相负载电路

劈相机起动后，辅助电路导线201、202、203提供三相不完全对称电源，各辅助机组依次间隔陆续投入工作。（1）三相负载（一节车）

压缩电动机1台，牵引风机电动机2台，制动风机电动机2台，变压器风机电动机1台，变压器油泵1台。各辅助电动机由各自的交流接触器进行通断控制。为改善对称性，在两台牵引风机电动机及第一台制动风机电动机的二、三相间接入移相电容，随其投入使用而一并投入。（2）接触器采用3TB系列三相交流继电器，其中变压器风机、油泵电动机的接触器额定工作电流75A，而其余额定工作电流均170A。3TB系列纯直流控制，结构简单，机械寿命长，可靠性高。§5.3典型机车辅助电路（3）库用插座294XS和库用转换开关235QS（如图5-7所示)机车线路上运行，235QS倒向“运行”位，变压器副边辅助绕组a6-x6通过导线204、205经235QS与导线201、202连接，提供单相380V→劈相机。机车在库内，235QS倒向“库用”位：图5-7SS4改型库用插座开关

①输入单相380V。由库用插座294XS的207、208输入，经235QS及导线201、202供电给劈相机。209不带电，若误从208、209输入，也可避免劈相机的不正常起动及造成的损坏。在制造厂和大修厂时使用。§5.3典型机车辅助电路②输入三相380V。由294XS的207、208、209输入，经235QS及导线209与203连接母线直接为辅助电路供电。段内时使用。3、单相负载电路（1）380V单相负载电路一路给窗加热玻璃，另一路给壁炉、脚炉供电。有自动开关作电路过载保护。（2）220V单相负载电路司机的空调、热饭电炉。有自动开关作电路过载保护。4、保护电路（1）零压保护是接触网供电的失压保护，电路如图5-8所示。组成：零压变压器281TC、整流290U、电容256C及零压时间继电器286KT。§5.3典型机车辅助电路图5-8SS4改型辅助电路保护

§5.3典型机车辅助电路原理：电网正常供电，导线204、205的380V交流电压→281TC→261R→290U→零压时间继电器286KT吸合；电网失压，286KT失电动作，其常闭联锁闭合，经零压中间继电器将接通主断路器分闸电路，并显示零压信号。改进型零压保护装置：保证网失电2秒内断开主断路器，以避免牵引变电所故障重合闸（间隔2秒）引起主、辅电路的冲击。网压消失，a6-x6端压随时间衰减到零，两稳压管（稳压50V）串，使286KT在网失压2秒内动作，以达保护的准确性。稳压管并电容256C，电压不跃变，使286KT线圈上电压有一衰减过程（即吸合电流随时间衰减），使286KT的常闭触头可靠吸合，无抖动。另：零压保护电路还起门联锁保护闸287YV的交流保护作用。287YV两路供电，即使出现控制电路切断而机车高压供电依然存在的情况，287YV仍得电，门联锁锁闭，各室门打不开，达§5.3典型机车辅助电路到确保人身安全的目的。（2）接地保护绕组的x6与地间接辅助电路接地保护电路，如图5-8示。组成：辅接地继电器285KE、整流291U、限流262R、电容257C、故障隔离开关237QS等。支路由导线464经110V控制电源接地，属有源保护装置。工作原理：当辅助电路某点接地，接地保护系统形成回路，285KE动作吸合，主断路器分闸线圈得电跳闸，驾驶台辅接地信号显示。此时285KE常闭触头断开，串入262R限流，避免大电流烧损接地继电器；同时接通“自锁”回路，保持信号记忆。故障解除后，借助主断路器合闸操作使285KE恢复，保持信号消失。262R两端接电容257C，是为了使285KE动作时可靠吸合，以提高保护系统的可靠性。§5.3典型机车辅助电路另：辅接地保护故障隔离开关237QS，在辅助电路一点接地且不能排除时，切除保护电路，使机车作故障运行。（3）过压保护同主电路过压保护，即在a6-x6两端并RC（图中255C、260R），吸收过电压。（4）过流保护过流继电器保护，如图5-6中的282KC。当辅助电路短路超过2800A时，过流继电器282KC吸合动作使主断路器分闸，并显示辅过流信号。此外还有辅机过载保护（详见SS8型机车的辅机过载保护）。

§5.3典型机车辅助电路二、SS8型机车辅助电路“单-三”相供电，三相异步电机。辅助绕组a6-b6-x6（中抽式），a6-x6额压389V，b6-x6额压229V。库用插座可引入380V的单相或三相电源，同SS4机车。1、单-三相供电系统劈相机，除无备用起动电阻外，同SS4改机车。2、三相负载电路劈相机起动后，各辅助机组依次间隔一定时间投入工作。三相负载：压缩电机2台（SS4改1台），牵引风机电机2台，制动风机电机2台，变压器风机电机1台，变压器油泵1台，整流硅风机电动机3台（SS4改没专设）。同SS4改，两台牵引风机电机及第一制动风机电机的二、§5.3典型机车辅助电路三相间接入移相电容，随其投入。交流继电器用3TB系列三相交流继电器。库用插座和库用转换开关，与SS4改机车相同。3、单相负载电路a6-x6提供380V、b6-x6提供220V均与SS4改相同。4、保护电路过电压、过电流、接地及安全保护。（1）接地保护x6与地间接辅助电路接地保护电路，同SS4改。（2）过压、过流保护过压、过流保护同SS4改。§5.3典型机车辅助电路（3）欠压保护

微机控制进行欠压保护，整定值为网压19kV延时10秒跳主断路器，而17.5kV时立即跳主断路器。（4）辅机过载保护11台三相异步电机（SS4改7台）均接三相自动开关。自动开关，以热脱扣和电磁脱扣方式进行保护。短路保护：是电磁脱扣方式，保护动作及时，可在0.5秒内动作，切断故障支路。过流保护：是热脱扣方式，有反时限特性：故障电流大，动作时间短；反之相反。注：自动开关脱扣动作后，需间隔2～3分钟后才能恢复接通。§5.4列车供电系统长期来，普客车用轴驱式发电机供电，软卧空调车用柴油机发电或轴驱式发电（效率低、停车时不能发电）。20世纪80年代起开始研制用柴油机发电车集中供电（三相380V），依我国能源政策，自1998年开始研究电气化区段由机车向旅客列车供电技术，已在SS8及其他电力机车车上应用。一、机车的列车供电电源SS8的列车供电系统，机车集中整流、客车分散逆变。机车牵引变压器的两套绕组对应两套整流装置，向列车供给两路DC600V电源，各车据需要来变换、取用。机车的列车供电电路有主电路和控制电路两部分。1、列车电源主电路电路：图5-9所示（一套电路），副边辅助绕组a7-x7（交流870V），供电接触器30KM，半控桥3V（额定平均电压600V，额定§5.4列车供电系统电流670A），LC滤波（5L、29C组成），供电插座15XS、17XS输出。（另一套组成一样）作用：将绕组的交流整流滤波成600V的直流向列车供电。

图5-9列车电源主电路原理图（一路）

§5.4列车供电系统2、主电路的检测与保护（1）过压保护阻容吸收电路（67R、31C组成）和压敏电阻6RV来实现。（2）接地保护组成：接地故障隔离开关11QP、限流电阻73R、电阻69R、接地继电器7KE、浪涌吸收电容33C等。（传统有源保护，以消除保护死区，提