ss3型电力机车主电路结构分析及运行工况探讨大学论文.docx
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ss3型电力机车主电路结构分析及运行工况探讨大学论文
摘要
铁路作为远距离、大容量、全天候的陆路交通工具,以其功率大、速度快、效率高、过载能力强、适应性好的特点被广泛受到重视。
中国高铁在“以稳为主、稳中求快”的宗旨指点下,取得快速发展的可喜成绩。
SS3B型电力机车是第二代机车技术产物SS3型的改进产品,技术有承前启后的必然,也有被取代的必要性。
SS3B型电力机车调压方式采用了以单向半控桥式整流电路为调压理论基础的不等分三段半控整流电路,三级弱磁升速的具有弱磁与调压配合控制特的调速电路,供电方式是是转向架电机并联独立供电方式,SS3B型电力机车的制动方式是加馈电阻制动,此外,由于SS3B型电力机车的电气设备布置与电气控制等方面比SS3型电力机车设计的更加合理,这使该电力机车拥有恒流启动准恒速限压运行的调速控制特性和更优越的再生制动性能,本文重点讨论电力机车主、辅电路及电力机车的运行工况。
随着新型电力机车应用和推广工作的深入、列车技术的改进与发展,SS3B型电力机车的安全性、可靠性和节能性能等问题已经成为阻碍它继续推广的障碍。
如SS3B型电力机车功率因数并不理想的不等分三段桥整流装置所产生的谐波,给正常运行的电网造成干扰乃至危害;使辅助电路系统提供电力的劈相机的启动接触器线圈经常烧坏,造成停车事故;牵引变压器渗、漏油故障等,这些情况不仅给机车的正常运行带来隐患,也增加了机车的检修成本,所以本文提出了有关故障的处理和预防方法。
关键词:
SS3B型电力机车;主辅电路;制动工况;牵引工况;
Abstract
Therailroadislong-distancetoleave,therouteonlandpileupofbigcapacity,all-weather,withit’spowerbig,quickvelocity,efficiencyhigher,theoverburdencapabilityisstrong,suitabilitythegoodcharacteristicsbeextensivelybeenvalued.Chinesehighspeedrailwaypointsoutintheaimof"withsteadyforlord,steadyamidbegquickly"down,obtainthepleasedresultofrapidshape.TheSS3BtypeelectriclocomotiveisthebettermentproductofthenextgenerationscootertechniqueoutcomeSS3type,techniquealreadybeforeacceptingInspiredpost-ofthereisalsothenecessitytobereplacedbyallmeans.
TheSS3Btypeelectriclocomotiveadjustedtopressamodetoadoptwiththeone-wayquasicontrolthebridgetyperectificationtelephoneforadjusttheantiofpressingthetheoreticalbasistowaittodividethreequasistocontroltocommutatetelephone,3stagestheweakmagneticbeltkicksoonhaveweakmagneticbeltandadjusttopressateamworkcontrolespeciallyofvelocitymodulationtelephone,Thepowersupplymethodistoisabogiedynamotomergeanindependentpowersupplymethod,themakingofSS3BtypeelectriclocomotivemethodistoapplytheFeedbackresistancesystem,Inaddition,theelectricityequipmentoftheSS3BtypeelectriclocomotivedecorationcontrolswithelectricitytowaitaspecttocompareaSS3typeelectriclocomotivetodesignmorereasonable,Thismakestheelectriclocomotivehugtohavepersistencetoflowastartpreparationtheconstantspeedlimitpressvelocitymodulationcontrolcharacteristicandmoresuperiorregenerativebrakingperformanceofrun-time,thistextpointtalksaboutelectriclocomotivelord,assisttherun-timeworkoftelephoneandelectriclocomotivecondition.
Butalongwiththenewelectriclocomotiveapplicationandthegeneralizeoperateofthorough,traintechnicalbettermentandshape,thestability,reliabilityandeconomyenergyperformancequestionofSS3Btypeelectriclocomotivehasalreadybecomebafflingitgoesontoexpandbarrierto.SuchasSS3Btypeelectriclocomotivepowerfactorantitheidealantiwaittodividethreebridgesrectificationdevicegenerateofharmonic,resultintothechargedbarbedwirenetthatthenormalcirculatesjamistoharm;Givingtheauxiliarycircuitsystemprovidethestartcontactorofelectricwedgecamerathecoiltoburnusuallyisbad,resultintoparkthecaraccident;Leadtransformertoooze,leakoilfaultetc.,theseconditionnotonlybringthenormalrun-timeofscooterconcealedsufferfrom,alsoraisedthecostofoverhaulofscooter,sothistextproposedconcerningfaultoftransactionandpreventionmethod.
Keywords:
SS3Btypeelectriclocomotive,themainandauxiliarycircuit;brakeconditions;tractionconditions;
1绪论
1.1本课题探讨的背景及意义
1.1.1本课题探讨的背景
随着国民经济持续快速增长,社会工业化、市场化、城镇化建设进程的加快,必将带动全社会人员、物资加快流动,使全社会运输需求总量持续增长。
据统计,占全社会85%的木材、85%的原油、60%的煤炭和80%的钢铁及冶炼物资靠铁路运输。
建国60余年,铁路年运输量由0.58亿吨增长到32.9亿吨,增长58倍,铁路共计完成旅客发送量461.5亿人次,货运量674.4亿吨,我国以占世界4%的运营里程完成了世界铁路25%的运输量,很明显我国大部分铁道处于超负荷运行状态。
由于我国资源分布和工业分布不平衡,未来大宗原材料物资运输仍将是运输的主流,必须依靠成本低、效率高、环保好的铁路来完成。
铁路作为陆路运输的主要方式,必须提供与市场需求相适应的运输能力。
实现高速度、高密度、高舒适性、大能力、强兼容、高正点率、高安全性的现代化铁路旅客运输已是时代最强音。
高速铁路以其基础性、战略性价值,受到从政府到科技界等的广泛支持,这使得对自主创新和自主掌握高铁核心技术的诉求非常明确和更加迫切。
有关资料显示:
2010~2014年我国高速铁路建设已进入全面收获时期,届时以“四纵四横”为骨架的快速客运网将基本形成,中国铁路运输全面进入高速铁路时代指日可待。
电力机车是将电能转换成机械能以产生牵引功率的设备。
电力机车按传动方式分直流传动、交-直传动、直-交传动、交流传动四大类。
自1879年出现第一条电气化铁路以来,电力机车主要是直流传动型或交直传动型,这是因为直流电机有很好的调速性能,特别是串励直流电动机具有与机车牵引特性相类似的力矩速度特性,再加之可控硅的研制成功及普遍应用,使得交-直电力机车是电力牵引机系统的主力[13]。
1.1.2本课题探讨的意义
蒸汽机的出现与投入工业化生产成为科技进步的里程碑,内燃机的后起之秀使人在感受到了速度就是效益的同时,也让人饱尝能源危机的十足威胁,而电机的出现和其在工业中的投运可谓开创了一个时代——电气时代。
电力机车是电机的衍生产品,它在实现经济资源有效配置和国防安全中,尤其在改革开放现代化建设中发挥着不可替代的作用。
通过此论文涉及内容的分析和探讨,希望在培养自己的综合分析能力与逻辑思考能力的同时,也使自己增加科学素养,树立创新意识和创新精神以及用工程观点解决问题的理念。
为解决新一轮经济增长周期中铁路“瓶颈”制约日益突出的问题,政府与技术界在以
铁路运输为骨干、公路运输为重点、海运和航空运输为补充的指导思想下,在切实落实科学发展观,实现区域经济协调可持续发展的理念下,积极投入建设资源节约型、环境友好型的现代化综合交通运输体系建设中,我辈不应该坐享其成。
1.2当前电力机车技术现状及韶山系列电力机车性能分析
1.2.1电力机车技术现状
伴随着单轴功率达300kW的动力分散型交流传动高速动车组、交流传动内燃机车的相继研制成功,标志这我国铁路机车技术已进入以交流传动为的现代高科技领域。
在“引进、消化、在创新”思路的指导下,目前我国高铁已掌握动车组的九大关键技术:
动车组系统集成、高速转向架、牵引变压器、牵引和辅助变流器、车体、牵引电机、牵引控制系统、列车网络控制系统和制动系统。
并由此形成工程建造技术、高速列车技术、列车控制技术、客站建设技术、系统集成技术和运营维护技术高速铁路六大技术创新体系。
交流传动电力机车具有单轴功率大、加速度快、安全性好、可靠性高更能满足铁路重载和高速牵引的要求,且质量可靠,维护简单,相对成本低等优点外,还具有功率因数高,谐波电流小的优点,可以预见,交流传动在不久的将来会成为铁路运输的主力。
图1.1给出了列车提速情况,从侧面可反应出机车技术现状。
1.2.2SS3B型电力机车技术现状
交-直传动电力机车通过牵引变压器降压、整流器整流,将直流输出电压供给牵引电动机。
SS3B型电力机车是在SS3型机车改进的基础上设计而成的大功率客、货运干线电力机车,1982年批量生产。
与SS3型电力机车的单相桥式调压整流方式、二级电阻制动与低速加馈制动结合单侧高摩合成闸瓦制动的电气制动方式,以及前、后转向架分开半集中供电的供电方式相比,SS3B型机车采用不等分三段半控桥晶闸管相控调压技术,转向架电机并联独立供电方式,制动方式则采用加馈电阻制动方式。
SS3B型电力机车的三段半控桥晶闸管相控调压电路的平滑调压及加馈电阻制动特性,使机车具有无级加速特性,从而启动平稳、加速度更大,且制动特性优异的特点。
它运用小时功率800KW、有补偿绕组的脉冲串励4极牵引电机,其功率与SS3相同,但功率相比韶山1型机车提高14.3%,使机车具有更大的牵引力,机车轮周制动功率达4000KW,采用立式电阻制动装置,电阻制动功率比韶山1型机车提高25%,机车具有更大的制动力,同时,由于SS3B型电力机车具备加馈电阻制动特性,强化了机车低速工况下的制动能力,构架式承载结构车体,不但结构简单、工艺性好,且具有较好的强度,车体可满足事故工况下救援起吊机车的承载要求;Co-Co转向架使之具有较好的轴重转移性能和曲线通过性能,也有较好的动力学性能,牵引电机抱轴半悬挂、双边斜齿减速传动,适应于设计、工艺的传统性,有益机车机械性能与速度的提高。
SS3B型电力机车部分主要性能参数:
轴式Co-Co
制动方式电阻制动、低速加馈制动
调压方式不等分三段半控桥晶闸管相控调压
整流方式单相不等分三段桥式全波整流
供电方式转向架电机并联独立供电
控制方式特性控制,即恒流准恒速控制
1.3本文研究的主要内容
电力机车是铁路运输系统的核心设备,对其结构及运行工况的了解尤其主电路结构分析及运行工况的分析是必不可少部分。
我期望通过自己的努力,掌握一种类型电力机车(韶山系列)的相关知识(包括大功率硅整流管和晶闸管组成的桥式全波整流电路的工作特性,电力牵引电机的起运性能等),鉴于世界铁路发展经验的考虑:
货运重载、客运高速的运输发展方向,该片论文的重点集中在SS3型电力机车改进型机车SS3B型机车上。
论文内容涉及SS3、SS3B型电力机车的设备基本布局、性能及特点,包括牵引电动机的基本特点及电动机的人为机械特性特点、主整流装置的性能、主变压器的特点及性能分析,运行工况的分析等。
重点在分析掌握电力机车主电路的调压原理及各种电力机车运行工况的分析,内容涵盖单相桥式整流电路的调压原理、升降调压的过程;电力机车运行工况的分析包括电力机车牵引力特性、电阻制动和加馈电阻制动、牵引工况特性形成与制动工况特性形成,包括电力机车各种制动原理,分析各制动方式的性能分析与优劣以及电力
机车调速原理及各种调速方式的性能特点与优劣;粗略分析电力机车辅助电路和保护电路的工作原理,重点分析劈相机的原理,最后分析机车常见故障及其处理,并完成对论文的总结。
2SS3型电力机车车体与电气控制分析
2.1SS3型电力机车车体概述
2.1.1电力机车电气设备
电力机车由电气系统、机械系统和空气系统三部分组成,电气系统是指机车上的各种电气设备和连接导线总和;机械系统为机车转向架和车体,空气系统是电力机车持续可靠、安全运行的保障系统,它包括风源系统、控制管路系统、辅助管路系统以及机车制动系统四部分。
由附图1可看出电力机车主电路电气系统的一些设备情况,表2.1列出部分SS3B型电力机车部分电气设备型号和数量等[1,10]。
电力机车车体,按照承载形式可分为车架承载式车体和整体承载式车体,车架承载式车体又有罩式与棚式车体非承载车体和承载车体之分,整体承载式车体均是棚式车体,此为近代干线客货机车普遍采用类型,SS3B型为箱型壳体。
名称
型号
数量
备注
受电弓
TSG1-600/25型
2套
SS3B单臂受电弓
空气断路器
TDZ1-200/25型
1台
内含分断主电路主触头及隔离开关
蓄电池
GN100型
74个
镉镍碱性电池,标称电压1.5V/节
电流传感器
TQG6B型
7只
1ZLH-6ZLH分别与电机M1-M6串接
电流传感器
TQG3A型
3只
1ZYH-2ZYH安装在高压柜内
单级自动开关
TH-5SB
22个
控制电源配电支路用
位置转换开关
TKH3-500/1500型
12套
执行机车工况的选择与切换
把电力机车看作一个有机的整体,从整体优化的角度出发,对电力机车的电气设备、机械设备、联接设备和生活设施等各种器件、组件的各个环节进行统一地有规划的布置管理,以充分地利用电力机车有限的空间资源,保证各项活动在机车运行过程中得以协调有序、并充分地发挥作用自身性能,进而提高铁路系统的服务水平和并提供经济效益。
表2.1SS3B型电力机车部分电气设备表
2.1.2电力机车设备布置遵循的准则
牵引力能充分发挥,质量要分配均匀,目的是使机车轴重均衡;安装与检修方便,设备要尽可能成套组装,容易接近,尤其是在运行过程中经常要近距离触及的设备,要预留客观的作业空间;安全,设备布置时,要在确保人身安全和设备运行安全的前提下,且要将不耐热的设备、器件与热源隔离;经济,应该充分利用机车车体空间,并按照主电路、辅助电路以及控制电路的各自特点,确定线路的走向、布置方位,相应的检测设备和执行器件的布置,要在满足上述要求的前提下,尽量集中,使电力电缆或母线尽可能短、少迂回,以达到简化施工和节约用料的目的等。
2.1.3电力机车电气设备布置
SS3B型电力机车车体底架全长20200mm,宽3100mm,采用框架式整体承载结构,车体结构以横向中心线,呈斜对称布置状。
通常,机车内部被划分为4个室,如图2.1,机车中部为变压器室设备,向机车两侧扩展依次是Ⅰ、Ⅱ端高压室,Ⅰ、Ⅱ端辅助室和Ⅰ、Ⅱ端司机室,共7层次,在此较详细地探究司机室[1,10]。
司机室主要设备有调车控制器、司机控制器、仪表台和主辅按键开关箱等,室内设备的作用概述为:
操纵机车;监视机图2.1电力机车设备布局定位
车运行情况;反应机车运行速度;运行前方信号复示;调节工作环境温度及方便生活等。
调车控制器、司机控制器操纵面板如图2.2所示。
2.2电力机车控制规律分析
SS3B型电力机车的调速控制由主、辅司机控制器的调速手柄1SKT、2SKT、1FSKT、2FSKT来完成,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级磁场削弱由主司机控制器的换向手柄1SKX、2SKX来实现。
调速手柄1SKT、2SKT设有“0、*、2、4、6、8、10”牵引级位和“11、9、7、5、3、1、0”制动级位,用以完成速度调节。
图2.2司机控制器档位示意图显示SKX为司机控制器换向手柄和SKT是司机控制器调速手柄的面板[1]。
司机控制器主要由调速手柄、调速手柄和接触元件等部件组成。
在牵引工况,顺时针沿着“0-*-2-4-6-8-10”等不同级位连续转动调节牵引力;在制动工况,调速手柄则是顺时针沿着“0-11-9-7-5-3-1”等不同级位调节电阻制动。
司机借助主司机控制器手柄的操作,并完成对电力机车运行工况的调节与控制。
调速手柄是固定式,而换向手柄是可取式,调速手柄与换向手柄互设有机械连锁,即调速凸轮轴与换向凸轮轴有机械联锁。
利用面板上限位缺口来保证换向手柄只有换向凸轮轴在“0”位时才能插入或取出,同样辅助司机控制器也是利用限位缺口来完成联锁保护。
联锁保证了机车在运行中,只能操作1台司机控
制器,其余均被锁在“0”位,以达到防止指令混乱故障发生,上述逻辑关系见图2.3。
2.3电力机车特性分析
以直流电动机为动力的电力拖动系统称为直流电力拖动系统。
直流电动机按励磁方式分为他励、串励、并励和复励四种。
当直流电动机带负载运行时,电枢绕组就产生电枢磁通势,在电枢电流变化时,气隙磁密分布与每级磁通势会改变进而发生电枢反应,电枢反应的出现使直流电动机的由负载大小、性质决定的工作点的确定变得更加复杂[4]。
对于直流电力拖动系统我们更关注和牵引性能有关的电机出力问题,电机电磁转矩计算公式是:
(N·m)(1.1)
其中
是转矩常数;
是气隙每级磁通,单位Wb;
电枢总电流,单位A;电磁转矩T的单位是N·m。
牵引特性是指机车轮周牵引力Fk与机车运行速度v之间的关系Fk=f(v),SS3型系电力机车特性曲线是在考虑动轮直径半磨耗工况下,按牵引电机电压1550V限压满磁场(固定电阻磁场削弱系数为
=0.95)工况下,及其相应
Ⅰ、
Ⅱ、
Ⅲ(磁场削弱系数分别为
=0.7、0.54、0.45)三级削磁时的速度特性绘制而成[1,2,10],机车牵引特性的计算关系式为:
(kN)(1.2)
其中
为牵引电机端电压(V),
为牵引电机电枢电流(A),
为机车速度(m/s),
在分析SS3B型电力机车牵引力特性时数值取0.975。
机车牵引特性上限的关系式为:
(kN)(1.3)
Pj为机车整备重量(t);
为机车牵引粘着系数。
机车总效率是指机车输出功率与机车输入功率的比值,其计算表达式式是:
(1.4)
式中:
——机车轮周功率(KW);
——网电功率(
=
);
——主变效率;
——硅整流装置效率;
——平波电抗器效率;
——牵引电动机效率;
——齿轮传动效率。
3SS3型电力机车主电路探究
3.1SS3、SS3B型机车电气系统探讨
探讨电力机车的电气系统,重点是要分析机车的主电路供电系统,即对电力机车供电系统的组成、性能及布置和机车供电方式、主整流桥调压方式与整流器整流方式的特点、异同及联系的探讨和分析。
机车电气线路按电路的功能及电路的电压等级分可分为:
动力电路、辅助电路和控制电路。
与SS3型相似,SS3B型机车主电路由受电弓、主断路器、高压电流互感器、主变压器、硅整流装置、牵引电机、高压电器柜、平波电抗器、制动电阻柜及电路保护装置等组成。
辅助电路则是劈相机、冷却器、空压机、热风机、保护电路等的综合。
控制电路包括主控制器、电子电路等。
区别是:
SS3型电力机车的牵引供电方式采用的是6条并联支路两转向架集中供电,SS3B型电力机车则采用的是各3条支路按转向架独立供电;SS3型电力机车采用调压开关与晶闸管相控相结合的级间平滑8段有级调压准5级调速,单一整流电路集中供电方式,SS3B型电力机车采用不等分三段半控桥晶闸管相控调压,转向架电机并联独立供电方式;SS3B型电力机车采用加馈电阻制动方式,而SS3型电力机车采用二级电阻制动、低速加馈制动的调速方式。
以下就按电压等级所分的电路类型对应的设备作一简要的列表,表如下:
表3.1SS3B型电力机车电器设备列表
动力电路
受电弓、主变压器、整流器、电机、电抗器等
辅助电路
劈相机、冷却器、空压机、热风机、保护电路
控制电路
主控制器、电子电路等
3.1.1SS3B型机车主电路参数分析
SS3型电力机车采用调压开关与晶闸管相控相结合的级间平滑调压,单组整流电路集中供电方式。
其主变压器次边分为两个牵引绕组,一个是不可调绕组a1-x1,额定电压为1111V;另一个是可调绕组b1-b5,等分为四段,每段277.8V,合计1111V。
结合牵引绕组极性的异同,并利用调压开关1TK~20TK的正反接关系,组合完成8段级间无级平滑地调压,其中,1TK和11TK为反接开关,10TK与20TK为正接开关。
SS3B电力机车主变压器低压侧侧采用晶闸管不等分三段
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