第四章交直电力机车主电路

第四章交直电力机车主电路第一页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.1概述

组成：牵引变压器、牵引电动机及其相关电气设备。

特点：高电压、大电流、控制复杂、工作条件差等。

作用：传递功率，实现电能向动能的转换。一、对主电路的基本要求

满足起动、调速、制动要求，保证牵引电机转矩、转速独立可调，且范围宽。（如：升弓带电下……)二、主电路的结构特点1、变流调压方式

变压器高压侧自耦调压，再整流，如早期6Y2、SS2机车。变压器次边分段调压，再整流，如SS1机车（有级）。第二页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.1概述

变流器调压，如SS3～SS9机车（无级调压）。相控调压有全控、半控调压。无再生制动用半控，因可改善功率系数。2、供电方式（1）集中供电方式一组调压整流（半波或全波）给所有牵引电机供电。电路配线、布置简单；整流容量大，电机可全并联，防空转性能好；整流并联元件多，故障短路时分流图4-1集中供电电路

好，对元件短路保护低些。电机特性差异→负载分配不均；被拖动与原方向相反运动，电机因剩磁发电，高者通过其他电机形成自励回路，造成并联自励发电短路（加设线路接触器）；一台电机环火，可引起另一台电机环火。中抽半波整流，一组故障时电压减半，功率也减半。

优点：缺点：第三页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.1概述（2）半集中供电方式

两组调压整流装置，每组给一半的电机供电。优点：整流器容量小些。缺点：一组故障时，功率降低一半。注意：C0-C0、B0-B0轴式机车，半集中供电也叫转向架独立供电。

图4-2半集中供电电路

(a)(b)图4-3独立供电电路

（3）独立供电方式

一整流器对一电机独立供电。图（a）变压器二次共用绕组中抽供电，绕组结构简单，但整流易出现各支路逐个换向→各输出平均电压不相等，加大了电机特性差异的后果。第四页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.1概述

图（b）变压器二次独立绕组供电，能克服（a）的缺点，二次电流减小，但绕组增多，结构复杂及绕组间绝缘问题。注意：现代交-直电力机车用半集中供电（交-直-交亦如此）。3、调速与磁场削弱方式调速：起动及低速时调电机端压、高速时用削磁来调速。削磁方式：电阻分流（三级）、可控硅分流（无级）。4、电制动方式电阻制动、再生制动。（见前述）5、牵引电动机型式及联结方式型式：串励（常用）、复励（6K、SS7）。第五页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.1概述联结方式：牵引电机并联，更好利用粘着力。6、检测及保护方式（1）检测交流侧：交流电压、电流互感器，测网压、变压器一次电流。直流侧：直流电压、电流互感器或传感器，检测牵引电机端压、电枢电流、励磁电流（电气制动状态）。（2）保护种类：过流（含短路和过载）、接地、过压、欠压及其它保护。方式：切断机车总电源、切断故障电路电源等，或仅给司机信号引起注意。第六页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.1概述三、电力机车的功率系数

“交-直”环节，使电力机车具有功率系数的特殊性。1、功率因数与功率系数

交流电路（U、I正弦），有功P与视在S之比，叫功率因数。

“交-直”机车，电压正弦，电流畸变（理想情况下为矩形波）。牵引变压器原边有功P与视在S之比叫功率系数，用μ来表示。2、功率系数的物理意义（1）定义（4-1）电压正弦，电流非正弦→基波、谐波，其与电压同频基波产生有功功率、不同频谐波只产生无功功率。因此

第七页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.1概述

(4-2)式中，U为正弦有效值，I为电流总有效值，I(1)为基波电流有效值,为基波电流的相位系数，为基波电流的有功分量。引入电流波形畸变系数（亦即电流基波系数）ξ=I(1)/I，则有

（4-3）可见：ξ↑→畸变↓，ξ=1→无畸变，有。通常情况，μ＜。（2）浅析①μ＜1：一是基波电流与电压不同相，＜1；二是电流畸变有谐波，ξ＜1。②提高μ，一是使I(1)与U同相，二是使电流接近正弦。

第八页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.2理想整流电路

理想情况：硅元件正向管压降为零；直流侧Ld=∞；变压器绕组漏抗、电阻忽略不计；变压器次边电压正弦。一、不可控整流电路

二极管整流，有级调速，如SS1机车。（一）中抽式整流电路图4-1原理电路。集中供电，每三台电机并联串PK后再并联；M1～M6均串励；变压器副边ao、bo两段，其电压大小相等而相位相反。理想情况:变压器u2正弦、i2直流，u1正弦、iT方波；D1换流到D2瞬间（0、π、……）完成，即瞬间自然换相。

图4-1中抽式整流电路

第九页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.2理想整流电路1、整流电压与电流分析有：整流电压（4-4）式中，Ud为平均电压，Ud0为理想空载电压。整流平均电流（4-5）式中，R为直流电路的总电阻（6台电机并联的总电阻）。牵引变压器：

副边：电压每段正弦有效值（4-6）电流每段矩形波有效值（4-7）

原边：电压正弦电流方波有效值

（KT变压器变比）

（4-8）图4-5整流电路波形

第十页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.2理想整流电路2、整流元件的电压电流参数（1）硅元件电流整流器电流有效值I=0.707Id=0.707（6IM）=4.242IM。（2）硅元件电压中抽整流，D1导通时，D2反向电压为变压器副边两段绕组电压之和，则整流元件反向峰值电压为（代入U2）

(4-9)可见：由电机电压（即Ud)、电流选择整流元件参数。3、牵引变压器的计算容量副边两段，计算容量

（4-10）第十一页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.2理想整流电路原边计算容量

（4-11）铭牌容量（标志变压器重量和尺寸的大小）计算（4-12）整流功率Pd=UdId（6台电机Pd=6UMIM）。4、机车功率系数变压器原边正弦电压与方波电流同相位，据电流付氏级数可得（4-13）注意：当忽略电路电阻和变压器铜、铁耗时，μ可表示为整流功率与变压器副边视在功率的比（4-14）

第十二页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.2理想整流电路可见：不可控中抽整流电力机车，功率系数较高；且在调压过程中相位不变、电流畸变不变、功率系数不变。（注：对桥式整流，除整流管受反压比中抽式小一半、变压器原副边及铭牌容量都相等外，iT、u1波形和μ、ξ都相同）（二）整流的脉动与平波电抗器实际中（Ld≠∞），电压脉动，电流亦有脉动，影响直流电机的安全换相。1、整流电压、电流的脉动（1）电压脉动系数脉动电压付氏级数分解，仅考虑直流和最大幅值谐波分量，则有第十三页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.2理想整流电路

（4-15）电压脉动系数（脉动程度）：交流分量的脉动幅值与直流分量之比

(4-16)注意：考虑其它谐波时，脉动系数Ku还会增大。（2）电流脉动系数

电流脉动与整流电路负载性质有关：

纯阻负载：电流脉动与整流电压的脉动相同，Ki与Ku相同。感性负载：电流脉动减小，若Ld=∞则为直流，Ki为零。注意：电力机车负载为牵引电动机，属反电势性质负载。为安全换相，结构上特殊设计，电路串平波电抗器（Ld足够大）。第十四页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.2理想整流电路2、平波电抗器的作用

Ld产生自感电势阻止电流变化，电流脉动↓;Ld足够大，可敷平电流。二、可控整流电路（一）全控整流电路全桥可控硅整流。改变可控硅α→改变整流电压ud波形→改变Ud。注意：①在nπ≤ωt≤nπ+α期间，因Ld=∞出现负的整流电压，且Id为常数；②在ωt=nπ+α瞬间换向，可控硅电流、变压器原边电流i都滞后α角。图4-6全控整流电路

第十五页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.2理想整流电路1、整流电压依电力电子学有（4-17）可见：①当α=0，同不可控整流，②当α=90º时，有Ud=0（整流电压波形正负面积相等）。③当α＞90º时，cosα为负，有Ud为负，整流电路逆变状态。另：可控硅元件承受反向电压峰值为（4-18）图4-7全控桥整流波形

第十六页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.2理想整流电路2、变压器电流

Ld=∞，Id直流，变压器原、副边电流均为方波，其副边I2=Id、原边I1=IT=Id/KT。3、机车功率系数因iT基波i(1)

与电压u1相位差α角，即=α。（4-19）将式（4-17）代入式（4-19）得（4-20）可见：①全桥整流的μ与Ud成正比。

②当α=0（全导通），Ud=Ud0最大，μ=0.9最高。

③随α↑→Ud↓→μ↓；当α=90º→Ud=0→μ=0。则调压时，须考虑μ降低问题。第十七页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.2理想整流电路据（4-19）、（4-20），不同α对应有Ud/Ud0、μ值，可绘制出μ=f(Ud/Ud0)特性曲线，见后图4-14中曲线2所示。（注意：可控整流，因变压器原边i(1)

与电压u1不同相，电源视在功率S中有P和Q，还有畸变功率。Q和畸变功率不提供有效功率，其无功电流、高次谐波电流还产生损耗和压降，影响变压器、接触网和变电所设备容量，并使损耗增大，机车的输出力降低，且高次谐波干扰通讯。因此，提高μ是一项重要任务，也是选择整流电路调压方式的重要指标。）（二）半控桥式整流电路共阴电路：全控桥的T3、T4为二极管。由导通的可控硅与其串的二极管续流(缺点：半周无触发，则为半波整流）。不共阴电路：全控桥的T2、T3为二极管。无前者缺点，电力机车广泛采用。第十八页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.2理想整流电路不共阴半控桥电路如图4-8所示。

1、整流电压由波形图得（4-21）可见：①当α=0时，同不可控整流电压，即

②当α=90º时，Ud=0.5Ud0=0.45U2；而当α=π时，Ud=0。与全控桥比：Ud同样在最大与零间平滑调节，但控制角α大一倍（0~180°）。整流元件反压同全控桥。（注：整流波形图中没有负的阴影面积）图4-8不共阴半控桥整流电路

图4-9不共阴半控桥整流波形

第十九页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.2理想整流电路2、变压器电流Ld=∞，Id直流。变压器绕组在α内无电流，是断续矩形波。i2的大小为Id、iT的大小为Id/KT，iT的有效值为（4-22）4、机车功率系数变压器原边视在功率（4-23）变压器原边有功功率（不计变压器、整流器的损耗）（4-24）机车的功率系数（4-25）据（4-21）、（4-25），不同α对应有Ud/Ud0、μ值，可绘制μ=f(Ud/Ud0)曲线，见后图4-14曲线3。

第二十页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.2理想整流电路比较曲线2、3可见：

①半控桥改善了μ，它高于全桥，但它低于不可控。

②α↑→Ud↓→Ud/Ud0↓,其μ↓；反之则相反。

③Ud/Ud0→1时，半控桥的iT比不可控桥更接近正弦，其μ＞0.9。另：由波形图知，半控桥变压器原边电流基波量I(1)

与横轴交于(α/2)处，故相位移系数。（三）多段桥顺序控制可控整流在低压区，μ↓、高次谐波电流较大，电网污染大。多段桥可改善。第二十一页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.2理想整流电路1、两段半控桥式整流电路（1）整流电压变压器副边两段，分别给半控桥RM1、RM2供电，两桥串后向电机供电。其中，二极管D1～D4提供直流续流通路。①低压段，RM1逐渐开放，RM2关断，由D3、D4联通电路，同前述半控桥（4-26）可见，α1=π，Ud=0；α1=0，Ud=0.5Ud0。即低压段，α1由π～0，Ud从0～0.5Ud0。②高压段，RM1全开放，RM2逐渐开放，（即叠加）有

图4-10两段半控桥电路

图4-11两段半控桥波形

第二十二页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.2理想整流电路

（4-27）可见，α2=π，Ud=0.5Ud0；α2=0，Ud=Ud0。即高压段，α2由π～0，Ud从0.5Ud0～Ud0。（2）功率系数由iT波形得有效值IT，再得出变压器视在功率S、有功功率P，最后得功率系数（见讲义）（4-28）据（4-27）、（4-28），不同α2有Ud/Ud0、μ值，得μ=f(Ud/Ud0)特性曲线，见后图4-14曲线4所示。比较曲线3、4可见，两段比一段的μ高得多，但总体比较低，特别在Ud/Ud0=0.557附近μ下降较多。另，电流波形畸变也有所改善。

（6G、SS6机车采用。另：SS5是全控桥与半空桥串联）第二十三页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.2理想整流电路2、三段不等分桥式整流电路

SS4改、SS8、SS34000等机车采用。

图示电路，变压器副边ax1、bx2两段，其ax1段半控桥，bx2段中抽式半控桥，故实际上是三段不等分（电压比例为1：1：2）。D1～D4提供续流通道。

图4-12三段不等分半控桥电路

图4-13三段不等分半控桥波形

第二十四页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.2理想整流电路①第一段，低压调节（大桥调压）。绕组ax1、T1、T2、D1、D2工作，D3、D4联通电路；T3～T6均关断。据波形，整流电压平均值为(4-29)式中，Uax1为ax1段电压有效值，是副边总电压有效值的一半（即0.5U2）。可见:α1=π，Ud=0；α1=0，Ud=0.9Uax1=0.5Ud0。即α1由π～0，Ud从0～0.5Ud0。②第二段，中压调节（小桥调压）。大桥满开放（即α1=0），绕组bc、T3、T4、及D3、D4投入工作，整流电压平均值为(4-30)第二十五页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.2理想整流电路式中，Ubc为bc段电压有效值，为副边总电压有效值的四分之一（即0.25U2）。可见:α2=π，Ud=0.5Ud0；α2=0，Ud=0.75Ud0。即α2从π～0，Ud从0.5Ud0～0.75Ud0。③第三段，高压调节，前两段桥满开放（即α1=0、α2=0），绕组cx2、T5、T6也工作，整流电压平均值为（4-31）式中，Ucx2为cx2段电压有效值，为副边总电压有效值的四分之一（即0.25U2）。可见：α3=π，Ud=0.75Ud0；α3=0，Ud=Ud0。即α3从π～0，Ud从0.75Ud0～Ud0。第二十六页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.2理想整流电路按前述方法，可求出μ，并得μ=f(Ud/Ud0)曲线，见后图4-14的曲线5所示。比较曲线4、5可见，三段比两段的μ高，且波形畸变小，故被“交-直”机车广泛用。（注：SS4改、SS8、SS34000等机车采用三段不等分桥调压。8K机车亦之，不同的是第一段桥为全控桥，类似半控桥工作，可再生制动；第一段全桥移相π/2～0，当α1=0时再顺序开放第二段桥）3、四段经济桥式整流电路四段经济桥与三段不等分桥电路相同（见图4-14），只是控制顺序不同。SS4机车应用。

①第一段，移相控制T3、T4，绕组bc、T3、T4、D3、D4工作，D1、D2联通电路，T1、T2、T5、T6均封锁，仅bc段绕组流过电流，整流电压的平均值为

第二十七页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.2理想整流电路

（4-32）可见：α1=π，Ud=0；α1=0，Ud=0.9Ubc=0.25Ud0。即α1从π～0，Ud从0～0.25Ud0。②第二段，一段桥满开放，移相控制T5、T6，绕组bc和cx2、T3～T6、D3、D4工作，D1、D2联通电路，T1、T2封锁，整流电压的平均值为（4-33）可见：α2=π，Ud=0.25Ud0；α2=0，Ud=0.5Ud0。即α2从π～0，Ud从0.25Ud0～0.5Ud0。③过渡，α2=0时，将bx2段负载全转移到ax1上。（二绕组匝数相等，合理控制实现无冲击平滑转移）电压过零时刻满开放T1、T2，并封锁T3～T6。电机端压不变，即

第二十八页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.2理想整流电路④第三段，维持T1、T2满开放，再次控制T3、T4，使bc段再次投入工作

(4-34)可见:α3=π，Ud=0.5Ud0；α3=0，Ud=0.75Ud0。即α3从π～0，Ud从0.5Ud0～0.75Ud0。⑤第四段，维持T1～T4满开放，再次控制T5、T6，使cx2段再次投入工作

(4-35)

可见:α4=π，Ud=0.75Ud0；α4=0，Ud=Ud0。即α4从π～0时，Ud从0.75Ud0～Ud0。

第二十九页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.2理想整流电路综上，三段不等分桥可获四段等分桥效果，降低了机车造价，故中抽桥叫经济桥，因调节电压又叫移相桥。另一半控桥起存储电压作用，故叫开关桥。按四段等分桥推类，可归纳出n段等分桥i段桥工作的整流电压为(i=1、2、……n)（4-36）按前述方法，同样可得μ=f(Ud/Ud0)特性曲线，见图4-14中的曲线6所示。可见，四段半控桥已有较满意的μ。图4-14不同整流电路功率系数

第三十页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.2理想整流电路综述：①不可控桥，变压器副边抽头调压，μ恒在0.9；②半控桥，移相调压，μ随分段数的增加而改善。起动时较明显，而在运行范围内μ约在0.778～0.933间波动。注意：分段多，利于改善μ，但电路复杂。三、机车调压方式与功率系数补偿由前述知，整流实现交→直、调压→调速、影响μ。1、机车调压方式（1）整流电路联接形式机车整流：中抽式、桥式。桥式比中抽式的变压器利用率高（约20％）。现代机车用桥式。第三十一页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.2理想整流电路（2）机车调压方式中抽式：变压器副边抽头调压，变压器结构较为复杂。桥式：可控硅调压。全控桥α在0～π/2内调压，半控桥则在0～π内调压。多段桥调压范围更宽。注意：一般用半控桥（仅再生制动才用全控桥），因移相范围范围大一倍（0～π），机车的平均μ值高，且控制简单。2、机车功率系数补偿性能评价指标：功率系数、谐波干扰。μ低，设备利用率低；谐波高，影响电网供电质量（电网污染）。提高μ、降低谐波→重要课题。限制要求：μ=0.9、I(3)=3.9A。第三十二页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.2理想整流电路注意：相控机车μ仅为0.78～0.80、谐波等效干扰最大值Ipmax＞9.2A。（主要是3、5次偕波影响）（1）采用多段桥

多段桥μ↑、谐波↓，但变压器副边抽头多、整流复杂，故一般不超四段。（2）采用功率系数补偿器图4-15滤波电路

功率系数补偿器：跨接于变压器副边的LC、RC、或RLC电路（兼作滤波，如图示）。补偿原理：补偿前：Ld作用→i2方波→谐波，负载感性及控制角α作用→i2滞后u2→μ↓；

补偿后：LRC串联谐振于3次谐波→基波呈容性→原滞后负载电流↓→μ↑，且LRC对3次呈低阻性→吸收绝大部分3次谐波→流向电网↓→电网谐波干扰↓。

第三十三页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.2理想整流电路试验表明，加补偿器后，可不用多段桥。应用：SS6机车采用两段桥加功率补偿，6K、8K机车在补偿器全投时μ＞0.9。注意：限于机车空间，可在车下补偿（变电所和接触网上），但侧重不同。

(a)(b)图4-16机车滤波器工作原理

第三十四页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.3非理想整流电路实际电路非理想，如整流管压降不为零、Ld≠∞、变压器有漏抗等。因太复杂，仅对Ld≠∞、Xc≠0进行讨论。一、Xc≠0、Xd=∞整流电路

Xc≠0（变压器绕组漏抗），整流不是瞬间完成换相；Xd=∞，整流电流被完全敷平；换相过程中电机电流保持恒值。（一）桥式整流电路换相前：b端正，D2、D4通，电流Id。换相开始（ωt=0）：a端正，电流从D2、D4换相到D1、D3。由于变压器漏抗Xc的磁场储能，使副边绕组中的电流i2不能跃变，只能从-Id逐渐变到+Id。换相期间：D1～D4均通，副边短路，D2、D4电流的减少与D1、D3第三十五页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.3非理想整流电路电流的增加相等，Id不变。换相结束（ωt=λ）：D2、D4电流下降到零而关断，D1、D3电流增至Id，并一直保持到ωt=π时开始下次换相为止。1、换相重叠角λ

ωt=0时，iD2=iD4=Id-is/2，iD1=iD3=is/2，副边电流为i2=is-Id。ωt=λ时，短路电流增加到is=2Id，D2、D4电流降到零，iD1、iD3增到Id，副边电流改变方向为Id。

换相期间（0≤ωt≤λ）副边短路电流is仅受Xc的限制，可写出方程式

图4-17Xc≠0桥式整流电路

图4-18Xc≠0桥式整流波形

第三十六页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.3非理想整流电路

（4-37）积分可得短路电流

（4-38）故，副边短路电流为（4-39）当ωt=λ时，is=2Id，由式（4-38）可得计算换相重叠角λ式为（4-40）式中，Is=U2m/Xc为短路电流峰值。可见：换相重叠角λ是漏抗Xc、负载Id、电压U2m的函数。2、换相时直流电压损失副边同中抽式，整流电压波形也相同（参见书），经分析有整流电压平均值（4-41）第三十七页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.3非理想整流电路代入式（4-40）（4-42）可见：Xc引起直流电压损失IdRc=2IdXc/π，Rc=Xc/π使Ud随Id线性降低。3、变压器参数

电压正弦。电流非正弦（见前波形图），且原副边波形相同、大小差一个变比，分析（参见讲义）知有效值是换向角λ的函数。

容量，分析（参见讲义）知也是λ的函数。4、机车功率系数

分析（参见讲义）知，Xc影响使μ↓。

第三十八页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.3非理想整流电路（三）半控桥整流电路电路：参见图4-8。换相前，D1、T2通。ωt=0时，a端正，T2向D2自然换相，换相后D1、D2续流，副边无电流。ωt=α时，触发T1，D1向T1触发换相，换相后由T1、D2导通到ωt=π。ωt=π时，又由T1向D1自然换相，换后D1、D2续流。ωt=π+α时，触发T2，由D2向T2触发换相。如此重复。图4-19Xc≠0半控桥整流波形

第三十九页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.3非理想整流电路1、换相重叠角λ①第一次换相（D1向T1换相，触发换相）

ωt=α时，触发T1，D1、T1通，副边短路，电压方程式同（4-37），积分得（4-43）α≤ωt≤(α+λ1)换相期间，各桥臂电流iT1=is，iD1=Id-is，iT2=0，iD2=Id。ωt=(α+λ1)时，第一次换相结束，有iT1=is=Id，iD1=0，故可得（4-44）可见：第一次换相重叠角λ1不但随Xc、Id、U2m变化，且与α大小有关。

第四十页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.3非理想整流电路②第二次换相（T1向D1换相，自然换相）（α+λ1）≤ωt≤π期间，T1、D2通。ωt=π时，变压器电势反向，T1向D1自然换相，副边绕组第二次被短路。据式（4-37）及边界条件可求第二次λ2

（4-45）（注意：与不可控桥换相重叠角式（4-40）比，上式第二项小一倍。因前者换相一次完成，变压器电流变化2Id，后者两次完成，每次电流变化为Id。）2、换相时直流电压损失据半控桥整流电压波形，可得整流电压平均值为（4-46）

第四十一页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.3非理想整流电路将式（4-44）代入上式有（4-47）式中，为空载电压平均值；为半控桥换相等效内阻，是不可控桥的一半（因半控桥换相分两次，第二次不造成直流电压损失）。可见：Ud与Id线性，Xc引起直流电压损失使整流电压降低，但斜率比不可控桥小一倍。（注意：对变压器参数，因半控桥原、副边电流均为α和λ1、λ2的函数，表达式更为复杂，但推导步骤和方法是一样的）

第四十二页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.3非理想整流电路二、Xc≠0、Xd≠∞整流电路

Xd≠∞，id变化，Xd作用，ud波形复杂，分析推导复杂，仅就桥式简要分析。图4-20Xc≠0、Xd≠∞时电压电流波形

桥式整流电路（参见4-17），Xc≠0、Xd≠∞，有图4-20示整流电压、电流波形。Xd为定值，不可控桥的换相不在半周初（即ωt=0、π…）开始，而要延滞一β角，即在整流电压ud下降到零时开始。

1、延滞角β整流电路电压平衡方程式

（4-48）第四十三页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.3非理想整流电路式中，ED为电机反电势（图中标成Ed）。电路（图4-17）cd间的整流电压为

（4-49）（可见：Xc≠0、Xd≠∞时，上式有第二项，在ωt=0（π、2π…）时u2=0，而ud≠0，不能开始换向；只有在ωt=β（或π+β…）时，才有ud=0开始换向。）正半周D1、D3通，ωt=π+β时由D1、D3换到D2、D4。由式（4-48）得（4-50）这时ud=0，式（4-49）变为（4-51）将式（4-50）代入，有（4-52）

第四十四页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.3非理想整流电路可见：β与Xc、Xd有关，Xd=∞时β=0。2、整流电压由式（4-48）得(4-53)可见，u2＞ED时，Xc、Xd的自感电势为正，id增加，反之则相反。将式（4-48）中的did/dt代入式（4-49）可得ud

(4-54)求平均值Ud，且代入忽略电机电路电阻的Ud=ED，有（4-55）第四十五页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.3非理想整流电路可见：①Ud随U2及λ变化，与Xc、Xd有关（β也与Xc、Xd相关）。

②当Xc≠0、Xd=∞，有β=0、λ≠0，式（4-55）同（4-41）；当Xc=0、Xd=∞，有β=0、λ=0，式（4-55）同（4-4）。3、整流电流

按换相、非换相期间微分方程求解（参见讲义）可得（4-56）可见：id是β、λ及Xc、Xd的函数。平均电流Id

（4-57）

第四十六页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.3非理想整流电路4、Xd对功率系数的影响分析（见讲义）知：①不同的Xd/Xc值有不同的Ud/Ud0=f(Id/Is)曲线，都是下降的。②Xd/Xc＞4时，Xd/Xc增加对Ud/Ud0=f(Id/Is)曲线影响不大，且与Xd=∞时相差很小。故一般工程中用Xd=∞处理是允许的。③对于Xd=∞，可得,Ud/Ud0随Id/Is线性降低。④Xd/Xc对机车功率系数μ影响较大，当Xd/Xc↑→μ↑。（例如，当Id/Is=0.1时，Xd/Xc=6的μ为0.8，而Xd/Xc=8.5的μ为0.83；同时，在Id/Is=0.075～0.1范围内，μ=f(Id/Is)还有最大值；当Id/Is＜0.075时，μ将降低。）注意：Xd随负载而变，负载减小时Xd增大，则小负载下Xd/Xc显著提高，使μ得到一定提高。故，为提高μ应正确选择平波电抗器的特性。第四十七页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.3非理想整流电路三、整流电流脉动及Xd的选择实际中Xd≠∞，整流电流总是脉动的。1、整流电流脉动系数（1）不可控桥整流电流脉动系数设整流电压ud，电机反电势ed，Ld自感电势Ld(did/dt)，忽略直流回路电阻，可列方程式电机串励绕组并小电阻（约为其等效的1/10），绕组交流感抗大，则交流量经电阻，励磁为恒直流磁势；机车惯性大，正常运行可认为n不变，故电机反电势ed=CeΦnn=ED。则上式可改写为（4-58）第四十八页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.3非理想整流电路

自感电势频率为100HZ，因为：ud＞ED，Ld(did/dt)正，id↑；ud＜ED，Ld(did/dt)负，id↓，则有图-21示波形。在ωt1处有idmin，在ωt2处有idmax，其脉动值为（4-59）不记λ时，ED=Ud0=2U2m/π，ud=U2msinωt，且id对称，则

图4-21不可控桥电压、电流波形

（4-60）式中的ωt1可由U2msinωt1=ED=2U2m/π来确定。第四十九页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.3非理想整流电路故整流电流脉动值为（4-61）可见：δ=0.66正好为式（4-16）的值，它与Ud0和Xd的大小无关；而△id则与Ud0、Xd0的大小有关。整流的交流分量大小用电流脉动系数Ki来表示，不可控整流为（4-62）可见：Ki与Ud0、Ld、Id、电源f大小有关。当Ld（或Xd）足够大时，可大大减少电流脉动。（2）半控桥整流电流脉动系数对半控桥，图4-22（a）为α＜ωt1、（b）为α＞ωt1。

对于α＜ωt1，在ωt1处有等式（4-63）

第五十页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.3非理想整流电路对于α＞ωt1，在ωt1处还未导通，在ωt2处有等式（4-64）图4-22半控桥两种控制角的情况

交界处α=α1=ωt1，由式求得α1=35º12′。当α＜35º12′时，考虑ED=Ud并将（4-63）→（4-59），得脉动值(4-65)

(ωt1由式（4-63）求出)

第五十一页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.3非理想整流电路当α＞35º12′时，考虑ED=Ud并将（4-64）→（4-59），得脉动值

(4-66)将式（4-65）、（4-66）与式（4-61）比较：不可控桥δ=0.66为常数，半控桥δ=△idXd/Ud0=f(α)是α的函数。分析知，α=65º时，有最大值δmax=0.97，对应有最大值Kimax

（4-67）注意：当记λ时，因λ对整流电压波形的影响同α，故用(α+λ)代替α即可。（对全控桥整流电路，分析推导方法类似）

(ωt2由式（4-64）求出)

第五十二页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.3非理想整流电路2、平波电抗器的选择（1）不可控整流Ld的选择不可控整流电路，Ud0为常数。浅析：若Ld为常值，由式（4-62）知，Ki仅随Id变,Id↑→Ki↓，反之相反。图4-23平波电抗器特性曲线

从电机换相和小负载时提高μ来说，希望Ki恒定，则Ld就不为常值。Ld随Id而变，保证LdId为常数，维持Ki不变，则Ld=f（Id）为双曲线，如图4-23曲线1所示。

铁芯电抗器，特性如曲线2所示。Id小时，磁路不饱和，Ld较大并为常数，Xd/Xc大→μ高；当Id↑→磁饱度↑→Ld↓，Ki不变。故电力机车采用铁芯平波电抗器。

结论：器件：第五十三页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.3非理想整流电路（2）可控整流电路

据给定Ud0和允许的Ki和Id范围，最不利（δ=δmax）情况下来确定Ld值。注意：虽Ld↑→电流敷平、μ↑，但Ld尺寸和重量均↑，影响机车的布局；而Id平直，变压器原边谐波↑→通讯干扰↑。通常，在一定Ud0下，先规定Ki，然后求不同Id下的Ld值，再选用合适的平波电抗器。（规定Ki≯25～30％）第五十四页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.4主电路保护一、过流保护

过流，指电器设备过载、短路等引起的电流剧增。后果，电气设备绝缘老化、设备烧损，严重引起失火。1、主电路的过电流原因：变压器原、副边短路和牵引电机过载、整流电路短路（内、外部短路）。（1）整流电路内部短路内部短路：指整流元件丧失反向阻断能力（击穿）。危害：使变压器副边短路。感性负载，短路电流为交流稳态与衰减直流量（大小取决于短路时的初始条件）之和，第一周（电源频率）内会出现最大值。第五十五页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.4主电路保护

设变压器副边电压u2=U2msinωt，短路电流可表示为（4-67）式中，Ku=1.16为网压升高系数（额压25kV，最大29kV）；ψ为桥臂击穿时电压初相角，最严重在电压瞬时值过零时（ψ=0）；Zc为换算到副边的等值短路阻抗，由Rc、Lc组成，其中Rc为等值短路电阻（包括接触网、原副边绕组、硅元件正向等效及引线电阻），Lc为等值短路电感（包括接触网、变压器短路漏感）；Zc的阻抗角=arctg（ωLc/Rc）。可见，Zc越大→is越小。（2）整流电路外部短路外部短路：整流输出侧短路，最常见是电机环火。因Ld、串励绕组、附加极绕组的电抗大，使外部短路电流增长缓慢。

第五十六页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.4主电路保护（3）主电路过载三种：机车起动、上坡或司机操作不当发生的电流过载；整流臂某支路断开使其它支路电流过大的电流过载；当通风机组故障时，使强迫风冷的整流器、牵引电机、牵引变压器等因过热而受损坏。2、过电流保护（1）主断路器保护

高速自动开关或主断路器保护。主断路器：装在牵引变压器原边(空气断路器)，既是总电源开关，又是过电流保护。SS机车用25kV空气断路器，电流互感器检测，当达整定值后0.06秒动作切断电源。

第五十七页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.4主电路保护优点：结构简单可靠，无复杂控制。缺点：动作速度较慢，保护的可靠性受限，应用：只作整流电路外部短路过电流保护（因Ld大，短路电流增长缓慢）。（2）过流继电器保护安装在变压器原边，保护变压器原、副边短路，当超过动作值时使主电路跳闸。（3）电磁式过载继电器保护

保护电动机过载。牵引电机回路母线穿过继电器铁心，超过动作值时动作，引起主电路跳闸。注意：

①电气制动电机过载保护也可用继电器，但只切断励磁电源，并封锁相应电子触发电路。

第五十八页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.4主电路保护②辅助电路过电流保护，用过流继电器切断机车主电源或机车辅助电源，后者对机车运行有利，但须增设一断路器；

③控制电路及其它电路过载保护，一般采用熔断器、自动开关等进行保护。二、过压保护指系统电磁能量瞬间突变引起的电压升高。对电气设备造成严重损坏，如使绝缘击穿、电机环火等。1、主电路的过电压（1）外部过电压大气过电压：由外部直接雷击或雷电感应经接触网和受电弓突加到机车上。特点：能量大，电流幅值可超200kA，冲击电压幅值可达几百万伏。

第五十九页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.4主电路保护（2）内部过电压操作过电压：电路本身变化产生（机车内部、接触网的）。①来自接触网的，如供电系统操作、线路上邻近运行机车跳闸，都会有过电压经接触网传入本机车。②来自机车内部的，由急剧改变电路状态引起。（如断开空载牵引变压器时，积蓄的电磁能量瞬间释放，其熄弧瞬间可形成变压器额压值8～10倍的过压幅值；牵引变压器合闸时浪涌电流、负载电流的急剧变化及保护装置的跳闸、电气设备的接地与短路等，都可能产生操作过电压；二极管整流换相时，空穴积蓄效应（载流子的残留效应）也会产生换相过电压。）2、过电压保护（1）避雷器或放电间歇作用：防大气过电压。

第六十页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.4主电路保护安装位置：①主短路器内侧（如图），优点，机车运行时闭合，防大气过压和机车操作过压，常用。②主断路器外侧，优点，不管主断路器是否闭合受电弓均受雷击保护，但防操作过压差，个别用。③变压器副边（接法同4-25（c）RC吸收电路），防雷及变压器副边过压。图4-24大气过电压保护

阀型避雷器，工作可靠性能好，温度影响小（冬夏均正常），常用。：应据被保护设备的额定电压来选择。

优点：额压选择第六十一页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.4主电路保护（2）阻容保护装置组成：R、C串联（RC吸收电路）。作用：削弱进入机车的大气电压、操作过压、整流换相过压。电路联接：①副边两端并RC（图（a）），保护进入变压器的残余大气过压。低于避雷器额压的大气过压进入车内损坏设备。电容C端压不跃变抑尖峰过压，而R阻尼避免谐振，待过压消失后，C再经R缓慢放电。

图4-25交流侧RC吸收电路的几种接法

(a)(b)(c)(d)第六十二页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.4主电路保护②副边经专用整流再接RC（图（b）），保护主电路整流装置。③副边并及两端对地接RC（图（c）），除（a）作用外，还限制绕组对地电位。④副边两端、中点对地接RC（图4-29（d）），保证绕组各部对地电位不过高。应用：①在SS、日本车上应用，②～④在法国车上较多应用。另：可控硅两端并RC，保护换相过压，减小du/dt过大误导通。三、接地保护1、接地含义：机车电气设备因绝缘破损、飞弧或意外使带电导体与车体金属接触而产生接地故障。分类：“死接地”（直接接触）、“活接地”（放电或爬电）。

第六十三页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.4主电路保护危害：“交-直”机车变压器副边无电气接地，一点接地为潜在危险，两点及以上形成短路使导线或设备烧损；“直-直”流机车（如地铁），电网经电动机接地，一点接地将产生严重后果。

主要采用接地继电器。主、辅、控电路都须设接地保护。如主电路，接在主电路与地点（车体）之间，如图4-26示。正常（无接地），无回路，J无电流为释放状态；主电路任意一点接地，直流电源E、J与接地点构成回路，使J动作。

2、接地保护图4-26接地保护装置原理

原理：第六十四页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.4主电路保护R1的作用：因主电路对地电位漂浮→分布电容→无接地亦感应高频电流→易使J误动作。故J线圈并R1，对高频分流，不致误动作；且避免主电路接地瞬间过电压对J的危害。注意：运行中发生一点接地故障时，可将故障转换开关K由1→2，切除J，主电路经大电阻R接地，可维持机车故障运行。四、欠电压保护欠电压：指接触网的电压过低或突然失电。欠压后果：网压过低，机车不能以正常功率运行，辅助机组不能正常工作，再生制动易使逆变失控；网压消失又突然恢复，对机车有电气及机械冲击。欠压保护：“交-直”机车，变压器辅助绕组装欠电压继电器或电子装置，欠压时使主断路器跳闸保护。

第六十五页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.4主电路保护注意：允许运行中受电弓短暂离线，欠压保护有延时，例如SS8机车，失压延时0.5秒跳主断路器，欠压低于19KV延10秒跳主断路器、低于17.5KV立即跳主断路器。继电器延时性能可避免运行中受电弓接触不良造成的误动作。第六十六页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.5典型机车主电路一、SS3型电力机车主电路在SS1基础上改进，六轴（C0-C0）客、货两用干线机车。主电路组成：受电弓、主断路器、高压电流互感器、主变压器、调压开关、硅整流装置、牵引电动机、平波电抗器、制动电阻柜等，如图4-27所示。1、原边电路25kV单相工频从受电弓1SD入机车，经空气主断路器QD、高压电流互感器1LH到原边A-X，再经电流互感器2LH及机车接地装置到钢轨回流。2、调压及整流电路副边两大段均为1111V，其中a1-x1固定、b1-b5分级（四段，每段277.8V）。分级经转换触头1TK、11TK与固定段反接或经10TK、20TK与固定段正接，再经桥式整流向M1～M6供电。第六十七页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.5典型机车主电路图4-27SS3型机车主电路原理图

第六十八页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.5典型机车主电路①调压开关8级调压（8×277.8V，级间可控硅平滑调压）：置0位：仅1TK、11TK闭合（0～4位始终闭合），无闭合回路，无输出。升1位：2TK、12TK闭合，固定与分级反接，有277.8V交流电压，经半控桥整流，控制α有0～250V（空载）平滑调节。可控硅全导通后准备升2位。升2位：先合3TK、13TK，二极管臂与可控硅臂两臂并联，再关可控硅，形成二极管桥式整流。尔后断开2TK、12TK，再合4TK、14TK，接通可控硅构成跨接，调压开关升到2位。可控硅臂不通时，二极管臂整流（250V）；可控硅臂通时，二极管臂止，控制α有250～500V平滑调节。依次类推，升至4位。第六十九页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.5典型机车主电路升5位：4位全导通向5位转换时，先合9TK、19TK接通二极管臂，只由a1-x1过度供电；尔后关可控硅，断8TK、18TK和1TK、11TK，再接通10TK、20TK和2TK、12TK，构成5位跨接，调控制角进行平滑调压。此后同1～4程序，实现从5位升到8位。注意：降压时的调压开关触头开闭程序相反。②平滑调压的恒流、限压：按司机控制手柄给定电流值自动升压，当电机直流互感器（M1为1ZLH）反馈电流信号小于给定值，α逐渐减小至满导通后调压开关升位，再控制α直至达到电流给定值；随起动速度V的增加，电流将下降，可控硅α自动调小，直至可以升位，从而始终保持电机电流恒定，以实现恒流控制。当升至8位达最高电压时，因限压环节作用，调整可控硅α，使电机被限压在1550V。第七十页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.5典型机车主电路③机车制动：调压开关只升1位（277.8V），经整流提供直流他励（图中未表示出），控制可控硅α实现励磁平滑调节。3、牵引、制动电路①脉流牵引电动机，每台800kW（以M1为例）：线路接触器1XC，在调压开关回“0”前断开支路，再转换位置转换开关，以避免电机剩磁引起不良后果，提高机车可靠性。直流互感器1ZLH，监测电机电流，并经过载继电器1QGJ对电机过流保护，动作整定在850±5％A。（继电器动作后跳主短路器）分流器1ZFL（1000A/75mV），接电流表1QI（0～1000A）。对电机M1～M6按1QI、3QI、5QI和2QI、4QI、6QI安装在机车Ⅰ、Ⅱ端驾驶台上。位置转换开关1WH，改变电机主极正、反接实现机车“向前”、“向后”，改变电机主极串励、他励实现机车“牵引”、“制动”。

第七十一页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.5典型机车主电路磁场削弱电路（改善电机换相和机车恒功范围），固定削磁（1CXR）0.95；Ⅰ级削磁（电空接触器11CXR合）0.7；Ⅱ级削磁（12CXR合）0.54；Ⅲ级削磁（11CXR、12CXR都合）0.45。②电阻制动电机他励，6电机主极串由半控桥器供电，各电机电枢与各自制动电阻（M1为1ZR）组成独立回路。制动电流由司机控制器给定，420A以下能自动恒流；当速度低达不到电枢给定值时，励磁电流自动调节增大，直到700A最大励磁电流限制为止。低速区（20km/h左右），按驾驶台“低速制动”按钮使低速继电器（M1为1ZC）闭合，短接一半制动电阻，机车低速发挥额定制动力。则电阻制动分两级。此外：主电路库用插座，由M5入库动车；直流电压表，监测电机端压（1550V）。

第七十二页，共九十五页，编辑于2023年，星期五§4.5典型机车主电路4、主电路保护（1）过压保护

原边放电间歇1FDQ，间歇110mm，冲击击穿电压90kV，防大气过压和操作过压；副边a1-x1、b1-b5接阻容吸收电路，将外来过压抑制在6％以下。（2）过电流保护①变压器：原边400±5％A