SS4改型電力機(jī)車劈相機(jī)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(jī)是一種結(jié)構(gòu)特殊、用途特殊的三相異步電機(jī)。它是一種能實(shí)現(xiàn)單一三相變換的異步電機(jī)，用于一切由單相電源供電，而又以三相異步電動(dòng)機(jī)為負(fù)載的場(chǎng)合。在單相工頻交流電力機(jī)車的輔助系統(tǒng)中，異步劈相機(jī)（簡(jiǎn)稱“劈相機(jī)”）用來(lái)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(dòng)機(jī)供電。國(guó)產(chǎn)SS系列電力機(jī)車上先后采用過(guò)YPXZ-280M-4型、JP402A型、YPX-280M-4型等型號(hào)的劈相機(jī)，它們都是由相近容量的三相異步電動(dòng)機(jī)改型設(shè)計(jì)而成。SS4改電力機(jī)車劈相機(jī)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(jī)車上的各輔機(jī)提供三相交流電源。

二、異步劈相機(jī)的起動(dòng)

在單相電網(wǎng)中，劈相機(jī)不能自行起動(dòng)，需采用特殊的起動(dòng)方法。異步劈相機(jī)的起動(dòng)方法有輔助電動(dòng)機(jī)起動(dòng)法和分相起動(dòng)法兩種。輔助電動(dòng)機(jī)起動(dòng)法是在劈相機(jī)的轉(zhuǎn)軸上安裝一臺(tái)輔助電動(dòng)機(jī)，起動(dòng)時(shí)先由輔助電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)劈相機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，待劈相機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值時(shí)，將劈相機(jī)投入單相電網(wǎng)，并切除輔助電動(dòng)機(jī)的電源。顯然，這種起動(dòng)方法需要增加設(shè)備，而且使劈相機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故一般都不采用。電阻分相起動(dòng)具有線路簡(jiǎn)單、設(shè)備成本低等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛的應(yīng)用，國(guó)產(chǎn)SS系列電力機(jī)車上的劈相機(jī)都采用電阻分相起動(dòng)的方法。

1.劈相機(jī)電阻分相起動(dòng)原理

劈相機(jī)電阻分相起動(dòng)原理線路如圖1(a)所示，圖中RQ為起動(dòng)電阻。當(dāng)劈相機(jī)的電動(dòng)相繞組UV接通單相電源起動(dòng)時(shí)，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(dòng)電阻RQ串聯(lián)后由單相電源供電。這時(shí)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(gè)時(shí)間上有不同相位的起動(dòng)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(chǎng)是一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，在該磁場(chǎng)的作用下能產(chǎn)生較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使劈相機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到同步轉(zhuǎn)速的80%-90%時(shí)，借助接觸器切除起動(dòng)電阻，起動(dòng)即告完成，劈相機(jī)投入空載運(yùn)行。

2.起動(dòng)電阻值的選擇及切除起動(dòng)電阻的時(shí)刻

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

（1）起動(dòng)電阻值應(yīng)選擇合適，以獲得最大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩

由于起動(dòng)電阻值的大小對(duì)發(fā)電相起動(dòng)電流IQ2的幅值和相位影響極大，起動(dòng)電阻過(guò)大或過(guò)小都會(huì)使兩相磁勢(shì)的合成磁場(chǎng)成為一個(gè)幅值變動(dòng)、非恒速的橢圓形磁場(chǎng)，從而使起動(dòng)轉(zhuǎn)矩變小。因此，對(duì)不同型號(hào)的劈相機(jī)而言都有一個(gè)相應(yīng)的起動(dòng)電阻最佳值。

圖1 劈相機(jī)電阻分相起動(dòng)原理圖

圖2 劈相機(jī)機(jī)械特性

圖3 劈相機(jī)啟動(dòng)原理圖

（2）控制好切除起動(dòng)電阻的時(shí)刻

當(dāng)劈相機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值時(shí)，應(yīng)及時(shí)切除起動(dòng)電阻，起動(dòng)電阻切除過(guò)早或過(guò)晚對(duì)起動(dòng)電阻和劈相機(jī)都是很不利的。YPX-280M-4型劈相機(jī)機(jī)械特性如圖2所示。

曲線1為起動(dòng)電阻為0.79Ω時(shí)的轉(zhuǎn)矩特性，曲線2為無(wú)起動(dòng)電阻單相通電時(shí)的轉(zhuǎn)矩特性。由圖可見，該劈相機(jī)切除起動(dòng)電阻的最佳時(shí)刻應(yīng)為轉(zhuǎn)速達(dá)到最大轉(zhuǎn)矩所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為1400 r/min，此時(shí)，切除起動(dòng)電阻，劈相機(jī)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(jī)仍能起動(dòng)起來(lái)直至達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。但是，當(dāng)劈相機(jī)轉(zhuǎn)速低于850 r/min時(shí)提前切除起動(dòng)電阻，則電磁轉(zhuǎn)矩立即由某個(gè)正的加速轉(zhuǎn)矩降為負(fù)的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使劈相機(jī)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(jī)燒損。所以，在劈相機(jī)轉(zhuǎn)速低于臨界轉(zhuǎn)速（YPX-280M-4型為850 r/min），尚未起動(dòng)起來(lái)而過(guò)早切除起動(dòng)電阻，則會(huì)因劈相機(jī)起動(dòng)失敗，造成定子繞組流過(guò)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(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到最大轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速以后，如不及時(shí)切除起動(dòng)電阻，對(duì)劈相機(jī)和起動(dòng)電阻也是不利的。這是因?yàn)殡S著轉(zhuǎn)速的增加，流過(guò)起動(dòng)電阻的發(fā)電相電流也隨之增加，造成起動(dòng)電阻過(guò)熱而燒損或阻值增大；同時(shí)負(fù)序磁場(chǎng)隨發(fā)電相電流外的增加而增加，使轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中的負(fù)序電流增大，轉(zhuǎn)子負(fù)序電流與氣隙正序磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生100 HZ的交變電磁轉(zhuǎn)矩，使劈相機(jī)承受強(qiáng)烈的電磁振動(dòng)。

為了保證劈相機(jī)可靠起動(dòng)和避免劈相機(jī)起動(dòng)過(guò)程中有害的電磁振動(dòng)，SS系列電力機(jī)車上的劈相機(jī)是采用專門設(shè)計(jì)的起動(dòng)繼電器來(lái)控制起動(dòng)電阻的切除時(shí)刻。它是根據(jù)劈相機(jī)在最大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速附近發(fā)電相電壓將會(huì)急劇增加的特點(diǎn)，正確利用發(fā)電相電壓UW與電網(wǎng)電壓UVU比值的變化來(lái)控制起動(dòng)繼電器的動(dòng)作，在最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)切除起動(dòng)電阻，以保證劈相機(jī)可靠起動(dòng)。

三、劈相機(jī)的控制

SS4改型電力機(jī)車劈相機(jī)啟動(dòng)控制電路如圖3所示。

1.劈相機(jī)手動(dòng)控制

劈相機(jī)手動(dòng)與自動(dòng)啟動(dòng)選擇開關(guān)591-QS(自起劈相機(jī)隔離開關(guān))，591QS置于“0”為手動(dòng)啟動(dòng)位；591QS置于“1”為自動(dòng)啟動(dòng)位。劈相機(jī)隔離開關(guān)242QS，“1”位正常工作位(1px)；“2”位故障位(1FD)；“0”位試驗(yàn)位，即機(jī)車低壓試驗(yàn)及庫(kù)內(nèi)三相電源試驗(yàn)置于的位置。

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

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

(2)啟動(dòng)電阻接觸器213KM和劈相機(jī)延時(shí)繼電器533KT得電動(dòng)作，同時(shí)延時(shí)繼電器527KT得電動(dòng)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(jī)啟動(dòng)中間繼電器566KA常閉聯(lián)鎖，使213KM和533KT得電動(dòng)作，同時(shí)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(jī)接觸器201KM閉合做好了準(zhǔn)備。

(3)啟動(dòng)電阻接觸器213KM吸合，接入啟動(dòng)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(jī)啟動(dòng)未完成之前，無(wú)法啟動(dòng)其他輔機(jī)。

(4)劈相機(jī)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(jī)故障隔離開關(guān)242QS使201KM得電并自持，劈相機(jī)開始啟動(dòng)。

(5)劈相機(jī)啟動(dòng)電阻的切除。若劈相機(jī)啟動(dòng)正常，則劈相機(jī)的啟動(dòng)繼電器283AK動(dòng)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(jī)啟動(dòng)中間繼電器566KA得電動(dòng)作并自持，其常閉聯(lián)鎖打開，527KT線圈失電，延時(shí)1S后，527KT聯(lián)鎖打開，切斷213KM和533KT的供電電路，甩掉劈相機(jī)啟動(dòng)電阻，使劈相機(jī)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

至此，劈相機(jī)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(shí)，通過(guò)重聯(lián)線N564使另一節(jié)車的567KA得電動(dòng)作。啟動(dòng)另一節(jié)車劈相機(jī)過(guò)程與單節(jié)相同。

2.劈相機(jī)自動(dòng)控制

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

(1)自起劈相機(jī)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(jī)自起延時(shí)繼電器528KT失電，延時(shí)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(dòng)作，劈相機(jī)開始啟動(dòng)以后的過(guò)程與手動(dòng)控制完全一樣

(2)劈相機(jī)自起操作

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

3.劈相機(jī)故障控制

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

(1)將劈相機(jī)隔離開關(guān)242QS置于“2”位，即故障位。其目的是將283AK監(jiān)測(cè)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(dòng)電阻轉(zhuǎn)換開關(guān)296QS置于253C電容位。

(3)按下404SK，567KA得電動(dòng)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(dòng)電容接入。

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

b.導(dǎo)線561經(jīng)283AK使566KA得電動(dòng)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(jī)1的啟動(dòng)電容，使通風(fēng)機(jī)1進(jìn)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(jī)的正常工作做好準(zhǔn)備。

四、“低壓試驗(yàn)”控制及庫(kù)內(nèi)輔助電路三相電源試驗(yàn)

機(jī)車“低壓試驗(yàn)”時(shí)，將242QS打在“0”位(即“試驗(yàn)”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(jìn)行其他輔機(jī)接觸器操作試驗(yàn)。但此時(shí)劈相機(jī)接觸器201KM被切斷，由此，又可將輔助電路庫(kù)用插座接上三相380V電壓，直接啟動(dòng)壓縮機(jī)和各通風(fēng)機(jī)，無(wú)須啟動(dòng)劈相機(jī)。

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