第四章交直电力机车主电路.ppt

1、第四章 交直电力机车主电路,4.1 概述,4.2 理想整流电路,4.3 非理想整流电路,4.4 主电路保护,4.5 典型机车主电路,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）。,4.1 概述,变流器调压，如SS3SS9机车（无级调压）。相控调压

2、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：,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

3、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。,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

4、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）。,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。,4.1 概述,三、电力机车的功率系数“交-直

5、”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,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）=I(1)/I，则有 （4-3） 可见：畸变，

6、=1无畸变，有 。通常情况， 。 （2）浅析1：一是基波电流与电压不同相， 1；二是电流畸变有谐波，1。提高，一是使I(1)与U同相，二是使电流接近正弦。,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；M1M6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、）完成，即瞬间自然换相。,图4-1 中

7、抽式整流电路,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,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

8、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）,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，可表示为整流功率与变压器副边视在功率的比（4-14）,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

9、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、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,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：

10、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）。,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。改变可控硅改变整流电压ud波形改变Ud。 注意：在ntn+期间，因Ld=出现负的整流电压，且Id为常数；在t=n+瞬间换向，可控硅电流、变压器原边电流i都滞后角。,图4-6 全控整流电路,4.2 理想整流电路,1、整流电压依电力电子学有（4-17） 可见： 当=0，同不可控整流，当=

11、90时，有Ud=0（整流电压波形正负面积相等）。 当90时，cos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,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相位差角，即 =。（4-19） 将式（4-17）代入式（4-19）得 （4-20） 可见：全桥整流的与Ud成正比。当=0（全导通）， Ud=Ud0最大，=0.9最高。随Ud；当=90Ud=0=0。则调压时，须考虑降低问题。,4.2 理想整流电路,据

12、（4-19）、（4-20），不同对应有Ud/Ud0、值，可绘制出=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T

13、2、T3为二极管。无前者缺点，电力机车广泛采用。,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：当=0时，同不可控整流电压，即当=90时，Ud=0.5Ud0=0.45U2；而当=时，Ud=0。 与全控桥比：Ud同样在最大与零间平滑调节，但控制角大一倍（0180）。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,4.2 理想整流电路,2、变压器电流Ld=，Id直流。变压器绕组在内无电流，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）

14、 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），不同对应有Ud/Ud0、值，可绘制=f(Ud/Ud0)曲线，见后图4-14曲线3。,4.2 理想整流电路,比较曲线2、3可见：半控桥改善了，它高于全桥，但它低于不可控。UdUd/Ud0,其；反之则相反。Ud/Ud01时，半控桥的iT比不可控桥更接近正弦，其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(/2)处，故相位移系数 。 （三）多段桥顺序控制可控整流在低压区，、高次谐波电流较大，电网污染大。多

15、段桥可改善。,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D1D4提供直流续流通路。 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，1=，Ud=0；1=0，Ud=0.5Ud0。即低压段，1由0，Ud从00.5Ud0。 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,4.2 理想整流电路,（4-27） 可见，2=，Ud=0.5Ud0；2=0，Ud=Ud0。即高压段，2由0，Ud从0.5Ud0Ud0

16、。 （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2有Ud/Ud0、值，得=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，两段比一段的高得多，但总体比较低，特别在Ud/Ud0=0.557附近下降较多。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）,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

17、段不等分（电压比例为1：1：2）。D1D4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,4.2 理想整流电路,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；T3T6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:1=，Ud=0；1=0，Ud=0.9Uax1=0.5Ud0。即1由0，Ud从00.5Ud0。 第二段，中压调节（小桥调压）。大桥满开放（即1=0），绕组bc、T3、T4、及D3、D4投入工作，整流电压平均值为 (4-30)

18、,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:2=，Ud=0.5Ud0；2=0，Ud=0.75Ud0。即2从0，Ud从0.5Ud00.75Ud0。 第三段，高压调节，前两段桥满开放（即1=0、2=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：3=，Ud=0.75Ud0；3=0，Ud=Ud0。即3从0，Ud从0.75Ud0Ud0。,4.2 理想整流电路,按前述方法，可求出，并得=f(Ud/Ud0)曲线，见后图4-14的曲线

19、5所示。比较曲线4、5可见，三段比两段的高，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/20，当1=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。 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,4.2 理想整流电路,（4-32） 可见：1=，Ud=0；

20、1=0，Ud=0.9Ubc=0.25Ud0。即1从0，Ud从00.25Ud0。 第二段，一段桥满开放，移相控制T5、T6，绕组bc和cx2、T3T6、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：2=，Ud=0.25Ud0；2=0，Ud=0.5Ud0。即2从0，Ud从0.25Ud00.5Ud0。 过渡，2=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T3T6。电机端压不变，即,4.2 理想整流电路,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-

21、34) 可见:3=，Ud=0.5Ud0；3=0，Ud=0.75Ud0。即3从0，Ud从0.5Ud00.75Ud0。 第四段，维持T1T4满开放，再次控制T5、T6，使cx2段再次投入工作(4-35) 可见:4=，Ud=0.75Ud0；4=0，Ud=Ud0。即4从0时，Ud从0.75Ud0Ud0。,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=f(Ud/Ud0)特性曲线，见图4-

22、14中的曲线6所示。可见，四段半控桥已有较满意的。,图4-14 不同整流电路功率系数,4.2 理想整流电路,综述： 不可控桥，变压器副边抽头调压，恒在0.9； 半控桥，移相调压，随分段数的增加而改善。起动时较明显，而在运行范围内约在0.7780.933间波动。 注意：分段多，利于改善，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。 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。,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

23、压。全控桥在0/2内调压，半控桥则在0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），机车的平均值高，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。低，设备利用率低；谐波高，影响电网供电质量（电网污染）。提高、降低谐波重要课题。 限制要求：=0.9、I(3)=3.9A。,4.2 理想整流电路,注意：相控机车仅为0.780.80、谐波等效干扰最大值Ipmax9.2A。（主要是3、5次偕波影响） （1）采用多段桥多段桥、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,

24、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，负载感性及控制角作用i2滞后u2；,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，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。,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,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、

25、Ld、变压器有漏抗等。因太复杂，仅对Ld、Xc0进行讨论。 一、Xc0、Xd=整流电路Xc0（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（t=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：D1D4均通，副边短路，D2、D4电流的减少与D1、D3,4.3 非理想整流电路,电流的增加相等，Id不变。 换相结束（t=）：D2、D4电流下降到零而关断，D1、D3电流增至Id，

26、并一直保持到t=时开始下次换相为止。 1、换相重叠角t=0时，iD2=iD4=Id-is/2，iD1=iD3=is/2，副边电流为i2=is-Id。t=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（0t）副边短路电流is仅受Xc的限制，可写出方程式,图4-17 Xc0桥式整流电路,图4-18 Xc0桥式整流波形,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t=时，is=2Id，由式（4-38）可得计算换相重叠角式为 （4-40）式中，Is=U2m/Xc为短路电流峰值。 可

27、见：换相重叠角是漏抗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）,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/，Rc=Xc/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）知有效值是换向角的函数。容量，分析（参见讲义）知也是的函数。 4、机车功率系数分析（参见讲义）知，Xc影响使。,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、

28、T2通。 t=0时，a端正，T2向D2自然换相，换相后D1、D2续流，副边无电流。 t=时，触发T1，D1向T1触发换相，换相后由T1、D2导通到t=。 t=时，又由T1向D1自然换相，换后D1、D2续流。 t=+时，触发T2，由D2向T2触发换相。如此重复。,图4-19 Xc0半控桥整流波形,4.3 非理想整流电路,1、换相重叠角 第一次换相（D1向T1换相，触发换相）t=时，触发T1，D1、T1通，副边短路，电压方程式同（4-37），积分得（4-43）t(+1)换相期间，各桥臂电流iT1=is，iD1=Id-is，iT2=0，iD2=Id。t=(+1)时，第一次换相结束，有iT1=is=I

29、d，iD1=0，故可得 （4-44） 可见：第一次换相重叠角1不但随Xc、Id、U2m变化，且与大小有关。,4.3 非理想整流电路,第二次换相（T1向D1换相，自然换相）（+1）t期间，T1、D2通。t=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2（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）,4.3 非理想整流电路,将式（4-44）代入上式有（4-47

30、）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、副边电流均为和1、2的函数，表达式更为复杂，但推导步骤和方法是一样的）,4.3 非理想整流电路,二、Xc0、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4-20 Xc0、Xd时电压电流波形,桥式整流电路（参见4-17），Xc0、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t=0、）

31、开始，而要延滞一角，即在整流电压ud下降到零时开始。,1、延滞角整流电路电压平衡方程式（4-48）,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：Xc0、Xd时，上式有第二项，在t=0（、2）时u2=0，而ud0，不能开始换向；只有在t=（或+）时，才有ud=0开始换向。）正半周D1、D3通，t=+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）,4.3 非理想整流电路,可见：与Xc、Xd有关，Xd=时=0。 2、整流电压由

32、式（4-48）得 (4-53)可见，u2ED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）,4.3 非理想整流电路,可见：Ud随U2及变化，与Xc、Xd有关（也与Xc、Xd相关）。当Xc0、Xd=，有=0、0，式（4-55）同（4-41）；当Xc=0、Xd=，有=0、=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、及Xc、Xd的函数。平均电流Id（4-57）,4.3 非理想整流电

33、路,4、Xd对功率系数的影响 分析（见讲义）知：不同的Xd/Xc值有不同的Ud/Ud0=f(Id/Is)曲线，都是下降的。Xd/Xc4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。对于Xd=，可得 , Ud/Ud0随Id/Is线性降低。Xd/Xc对机车功率系数影响较大，当Xd/Xc。（例如，当Id/Is=0.1时，Xd/Xc=6的为0.8，而Xd/Xc=8.5的为0.83；同时，在Id/Is=0.0750.1范围内，=f(Id/Is)还有最大值；当Id/Is0.075时，将降低。） 注意：Xd随负载而变，负载减小时Xd增

34、大，则小负载下Xd/Xc显著提高，使得到一定提高。故，为提高应正确选择平波电抗器的特性。,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=Cenn=ED。则上式可改写为 （4-58）,4.3 非理想整流电路,自感电势频率为100HZ，因为：udED，Ld(did/d

35、t)正，id；udED，Ld (did/dt)负，id，则有图-21示波形。在t1处有idmin，在t2处有idmax，其脉动值为（4-59）不记时，ED=Ud0=2U2m/，ud=U2msint，且id对称，则,图4-21 不可控桥电压、电流波形,（4-60） 式中的t1可由U2msint1=ED=2U2m/来确定。,4.3 非理想整流电路,故整流电流脉动值为 （4-61） 可见：=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

36、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t1、（b）为t1。对于t1，在t1处有等式（4-63）,4.3 非理想整流电路,对于t1，在t1处还未导通，在t2处有等式（4-64）,图4-22 半控桥两种控制角的情况,交界处=1=t1，由式 求得1=3512。 当3512时，考虑ED=Ud并将（4-63）（4-59），得脉动值(4-65),(t1由式（4-63）求出),4.3 非理想整流电路,当3512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

37、=0.66为常数，半控桥=idXd/Ud0=f()是的函数。分析知，=65时，有最大值max=0.97，对应有最大值Kimax（4-67） 注意：当记时，因对整流电压波形的影响同，故用(+)代替即可。（对全控桥整流电路，分析推导方法类似）,(t2由式（4-64）求出),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,IdKi，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L

38、d=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：,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（=max）情况下来确定Ld值。 注意：虽Ld电流敷平、，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Ki2530）,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

39、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。,4.4 主电路保护,设变压器副边电压u2=U2msint，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）；为桥臂击穿时电压初相角，最严重在电压瞬时值过零时（=0）；Zc为换算到副边的等值短路阻抗，由R

40、c、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（Lc/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。,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

41、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。,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：电气制动电机过载保护也可用继电器，但只切断励磁电源，

42、并封锁相应电子触发电路。,4.4 主电路保护,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；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。,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）。 来自接触网的，如供电系

43、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。 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810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。,4.4 主电路保护,安装位置：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。主断路器外侧，优点，不管主断路器是否闭合受电弓

44、均受雷击保护，但防操作过压差，个别用。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,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： 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

45、电路的几种接法,(a),(b),(c),(d),4.4 主电路保护,副边经专用整流再接RC（图（b），保护主电路整流装置。 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。 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：在SS、日本车上应用，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）。,4.4 主电路保护,危害：“交-直”机车变压器副边

46、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：,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12，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。,