韶山型電力機(jī)車劈相機(jī)原理

翟會(huì)超

【摘 要】韶山型電力機(jī)車是我國(guó)鐵路干線上的主力軍，而劈相機(jī)是韶山型電力機(jī)車必要的部件。其實(shí)它就是一種將單相工頻交流電轉(zhuǎn)換成三相交流電，給電力機(jī)車各個(gè)用電設(shè)備供電的特殊異步電機(jī)，是單相電動(dòng)機(jī)和三相發(fā)電機(jī)的特殊組合，從而平衡電力系統(tǒng)的三相負(fù)荷。論文主要對(duì)韶山型電力機(jī)車劈相機(jī)的工作原理和控制方法進(jìn)行了研討，對(duì)輸出三相電壓的不對(duì)稱性進(jìn)行了分析和調(diào)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(guān)鍵詞】電力機(jī)車劈相機(jī)；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(hào)】U264 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2017）08-0161-02

1 劈相機(jī)工作原理

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

如圖1-1所示連接異步電機(jī)的各繞組，電機(jī)作為單相異步電機(jī)運(yùn)行，單相電源接繞組V、U兩端，通電后，繞組VOU將產(chǎn)生一個(gè)與異步電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同的正序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和一個(gè)與異步電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，這兩個(gè)磁場(chǎng)雖然方向相反，但大小、周期完全相同。當(dāng)轉(zhuǎn)子運(yùn)行起來(lái)后，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體感應(yīng)出來(lái)的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)將會(huì)抵消負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，最后在劈相機(jī)的氣隙里就剩下一個(gè)正序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。這樣，閉合的三相繞組VO、OU、OW處在正序磁場(chǎng)中，被正序磁場(chǎng)磁力切割，產(chǎn)生了電流，這樣單相交流電源就被“劈”成了三相。

2 劈相機(jī)的起動(dòng)控制

劈相機(jī)常用的起動(dòng)方法有：分相起動(dòng)和起動(dòng)電動(dòng)機(jī)法。

2.1 分相起動(dòng)

劈相機(jī)是一種特殊的異步電機(jī)，它可以看成是一個(gè)單相異步電動(dòng)機(jī)與三相發(fā)電機(jī)的組合體。在單相電源的條件下，由于無(wú)起動(dòng)力矩，因此是不能直接做單相起動(dòng)的，必須接入起動(dòng)電阻（或電容）進(jìn)行分相起動(dòng)，接入方法如圖2-1（a）所示。當(dāng)電機(jī)起動(dòng)完畢后，再甩開(kāi)起動(dòng)電阻（或電容）。

如上圖2-1（a）所示，圖中的RQ作為起動(dòng)電阻。當(dāng)劈相機(jī)的UV繞組（電動(dòng)相繞組）接通單相電源起動(dòng)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(dòng)電阻RQ串聯(lián)后由單相電源供電。這樣，電壓UVU超前電流IQ1（流經(jīng)VOU相的電流）90°（電感效應(yīng)），而UVU超前電流IQ2（流經(jīng)VOW相的電流）φ角（φ<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)電流通入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)，使用接觸器切除起動(dòng)電阻，起動(dòng)即告完成，劈相機(jī)投入空載運(yùn)行[2]。

從以下兩個(gè)方面保證劈相機(jī)可靠起動(dòng)：

①選擇合理的起動(dòng)電阻，以獲得最大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

因?yàn)槠饎?dòng)電阻值的大小直接影響到發(fā)電相起動(dòng)電流2QI的幅值和相位，起動(dòng)電阻過(guò)大或過(guò)小都會(huì)使合成后的磁場(chǎng)變成幅值變動(dòng)、非恒速的橢圓形磁場(chǎng)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也隨之變小。所以，不同型號(hào)的劈相機(jī)都應(yīng)該有一個(gè)相對(duì)應(yīng)的最佳起動(dòng)電阻值。

②控制好切除起動(dòng)電阻的時(shí)間。

在起動(dòng)轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值時(shí)，應(yīng)該及時(shí)地把起動(dòng)電阻甩掉。起動(dòng)電阻切除時(shí)機(jī)不當(dāng)，將嚴(yán)重影響劈相機(jī)的可靠性。

2.2 起動(dòng)電動(dòng)機(jī)法

起動(dòng)電動(dòng)機(jī)法是指加裝一臺(tái)輔助電動(dòng)機(jī)在劈相機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，起動(dòng)時(shí)劈相機(jī)轉(zhuǎn)子在輔助電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值后，切除輔助電動(dòng)機(jī)的電源，用單相電網(wǎng)為劈相機(jī)供電。這種起動(dòng)方法很明顯需要另外增加新的設(shè)備，而且使劈相機(jī)的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，加大維修難度，因此一般都不采用這種起動(dòng)方法。

綜上所述，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[3]。

3 三相電壓不對(duì)稱性調(diào)整

3.1 劈相機(jī)負(fù)載后三相電壓不對(duì)稱的原因

分析圖1-1，繞組VO、OU相當(dāng)于異步電機(jī)的定子繞組，繞組OW相當(dāng)于起發(fā)電作用。在劈相機(jī)負(fù)載時(shí)，繞組VO、OU中有兩種電流（電動(dòng)機(jī)電流和發(fā)電機(jī)電流）流過(guò)，而在繞組OW中只有一種電流（發(fā)電機(jī)電流）流過(guò)，這樣就導(dǎo)致劈相機(jī)的三相電流不對(duì)稱，電流流過(guò)繞組將產(chǎn)生阻抗壓降，流過(guò)的電流不對(duì)稱，則三相繞組產(chǎn)生的阻抗壓降也不對(duì)稱。當(dāng)是電動(dòng)機(jī)電流時(shí)（設(shè)電動(dòng)機(jī)電流方向?yàn)檎?，阻抗壓降方向?yàn)檎?，繞組的端電壓將大于感應(yīng)電勢(shì)；當(dāng)是發(fā)電機(jī)電流時(shí)，阻抗壓降方向?yàn)樨?fù)，繞組的端電壓將小于感應(yīng)電勢(shì)。如果流過(guò)繞組VO、OU、OW的電流對(duì)稱，則會(huì)產(chǎn)生對(duì)稱的感性電勢(shì)。負(fù)載后，由于三相繞組電流不對(duì)稱，阻抗壓降就不對(duì)稱，所以劈相機(jī)的三相端電壓就不對(duì)稱。

而且，在負(fù)序磁場(chǎng)抵消的過(guò)程中可能還有剩余，三相繞組將產(chǎn)生負(fù)序感應(yīng)電勢(shì)，這也是造成三相電壓不對(duì)稱的一大原因。

3.2 改善劈相機(jī)三相電壓不對(duì)稱性的措施

①把一個(gè)電容器并聯(lián)在負(fù)載的兩端；

②把劈相機(jī)的定子繞組做成三相不對(duì)稱的繞組。

4 結(jié)論

劈相機(jī)的實(shí)質(zhì)是把單相電源轉(zhuǎn)變成三相電源。只有合理解決劈相機(jī)的起動(dòng)問(wèn)題和在負(fù)載后保持三相輸出電壓的對(duì)稱性問(wèn)題，劈相機(jī)才能可靠起動(dòng)并運(yùn)行，才能更好地為韶山型電力機(jī)車服務(wù)。

【參考文獻(xiàn)】

【1】王立民.SS4G型電力機(jī)車劈相機(jī)啟動(dòng)控制電路故障分析與處理[D].黑龍江：黑龍江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，2012.

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

【3】許聰明.電力機(jī)車控制[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2004.endprint