韶山型電力機車劈相機原理

翟會超

【摘 要】韶山型電力機車是我國鐵路干線上的主力軍，而劈相機是韶山型電力機車必要的部件。其實它就是一種將單相工頻交流電轉換成三相交流電，給電力機車各個用電設備供電的特殊異步電機，是單相電動機和三相發電機的特殊組合，從而平衡電力系統的三相負荷。論文主要對韶山型電力機車劈相機的工作原理和控制方法進行了研討，對輸出三相電壓的不對稱性進行了分析和調整。

【Abstract】ShaoShan type electric locomotive is the main force of China railway line， and the split-phase machine is the necessary component of Shao Shan type electric locomotive. In fact， it is a special asynchronous motor that converts single-phase frequency alternating current into three - phase alternating current， and provides electric for individual electrical equipment of the electric locomotive. Electrical equipment is a special combination of single-phase and three-phase motor generator， so as to balance the three phase load of power system. This paper mainly discusses the working principle and control method of Shao Shan type electric locomotive split-phase machine， and the asymmetry of output three-phase voltage is analyzed and adjusted.

【關鍵詞】電力機車劈相機；單相；三相；工作原理；控制方法

【Keywords】electric locomotive split-phase machine； single phase； three-phase ； working principle ； control method

【中圖分類號】U264 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）08-0161-02

1 劈相機工作原理

劈相機是一種結構特殊的三相異步電機，它的用途非常專一，能完成單相和三相電的變換。電力機車的供電電源是單相電源，但負載又是三相的異步電機，劈相機的特殊作用就在于此。劈相機就是用來將主變壓器從接觸網接收的單相電源轉換成三相的工頻交流電，向三相負載（異步電動機）供電。圖1-1即是劈相機工作原理線路圖[1]。

如圖1-1所示連接異步電機的各繞組，電機作為單相異步電機運行，單相電源接繞組V、U兩端，通電后，繞組VOU將產生一個與異步電機轉子轉動方向相同的正序旋轉磁場和一個與異步電機轉子轉動方向相反的負序旋轉磁場，這兩個磁場雖然方向相反，但大小、周期完全相同。當轉子運行起來后，轉子導體感應出來的電流產生的磁場將會抵消負序旋轉磁場，最后在劈相機的氣隙里就剩下一個正序旋轉磁場。這樣，閉合的三相繞組VO、OU、OW處在正序磁場中，被正序磁場磁力切割，產生了電流，這樣單相交流電源就被“劈”成了三相。

2 劈相機的起動控制

劈相機常用的起動方法有：分相起動和起動電動機法。

2.1 分相起動

劈相機是一種特殊的異步電機，它可以看成是一個單相異步電動機與三相發電機的組合體。在單相電源的條件下，由于無起動力矩，因此是不能直接做單相起動的，必須接入起動電阻（或電容）進行分相起動，接入方法如圖2-1（a）所示。當電機起動完畢后，再甩開起動電阻（或電容）。

如上圖2-1（a）所示，圖中的RQ作為起動電阻。當劈相機的UV繞組（電動相繞組）接通單相電源起動后，定子繞組可以看作是由VOU相和VOW相組成：VOU相直接由單相電源供電，而VOW相與起動電阻RQ串聯后由單相電源供電。這樣，電壓UVU超前電流IQ1（流經VOU相的電流）90°（電感效應），而UVU超前電流IQ2（流經VOW相的電流）φ角（φ<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入在空間彼此相差一定電角度的兩相繞組中，所產生的氣隙合成磁場是一個旋轉磁場，在該磁場的作用下能產生較大的起動轉矩，使劈相機的轉子轉動起來。當轉速達到同步轉速的80%～90%時，使用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]。

從以下兩個方面保證劈相機可靠起動：

①選擇合理的起動電阻，以獲得最大的起動轉矩。

因為起動電阻值的大小直接影響到發電相起動電流2QI的幅值和相位，起動電阻過大或過小都會使合成后的磁場變成幅值變動、非恒速的橢圓形磁場，起動轉矩也隨之變小。所以，不同型號的劈相機都應該有一個相對應的最佳起動電阻值。

②控制好切除起動電阻的時間。

在起動轉矩達到最大值時，應該及時地把起動電阻甩掉。起動電阻切除時機不當，將嚴重影響劈相機的可靠性。

2.2 起動電動機法

起動電動機法是指加裝一臺輔助電動機在劈相機的轉軸上，起動時劈相機轉子在輔助電動機的帶動下轉動，當轉速達到一定值后，切除輔助電動機的電源，用單相電網為劈相機供電。這種起動方法很明顯需要另外增加新的設備，而且使劈相機的結構更加復雜，加大維修難度，因此一般都不采用這種起動方法。

綜上所述，電阻分相起動具有線路簡單、設備成本低等優點，因而得到廣泛的應用，國產SS系列電力機車上的劈相機都采用電阻分相起動的方法[3]。

3 三相電壓不對稱性調整

3.1 劈相機負載后三相電壓不對稱的原因

分析圖1-1，繞組VO、OU相當于異步電機的定子繞組，繞組OW相當于起發電作用。在劈相機負載時，繞組VO、OU中有兩種電流（電動機電流和發電機電流）流過，而在繞組OW中只有一種電流（發電機電流）流過，這樣就導致劈相機的三相電流不對稱，電流流過繞組將產生阻抗壓降，流過的電流不對稱，則三相繞組產生的阻抗壓降也不對稱。當是電動機電流時（設電動機電流方向為正），阻抗壓降方向為正，繞組的端電壓將大于感應電勢；當是發電機電流時，阻抗壓降方向為負，繞組的端電壓將小于感應電勢。如果流過繞組VO、OU、OW的電流對稱，則會產生對稱的感性電勢。負載后，由于三相繞組電流不對稱，阻抗壓降就不對稱，所以劈相機的三相端電壓就不對稱。

而且，在負序磁場抵消的過程中可能還有剩余，三相繞組將產生負序感應電勢，這也是造成三相電壓不對稱的一大原因。

3.2 改善劈相機三相電壓不對稱性的措施

①把一個電容器并聯在負載的兩端；

②把劈相機的定子繞組做成三相不對稱的繞組。

4 結論

劈相機的實質是把單相電源轉變成三相電源。只有合理解決劈相機的起動問題和在負載后保持三相輸出電壓的對稱性問題，劈相機才能可靠起動并運行，才能更好地為韶山型電力機車服務。

【參考文獻】

【1】王立民.SS4G型電力機車劈相機啟動控制電路故障分析與處理[D].黑龍江：黑龍江交通職業技術學院，2012.

【2】王宗信.SS4改型電力機車劈相機控制電路結構分析[J].電子世界，2012（08）：51-52.

【3】許聰明.電力機車控制[M].北京：中國鐵道出版社，2004.endprint