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论文
SS3B、SS4改主辅电路的比较
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摘要
随着铁路提速和运营生产的市场化,机车运行负荷逐年增加,为了有效保证机车的运行安全,机车检修必须从定期维修向状态维修转变,以提高机车检修的速度和质量,降低机车检修成本,更重要实现检修自动化、数字化,完成对机车检修数据进行有效的记录管理,建立机车关键设备的状态参数数据库,从而实现对机车状态有效控制.机车辅机试验台便是负责对直流电机、交流电机、劈相机等机车辅机综合性能的试验检修测试的设备之一.为适应机车检修水平现代化的发展步伐,本文研究设计了基于PLC和触摸屏技术控制的机车数字化辅机试验台,作为常规的手动开关和继电器控制试验台的升级换代产品,通过人机界面(HMI)——触摸屏完成对直流电机、交流电机、劈相机的试验检测操作.要求本试验台可以动态显示试验对象参数和故障状态,自动存储试验结果,实时打印文字图表,有多种表达形式的试验记录和故障信息,有自动保护功能、预置参数功能、信息实时上传和下载功能.同时,试验台增加了密级和登记操作管理等智能化功能,实现记名记车检修,从而有效提高辅机试验的自动化程度和机车检修生产管理水平.现场安装试验表明,该系统操作简便,可靠性高,具有重要的推广应用价值.Ss3b电动机的主辅电路和ss4改电动机电路的比较。
本文章重点从这两个方面进行阐述。
为进一步的电路比较提供了参考。
关键字:
主辅电路;制动方式;工作原理;控制电路
目录
摘要-1-
引言1
1.绪论2
1.1SS3B型电力机车2
1.1.2机车主要参数2
1.2中国铁路韶山3B(SS3B)型电力机车-改进3
1.3SS3B型电力机车的特点3
1.4SS4改电力机车4
1.5SS4改型电力机车特点5
2.SS3B、SS4改主电路的比较6
2.1SS3B主电路的特点分析6
2.1.1机车主要性能特点6
2.1.2技术特点7
2.2SS4改主电路的分析及特点8
2.2.1网侧高压电路及其特点8
2.2.2整流调整电路8
2.2.3牵引供电电路9
2.2.4加馈电阻制动电路11
2.2.5PFC电路12
2.2.6保护电路13
3.SS3B、SS4改辅助电路的比较15
3.1SS3B辅助电路的特点分析15
3.1.1交流辅助机组工作原理15
3.2SS4改辅助电路22
3.2.1.单一三相供电系统22
3.2.2三相负载电路23
3.2.3单相负载电路24
3.2.3保护电路24
3.3辅机过载保护装置故障处理26
结束语27
致谢28
参考文献29
引言
电力机车辅助电源系统是机车的重要组成部分,担负着除机车牵引系统主电路以外各种装置的供电任务,是提供风源的空气压缩机、空调、通风机等辅助电动机的三相交流电源,电热器、冰箱、信息显示装置的电源等。
机车辅助电源系统由三相交流辅助电源和直流电源系统组成。
早期的电力机车三相交流辅助电源装置采用旋转劈相机方式,这种电源装置体积大、重量重、响应性差、效率低、噪声大,故障率高,需经常检查、维修。
随着电力电子和开关器件的发展,采用IGBT的新型辅助逆变系统正在替代传统的劈相机三相交流系统。
辅助逆变系统不仅为机车各辅助电机提供对称三相电源,同时可满足辅助电机软启动、软制动,不受电网波动影响。
为防止因辅助供电设备故障而影响机车正常运行,辅助逆变系统同时设置各种故障保护及冗余功能。
机车直流电源系统主要由整流装置、蓄电池组成,为机车的控制系统及照明系统等提供所需直流电源,为蓄电池充电,在升弓前或高压设备、牵引变压器故障时,由蓄电池给上述设备供电。
1.绪论
1.1SS3B型电力机车
SS3B型电力机车由两节完全相同的六轴机车通过机械、电气和制动空气管路采用固定重联方式,组成一个完整的十二轴重载货运机车,可在其中任意一节机车的司机室内对全车进行统一控制。
两节机车亦可分开,作为一台六轴机车独立应用。
每节机车均是在SS3型机车基础上,取消一个司机室。
机车增加了列车控制网络(TCN)系统,不但减少了大量的硬联线,而且机车各主要部件的工作状态和故障信息均可在彩色液晶显示屏上显示,因此,提高了机车的先进性、可靠性以及使用与维修的方便性。
机车设备布置与通风系统以单节车为单元。
每节车划分为如下七大区域,即司机室、1号辅助室、1号高压室、变压器室、2号高压室、2号辅助室、3号辅助室、车顶设备和车下设备等。
司机室设在每台机车的两端,重联端未设司机室。
司机室主体结构和司机室内设备布置与SS4改机车规范司机室基本一样。
最前端布置有操纵台,操纵台上设有司控器、制动机、各种仪表、开关和指示灯以及彩色液晶显示屏。
操纵台右柜内布置有重联控制器。
司机室顶部还装有空调装置。
SS3B型机车主电路与SS3机车相比,增加了高压连接器、高压隔离开关、网压表、降压变压器、高压变压器、高压互感器用自动开关。
受电弓、真空断路器均采用进口产品。
辅助电路则每节机车压缩机采用一台螺杆式压缩机。
采用三极自动开关代替辅保装置,保护辅机过流。
机车控制电路与SS3型机车相比,机车控制采用了LCU、微机柜和网络控制技术。
1.1.2机车主要参数
额定功率:
2×4800kW
持续牵引力:
2×317.8kN
启动牵引力:
2×470.9kN
持续速度:
48km/h
最大速度:
100km/h
调压方式:
晶闸管不等分三段半控桥平滑调压
整流方式:
单相不等分三段桥全波整流
电制动功率:
2×4000kW
机车总重:
2×138t
轴荷重:
23t
制动方式:
加馈电阻制动
控制方式:
恒流准恒速控制
轴式:
2(C0-C0)
传动方式:
交直传动
1.2中国铁路韶山3B(SS3B)型电力机车-改进
SS3B型电力机车是在吸收国外先进技术的基础上,对SS3型机车进行了重大技术改造后而派生出的新型相控六轴干线电力机车,它具有以下特点:
1、取消了中央支承牵引装置,采用低牵引平拉杆,降低了转向架与车体的牵引点高度,减少了轴重转移,并使每个转向架内各轴负荷均匀,提高了机车粘着利用系数。
2、取消调压开关,改为晶闸管不等分三段相控桥平滑调压。
主变压器改为两个独立绕组,与两台整流器配合工作,分别对两个转向架独立供电。
可实现恒流限速,轴重转移电气补偿,并加装了新型防空转装置,使机车粘着得以更充分利用。
3、取消两极电阻制动转换,采用加馈电阻制动,提高了低速区电制动性能,在19km/h时,仍具有最大制动力(309kN)使列车在长大下坡道上仍可以较高速度运行。
1.3SS3B型电力机车的特点
1、主电路为不等分三段半控桥式电路,采用晶闸管相控无级调压,恒流准恒速控制和加馈电阻制动。
2、牵引电机采用具有补偿绕组的脉流串励四极电机,小时功率4800KW,为SS1机车的114%。
3、转向架为C0式,采用不等轴距,平拉杆牵引装置及弹性轴箱拉杆。
4、车体为框式整体承载结构,车内设备斜对称布置,采用大面积立式百叶窗车体通风方式。
5、支承装置为全旁承式,叠片式橡胶弹簧旁承,并配有横向液压减振器。
1.4SS4改电力机车
SS4改型电力机车是我国第三代电力机车的前驱产品,是在SS4型机车技术的基础上改进而成的8轴重载货运电力机车,93年起投入批量生产。
该型机车遵循我国电力机车标准化、系列化、简统化的设计原则,大量应用了国外8K、6K、8G等机车的先进技术。
SS4改型电力机车全长约32m,总功率6400kW,最高速度100km/h,起动牵引力628kN。
它由两节完全相同的4轴电力机车通过内重联环节连接组成,每节车为一个完整系统,可在其中任一节车的司机室对全车进行统一控制,每节车有一个司机室,两节车通过中间走廊连通。
两节车也可分开,作为一台四轴机车独立运用,SS4改机车具有外重联功能。
机车主传动采用传统的交一直传动方式。
转向架采用中央低位斜拉杆推挽式牵引装置,稳定性好、粘着率高;牵引电机采用ZD105型800kW脉流牵引电机,轴悬式双侧斜齿传动;采用有限元法优化设计的整体承载式车体结构,可承受2450kN的静压力时无永久变形,采用大顶盖结构,可以采用预布线和预布管工艺;机车主电路为不等分三段半控桥式电路,转向架独立供电,采用晶闸管分路的无级磁场削弱电路,可实现全运行区无级调速特性;机车设有空转、滑行保护装置和轴重转移补偿环节。
在机车接收到空转信号时,先发出撒砂指令,以增加粘着。
若空转仍然存在,则使电机自动减载,使机车恢复粘着。
轴重转移补偿时,在电机电流大于额定流时进行补偿,在额定电流与起动电流之间补偿呈线性关系,最高补偿为5%;机车设有功率因素补偿装置,具有较高的功率因素和较小的谐波干扰电流,可大大改善电网的供电质量。
机车设备布置采用双边走廊,分室斜对称布置,设备屏柜化、成套化等优点,使机车内部结构紧凑,接近容易,维修方便。
韶山4改进型电力机车,代号SS4G。
是在SS4、SS5和SS6型电力机车的基础上,吸收了8K机车一些先进技术设计的。
机车由各自独立的又互相联系的两节车组成,每一节车均为一完整的系统。
它电路采用三段不等分半控调压整流电路。
采用转向架独立供电方式,且每台转向架有相应独立的相控式主整流器,可提高粘着利用。
电制动采用加馈制动,每台车四台牵引电机主极绕组串联,由一台励磁半桥式整流器供电。
机车设有防空转防滑装置。
每节车有两个B0-B0转向架,采用推挽式牵引方式,固定轴距较短,电机悬挂为抱轴式半悬挂,一系采用螺旋圆弹簧,二系为橡胶叠层簧。
牵引力由牵引梁下部的斜杆直接传递到车体。
空气制动机采用DK-1型制动机。
机车功率持续6400kW,最大速度100km/h,车长2×15200mm,轴式2(B0-B0),电流制为单相工频交流。
由大同机车厂制造。
用途:
干线货运
轴式:
2(Bo-Bo)
传动方式:
交—直传动
持续功率:
2×3200kW
持续速度:
51.5km/h
持续牵引力:
450kN
最高速度:
100km/h
最大牵引力:
628kN
整备重量:
2×92t
首台投产年代:
1993.9
1.5SS4改型电力机车特点
1、机车持续功率6400KW,两节重联结构,轴列式为2(B0-B0),并可用两台机车(4节)重联运行。
2、采用不等分三段半控桥晶闸管相控调压。
3、大功率ZPA2100-28、KPA1300-28整流管与晶闸管的应用。
4、采用加馈电阻制动(具有机车持续速度以下保持最大恒制动力的最良好的低速制动性能)。
5、采用L-C功率因数补偿和三次谐波滤波装置,提高了功率因数,降低了谐波分量。
6、采用强迫自导向油循环和全铝板翅式油散热器,全去耦式新型主变压器。
7、具有空转/滑行保护装置和轴重转移补偿装置,大大提高了机车粘着牵引力的发挥。
8、采用包含牵引控制、电制动控制、功率因数补偿控制、轴重转移补偿控制、空转/滑行保护控制、空电联合制动控制等多功能的电子控制装置。
9、机车牵引、制动特性采用恒流准恒速控制,无级调速特性,Ⅲ级磁场削弱控制。
10、采用转向架牵引电机并联的独立供电调压整流电路,按独立电路设置过流、过压、接地保护装置。
11、DK-1型空气制动机的改进具有空电联合制动功能。
12、B0转向架采用单元基础制动器,推挽式低位斜杆牵引。
13、车体整体承载结构。
采用预布线、预布管结构方式,中间通道具有自动关门器。
2.SS3B、SS4改主电路的比较
2.1SS3B主电路的特点分析
2.1.1机车主要性能特点
2.1.1.1机车起动和牵引能力强
由于机车功率大,粘着重量也大,所以,机车起动和牵引能力强。
机车在4‰的直线坡道上可停坡起动10000t货物列车,并可按54km/h的均衡速度运行。
机车在6‰的直线坡道上可停坡起动6000t货物列车,并可按64km/h的均衡速度运行。
2.1.1.2机车技术先进
机车控制系统采用了列车通讯网络先进技术,它将中央控制单元(CCU)、微机柜(TPW)、彩色液晶显示屏(DISP)、机车综合监测装置(TAX2)、逻辑控制单元(LCU)、制动逻辑控制装置(DKL)通过车辆总线MVB联络成通讯网络,并通过列车总线WTB将两节车的信息通过通讯网络联结起来。
2.1.1.3机车可靠性高、互换性强、使用与检修及维护方便
机车司机室设彩色液晶显示屏,机车主要设备的工作状态、故障信息均可在显示屏上显示,并可用便携式数据采集器通过LUC采集各种有关数据,因此,机车的使用与检修及维护方便;
机车主要配件变压器、劈相机、平波电抗器、通风机、牵引电机等均与SS3型机车一样,有较好的通用互换性。
2.1.2技术特点
(1)、主电路为主变压器低压侧级间平滑调压、双拍全波桥式整流。
由于采用调压开关与晶闸管相控相结合的级间平滑调压,加之采用恒流限制控制,使机车具有较好的加速特性。
(2)、机车小时制功率为4800kW(持续制为4350kW),比SS1型机车功率提高14.3%,因此机车具有较大的牵引力。
机车轮周电制动功率达4000kW,比SS1型机车屯阻制动功率提高25%。
两级电阻制动改善了机车低速工况下的制动能力。
(3)、主变压器型号为TBQ3-7000/25,额定容量为6925kV·A,牵引绕组电压为1111V+277.8Vx4的基本绕组和调压绕组二者组成,冷却方式为强迫油循环风冷。
(4)、TKT3-3300/2200型调压开关与SS1型电力机车用调压开关结构相似,由于级间与晶闸管相控配合,因此对触头的开闭逻辑角度要求高,对相应零部件制造和开关组装精度要求高。
(5)、TGZ3-3300/1550变流装置由整流二极管和晶闸管构成桥式整流电路,并兼具级间平滑调压功能。
它只需要少量晶闸管就可以达到级间平滑调压的作用,使机车具有多段桥特性,从而提高机车功率因数。
(6)、具有最早批量装车、技术比较成熟的第一代机车电子控制柜。
它包括110V稳压电源系统及主回路级间相控电子系统等,其中有电子插件30块。
(7)、采用小时制功率为800kW,具有补偿绕组、串励、4极的ZQ800-1型脉流牵引电动机,额定电压为1550V,持续制电流为495A。
(8)、全车配有2台TZZ4型立式制动电阻柜,额定发热功率为2xl900kW。
通风机将车体下的空气通过铁丝网吸迸过渡风道,经过冷却电阻带,然后从车顶吹出。
平时电阻柜顶部的铝合金百叶窗是关闭的,防止雨雪及其他异物进入电阻柜,制动时气缸连杆将百叶窗打开。
(9)、转向架的特点是一系采用轴箱螺旋钢弹簧与弹性定位拉杆悬挂结构,二系采用全旁承橡胶堆简单悬挂结构,采用中心销式传递牵引力的方式,轴箱轴承采用能承受轴向和径向的滚动轴承,牵引电机采取抱轴式悬挂、双侧刚性斜齿传动方式,构架受力和结构趋于合理。
(10)、为了便车体减轻自重、满足轻量化要求,同时又增加结构的刚度和强度,传统的底架承载结构型式已不能满足要求,而代之以框架式整体承载结构形式。
侧墙百叶窗是车内设备通风冷却的迸风窗口,百叶窗采用竖式结构,过滤除尘效果较好,外形美观大方。
2.2SS4改主电路的分析及特点
2.2.1网侧高压电路及其特点
网侧高压电路的主要设备有受电弓lAP、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109TA,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。
2.2.2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-bl-xl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x2绕组。
T5、T6、D3和D4顺序移相,整流电压由零逐渐升至Ud/2(Ud为总整流电压),D1和D2续流。
在电流正半周时,电流路径为a2→D3→71号导线→平波电抗器→电机→72号导线→D1→T6→x2→a2;当电源处于负半周时,电流路径为x2→T5→71号导线→平波电抗器→电机→72号导线→D2→D1→D4→a2→x2。
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T2,绕组al、bl投入。
电源处于正半周时,电流路径为a2→D3→71号导线→平波电抗器→电机→72号导线→T2→b1→a1→D1→T6→x2→a2;当电流处于负半周时,电流路径为x2→T5→71号导线→平波电抗器→电机→72号线→D2→a1→b1→T1→D4→a2→x2。
此时,T1、T2、D1和D2顺序移相,整流电压在(1/2~3/4)Ud之间调节。
当T1和T2满开放后,T1、T2、T5和T6维持满开放,并触发T3和T4、bl—xl绕组再投入。
T3和T4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→D3→71号导线→平波电抗器→电机→72号导线→T4→x1→a1→D1→T6→x2→a2;当电源处于负半周时,电流路径为x2→T5→71号导线→平波电抗器→电机→72号导线→D2→a1→x1→T3→D4→a2→x2。
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。
2.2.3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1M与第二台牵引电机2M并联,由主整流器70V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80V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72。
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0.45。
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→D11D122M:
A21A22→D22D21
3M:
A31A32→D31D324M:
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19QS、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、22KM、32KM和42KM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%。
2.2.4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。
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