SS4改型電力機車劈相機控制電路結(jié)構(gòu)分析

寶雞鐵路技師學(xué)院 王宗信

一、引言

劈相機是一種結(jié)構(gòu)特殊、用途特殊的三相異步電機。它是一種能實現(xiàn)單一三相變換的異步電機，用于一切由單相電源供電，而又以三相異步電動機為負載的場合。在單相工頻交流電力機車的輔助系統(tǒng)中，異步劈相機（簡稱“劈相機”）用來將主變壓器輔助繞組供給的單相電源“劈成”三相，向輔助系統(tǒng)所有三相異步電動機供電。國產(chǎn)SS系列電力機車上先后采用過YPXZ-280M-4型、JP402A型、YPX-280M-4型等型號的劈相機，它們都是由相近容量的三相異步電動機改型設(shè)計而成。SS4改電力機車劈相機主要是將主變壓器輔助繞組A6、X6提供的單相交流電源轉(zhuǎn)變成三相交流電源，為機車上的各輔機提供三相交流電源。

二、異步劈相機的起動

在單相電網(wǎng)中，劈相機不能自行起動，需采用特殊的起動方法。異步劈相機的起動方法有輔助電動機起動法和分相起動法兩種。輔助電動機起動法是在劈相機的轉(zhuǎn)軸上安裝一臺輔助電動機，起動時先由輔助電動機帶動劈相機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，待劈相機轉(zhuǎn)速達到一定值時，將劈相機投入單相電網(wǎng)，并切除輔助電動機的電源。顯然，這種起動方法需要增加設(shè)備，而且使劈相機的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故一般都不采用。電阻分相起動具有線路簡單、設(shè)備成本低等優(yōu)點，因而得到廣泛的應(yīng)用，國產(chǎn)SS系列電力機車上的劈相機都采用電阻分相起動的方法。

1.劈相機電阻分相起動原理

劈相機電阻分相起動原理線路如圖1(a)所示，圖中RQ為起動電阻。當(dāng)劈相機的電動相繞組UV接通單相電源起動時，可以把定子繞組看作是由兩相組成：一相是VOU，它直接由單相電源供電；另一相是VOW，它與起動電阻RQ串聯(lián)后由單相電源供電。這時流經(jīng)VOU相電流IQ1滯后電壓UVU 90°電角，而流經(jīng)VOW相電流IQ2滯后UVU?角(?＜90°)，如圖2.1(b)所示。這兩個時間上有不同相位的起動電流通人在空間彼此相差一定電角度的兩相繞組中，所產(chǎn)生的氣隙合成磁場是一個旋轉(zhuǎn)磁場，在該磁場的作用下能產(chǎn)生較大的起動轉(zhuǎn)矩，使劈相機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動起來。當(dāng)轉(zhuǎn)速達到同步轉(zhuǎn)速的80%-90%時，借助接觸器切除起動電阻，起動即告完成，劈相機投入空載運行。

2.起動電阻值的選擇及切除起動電阻的時刻

由于劈相機燒損故障大部分發(fā)生在起動過程中，其主要原因是由于分相起動元件未能合理選擇或正常接入。為此，應(yīng)該解決以下兩個問題：

（1）起動電阻值應(yīng)選擇合適，以獲得最大的起動轉(zhuǎn)矩

由于起動電阻值的大小對發(fā)電相起動電流IQ2的幅值和相位影響極大，起動電阻過大或過小都會使兩相磁勢的合成磁場成為一個幅值變動、非恒速的橢圓形磁場，從而使起動轉(zhuǎn)矩變小。因此，對不同型號的劈相機而言都有一個相應(yīng)的起動電阻最佳值。

圖1 劈相機電阻分相起動原理圖

圖2 劈相機機械特性

圖3 劈相機啟動原理圖

（2）控制好切除起動電阻的時刻

當(dāng)劈相機的起動轉(zhuǎn)矩達到最大值時，應(yīng)及時切除起動電阻，起動電阻切除過早或過晚對起動電阻和劈相機都是很不利的。YPX-280M-4型劈相機機械特性如圖2所示。

曲線1為起動電阻為0.79Ω時的轉(zhuǎn)矩特性，曲線2為無起動電阻單相通電時的轉(zhuǎn)矩特性。由圖可見，該劈相機切除起動電阻的最佳時刻應(yīng)為轉(zhuǎn)速達到最大轉(zhuǎn)矩所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為1400 r/min，此時，切除起動電阻，劈相機轉(zhuǎn)矩雖由735 N·m突然降至441N·m，但電磁轉(zhuǎn)矩仍為正的加速轉(zhuǎn)矩，因此劈相機仍能起動起來直至達到額定轉(zhuǎn)速。但是，當(dāng)劈相機轉(zhuǎn)速低于850 r/min時提前切除起動電阻，則電磁轉(zhuǎn)矩立即由某個正的加速轉(zhuǎn)矩降為負的制動轉(zhuǎn)矩，使劈相機轉(zhuǎn)子迅速減速，相應(yīng)的定于電流迅速接近堵轉(zhuǎn)電流，而造成劈相機燒損。所以，在劈相機轉(zhuǎn)速低于臨界轉(zhuǎn)速（YPX-280M-4型為850 r/min），尚未起動起來而過早切除起動電阻，則會因劈相機起動失敗，造成定子繞組流過單相大電流而燒損，這種故障習(xí)慣上稱為“走單相”。反之，當(dāng)劈相機轉(zhuǎn)速達到最大轉(zhuǎn)矩對應(yīng)的轉(zhuǎn)速以后，如不及時切除起動電阻，對劈相機和起動電阻也是不利的。這是因為隨著轉(zhuǎn)速的增加，流過起動電阻的發(fā)電相電流也隨之增加，造成起動電阻過熱而燒損或阻值增大；同時負序磁場隨發(fā)電相電流外的增加而增加，使轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中的負序電流增大，轉(zhuǎn)子負序電流與氣隙正序磁場相互作用產(chǎn)生100 HZ的交變電磁轉(zhuǎn)矩，使劈相機承受強烈的電磁振動。

為了保證劈相機可靠起動和避免劈相機起動過程中有害的電磁振動，SS系列電力機車上的劈相機是采用專門設(shè)計的起動繼電器來控制起動電阻的切除時刻。它是根據(jù)劈相機在最大起動轉(zhuǎn)矩對應(yīng)的轉(zhuǎn)速附近發(fā)電相電壓將會急劇增加的特點，正確利用發(fā)電相電壓UW與電網(wǎng)電壓UVU比值的變化來控制起動繼電器的動作，在最大轉(zhuǎn)矩點切除起動電阻，以保證劈相機可靠起動。

三、劈相機的控制

SS4改型電力機車劈相機啟動控制電路如圖3所示。

1.劈相機手動控制

劈相機手動與自動啟動選擇開關(guān)591-QS(自起劈相機隔離開關(guān))，591QS置于“0”為手動啟動位；591QS置于“1”為自動啟動位。劈相機隔離開關(guān)242QS，“1”位正常工作位(1px)；“2”位故障位(1FD)；“0”位試驗位，即機車低壓試驗及庫內(nèi)三相電源試驗置于的位置。

啟動前將591QS置于“0”，242QS置于“1PX”位，按下劈相機按鍵開關(guān)404SK。

(1)劈相機中間繼電器567KA得電動作。即：導(dǎo)線560經(jīng)404SK與591QS，使導(dǎo)線564有電，劈相機中間繼電器567KA得電。

(2)啟動電阻接觸器213KM和劈相機延時繼電器533KT得電動作，同時延時繼電器527KT得電動作。即：導(dǎo)線560經(jīng)567KA常開聯(lián)鎖使導(dǎo)線561有電，以后分成兩條支路：導(dǎo)線561經(jīng)劈相機啟動中間繼電器566KA常閉聯(lián)鎖，使213KM和533KT得電動作，同時527KT線圈經(jīng)566KA常閉聯(lián)鎖得電，527KT常開聯(lián)鎖閉合，為劈相機接觸器201KM閉合做好了準(zhǔn)備。

(3)啟動電阻接觸器213KM吸合，接入啟動電阻；533KT吸合為283AK提供電源，其常閉聯(lián)鎖斷開導(dǎo)線577通路，保證劈相機啟動未完成之前，無法啟動其他輔機。

(4)劈相機接觸器的控制。導(dǎo)線561經(jīng)213KM的輔助聯(lián)鎖，使導(dǎo)線572有電，經(jīng)劈相機故障隔離開關(guān)242QS使201KM得電并自持，劈相機開始啟動。

(5)劈相機啟動電阻的切除。若劈相機啟動正常，則劈相機的啟動繼電器283AK動作，其常開聯(lián)鎖閉合；導(dǎo)線561經(jīng)283AK，使導(dǎo)線568有電，劈相機啟動中間繼電器566KA得電動作并自持，其常閉聯(lián)鎖打開，527KT線圈失電，延時1S后，527KT聯(lián)鎖打開，切斷213KM和533KT的供電電路，甩掉劈相機啟動電阻，使劈相機進入正常工作狀態(tài)。

至此，劈相機的控制順利完成。這是單節(jié)車情況，當(dāng)兩節(jié)車重聯(lián)時，通過重聯(lián)線N564使另一節(jié)車的567KA得電動作。啟動另一節(jié)車劈相機過程與單節(jié)相同。

2.劈相機自動控制

所謂自動控制是指司機操作主斷路器合閘后，劈相機自起啟動，無需人為操作劈相機以及其他輔助機的按鍵開關(guān)。這一功能主要用于機車過分相區(qū)時，減少司機的操作步驟。

(1)自起劈相機電路分析

當(dāng)主斷路器閉合后，4QF聯(lián)鎖打開，導(dǎo)線565失電，劈相機自起延時繼電器528KT失電，延時1S后其反聯(lián)鎖閉合，導(dǎo)線562經(jīng)591QS和528KT反聯(lián)鎖，使567KA得電動作，劈相機開始啟動以后的過程與手動控制完全一樣

(2)劈相機自起操作

將劈相機隔離開關(guān)242QS置于“1”位→自起劈相機隔離開關(guān)591QS置于“1”位→啟動電阻轉(zhuǎn)換開關(guān)296QS置于電阻位。404SK此時終在閉合位。

3.劈相機故障控制

當(dāng)劈相機故障時，為保證其他輔機能正常工作，SS4改型電力機車采用第一牽引通風(fēng)機3MA通過分相電容啟動后代替劈相機的功能，但采用電容分相啟動時網(wǎng)壓不能低于22KV。

(1)將劈相機隔離開關(guān)242QS置于“2”位，即故障位。其目的是將283AK監(jiān)測發(fā)電相電壓的引入線279和280轉(zhuǎn)接到3MA的第三相上。

(2)將啟動電阻轉(zhuǎn)換開關(guān)296QS置于253C電容位。

(3)按下404SK，567KA得電動作。導(dǎo)線560經(jīng)567KA，使導(dǎo)線561有電，導(dǎo)線561經(jīng)566KA、527KT使213KM和533KT得電，啟動電容接入。

a.導(dǎo)線561經(jīng)213KM、242QS，使導(dǎo)線580有電，通風(fēng)機1接觸器205KM得電動作并自持，通風(fēng)機1開始啟動，當(dāng)其發(fā)電機電壓達到283AK的整定值時，283AK動作；

b.導(dǎo)線561經(jīng)283AK使566KA得電動作并自持，527KT失電；

c.導(dǎo)線561經(jīng)566TK聯(lián)鎖、527KT的正聯(lián)鎖切除213KM和533T的供電電路，甩掉通風(fēng)機1的啟動電容，使通風(fēng)機1進入正常工作狀態(tài)；

d.導(dǎo)線561經(jīng)533TK使導(dǎo)線577有電，為其他輔機的正常工作做好準(zhǔn)備。

四、“低壓試驗”控制及庫內(nèi)輔助電路三相電源試驗

機車“低壓試驗”時，將242QS打在“0”位(即“試驗”位)，閉合按鍵404SK，則567KA、566KA得電閉合，533KT失電，533TK聯(lián)鎖閉合，577有電，即可進行其他輔機接觸器操作試驗。但此時劈相機接觸器201KM被切斷，由此，又可將輔助電路庫用插座接上三相380V電壓，直接啟動壓縮機和各通風(fēng)機，無須啟動劈相機。

[1]張有梧,朱龍駒.SS4G型電力機車乘務(wù)員[M].北京:中國鐵道出版社,1998.

[2]許聰明.電力機車控制[M].北京:中國鐵道出版社,2004.

[3]程懷汶.電力機車總體[M].北京:中國鐵道出版社,1998.

[4]祁冠峰.電力機車電器[M].北京:中國鐵道出版社,1998.