SS3B型電力機車磁場削弱電機電流波動原因及解決方案

林 忠

SS3B型電力機車磁場削弱電機電流波動原因及解決方案

林 忠

南昌鐵路局福州機務段技術科

SS3B型電力機車的TPZ11和TPZ11型電子柜在使用磁場削弱功能提高牽引電機輸出特性時，電機電流會強烈波動，造成機車上下震動，影響機車牽引速度和運行工況。該文分析了使用磁場削弱造成牽引電機電流波動的原因，提出了解決方案并裝車試驗，取得良好的效果。

電力機車 電子柜 整流裝置 磁場削弱

1 引言

SS3B電力機車采用六臺直流串勵牽引電動機，其轉速的變化受到電機的外加電壓，即隨整流后的直流電壓而變化，由于整流裝置的最高工作電壓受到限制，電機在其額定電壓下獲得的轉速（即車速）仍不能滿足牽引的需要，為擴大調速范圍，機車必須采用磁場削弱調速。磁場削弱是相對電機全磁場而言，當電機端電壓恒定時，通過減少電機的勵磁磁通，提高電機轉速以提高機車速度。

為了適應鷹廈、外福線的提速要求，我們對現有的原車SS3B電力機車的磁場削弱功能進行了試驗。在運行中發現，所有機車在投入磁場削弱裝置時，都會產生機車牽引電機電流劇烈抖動；說明原車SS3B電力機車的磁場削弱功能在使用時存在缺陷，會造成牽引電機磁場紊亂，進而造成機車牽引力劇烈變化，使列車沖動較大，影響列車的平穩運行，影響了機車提速的實現。本文將從機車控制系統分析磁場削弱電機電流波動原因，提出解決方案。

2 SS3B型機車磁場削弱電機電流波動原因分析

2.1 SS3B型機車整流裝置控制原理

SS3B型機車通過司機控制手柄的調節，經過電子柜轉向架控制板的邏輯控制，向整流裝置發出信號指令，整流裝置根據指令調節開通不同的整流橋臂，輸出不同的電機端電壓來調節電機轉速。SS3B機車整流裝置采用三段不等分橋相控技術，其控制原理及順序見圖1：第一段a1—x1—T11、T12、D11、D12（a2—x2—T21、T22、D21、D22）大橋調壓，整流橋輸入電壓1071V（空載）通過控制T11、T12（T21、T22）臂晶閘管導通角，使直流輸出電壓由0~1/2ud（ud為機車輸出直流電壓）平滑調節，直至T11、T12（T21、T22）晶閘管全導通。第二段a3—b3—T13、T14、D13、D14（a4—b4— T23、T24、D23、D24）小橋調壓，整流橋輸入電壓535.5V（空載）通過控制T13、T14（T23、T24）晶閘管導通角，使直流輸出電壓由1/2ud0~1/4ud平滑調節，直至T13、T14（T23、T24）晶閘管全導通。第三段b3—x3—T15、T16、D13、D14（b4—x4—T25、T26、D23、D24）小橋調壓，整流橋輸入電壓535.5V（空載）通過控制T15、T16（T25、T26）晶閘管導通角，使直流輸出電壓由3/4ud~ud平滑調節，直至T15、T16（T25、T26）晶閘管全導通。這就是整個三段不等分橋控制原理和順序，而控制三段橋按上述順序依次開放的移相控制電壓就是由電子柜控制系統中轉向架控制板產生的UE1、UE2、UE3。

圖1 三段不等分橋控制原理圖

根據上述控制原理及順序，為了能使機車輸出的直流電壓能夠平滑調節，電壓平緩變化的關鍵在于調節二、三段小橋時，大橋晶閘管保持滿開放，但現有的TPZ11型電子柜在使用磁場削弱功能過程中，電子柜轉向架控制板在調節二、三段小橋晶閘管導通角時，同時對大橋的晶閘管導通角進行調節，因此造成機車輸出的直流電壓變化波動大，從而導致機車電流波動大。

2.2 電子柜轉向架控制板原理

圖2 轉向架控制板電路結構

圖2中，“8”為“最大電壓限制電路”；“9”為“電樞電流調節電路”；“10”為“控制邏輯電路”。

機車在使用磁場削弱時往往是為了使機車保持最大牽引力，此時機車牽引電機電流達到電機電流限制值，在一定速度情況下，機車處于限壓控制狀態下，此時轉向架控制板根據電機電壓的反饋信號，調節UE2、UE3的值，根據上面所述，如果此時UE1也進行改變，造成機車直流輸出電壓波動大，從而導致機車電流波動大，因此要解決問題的關鍵在于在機車限壓狀態下，調節UE2、UE3的數值大小的同時，必須保證UE1數值保持相對的穩定，使機車直流輸出電壓保持平穩變化，減小機車電流的波動，使機車平穩運行。

3 SS3B型機車磁場削弱電機電流波動解決方案

基于以上分析，我們對電子柜轉向架控制板進行重新設計，在保留大部分原有電路基礎上，將三段橋移相控制電壓UE1、UE2/UE3方式進行改變，該電路主要由二個部分組成。

3.1 電樞電流調節功能

由運算放大器及降壓電阻等元件組成電樞電流調節器，電流指令信號和電流反饋信號經調節器的輸出，經過運算放大器的倒相，其輸出即為直流移相控制電壓UE1，該電壓一路去轉向架控制插件II，作為制動時第二轉向架的移相控制電壓；另一路與電壓限制環節比較后，從另一路輸出，作為第2、3段橋的移相控制電壓UE2、UE3。增加一個限制電路，使牽引時調節器的輸出限制在（+ UF/10 ，-UF）之間；制動時限制在（+ UF/10，- UF/2）之間。當調節器的輸出在上述范圍內時，限制電路均為負飽和，指示調節器處于工作狀態。當調節器的輸出超過該范圍時，兩個限制環節將起作用，調節器不工作。并處于開環工作狀態，不參與電流調節。其驅動電路在該環節的作用有兩點：其一是保證調節器只在參與調節時起作用。在調節器不工作時，不會影響其它電路的工作。其二是在調節器的輸出端，始終與輸出電壓一致，因此在調節器與限制環節轉換時，不會產生電壓波動。

3.2 最大電壓限制功能

運算放大器組成電機最大電壓限制環節。正值的電機電壓反饋信號Um輸入后，當Um未達到最大值時，放大器輸出正飽和，電壓限制環節不起作用。當Um達到限制值時，放大器的輸出從正飽和迅速往下降，至其值小于設定輸出時，電壓限制環節起作用，輸出即為限制環節的輸出，從而達到最大電壓限制的目的。同時，放大器輸出為負飽和，指示電壓限制環節工作。

4 實施效果驗證

2008年8月5日，我們對SS3型4421 號機車進一步進行試驗。運行中發現在7級以上進行機車磁場削弱時，發生機車牽引電流波動嚴重，列車抖動嚴重。

2008年12月11日，我們對改裝好的SS3型4421號機車進行試運。試運行中機車電流、電壓平穩。在提速運行區段，為了進一步加速，逐在機車調整手柄在7級時，進行機車磁場削弱，使機車提速，經檢查確認機車未發生機車抖動，牽引電機電流波動。機車運行平穩，加速自如。實現了設計要求。在其它運用區間多次進行機車磁場削弱試驗，均達到了設計要求，對機車運行無影響，證明改造方案是成功可行的，2009年至今，福州機務段已在全段SS3電力機車上全面推廣使用該項技術，目前除小部分機車外，福建省境內的SS3B機車已能夠正常使用磁場削弱，達到良好的效果。

5 結論和意義

電力機車使用磁場削弱引起震動的解決方案采用改變移相控制方式，在機車達到限壓時，一段橋維持滿開放只調節二、三段橋觸發脈沖，維持機車電流平穩調節。限壓部分增加微分控制環節，減緩電流抖動，不改動原SS3B電力機車控制方式，改造后的轉向架控制板電子插件，與原插件進行向下兼容，不對機車的其它部分進行改動，并且盡量采用原機車插件上的高可靠性元、器件。由于機車是進行分架控制，在機車轉向架控制板電子插件發生故障時，切除一個轉向架控制，另一轉向架控制插件板也應能實現機車的單一轉向架控制不會造成機車故障擴大。鐵路運輸對安全要求較高，如果機車使用磁場削弱電流波動大，旅客機車沖動容易使旅客發生意外；對貨運列車，會使列車產生安全隱患，如由于機車波動大、沖動大使車鉤產生斷裂可能，對機車6臺電機而言，脈動電流波動大，對其使用壽命損害較大，因此保持機車運行平穩，對于鐵路安全運輸而言具有重大意義。所以改善機車磁場削弱時，機車平穩運行具有很高的社會效益。同時，對于鷹廈線來說，長大坡道存在使機車的運輸能力受到制約，使用磁場削弱可以使機車在較快速度下保持較大的牽引電流，使機車獲得更大的牽引功率，從而實現多拉快跑的目的。未改造機車使用磁場削弱時，機車電流波動很大，這對于機車的主變壓器、牽引電機、車鉤損傷較大，從而會大大增加機務段檢修成本。改造后，能改善磁場削弱時電機電流、電壓狀況，對實現機車平穩運行、多拉快跑、降低檢修部門檢修成本起到積極作用，因此具有很高的經濟效益。

[1] 林聰云. 內燃機車電力傳動[M].北京：中國鐵道出版社，1997.

[2] 劉友梅. 韶山3型4000系電力機車[M]. 北京：中國鐵道出版社，1999.

[3] 南車集團株洲時代公司質量服務部. SS3B型電力機車電子控制系統檢修說明. 2002.