电力机车主电路的发展概述

电力机车主电路的发展概述（精选5篇）

篇1：电力机车主电路的发展概述

电力机车主电路的发展概述

电力机车（electric locomotive）本身不带原动机、靠接受沿线接触网送来的电流作为能源、由牵引电动机驱动车轮的机车。所需的电能，可以由多种形式（火力、水力、风力、核能等）转换而来。电力机车具有功率大、热效率高、速度快、过载能力强和运行可靠边等主要优点，而且不污染环境，特别适用于运输繁忙的铁路干线和隧道多、坡度大的山区铁路。

发展概况 【top】 最早造出第一台标准轨距电力机车的是苏格兰人R·戴维森，时间是1842年，由40组蓄电池供电，但没有实用价值。1879年5月，德国人W·VON西门子设计制造了一台能拉乘坐18人的三辆敞开式“客车”的电力机车，它由外部150V直流发电机通过第三轨供电，这是电力机车首次成功的试验。1881年,法国在巴黎展出了第一条由架空导线供电的电车线路，这就为提高电压，采用大功率牵引电动机创造条件。1895年，美国在巴尔的摩—俄亥俄间5.6 km长的遂道区段修建了直流电气化铁路，在该区段上运行的干线电力机车自重97 t，采用675 V直流电，功率为1 070 kW。1903年德国的三相交流电力机车创造了每小时210km 的高速记录。

中国最早使用电力机车在1914年，是抚顺煤矿使用的1 500 V直流电力机车。1958年中国成功地生产出第一台电力机车，从采用引燃管整流器到硅整流器，机车性能不断改进和提高，到1976年制成韶山型（SS1型）131号时已基本定型。截止到1989年停止生产，SS1型电力机车总共制造出厂926台，成为中国电气铁路干线的首批主型机车。1966年SS2型机车制成。1978年研制成功的SS3型机车，不仅改善了牵引性能，还把机车的小时功率从4 200kW提高到4 800kW，载止到1997年底，共生产了987台，成为中国第二种主型电力机车。1985年又研制成功了SS4型8轴货运电力机车，它是国产电力机车中功率最大的一种（6 400kW），已成为中国重载货运的主型机车。以后又陆续研制成功了SS5、SS6和SS7 型电力机车。1994研制成功了时速为160 km的准高速四轴电力机车等。至此，中国干线电力机车已基本形成了4、6、8 轴和3 200、4 800和6 400kW功率系列。1999年5月26日，中国株洲电力机车厂生产出第一台时速超过200km的DDJ1001号“子弹头”电力机车，标志着中国铁路电力牵引已跻身于国际高速列车的行列。为追踪世界新型“交—直—交”电力机车新技术，从20世纪70年代末开始，中国铁路一直在进行中小功率变流机组的地面试验研究和大功率的交—直—交电力机车的研制，也已取得了阶段性成果。

类型 【top】 电力机车是从接触网上获取电能的，接触网供给电力机车的电流有直流和交流两种。由于电流制不同，所用的电力机车也不一样，基本上可以分为三类：

直—直流电力机车 采用直流制供电时，牵引变电所内设有整流装置，它将三相交流电变成直流电后，再送到接触网上。因此，电力机车可直接从接触网上取得直流电供给直流串励牵引电动机使用，简化了机车上的设备。直流制的缺点是接触网的电压低，一般为1 500V或3 000V，接触导线要求很粗，要消耗大量的有色金属，加大了建设投资。

交—直流电力机车 在交流制中，目前世界上大多数国家都采用工频（50Hz）交流制，或25Hz低频交流制。在这种供电制下，牵引变电所将三相交流电改变成25 kV工业频率单相交流串励电动机，把交流电变成直流电的任务在机车上完成。由于接触网电压比直流制时提高了很多，接触导线的直径可以相对减小，减少了有色金属的消耗和建设投资。因此，工频交流制得到了广泛采用，世界上绝大多数电力机车也是交—直流电力机车。

交—直—交电力机车 采用直流串励电动机的最大优点是调速简单，只要改变电动机的端电压，就能很方便地在较大范围内实现对机车的调速。但是这种电机由于带有整流子，使制造和维修很复杂，体积也较大。而交流无整流子牵引电动机（即三相异步电动机）在制造、性能、功能、体积、重量、成本、及可靠性等方面远比整流子电机优越得多。它之所以迟迟不能在电力机车上应用，主要原因是调速比较困难。改变端电压不能使这种电机在较大范围内改变速度，而只有改变电流的频率才能达到目的。因此，只有当电子技术和大功率晶闸管变流装置得到迅速发展的今天，才能生产出采用三相交流电机的先进电力机车。交—直—交电力机车从接触网上引入的仍然是单相交流电，它首先把单相交流电整流成直流电，然后再把直流电逆变成可以使频率变化的三相交流电供三相异步电动机使用。这种机车具有优良的牵引能力，很有发展前途。德国制造的“E120”型电力机车就是这种机车。

基本构造 【top】 交—直流电力机车由机械和电气两大部分设备组成。机械部分包括车体、车钩缓冲装置、走行部和制动装置等。

车体内分成9 个室，中部是变压器室，室内装有牵引变压器、转换硅机组、调压开关和电池箱等设备。电抗器室，装有平波电抗器、离心式通风机组及劈相机；高压室，装有整流硅机组、主电路电器柜和辅助电路电器柜；机械室内装有空气压缩机组和通风机组，机械室的顶部各装一套制动电阻；机车的两端为司机室，室内的正、副司机操纵台及各种开关、仪表和指示灯等。车体侧墙上开有百叶窗，空气可以从这里进入车内对机件进行冷却。车体底架中梁的两端安装着车钩缓冲装置。车体顶部安装着两套受电弓。走行部为2～3 台转向架，用来承受机车的上部重量，传递牵引力和制动力，缓冲来自线路的冲击。转向架由构架、旁承、轮对、轴箱、弹簧减振装置、电机悬挂装置、牵引装置、基础制动装置及撤砂装置等部分组成。每根车轴上都装有一台牵引电动机，产生的转矩通过齿轮的传递使车轮转动。

电力机车除了使用空气制动以外，还可以利用直流电机的可逆性原理，把列车的功能为电能，再把电能变为热能消耗掉（叫电阻制动）或把电能反馈到电网上去（叫再生制动），以达到控制励磁电流大小，就能很方便地控制制动功率的大小。

电力机车上的全部电气设备，分别安装在它的主电路、辅助电路和控制电路之中，如图2所示。

图２ 电力机车电气回路示意图

1－受电弓；2－主断路器；3－主变压器；4－转换硅机组；5－调压开关；6－硅机组；7－主回路柜；8－平波电抗器；9－牵引电动机；10－劈相机；11－通风机；12－牵引通风机；13－油泵；14－空气压缩机；15－制动电阻柜。

将产生机车牵引力和制动力的各种电气设备连接而成的电系经叫主电路（如图2中粗实线所示），用来实现机车的功率传输。在主电路中的电气设备有受电弓、主断路器、牵引变压器、转换硅机组、调压开关、整流硅机组、平波电抗器、牵引电动机和制动电阻等。受电弓安装在车体顶部，每车两套，用来从接触网上取得电能，接触导线送来的25 kV工频单相交流电由此引入机车。主断路器是机车上的主要保护装置，当主电路发生短路、接地或其他电气设备发生故障时，它能自动切断机车电源。牵引变压器共有四个绕组：原边绕组接25kV高电压，经轮对、钢轨、回流线回到牵引变电所；三个副边绕组中，牵引装组用来向牵引电动机供电；励磁绕组用在电阻制动时给电动机提供励磁电流；辅助绕组用来给机车的辅助机组供电。转换硅机组和调压开关是保证机车平稳调压，达到机车的调速目的。牵引绕组输出的交流电通过整流硅机组整成直流电后供牵引电动机使用。由于牵引电动机本身的电感较小，不足以将整流后的电流滤平到所需要的范围，必须在电动机的电路里串接一个增大电感量的平波电抗器，以减小整流电流的脉动，改善电动机的工作条件。当机车需要进行电阻制动时，把牵引电动机从串励电动机改成他励发电机，把电枢绕组与制动电阻相连接，把电能变成热能逸散掉，达到消耗机车动能的目的。为主电路中有关设备服务的所有辅助电器连接而成的电系统叫辅助电路（如图2 中虚线所示）。辅助电器主要有劈相机、辅助电动机等。劈相机的作用是把单相交流电变成三相交流电使用。

控制电路是将控制主电路和辅助电路中各种电器设备的开关、接触器、继电器和电空阀等，同电源、照明、信号等的控制装置连接而成的电系统。

三条线路在电器方面是相互隔离的，通过电磁、电空或机械传动等方式相互联系，配合动作，用低压电控制高压电，以保证操作安全和实现机车的运行。

工作原理 【top】 接触导线上的电流，经受电弓进入机车后经过主断路器再进入主变压器，交流电从主变压器的牵引绕组经过硅机组整流后，向六台分两组并联的牵引电动机集中供应直流电，使牵引动电动机产生转矩，将电能转变为机械能，经过齿轮的传递驱动机车动轮转动。

电力机车的牵引性能主要取决于牵引电动机。直流串励电动机的外特性很接近机车理想牵引特性，而且其转速与外加电压成正比，只要改变牵引电动机的端电压，就能对机车进行调速。

主要技术参数 【top】 中国国产和引进干线电力机车的机型和主要技术参数如下表1 和表2 所列。

>表1国产干线电力机车型号及主要技术参数

注：1.6Y1 中4号车1966年改为硅整流器，型号为6Y1-004G；1967年生产的6Y1-007的功率3 6725 kW，电机型号为ZQ650-1，最高速度为100 km/h,电动机额定功率为612kW；

2.SS1-008~130于1968~1975年由田心厂造，SS1-131~826于1976~1988年由株洲厂造，传动比为88/19。

表2 引进干线电力机车型号及主要技术参数表

型号 6Y2 6G1

6GF

8K 1987引进年代 1961 1971

1972

~1988

6K 1987~198

8G

1988~1990 引进台数

制造厂

轴式

用途 功率(kW)最高速度（km/h）

整流器器形式

调整方式

电制动方式型号 牵额定功

引 率/电压电（kW/机 V）悬挂方式 25（已2 报废）法国

阿尔罗马斯通尼亚

公司

C0—C0—C0 C0 货 客、货 4 5 500 100 100 120 引燃硅整管 流桥

高压高压侧 侧有 32级级调调速 速

再生 电阻

TA06LJE149B2 08-2 750/850/750 770 抱轴电机瓦 空心轴

150

法国 欧洲阿尔50赫 斯通兹集公司

团 2

C0—（B0C0

—B0）

货 货 5 400 400 115 100

一段

两段全控 半控一段桥

半控桥

恒流准恒相控 速 调压 相控调压

电阻

（2台再生

再生）

TA04TA069 C1

49D 910/1 820

000/865

抱轴抱轴瓦

瓦

日本三菱电

机 和川崎重工

B0—B0—

B0

货 4 800

三段半控桥

恒压限流或准恒 速相控调压 电阻

MB-530-A

VR

800/925

抱轴瓦 100

苏联诺沃切尔 卡斯克

2（B0—B0）

货 6 400

硅整流桥

低压侧 有级调压

电阻

HB-515

800/1 020

抱轴瓦 单边传动比 75/17 单边73/20

单边67/17

单边67/17

单边74/17

88/21

篇2：电力机车主电路的发展概述

一、主电路的特点

（一）传动形式

采用传统的交――直传动形式，使用传统的串励式脉流牵引电动机，具有较成熟的经验，控制系统较简单。

（二）牵引电动机供电方式

采用一台转向架两台牵引电机并联，由一台主整流器供电，即所谓“转向架独立供电方式”。全车四个两轴转向架，具有四台独立的相控式主整流器，此方式具有三个优点：一是具有较大的灵活性，当一台主整流器故障时，只需切除一台转向架两台电机，机车仍保留3/4牵引能力；二是同一节车前后两台转向架可进行电气式轴重补偿，即对前转向架（其轴重相对较轻）给以较小的电流，以充分粘着；三是实现以转向架为中心的电气系统单元化。

（三）整流调压电路形式

机车主电路采用了不等分三段半控整流调压电路

（四）电制动方式

机车采用加馈电阻制动，每节车四台牵引电机主极绕组串联，由一台励磁半控桥式整流器供电。每台转向架上的两台牵引电机电枢与各自的制动电阻串联后，并联在一起，再与主整流器构成串联回路。与常用电阻制动相比，加馈电阻制动具有三大优点：一是可加宽调速范围，将最大制动力延伸至0km/h（为安全者想，机车的最大制动力延伸至10km/h）；二是能较方便地实现恒制动力控制；三是取消了常规的半电阻制动接触器，简化了控制电路。

（五）测量系统

直流电流与直流电压的测量实现传感器化，其优点：一是便于实现直读仪表、过载保护及反馈控制三位一体化；二是实现主电路高电位与控制系统的隔离，使司机台仪表接线插座化。机车全部采用了霍尔传感器检测直流电流电压信号，以利司机安全，并可提高系统的控制精度。

（六）保护系统

采用双接地继电保护，每一台转向架电气回路单元各接一台主接地继电器，以利于查找接地故障。并且接地继电器设置位置较其他机车不同，位于主变流装置上下两段桥的中点，使整流装置对地电位降低，改善硅元件工作条件。

（七）为提高机车功率因数和改善通讯干扰，机车增加了PFC装置。

二、主电路的构成

(一)网侧高压电路(25kV电路)网侧高压电路的主要设备有受电弓l AP、空气断路器4QF、高压电压互感器6TV、高压电流互感器7TA、避雷器5F、主变压器8TM的高压(原边)绕组AX、PFC用电流互感器1 0 9TA，以及二节车之间的25kV母线用高压联接器2AP。

低压部分有自动开关102QA、网压表103PV、电度表105PJ、PFC用电压互感器100TV，以及接地电刷110E、120E、130E和140E。这些电器设备所组成的电路主要用于检测机车网压和提供电度表用的电压信号。

与以往的机车相比，该电路具有如下特点：

1． 在25kV网侧电路中，加设了新型金属氧化物避雷器5F，以取代以往的放电间隙，作过电压和雷击保护。

2． 在受电弓与主断路器之间，设置有网侧电压互感器(25kV／100V)，便于司机在司机室内掌握受电弓的升降状况和网压的大小。3． 为提高机车的可靠性，实现机车的简统化、通用化设计，采用了传统的受电弓、空气断路器和网侧高压电压互感器。4． 增设有PFC控制用电压、电流互感器。(二)整流调整电路

为实现转向架独立控制方式，每节车采用二套独立的整流调压电路，分别向相应的转向架供电。牵引绕组a1－b l－x l和a2一x2供电给主整流器70V，组成前转向架供电单元；牵引绕组a3－b3一x3和a4一x4供电给主整流器80V组成后转向架供电单元。

以前转向架单元为例，整流电路为三段不等分整流调压电路。其中各段绕组的电压为：

Ua2x2＝Ua1x1＝2Ua1b1＝2Ub1x1＝695V 三段不等分整流桥的工作顺序如下所述：

首先投入四臂桥，即触发T5和T6，投入a2一x 2绕组。T5、T6、D 3和D 4顺序移相，整流电压由零逐渐升至Ud/2(Ud为总整流电压)，D 1和D 2续流。在电流正半周时，电流路径为a 2→D3→7 1号导线→平波电抗器→电机→7 2号导线→D1→T6→x 2→a2；当电源处于负半周时，电流路径为x2→T5→7 1号导线→平波电抗器→电机→7 2号导线→D 2→D1→D 4→a2→x 2。当T5和T6满开放后，六臂桥投入。第一步是维持T5和T6满开放，触发T1和T 2，绕组a l、b l投入。电源处于正半周时，电流路径为a2→D3→7 1号导线→平波电抗器→电机→7 2号导线→T 2→b1→a1→D1→T6→x2→a2；当电流处于负半周时，电流路径为x 2→T5→7 1号导线→平波电抗器→电机→72号线→D2→a1→b1→T1→D4→a2→x2。此时，T

1、T

2、D 1和D 2顺序移相，整流电压在(1/2~3/4)Ud之间调节。当T 1和T 2满开放后，T

1、T

2、T5和T6维持满开放，并触发T 3和T

4、b l—x l绕组再投入。T 3和T 4顺序移相，整流电压在(3/4~1)Ud之间调节。当电源处于正半周时，电流路径为a2→D 3→71号导线→平波电抗器→电机→7 2号导线→T4→x1→a1→D1→T6→ x 2→a2；当电源处于负半周时，电流路径为x 2→T5→7 1号导线→平波电抗器→电机→7 2号导线→D 2→a1→x1→T 3→D 4→a2→x 2。

在整流器的输出端还分别并联了两个电阻75R和76R，其电阻的作用有两个：一是机车高压空载做限压试验时，作整流器的负载，起续流作用；二是正常运行时，能够吸收部分过电压。(三)牵引供电电路

机车的牵引电路，即机车主电路的直流电路部分。

机车牵引供电电路，采用转向架独立供电方式。第一转向架的第一台牵引电机1 M与第二台牵引电机2M并联，由主整流器7 0V供电；第二转向架的第三台牵引电机3M与第四台牵引电机4M并联，由主整流器8 0V供电。两组供电电路完全相同且完全独立。

牵引电机支路的电流路径基本相同，现以第一牵引电机支路为例加以说明：其电流路径为正极母线71→平波电抗器11L→线路接触器12KM→电流传感器111SC→电机电枢→位置转换开关的“牵－制”鼓107QPR1→位置转换开关的“前’’－“后’’鼓107QPV1→主极磁场绕组→107QPV1→牵引电机隔离开关19QS→107QPR1→负极母线7 2。

与主极绕组并联的有固定分路电阻14R、一级磁削电阻15R和接触器17KM、二级磁削电阻16R和接触器18KM。14R与主极绕组并联后，实现机车的固定磁削级，其磁削系数为0．96。通过接触器17KM的闭合，投入15R，实现机车的I级磁削级，其磁削系数为0．70。通过接触器18KM的闭合，投入16R，实现机车的Ⅱ级磁削级，其磁削系数为0．54。当17KM和18KM同时闭合时，15R和16R同时投入，实现机车的Ⅲ级磁削级，其磁削系数为0．4 5。

由于两轴转向架两台牵引电机为背向布置，其相对旋转方向应相反。以第一转向架前进方向为例，从1M电机非整流子侧看去，电枢旋转方向应为顺时针方向；从2M电机非整流子侧看去应为逆时针旋向。同样，第二转向架3M电机为顺时针方向，4M电机为逆时针方向。

由此，各牵引电机的电枢与主极绕组的相对接线方式是： 1M：A11A12→D11D12 2M：A21A22→D22D21 3M：A31A32→D31D32 4M：A41A42→D42D41

上述接线方式为机车向前方向时的状况。当机车向后时，主极绕组通过“前’’－“后”换向鼓反向接线。

牵引电机故障隔离开关1 9QS、29QS、39QS和490s均为单刀双投开关，有上、中、下三个位置。上为运行位，中为牵引工况故障位，下为制动工况故障位。当牵引电机之一故障时，将相应牵引电机故障隔离开关置中间位，其相应常开联锁接点打开相应线路接触器，该电机支路与供电电路完全隔离。若误将隔离开关置向下位，则由于线路接触器已打开，虽然无电流，但导线 14与16或24与26或34与36或44与46之一相连，故障电机在电位上并不能与主电路隔离，若为接地故障，则仍会引起接地继电器动作。

库用开关20QP和50QP为双刀双投开关。在正常运行位时，其主刀与主电路隔离，其相应辅助接点接通受电弓升弓电磁阀，方可升弓；在库用位时，其主刀将库用插座30XS或40XS的库用电源分别与2M电机或3M电机的电枢正极引线22或32及总负极72或82连接，其辅助接点断开受电弓升弓电磁阀的电源线，使其在库用位时不能升弓。只要20QP或50QP之一在库用位，即可在库内动车。同时，通过相应的联锁接点可分别接通12KM和22KM或32KM和42KM，从而使1M或4M通电，以便于工厂或机务段出厂试验时试电机转向、出入库及旋轮。

空载试验转换开关10QP和60QP为叁刀双投开关。当机车处于正常运行位时，10QP和60QP将1位和4位电压传感器112SV和142SV分别与1M和4M的电枢相连，其相应辅助接点接通12KM、2 2KM、3 2KM和4 2KM的电空阀；当机车处于空载试验位时，10QP和60QP将112SV和142SV分别与主整流器70V和80V的输出端相连，同时短接76R和86R，其相应辅助接点断开线路接触器12KM、22KM、32KM和42KM的电空阀电源线，使10QP或60QP置于试验位时电机与整流器脱开，确保空载试验时的安全性。

每一台牵引电机设有一台直流电流传感器和一台直流电压传感器，其作用除提供电子控制的电机电流与电压反馈信号外，还通过电子柜处理之后，作为司机台电流表与电压表显示的信号检测。直流电压传感器设置在电枢两端，它有两个优点：一是在牵引与制动时，司机台均能看牵引电机电压；二是两台并联的牵引电机之一空转时，电枢电压的反应较快。

另外，取消了传统的电机电流过流继电器，电机的过流信号由直流电流传感器经电子柜发出，而进行卸载或跳主断。牵引电机过流保护整定值为1300A+5%。(四)加馈电阻制动电路

SS4改型电力机车与其它机型的主要不同之处是采用了加馈电阻制动电路，主要优点是能够获得较好的制动特性，特别是低速制动特性。加馈电阻制动又称为“补足’’电阻制动，它是在常规电阻制动的基础上而发展的一种能耗制动技术。根据理论分析可知，机车轮周制动力为 B=CφIz(N)式中C——机车结构常数；

φ——电机主极磁通(Wb)； Iz——电机电枢电流(A)。

在常规的电阻制动中，当电机主励磁最大恒定后，电枢电流Iz随着机车速度的减小而减小。因此，机车轮周制动力也随着机车速度的变化而变化。为了克服机车轮周制动力在机车低速区域减小的状况，加馈电阻制动从电网中吸收电能，并将该电能补足到，Iz中去，以此获得理想的轮周制动力。

机车处于加馈电阻制动时，经位置转换开关转换到制动位，牵引电机电枢与主极绕组脱离与制动电阻串联，且同一转向架的二台电机电枢支路并联之后，与主整流器串联构成回路。此时，每节车四台电机的主极绕组串联连接，经励磁接触器、励磁整流器构成回路，由主变压器励磁绕组供电。

现以1M电机为例，叙述一下电路电流的路径：

1．当机车速度高于33km／h时，机车处于纯电阻制动状态。其电流路径为71母线→11 L平波电抗器→12KM线路接触器→111SC电流传感器→1M电机电枢→107QPR 1位置转换开关“牵”一“制”鼓→13R制动电阻→7 3母线3→D 4→D 3→7 1母线。

2．当机车速度低于3 3 km／h，机车处于加馈电阻制动状态。当电源处于正半周时，其电流路径为a2→D 3→71母线→11 L平波电抗器→1 2KM线路接触器→111SC电流传感器→1M电机电枢→107QPR 1位置转换开关“牵”－“制’’鼓→13R制动电阻→7 3母线→T6→x 2→a2；当电源处于负半周时，其电流路径为x 2→T5→71母线→11 L平波电抗器→12KM线路接触器→1 1 1 SC电流传感器→1M电机电枢→1 0 7QPR 1位置转换开关“牵’’一“制’’鼓→1 3R制动电阻→7 3母线→D4→a2→x2。

加馈电阻制动时，主变压器的励磁绕组a5→x5经励磁接触器91KM向励磁整流器99V供电，并与1M～4M电机主极绕组串联，且励磁电流方向与牵引时相反，由下往上。从励磁整流器的输出端开始，其电流路径为91母线→199SC电流传感器→90母线→107QPR 1位置转换开关“牵”－“制’’鼓→19QS→107QPV 1→D12→D11→107QPV1→14母线→107QPR 2→29QS→107QPV 2→D 2 1→D22→107QPV 2→2 4母线→108QPR 4→49QS→108QPV 4→D 41→D 42→108QPV4→44母线→108QPR3→39Qs→108QPV3→D32→D31→9 2KM励磁接触器→82母线。

负极母线82为主整流器80V与励磁整流器99V的公共点，由此形成两个独立的接地保护电路系统。第一转向架牵引电机1M和2M电枢、制动电阻及主整流器70V，组成第一转向架主接地保护系统，由主接地继电器97KE担负保护功能；第二转向架牵引电机3M和4M电枢、制动电阻及主整流器80V、励磁整流器99 V组成第二转向架主接地保护系统，由主接地继电器98KE担负保护功能。

制动工况时，当一台牵引电机或制动电阻故障后，应将相应隔离开关置向下故障位，则线路接触器打开，电枢回路被甩开，主极绕组无电流但有电位。

为了能在静止状况下检查加馈制动系统是否正常，机车在静止时，系统仍能给出50 A的加馈制动电流(此时励磁电流达到最大值930 A)。机车在此加馈制动电流的作用下，将有向后动车的趋势，这一点应引起高度重视，以利机车安全。(五)PFC电路

SS4改型电力机车主电路设置有四组完全相同的PFC装置。

该装置是通过滤波电容和滤波电抗的串联谐振，以降低机车的三次谐波含量，提高机车的功率因数。它主要由真空接触器(电磁式)、无触点晶闸管开关、滤波电容、滤波电抗和故障隔离开关等电器组成。

机车采用的电磁式真空接触器具有接通、分断能力大、电气和机械寿命长等优点。在电路中，采用该真空接触器的作用和目的主要有二点：一是当无触点晶闸管开关被击穿重燃时，利用其分断能力大的优势起电路的保护作用；二是采用该真空接触器之后，可简化机车的控制系统和机车的结构设计。

在PFC电路中设置有故障隔离开关，在PFC电路出现接地时做隔离处理用。当故障隔离开关处于故障位时，一方面使PFC电路与机车主变压器的牵引绕组完全隔离；另一方面，通过其辅助联锁控制真空接触器主触头分断。同时，其主闸刀还将对电容器进行放电。

为确保人身安全，当司机取出司机钥匙时，因在每组PFC电路中的滤波电容和滤波电抗上并联了一个低阻(800Ω)，使得滤波电容上的电压能够快速放电。该电阻的投入是靠一高压继电器(116KM、126KM、156KM和166KM)来实现的。(六)保护电路

SS4改型电力机车主电路保护包括：短路、过流、过电压及主接地保护等四个方面。现分述如下： 1．短路保护

当网侧出现短路时，通过网侧电流互感器7TA→原边过流继电器101KC，使主断路器4QF动作，实现保护。其整定值为320 A。

当次边出现短路时，经次边电流互感器176TA、177TA、186TA及187TA→电子柜过流保护环节，使主断路器4QF动作，实现保护。其整定值为3000 A+5％。

在整流器的每一晶闸管上各串联一个快速熔断器，实现元件击穿短路保护之用。

2．过流保护

考虑到牵引工况和制动工况时，牵引电机的状况不同，牵引电机过流保护的整定值和保护方式设置也不同。

在牵引工况时，牵引电机的过流保护是通过直流电流传感器111SC、121SC、131SC和141SC→电子柜→主断路器来实现的，其整定值为1300 A+5％。

在制动工况时，牵引电机的过流保护是通过直流电流传感器111 SC、121 SC、131SC和141SC→电子柜→励磁过流中间继电器559KA→励磁接触器91KM来实现的。其整定值为1000 A土5％。此外，在制动工况时，还设有励磁绕组的过流保护，它是通过直流电流传感器199SC→电子柜→励磁过流中间继电器559KA→励磁接触器91KM来实现的。其整定值为1150 A±5%。3．过电压保护

机车的过电压包括：大气过电压、操作过电压、整流器换向过电压和调整过电压等。大气过电压的保护主要采用两种方式：一是在网侧设置新型金属氧化物避雷器5F；二是在各主变压器的各次边绕组上设置RC吸收器。牵引绕组上的RC吸收器由71C与73R、72C与74R、81C与83R、82C与84R构成；励磁绕组上的C吸收器由93C与94R构成；辅助绕组上的RC吸收器由255C与260R构成。

当机车主断路器4QF打开或接通主变压器空载电流时，机车将产生操作过电压，通过网侧避雷器5F和牵引绕组上的RC吸收器能够对此操作过电压进行限制。机车的主整流器70V和8 0V、励磁整流器9 9V的每一晶闸管及二极管上均并联有RC吸收器，以抑止整流器的换向过电压。

另外，牵引电机的电压由主整流器进行限压控制，其限制值为1020V±5％。4．、接地保护

牵引工况下，每“转向架供电单元”设一套接地保护系统，除网侧电路外，主电路任一点接地时，接地继电器均动作，无“死区’’。接地继电器动作之后，通过其联锁使主断路器动作，实现保护。

制动工况下，具有两套独立回路，励磁回路属于第二回路。为消除“死区”，回路各电势均为相加关系。为此，励磁电流方向与牵引时相反，改为由下而上，故电枢电势方向亦相反，改为下正上负。当制动工况发生接地故障时，接地继电器动作，通过其联锁使主断路器动作，实现保护。

篇3：电力机车主电路的发展概述

1 牵引电路的构成

HXD3型交流传动货运电力机车由网侧电路、四象限整流电路、中间直流环节、逆变及牵引电机电路和库内动车电路等几部分组成。其网侧电路由两台受电弓AP1、AP2, 两台高压隔离开关QS1、QS2, 一个高压电压互感器TV1, 一个高压电流互感器TA1, 一台主断路器QF1, 一台高压接地开关QS10, 和一台避雷器F1等组成。接触网电流通过受电弓经过高压隔离开关、高压电流互感器到达主变压器的1U端, 然后从1V端流出, 通过6个并联的接地回流装置EB1～EB6, 经过轮对回流到钢轨。

1.1 四象限整流电路控制方法

1.1.1 四象限整流器的特点

四象限整流器电路如图1所示, 由于采用PWM调制方法, 不仅能使整流器的功率因数接近于1, 还能极大地消除谐波电流。此外它能工作在整流和逆变的四个象限, 即不仅能用于牵引也可以用于再生制动, 把机车的动能和位能转化为电能反馈到电网中去并且响应速度快, 系统稳定性好。从图1可以看出, 该整流器每个桥臂都有可控原件, 该桥臂有3个作用:

1) 具有开关的作用。

2) 可使导通的电流id为负值;即在电压不变的情况下该电流可以改变方向, 故整流器可以使输出的电压和电流工作在四个象限。

3) 由于电感L所吸收的无功功率不可能来至电网侧, 故所吸收的无功功率应该直流电压侧提供, 所以电路具有功率的反馈作用, 进而提高了其功率因数。总之, 该四象限整流电路具有“开关”、“整流”、和“反馈”的作用。

1.1.2 PWM整流器的控制

四象限整流器是利用IGBT将交流电转化成直流电的装置, 它与二极管整流器相比具有以下优点:

1) 与二极管相比IGBT为可控元件, 故该电路为可控的。

2) 该整流器的直流输出电压大于其交流输出电压。

3) 即使电路中有感性负载也能使该电路的功率因数接近于1。

4) 该电路由于采用PWM控制技术, 系统的稳定性比二极管整流电路好。

功率因数的控制

为使整流器的功率因数接近于1, 必须使整流器网侧电流接近于正弦波, 并且网侧电压US和电流IS同相。整流器输入电感电压ULS是决定电压US和电流IS同相的重要参数, ULS幅值取决于IS和电感电流LS, 只有控制整流器输出电压和电源电压US之间的相位, 才能使US和电流IS同相。图2为整流器参数间的关系。

1.2 直流斩波电压的控制方式

中间直流斩波电压是主变流器的重要参数, 它决定了四象限整流器、牵引逆变器、牵引变压器、等主要设备的电压等级, 决定了设备的输出和输入电流, 进而决定了设备的体积和重量。

由四象限整流电路可知, 改变IGBT控制角的α大小, 就改变了每个IGBT触发角θ, 即改变了四象限整流器的输出电压Ud的大小。当IGBT控制角α减小时, 整流器输出的电压Ud增大, 当IGBT控制角α增大时, 整流器输出的电压Ud减小。这样就可以通过控制晶闸管控制角的大小进而控制整流器输出电压Ud的大小。

同时改变晶闸管IGBT控制角α的大小, 也改变了每个IGBT触发角θ的大小, 也就改变了整流器输入电压的大小, 从而使整流器的输出电压得到改变, 也可以对中间直流环节进行控制。

1.3 牵引逆变器的SVPWM控制

HXD3型电力机车采用两电平式电压源型逆变器, 逆变电路由U、V、W三相逆变单元组成, 其作用是将整流器输出的直流电转化成交流电来驱动交流电机。可以通过控制输出电压和频率来控制电机的转矩和转速。由于牵引逆变器采用矢量控制方式, 使牵引电机具有快速反应的动态性能, 可以对牵引电机实行一对一的控制。

三相对称电动机由三相电压供电, 其三相电压的表达式为:

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当牵引电机通入三相交流电压时, 在牵引电机中产生旋转的磁场。在忽略定子绕组不计的情况下, 牵引电机每个磁链值可以看成各相电压矢量对时间的积分。即可得到下式:

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将上式进行Clark变化, 得到α、β轴系下的磁链方程为:

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其中Ψm为磁链圆半径, f为电压频率, ω为电源电压的角频率。由式 (3) 可知, 只要电压和频率比undefined为常数, 则磁链圆半径Ψm为常数。随着ωt的变化, 磁链矢量Ψ就是一个以Ψm为半径, 以ω为旋转速度的圆形轨迹, 即可以得到一个理想的磁链圆。

在逆变器中, 依据开关矢量[abc]T由8种不同的组合, 即逆变桥开关状态有8种不同的组合输出。通过Clark变化, 这组合状态对应的相电压映射到α——β坐标。即可得到6个非零向量和2个零向量, 即u100、u110、u010、u011、u001、u101、u000和u111, 为基本电压空间矢量。6个非零向量构成一个六边形, 相邻夹角为60°, 两个零向量处于零点, 如图3所示。

变化后VSα、VSβ的值为:

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SVPWM控制的目的是通过控制开关组合, 将空间电压矢量U按设定的幅值和速度做圆形旋转。如图3所示。将电压U运行的区域6个扇区。在某个时刻, 电压U旋转在某个区域中, 可又组成这两个扇区的非零矢量按对应的作用时间t1、t2组合得到所需的电压U的输出。再通过控制电压U的大小、方向和旋转速度就能够实现变频调速。

2 结束语

通过对HXD3型电力机车牵引变流器的控制方法的研究分析, 掌握了机车主变流电路的控制方式, 为以后的机车运用和检修工作提供了伦理基础。

参考文献

[1]张曙光.HXD3型电力机车[M].北京:中国铁道出版社, 2010.

篇4：浅析电力机车主电路的保护

关键词：电力机车；保护装置；过电流；接地；过欠电压；空转

为了保证电力机车可靠的运行，在机车的电气线路中必须设置一系列的保护装置，它们在机车线路发生故障时自动动作，迅速切断相应电路，以避免机车中电气设备遭到损坏、防止故障进一步扩大。而在机车故障不能即刻排除时，还应能够很方便地组成故障线路，以便机车能在故障情况下维持运行，保证铁路运输的畅通。

根据机车故障现象的不同性质，线路中的保护一般分为过电流保护（包括短路和过载保护），接地保护、过电压保护以及其它一些特殊的保护。而保护的方式则根据该故障时机车线路、电气设备及对列车运行的影响而不同，有的须切断整台机车的电源，有的只须切断故障处所或该系统的电源，有的仅须给司乘人员以某种信号，引起注意即可，还有的在故障发生后自动予以调整。

一、过电流保护 '

当电路中发生过电流（短路或过载）时，必须用保护装置来阻止其继续下去，否则，会引起电路中电气设备的损坏，并使事故蔓延扩大。

在直流电力机车上一般采用高速开关、过电流继电器或熔断器来作为过载与短路保护、当主线路电压较低，牵引电机的功率不大时，可以用熔断器来保护主线路。熔断器能短时间通过较大的电流，但若过载时间较长，则熔体即会熔断。因此熔断器较适用于辅助回路的过载保护。以熔断器作为主線路的保护，其缺点是熔断时间较长，当电压高，电流较大时熔断器的灭弧作用不够可靠，且每次熔断后，必须更换熔件，运用上很不方便。

在直流电力机车上广泛使用电磁式过电流继电器作为牵引电动机的过载保护。牵引电动机的电流经过继电器的继电器线圈当电流超过继电器的整定值时，衔铁被吸引，继电器的触头将主线路内接触器或高速开关的低压控制线圈切断而使之断开，从而切断主线路。在过电流继电器动作切断主线路之后，必须保证在故障已消除。司机准备重新起动机车时才允许让主线路接通。为此，在过电流继电器的复原线圈中串联一个控制器在零位接通的接点，保证只有当控制器退回零位之后。继电器才能复原，重新接通电路。

采用这种形式的保护其优点在于发生过载故障后，保护装置动作迅速、例如：高速开关能在0.02-0.03秒的时间内切断主线路，因而故障不易扩大。它的缺点在于切断了机车的总电源，即便是一台电机回路过载，也便机车的牵引力全部丧失，这样在运行中，特别是在长大上坡道的运行中，如处理不及时，则容易造成中途停车的事故。

二，接地保护

在电力机车的主线路和辅助线路中，必须设有接地保护，当某一电气设备或导线接地时能起到保护作用。

直流电力机车的主线路本身是直接接地的，那么在线路中某处发生接地故障时，即将接地点以后的部分线路短接。造成线路中的电流冲击，因而可以利用线路中的过载保护装置来起到保护作用。但这时需要正确构成电机的组合线路。

三、过电压与欠电压保护

过电压对电力机车电气设备会造成严重的损害，如使绝缘击穿、电机环火等，所以在线路申必须设有过电压保护装置。

过电压主要有两种，一种是大气过电压，另一种是内部操作过电压。产生大气过电压的原因是由接触网传来的直接雷击和感应雷击；生产内部操作过电压的原因则是由于线路本身的变化，如感性回路被切断、线路中发生短路等。这两种过电压产生时，电压增长速度很快，以冲击波形式出现，因而，对其保护就不能用一般带有传动部分的电器。

为防止大气过电压的危害，在直流电力机车上一般安设了阀型避雷器，避雷器内装有火花间隙和工作电阻（非线性电阻），当加在避雷器上的电压过高时，工作电阻值即迅速减小，致使火花间隙被击穿，以通过较大的电流，将过电压的能量消耗在工作电阻上，消除了过电压对其它电气设备影响。同时避雷器对线路中的操作过电压也具有一定的保护作用。

除了大气过电压和操作过电压外，运行中也会出现缓慢增加的过电压，如由于接触网电压的波动，有时可使牵引电动机的电压超过其额定电压。再如机车电气制动时，牵引电动机作为发电机运行，若运行速度较高，激磁电流较大，发电机的端电压也会超过其额定电压。但是这种过电压由于增长得较缓慢，所以可以用电磁式过压继电器来保护。过压继电器的线圈跨接在牵引电动机的电枢上，当电压过高时，继电器动作使电阻制动停止，此时最好代之以机械制动。电阻制动时，如因电机电压过高而突然将主线路切断停止制动，由于回路内电感的作用反而会造成过电压。因此在电力机车上，过压继电器动作时，不是立即将制动回路切断，而是自动地在制动电阻上再加上一段附加电阻，这时因制动电阻已超过串激发电机的临界电阻值，电阻制动即被迫停止，再切断制动电路。

四、空转保护

大功率的货运电力机车在牵引运行中容易发生空转现象。当发生空转后，粘着条件被破坏，造成牵引力丧失，牵引电动机转速剧增，易造成转子绑线甩开，绝缘损坏等，同时空转也会增加机车轮箍的磨耗，因而在机车上应设有防空转保护。防空转保护的方法有多种，一般取牵引电动机的电流或电压作为信号，将各台电机的信号进行比较，规定一差别的限度，当电机之间的差别超过这一限度时，即视为牵引电动机发生了空转，这时可通过电子装置自动降低牵引电动机电压，以减小电机牵引力，使之恢复到粘着条件之内。也有的机车在发生空转时通过保护装置使机车动轮自动地小量上闸来制止空转。对于防空转来说，目前大量的保护装置都是在机车发生了空转现象后，采取措施迅速地阻止其发展而恢复粘着状态。理想的保护方法应该是空转即将发生时，将其滑动过程测出，从而防止空转时发生。有些国家已试验用仪器来对车轴的振动进行测量，由于一个轮对的两个轮子的粘着情况是不相同的，在将发生空转时，必然是一个轮子首先失去粘着力，这样就在车轴内形成一种特有的振动，用一种仪器将此时的振动情况测出后，以此为控制信号来对机车进行自动调整，这样就可较有效地防止空转发生。

篇5：电力机车主电路的发展概述

多流制电力机车是指能在两种及以上的供电制式下运用的电力机车。目前世界上轨道交通由于历史存在多种电流制式, 欧洲铁路主要采用交流15 kV/16.7 Hz、交流25 kV/50 Hz、直流1.5 kV和直流3 kV四种电流制式;美国铁路采用的供电制式主要有交流12. 5 kV/60 Hz以及25 kV/60 Hz;南非采用交流50 kV/50 Hz、交流25 kV/50 Hz和直流3 kV。我国铁路采用25 kV/50 Hz电流制式, 轻轨采用直流1 500 V和直流750 V电流制式。当电力机车跨界牵引运用时, 多流制电力机车相对于单一供电制式电力机车而言, 工作量更小、费用更节省, 具有明显的优势。基于世界铁路多种电流制式混合运输的实际情况和我国地区铁路与城市轨道交通互通连接的发展趋势, 本文介绍了欧洲典型的多流制电力机车主电路拓扑结构, 并对多流制电力机车主电路拓扑结构进行了对比和分析。

1多流制机车的典型主电路拓扑

1.1 西门子BR189多流制电力机车主电路

西门子BR189多流制电力机车适用于在交流15 kV/16.7 Hz、交流25 kV/50 Hz、直流1.5 kV和直流3 kV的线路条件下运行, 其主电路结构图如图1所示。

主要特点如下:采用4个受电弓, 适应于几乎所有欧洲国家铁路弓网匹配;变流模块采用6.5 kV的IGBT;交流模式下, 电源经网侧高压设备进入牵引变流器原边, 经接地装置由钢轨回流至变电站, 变压器侧边连接变流器四象限整流模块, 整流后进入中间直流回路, 由逆变器向三相异步电机供电。直流模式下, 电源经高压网侧设备, 由主变压器牵引绕组平波后直接进入中间直流回路, 由逆变器向三相异步电机供电。

1.2 阿尔斯通PRIMA 3U15型电力机车

阿尔斯通PRIMA 3U15型电力机车适用于在交流 15 kV/16.7 Hz、交流25 kV/50 Hz和直流1.5 kV的线路条件下运行, 其主电路结构图如图2所示。

主要特点如下:采用3个受电弓, 适应于德国、法国和瑞士的铁路网压并有较好的弓网匹配;变流模块采用3.3 kV的IGBT;交流模式下, 电源经网侧高压设备进入牵引变流器原边, 经接地装置由钢轨回流至变电站, 变压器侧边连接变流器四象限整流模块, 整流后进入中间直流回路, 由逆变器向三相异步电机供电。直流模式下, 电源经高压网侧设备, 由独立的电抗器平波后直接进入中间直流回路, 由逆变器向三相异步电机供电。

1.3 庞巴迪TRAXX F140 MS电力机车

庞巴迪TRAXX F140 MS型电力机车适应于在交流15 kV/16.7 Hz、交流25 kV/50 Hz、直流1.5 kV和直流3 kV的线路条件下运行, 其主电路结构图如图3所示。

主要特点如下:采用4个受电弓, 适应于瑞士、德国、奥地利和意大利的铁路接触网;变流模块采用6.5 kV的IGBT;交流模式下, 电源经网侧高压设备进入牵引变流器原边, 经接地装置由钢轨回流至变电站, 变压器侧边连接变流器四象限模块, 整流后进入中间直流回路, 由逆变器向三相异步电机供电。直流模式下, 电源经高压网侧设备, 进入变流器四象限模块, 斩波后进入中间直流回路, 由逆变器向三相异步电机供电。

2多流制电力机车主电路分析

1) 对比欧洲三种典型的多流制电力机车主电路拓扑结构, 它们具有一些共性。

(1) 弓网的匹配。

三种机车均采用了三个以上的不同的受电弓, 主要是从受电弓的电气参数电流、电压需要满足机车总功率发挥的要求、受电弓机械特性需要满足特定的线路条件来考虑的。多流制电力机车受电弓选择与普通电力机车受电弓选择的原则相同, 但需要综合考虑在不同线路的网压、接触网特性及限界要求。因此, 多流制机车受电弓可能会出现一弓通用的情况, 特别是只有两种电流制式的电力机车更容易出现这种可能性。

(2) 主断路器及接地开关。

主电路中均设置了两个主断路器, 分别用于开关交流供电回路和直流供电回路。根据目前的基础技术情况, 用于机车的主断路器还不能满足分断15 kV、25 kV高压和1000多安培大电流的技术要求。一般而言, 交流供电回路采用真空断路器, 而直流供电回路采用高速断路器。每个主断路器均附带一个接地开关, 用于安全接地。

(3) 避雷器。

机车处于交流模式下, 采用双避雷器的形式, 受电弓侧的避雷器用于保护来自网侧的过电压, 牵引变压器前端的避雷器用于保护来自变压器的操作过电压。而直流模式下, 仅在高速断路器前端设置直流避雷器以保护来自网侧的过电压。

(4) 电阻制动。

当机车处于直流模式下, 电制动均采用电阻制动的方式, 牵引电机产生的能量通过制动斩波消耗在制动电阻上, 而不回馈到电网, 从而避免引起网压的迅速升高, 影响机车的正常运用。

2) 三种典型的多流制机车主电路拓扑结构同样存在一定的差异, 主要如下。

(1) 牵引变压器的牵引绕组是否作为直流供电回路下的平波电抗器。

牵引绕组作为直流供电回路的平波电抗器可以有效减少机车的重量, 节省设备布置空间, 降低机车成本, 但这带来的问题是实现牵引绕组与平波电抗器的参数匹配最优化, 需要进行大量的理论分析和试验验证来确认, 这无疑增加了主电路参数选择的难度。从长远来看, 牵引绕组用作直流供电回路的平波电抗器使用更具有经济性, 但采用独立的平波电抗器, 主电路的设计更为简单和可靠。

(2) 直流供电回路是否采用四象限斩波。

直流供电回路经过四象限斩波可得到较为稳定的中间直流电压, 中间直流电压的等级也可适当降低, 电机的设计可基于恒定的中间直流电压, 牵引电机的设计难度降低、成本减少, 但是这种主电路图谱结构要求四象限模块也全部工作, 故障相对较多, 冗余性较差;无斩波器多流制主电路结构简单可靠, 变流器的设计难度降低、成本减少。由于直流模式的工况下, 主电路少了四象限斩波这一环节, 机车的效率更高, 也更节能, 但牵引电机需要承受来自接触网的所适应的线路电压范围, 必须使用更厚的绝缘材料和较大的电机。

3结语

基于目前应用广泛的基础技术产品, 本文对欧洲的典型多流制电力机车主电路拓扑结构进行了对比, 概念性地分析了各主电路图谱结构的异同之处和优缺点。实际的主电路设计时还应综合考虑机车的运用条件、性能要求、结构要求、可靠性和成本等因素, 而主电路参数良好的匹配性更是保证机车主电路设计成功的关键因素。这些问题都有待进一步的研究。

参考文献

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[2]张立伟, 黄先进, 游小杰, 郑琼林.欧洲主力交流传动机车主牵引系统介绍[J].电工技术学报, 2007, 22 (7) .

[3]黄济荣.交流牵引传动技术专题讲座.电力机车技术, 1997 (1) .

[4]王儒.西门子EuroSprinter机车电牵引系统介绍[J].电气技术, 2007 (7) .

[5]M.M.Bakran, 曹霄.大功率多流制机车牵引变流器的比较[J].变流技术与电力牵引, 2006 (1) .