SS4G型電力機(jī)車劈相機(jī)電路分析及應(yīng)急故障處理

陳超

摘 要：鐵路運(yùn)輸是我公司的支柱產(chǎn)業(yè)，隨著鐵路重載技術(shù)的不斷發(fā)展。如何實(shí)現(xiàn)多拉快跑，創(chuàng)造出更高的經(jīng)濟(jì)效益是機(jī)務(wù)工作的重中之重。但行車安全是鐵路運(yùn)輸?shù)挠篮阒黝}，貨物越拉越重對(duì)機(jī)車的安全性提出了更高更嚴(yán)的要求。我公司運(yùn)用的機(jī)車基本都是SS4G型電力機(jī)車，劈相機(jī)是電力機(jī)車的心臟部分，它的好壞直接影響到機(jī)車的行車安全。而劈相機(jī)中的控制電路更是決定了劈相機(jī)能否正常工作的核心部分。文章就劈相機(jī)工作原理作了分析，在電力機(jī)車上的應(yīng)用、使用中常見故障及處理方法、日常保養(yǎng)作了簡(jiǎn)要介紹。

關(guān)鍵詞：劈相機(jī)；劈相機(jī)的啟動(dòng)；故障處理

1 劈相機(jī)介紹

單相異步劈相機(jī)是利用單相交流電源供電的一種小容量交流電機(jī)。因?yàn)槠浣?jīng)濟(jì)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維修方便等優(yōu)點(diǎn)和可直接接到220v交流電源上使用的特點(diǎn)，因此被廣泛運(yùn)用到家庭電器及輕工業(yè)裝置中。

2 劈相機(jī)工作原理

異步劈相機(jī)和普通的異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)基本一樣，有定子繞組和鼠籠式轉(zhuǎn)子。定子繞組有三繞組Y型和兩繞組T型兩種結(jié)構(gòu)。T型繞組的主繞組接牽引變壓器二次側(cè)輔助繞組的兩端，輔繞組則接在主繞組的中點(diǎn)。電機(jī)啟動(dòng)之后，輔繞組的電壓超前輸入的單相電壓90°，因而在輸出的三端得到三相電壓。Y型繞組在國(guó)產(chǎn)得韶山系列上運(yùn)用普遍，下面對(duì)Y型定子的異步劈相機(jī)進(jìn)行分析。

如圖1所示，Y型的定子繞組的oc、ob端接在牽引變壓器二次側(cè)的輔助繞組兩端，輸出的三個(gè)端子接三相負(fù)載。在cb端通入單相交流電之后，繞組oc、ob中會(huì)產(chǎn)生空間位置不變、大小按正弦規(guī)律變化的脈動(dòng)磁場(chǎng)。若只有繞組oc、ob，在轉(zhuǎn)子啟動(dòng)之后，劈相機(jī)則作為一臺(tái)單相異步電機(jī)運(yùn)行。

所以轉(zhuǎn)子是以接近于2的速度切割負(fù)序磁場(chǎng)，因此轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中感應(yīng)出接近2倍頻率的電流和電勢(shì)，因而產(chǎn)生的磁場(chǎng)抵消了負(fù)序磁場(chǎng)。在劈相機(jī)起動(dòng)以后，可認(rèn)為氣隙中只有正序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)存在且切割Y型定子繞組oa、ob、oc而感應(yīng)出一組三相電Eoa、Eob、Eoc，從a、b、c三個(gè)端子來看，劈相機(jī)又是一臺(tái)三相發(fā)電機(jī)，給三相負(fù)載供電。

由上述可見，劈相機(jī)的本質(zhì)是單相異步電機(jī)和三相發(fā)電機(jī)的組合。在劈相機(jī)運(yùn)行中，cob繞組和轉(zhuǎn)子起著單相異步電動(dòng)機(jī)的效果，而從a、b、c端子看oa、ob、oc和轉(zhuǎn)子起著三相發(fā)電機(jī)的效果。因此，b、c相繞組稱為電動(dòng)相繞組，a相繞組稱為發(fā)電相繞組。

雖然此劈相機(jī)的三相繞組對(duì)稱，但只有在空載時(shí)輸出的三相電壓才對(duì)稱，加上電負(fù)載后則不對(duì)稱。雖然負(fù)載對(duì)稱，但劈相機(jī)的b、c相繞組中不僅有發(fā)電機(jī)電流還有電動(dòng)機(jī)電流，會(huì)造成不對(duì)稱電流而導(dǎo)致不對(duì)稱的壓降。當(dāng)負(fù)載為感性時(shí)，發(fā)電機(jī)電流導(dǎo)致的電壓降使繞組的端電壓小于感應(yīng)電勢(shì)，而電動(dòng)機(jī)電流使端電壓大于感應(yīng)電勢(shì)。從而導(dǎo)致了三相端電壓不對(duì)稱。還有，若負(fù)序磁場(chǎng)沒有完全抵消，剩余的負(fù)序磁場(chǎng)也會(huì)在繞組中感應(yīng)出負(fù)序電勢(shì)，從而使電壓的不對(duì)稱度增加。

由以上分析可知：劈相機(jī)實(shí)際上就是本身只輸出一相電流的異步電機(jī)，劈相機(jī)工況是三相異步電機(jī)在不對(duì)稱條件下工作的特例。

異步電機(jī)成為劈相機(jī)的基本條件：（1）電機(jī)機(jī)械負(fù)載不變；（2）

三相電網(wǎng)缺相，使其電流反相輸出。

3 劈相機(jī)的起動(dòng)與運(yùn)行

為了保證輔助電路的正常運(yùn)行，必須改善劈相機(jī)電壓不對(duì)稱的情況。一種方法是采用不對(duì)稱的繞組，但這種情況只適合恒定的負(fù)載，一旦負(fù)載改變將不再適用。顯然電力機(jī)車由于負(fù)載的變化，不能采取這種方法。另一種方法是在劈相機(jī)的發(fā)電相和電源相之間并接一個(gè)電容，這樣的好處是劈相機(jī)發(fā)電相繞組的電流減小了，減少了壓降，從而使得端電壓增大。因此這種方法很適合電力機(jī)車，通常電容是在負(fù)載上，因負(fù)載不同而其大小也不一樣。劈相機(jī)的起動(dòng)和單相異步電機(jī)一樣，接通單相電源時(shí)，電動(dòng)相繞組產(chǎn)生大小相等、轉(zhuǎn)向相反的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)合成的脈動(dòng)磁場(chǎng)，所以在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生兩個(gè)大小相等、轉(zhuǎn)向相反的力矩，因而不能使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，可以采用輔助電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)劈相機(jī)或者分相起動(dòng)的方法來打破劈相機(jī)的這種平衡。分相起動(dòng)分為分相電容起動(dòng)和分相電阻起動(dòng)，在電力機(jī)車上常用分相電阻起動(dòng)的方法使劈相機(jī)起動(dòng)。下面分析電阻起動(dòng)的方法。

如圖2所示，J是接觸器，RQ是起動(dòng)電阻。劈相機(jī)起動(dòng)的原理如下：

從c相看進(jìn)去，將劈相機(jī)的Y型定子分成兩相繞組，分別為cob和coa，均可視為純電感。但在coa相串聯(lián)電阻RQ以后，當(dāng)兩相繞組接入單相電源時(shí)，coa相電流相對(duì)于電源電壓的滯后角？酌<90°，且RQ值越大？酌越小，而cob相是純電感，所以電流Qb滯后電源電壓90°。因此，由于兩相繞組的電流相位差和繞組在空間位置上的角度差，兩相繞組在電機(jī)氣隙內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)橢圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，產(chǎn)生起動(dòng)轉(zhuǎn)矩讓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)起來。

當(dāng)劈相機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)以后，在定子三相繞組中會(huì)產(chǎn)生三相感應(yīng)電勢(shì)為負(fù)載供電。劈相機(jī)起動(dòng)完成以后，接觸器J會(huì)自動(dòng)斷開，以切除起動(dòng)電阻。

劈相機(jī)作為交-直機(jī)車輔助電路提供三相交流電源，是輔助電路的核心設(shè)備。為了提高輔助電路的可靠性，通常有一臺(tái)劈相機(jī)備用或者一臺(tái)通風(fēng)機(jī)兼做劈相機(jī)使用。

4 劈相機(jī)在SS4G電力機(jī)車上的使用

SS4G電力機(jī)車采用傳統(tǒng)劈相機(jī)實(shí)現(xiàn)“單-三相”供電。劈相機(jī)采用分相電阻起動(dòng)，并由電壓繼電器監(jiān)測(cè)起動(dòng)過程和控制起動(dòng)電阻的切除。SS4G機(jī)車采用型號(hào)為YPX-280M-4、380V、50kW的劈相機(jī)，其參數(shù)相對(duì)于之前的車型有所調(diào)整，起動(dòng)電流適中、分相起動(dòng)后切除起動(dòng)電阻的自起動(dòng)性能有所改善。

4.1 劈相機(jī)的分相起動(dòng)

如圖3所示，劈相機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)和停止由其相應(yīng)的接觸器210KM控制，而劈相機(jī)的起動(dòng)由接觸器213KM將起動(dòng)電阻263R接入到第二電動(dòng)相繞組D2和發(fā)電相繞組D3之間來完成。劈相機(jī)起動(dòng)由電壓繼電器283AK進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制起動(dòng)電阻回路的開斷。

起動(dòng)劈相機(jī)信號(hào)發(fā)出后，接觸器213KM閉合，起動(dòng)電阻接入電路，電源接觸器210KM閉合，劈相機(jī)開始起動(dòng)。起動(dòng)過程中，當(dāng)劈相機(jī)達(dá)到0.9倍額定轉(zhuǎn)速，即283AK測(cè)得的發(fā)電相電壓值將接近額定電壓220V時(shí)，將使接觸器213KM切除起動(dòng)電阻，劈相機(jī)到此起動(dòng)完成。同時(shí)，283AK失去工作電源出于閑置狀態(tài)。為了提高可靠性，起動(dòng)電阻有三個(gè)抽頭，當(dāng)一組燒毀時(shí)可切至另一組，若兩組均燒壞，可切到233，改用電容起動(dòng)。

4.2 通風(fēng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)電容分相起動(dòng)

為了應(yīng)對(duì)劈相機(jī)有可能發(fā)生故障的情況，專門設(shè)置了備用電路。在機(jī)車運(yùn)行中，如果劈相機(jī)出現(xiàn)故障，為保證其他輔機(jī)繼續(xù)工作，應(yīng)切除劈相機(jī)，以電容253C對(duì)風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)3MA直接進(jìn)行分相起動(dòng)。此時(shí)，3MA既是一臺(tái)通風(fēng)機(jī)，也是一臺(tái)劈相機(jī)。在電網(wǎng)電壓達(dá)到19kV以上時(shí)，通風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)才能分相起動(dòng)，在電網(wǎng)電壓高于22kV時(shí)，才能起動(dòng)其他所有輔助機(jī)組。由于SS4G型機(jī)車的兩節(jié)車的輔助電路沒有進(jìn)行重聯(lián)，因此可以一節(jié)車做劈相機(jī)電阻分相起動(dòng)，另一節(jié)（劈相機(jī)故障狀態(tài)）做3MA電容分相起動(dòng)。

4.3 三相負(fù)載電路和單相負(fù)載電路

4.3.1 三相負(fù)載電路

三相負(fù)載電路是指機(jī)車輔助電機(jī)的供電電路。如圖4所示的三相負(fù)載部分，當(dāng)劈相機(jī)起動(dòng)完成后，輔助電路導(dǎo)線201、202、203將提供不完全對(duì)稱電源，此時(shí)各輔助機(jī)組可依次有間隔的接入負(fù)載電路。

SS4G型電力機(jī)車的三相負(fù)載為：壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)2MA一臺(tái)，牽引通風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)3MA、4MA兩臺(tái)，制動(dòng)風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)5MA、6MA兩臺(tái)，變壓器風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)7MA一臺(tái)，變壓器油泵8MA一臺(tái)。為了改善劈相機(jī)供電系統(tǒng)三相電源的對(duì)稱性，在3MA～5MA電動(dòng)機(jī)的第二、三相繞組間接入了移相電容247C～252C，隨著電機(jī)的接入而投入使用。各輔助電動(dòng)機(jī)均由其對(duì)應(yīng)的交流接觸器203KM～212KM進(jìn)行通斷控制。

SS4G型電力機(jī)車輔機(jī)電動(dòng)機(jī)的交流接觸器采用3TB系列三相交流接觸器，因其操作系統(tǒng)是直流控制、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、機(jī)械壽命長(zhǎng)。控制7MA、8MA的交流接觸器211KM、212KM的額定電流為75A，其他的均為170A。

機(jī)車上還設(shè)置有庫(kù)用插座294XS和庫(kù)用轉(zhuǎn)換刀開關(guān)235QS，如圖庫(kù)用插座開關(guān)部分。當(dāng)機(jī)車處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，235QS倒向“運(yùn)行”位，當(dāng)機(jī)車在庫(kù)內(nèi)時(shí)，235QS倒向“庫(kù)用”位，此時(shí)有兩種庫(kù)內(nèi)電源可使用。一般，庫(kù)內(nèi)三相電源在段內(nèi)使用，庫(kù)內(nèi)單相電源僅在制造廠或者大修廠庫(kù)內(nèi)電源容量大時(shí)使用。

4.3.2 單相負(fù)載電路

單相負(fù)載電路，即指電力機(jī)車中輔助電器的負(fù)載電路，如圖的單相負(fù)載部分，負(fù)載電路分為380V和220V兩類。

5 SS4G電力機(jī)車劈相機(jī)使用中常見故障及處理方法

5.1 劈相機(jī)不起動(dòng)

5.1.1兩節(jié)劈相機(jī)不起動(dòng)

故障處理：

（1）檢查輔機(jī)控制單極自動(dòng)開關(guān)605QA是否跳開，反復(fù)開閉

605QA；

（2）將劈相機(jī)自起故障隔離開關(guān)591QS置“自起”位實(shí)驗(yàn)；

（3）更換機(jī)車操作端實(shí)驗(yàn)；

（4）關(guān)閉自動(dòng)過分相裝置主機(jī)實(shí)驗(yàn)。

5.1.2 一節(jié)起動(dòng)正常，另一節(jié)指示燈不亮不起動(dòng)

故障處理：轉(zhuǎn)換LCU“A/B”實(shí)驗(yàn)

5.1.3一節(jié)起動(dòng)正常，另一節(jié)指示燈亮不起動(dòng)

故障處理：

（1）檢查劈相機(jī)三相自動(dòng)開關(guān)215QA，反復(fù)開閉215QA；

（2）轉(zhuǎn)換LCU“A/B”實(shí)驗(yàn)；

（3）檢查劈相機(jī)三相接觸器201KM及起動(dòng)電阻三相接觸器

213KM是否正常，201KM故障通風(fēng)機(jī)代替，213KM故障切除該節(jié)車維持運(yùn)行。

5.2 起動(dòng)電阻甩不開

故障處理：

（1）立即斷開劈相機(jī)按鍵開關(guān)404SK，重新起動(dòng)劈相機(jī)，待起動(dòng)后（3s），人為按壓劈相機(jī)起動(dòng)繼電器283AK；

（2）轉(zhuǎn)換LCU“A/B”實(shí)驗(yàn)，仍無效時(shí)切除該節(jié)車維持運(yùn)行。

5.3 起動(dòng)電阻燒損

故障處理：

（1）劈相機(jī)故障隔離開關(guān)242QS置“1FD”位；

（2）起動(dòng)電阻轉(zhuǎn)換開關(guān)296QS置“電容位”；

（3）技改過的機(jī)車將298QS置“下合位”。

注：通風(fēng)機(jī)代替劈相機(jī)，劈相機(jī)故障隔離開關(guān)242QS置“1FD”位，起動(dòng)電阻轉(zhuǎn)換開關(guān)296QS置“電容位”。

6 劈相機(jī)日常保養(yǎng)

（1）保持劈相機(jī)內(nèi)外清潔無異物，確保起冷卻散熱狀態(tài)良好；

（2）保持劈相機(jī)工作環(huán)境干燥，定期測(cè)量定子繞組絕緣電阻，保證其達(dá)標(biāo)；

（3）定期更換軸承油，保證其油潤(rùn)狀態(tài)良好；

（4）日常使用中如發(fā)現(xiàn)劈相機(jī)有異常音時(shí)，機(jī)車回段整備及時(shí)報(bào)修。

7 結(jié)束語(yǔ)

運(yùn)用部門在運(yùn)行中加強(qiáng)機(jī)械間的巡視，密切關(guān)注劈相機(jī)的工作狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)異常，及時(shí)處理。檢修部門充分利用機(jī)車回段以及小輔修時(shí)間對(duì)機(jī)車劈相機(jī)進(jìn)行檢查，保養(yǎng)，確保劈相機(jī)工作狀態(tài)良好，提高檢修水平，減少不必要的故障發(fā)生。延長(zhǎng)劈相機(jī)壽命，降低劈相機(jī)發(fā)生故障概率，確保鐵路運(yùn)輸安全暢通。