电力机车110V直流电源的研究设计分析.docx
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电力机车110V直流电源的研究设计分析
2012届毕业设计说明
课题名称:
电力机车110V直流电源的研究设计(分析)
专业系:
班级:
学生姓名:
指导教师:
完成日期:
摘要
随着我国电气化铁路及电力机车的迅速发展,电力机车在产品结构,形式,质量方面都有了很大的改进和提高,专业对口,作为司乘人员,在铁路机务部门工作,必须熟悉和掌握电力机车控制电路的基本工作原理,通过系统分析来提高自己的专业素质。
电力机车110V直流电源这个电力行业,因为是国外先我们一步发展的,所以在很多关键设备上都是外国技术,他们就是用的110V的操作电压,其次,因为是二次侧控制电源都是在用集成电力板上操作,所以本身就不需要很大的电流与电压,当需要操作到一次设备时,是用继电器逐级放大电流来控制;直流电源的设计与分析是选自机车运用的实际课题,涉及范围较广,电力机车110V直流电源是一个复杂的系统,本课题要求学生在已学的机车线路基础上,分析110V直流电源电路,并能了解电力机车的故障判断处理流程和方法。
培养学生运用所学的基础知识,专业知识,并利用其中的基本理论和技能来分析解决本专业内的相应问题,是学生建立正确的设计思想,掌握工程设计的一般程序和方法,完成电气工程技术人员必须具备的基本能力的培养和训练。
关键词:
电路分析故障处理
Taketo
Alongwithourcountryelectrifiedrailwayandelectriclocomotiveelectriclocomotiveinrapiddevelopment,productstructure,form,qualityhavebeengreatlyimproved,professionalcounterparts,asthedriverandpassenger,therailwaydepartmentwork,mustbefamiliarwithandmastercontrolcircuitforelectriclocomotivebasicprincipleandthroughtheanalysisofthesystemtoimprovetheirprofessionalquality.
Electriclocomotive110VDCpowersupplythisisbecauseoftheelectricpowerindustryisforeigntoourfurtherdevelopment,soinmanykeyequipmentareforeigntechnology,theyareusedin110Voperatingvoltage,secondly,asarethetwoprimarysidecontrolpowerisusingintegratedpowerboardoperation,soitselfdoesnotneedmuchthecurrentandvoltage,whentheneedtooperateadevice,istheuseofrelaysequentialamplifiedcurrenttocontrol;DCpowersupplydesignandanalysisisselectedfromthegroupconsistingoflocomotiveoperationandpracticalsubjects,involvesrangewider,electriclocomotive110VDCpowersupplyisacomplexsystem,thetaskrequiresstudentstohavelearnedthelocomotivecircuitbasedontheanalysisof110V,aDCpowersupplycircuit,andcanunderstandtheelectriclocomotivefaultjudgmentandtreatmentprocedureandmethod.Studentslearntousethebasicknowledge,professionalknowledge,andusingthebasictheoriesandskillstoanalyzeandsolvetheprofessionalswithinthecorrespondingproblem,isthestudenttoestablishthecorrectdesignidea,graspthegeneralprocedureandmethodofengineeringdesign,electricalengineeringandtechnicalpersonnelmustpossessthebasicabilitycultivationandtraining.
Keywords:
CircuitAnalysisandfaulthandling
第1章110V电源概述
韶山系列国产电力机车进入第三代以后,交-直流传动相控整流电力机车技术日趋成熟,电力机车的标准化、型谱化、模块化,这对电力机车性能、质量的稳步发展具有重要意义。
电力机车采用110V作为机车的控制电源,近年来,在我国最新研制的电力机车中,已经使用高频开关电源,如SS7、SS8、SS9等。
SS3主电路为半控桥式整流电路。
输入为铁路系统的交流电源,其输出的整流电压经电抗器、电容器滤波后,向蓄电池组充电,并向机车控制电路供电,触发板由同步信号电源、调压器和移相触发等环节组成,采用同步移相控制技术和可控硅技术,具有输入过、欠电压保护,输出过载保护功能,使输出的电压稳定在110V。
已经标准化、模块化的电源综合柜(包括控制电源柜和电子控制柜)是电力机车上的重要部分,专门为电力机车提供所需的各种电压和信号,关系到机车上整个电子系统的工作质量。
控制电源柜担负着整个机车控制系统各制式(110V、48V、24V、15V)直流电源的供电任务,包括车内仪器仪表、照明以及信号显示屏等。
因此它对电力机车的正常运营特别重要。
电力机车上的DC110V电源时由控制柜及蓄电池组构成,在通常运行情况下,两者并联为机车提供稳定的110V电源,在降弓情况下蓄电池供机车做低压实验和照明用,在运行中电源柜故障情况下,蓄电池做维持机车故障运行的控制电源。
韶山3B型电力机车辅助电源取自主变压器辅助绕组,有超高量的电压波动值;有劈相机实现单—三相供电系统,使电压、电流呈三相不对称供电特性;由于主变压器辅助绕组与其他绕组之间不能完全“去耦”,因此辅助电源受相控调压影响存在着高次谐波分量。
控制电源柜主要技术参数
输入交流电压…………………………………………396V±25%
输出直流电压…………………………………………110V±5%
输出额定电流110V……………………………………50A±10%
限流保护整定值…………………………………………55A±10%
电压脉动有效值…………………………………………≤5V
第2章110V电源主电路分析
辅助电源取自主变压器a6—b6—x6绕组,其中a6—x6为380V次级,b6—x6为220V次级。
a6—x6经库用转换刀开关3KYK、过电流继电器FGJ后单相输送。
机车在库内可通过辅助电路入库插座FCZ引入车库的380V单相电源或三相电源,将库用转换开关从运行位转换到库用位,则辅助电路就可以在库内工作。
库内引入的若是单相电源则需要开动劈相机送电,若直接引入三相电源,则不需开动劈相机就可以开动其他辅助机械。
单相电源的电压测量利用交流电压表(量程0~600V)测量,分别安装在Ⅰ、Ⅱ端正司机台上直接向司机指示辅助电源电压值,同时借助辅助电压来间接检测网压的高低值。
控制电源电力变压器原边绕组通过201﹟和202﹟线获得电压。
控制电路一般由主令电器、各种功能的继电器、接触器、转换开关、保护电器以及电源等主要部件组成。
韶山3B型电力机车的主令电器有司机控制器,辅助司机控制器,按键开关,按钮开关等;继电器有中间继电器,时间继电器,电压继电器,电流继电器,压力继电器,流速继电器等;接触器有电空接触器,交流电磁接触器和直流电磁接触器等;转换开关有电源开关,故障转换开关,测量转换开关等;保护电器有熔断器,自动空气开关,电压控制器等;电源有110V稳压电源,备用蓄电池电源15V,24V,及48V低压逆变电源。
控制电路由各部件构成不同功能的作用环节,各作用根据机车各种不同控制要求而有所不同。
韶山3B型电力机车控制电源为直流110V,由晶闸管半控桥式整流稳压装置提供,控制电源原理图见附图一。
稳压电源装置的电源变压器KDB(380V/220V)从主变压器辅助绕组获取380V单相电源,在库用时也从库用插座输入380V单相电源。
经KDB降压到220V后,通过由2只KP200-8型晶闸管和ZP300-8型二极管构成的晶闸管半控桥整流器KGZ输出直流。
整流电压的平均值U0=0.45U2(1+cosa)可知:
输出电压的平均值与整流桥的输入电压和晶闸管的移相角有关,当网压变化时,可通过自动调节a角达到稳压的目的。
当出现过电流也可以通过调节a角降低U0达到限流的目的。
变压器次边的KBC、KBR是用来吸收操作过电压的;整流管及晶闸管两端的C1、R1、C2、R2、C3、C4用来保护元件,吸收换向过电压。
为了减少脉动量,采用L-C滤波电路,电感为平波电抗器671L,电容由滤波电容器663C和蓄电池GB并联组成,该滤波环节使电压脉动有效值小于5V,故要求控制电源工作时必须同蓄电池并联运行。
一旦运行中由于短路或接地故障使蓄电池自动空气开关601QA分断,此时蓄电池被分断,只能依靠电容器663C(1000uF)的滤波作用限制电压脉动量的峰值,以防引起电子元器件的击穿损坏。
通过晶闸管导通角的自动调节实现稳压110V±4%的精度,并保证55A限流保护。
其电子控制电路由差动比较、放大、移相、触发和限流保护等环节组成,采用闭环控制。
电压信号从导线206及207端检测反馈,电流信号从分流电阻635R检测反馈,电子电路原理在这里不做分析。
控制电路的后备电源采用74只GN-100型碱性蓄电池串联组成的蓄电池组。
机车正常运行时蓄电池与稳压电源并联,兼滤波电容作用,同时蓄电池接受110V电压的浮充电。
后备电源的作用有两个:
(1)机车升弓受流前,由蓄电池做电源供控制电路操纵用,以完成机车受流前的准备;
(2)在运行中一旦稳压电源出现故障,可以切除稳压电源,由蓄电池组供电维持故障运行。
GN-100型蓄电池标称电压为1.25V,故障电池组标称电压为92.5V,5小时放电率的放电允许最终电压为74V,与机车技术条件允许控制电路最低电压为77V是相配的,运行中蓄电池浮充电压为1.486V,符合浮充电压1.5V要求,因此当运行中出现有个别蓄电池故障拆除后,也可由72-73只蓄电池串联维持工作。
机车在库内可由库用控制电路插座695XS直接输入DC110V电源,或经库用插座向蓄电池组进行正常充电或强充电。
在一般情况下机车在库内可通过辅助电路库用插座294XS输入380V单相电源,由稳压电源投入工作而提供控制电源。
控制电源测量仪表有直流电压表650PV(量程150V),其中650PV安置在电源配电屏上,直流电流表为640PA(量程±100A)及其分流器672RS,648PA(量程100A)及其分流器673RS,其中640PA安装在电源配电屏上检测放电及充电电流,输出“﹢”电流指示为放电电流,反之,输入“﹣”电流指示为充电电流,所以采用双向指针电流表。
648PA设在副司机台上指示控制电路总负载电流值。
控制电源的配电及保护:
控制电源硅整流装置和蓄电池的短路保护采用自动空气开关600QA、601QA(整定值50A);过电压保护采用R-C吸收电路,硅整流装置输入端为电阻KBR(阻值20Ω),电容KBC(容量10uF),各个硅臂还有R-C保护。
控制电源各配电支路均采用单级自动空气开关(TH-5SB型),它们既作为各支路的配电开关,可人为分合,又可作为各支路的短路与过流保护开关,进行保护性分断。
控制电路的配电支路有受电弓1ZK,主断路器2ZK,司机控制器3ZK,电子控制4ZK,辅机控制5ZK,前照灯6ZK,副前照灯7ZK,车内照明8ZK,电扇9ZK,逆变电源10ZK,自动信号11ZK,自动停车12ZK,无线电台13ZK,电控制动14ZK。
另外,在控制电源屏上还装有辅助电路202导线的几条配电支路,也均以自动开关保护,它有司机室取暖(15、16ZK),前窗加热(17、18ZK),220V插座(19、20ZK),作为电源保护用的自动开关有交流电源(600QA),蓄电池(601QA),各配电开关基本参数见下表。
控制电源屏有3个刀开关:
整流器刀开关KGK(单刀单投),蓄电池刀开关DCK(双刀单投),接地刀开关KJDK(双刀单投)。
操作时要注意操作程序,先合KJDK和DCK,再合KGK,尤其在库内用电源时必须要先完成上述刀开关合闸程序,再送入库用辅助电源。
代号
1
ZK
2
ZK
3
ZK
4
ZK
5
ZK
6
ZK
7
ZK
8
ZK
9
ZK
10
ZK
整定
电流(A)
10
10
10
6
30
30
10
30
10
6
额定
电压(V)
110
110
110
110
110
110
110
110
110
110
名称
受电弓
主断路器
控制器
电子控制
辅机控制
前照灯
副前照灯
车内照明
电扇
逆变电源
型号
TH-5SB
11
ZK
12
ZK
13
ZK
14
ZK
15
ZK
16
ZK
17
ZK
18
ZK
19
ZK
20
ZK
21
ZK
22
ZK
6
6
6
6
30
30
6
6
6
6
50
50
110
110
110
110
380
380
380
380
220
220
380
110
自动信号
自动停车
无线电台
电空制动
取暖电炉1
取暖电炉2
窗加热1
窗加热2
插座1
插座2
交流电源
蓄电池
TH-5SB
第3章110V电源控制电路分析
第1节各种元器件工作特性
二极管:
二极管最重要的的特性就是单向导电性,即正向电压导通电阻很小,反向电压时导通电阻很大或无穷大。
在电路中,电流只能从二极管的正极流入,负极流出。
电路中将二极管的正极接在高电位端,负极接在低电位端,二极管就会导通,这种连接方式称为正向偏置;相反则为反向偏置。
当加在二极管两端的电压很低时,流过二极管的正向电流很小,二极管仍不能导通,只有当正向电压达到某一数值时,锗管约为0.2V,硅管约为0.6V以后,二极管才能导通,导通后二极管两端的电压基本保持不变,锗管约为0.3V,硅管约为0.7V,称为二极管的正向压降。
若二极管的正极接低电压端,负极接高电压端,此时二极管中几乎没有电流流过,二极管处于截止状态,称为反向偏置。
二极管反向偏置时仍然会有会有微弱的反向电流流过二极管,称为漏电电流。
当二极管两端的反向电压增大到某一数值时,反向电流急剧增大,二极管将失去单向导电性,称为击穿。
二极管其作用有:
在电力电子电路中,电力二极管有广泛的应用,它可以作为整流、续流,以及电压隔离、钳位、保护等器件。
在应用时,要按实际要求选择不同类型的电力二极管。
其主要类型有:
(1)普通二极管,又叫整流二极管,多用于开关频率不高(1kHz以下)的整流电路中。
其反向恢复时间一般大于5μS,而正向电流额定值和反向电压额定值可以达到数千安和数千伏以上。
(2)快恢复二极管简称快速二极管。
其反向恢复时间小于5μs,快恢复外延二极管反向恢复时间更短,在100ns以下。
(3)肖特基二极管其优点是反向恢复时间很短,一般为10~40ns;正向恢复过程中没有明显的电压过冲;开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管小。
其缺点是反向漏电流大且对温度敏感;当提高反向耐压时,其正向压降也相应增加,甚至不能满足要求。
感性负载下的半控桥整流电路,由于本身的自然续流作用,即使不接续流二极管,其输出电压波形也不会出现负值。
但是一旦触发脉冲丢失,在大电感负载情况下,则会使晶闸管失控,因此,仍要在负载两端接上续流二极管,防止失控。
二极管的识别很简单,小功率二极管的N极(负极)大多采用一种色圈标出来,而发光二极管可以从引脚的长、短来识别,长脚为正极,短脚为负极。
三极管:
主要功能是电流的放大和开关作用,由两个PN结构成,共用的一个电极为集电极(用字母b表示),其他两个极为集电极(用字母c表示),和发射极(用字母e表示),由于不同的组合方式,构成了NPN(箭头朝里)和PNP(箭头朝外)两种三极管。
晶闸管:
晶闸管是晶体闸流管的简称,它包括普通晶闸管和双向、门极关断、逆导、快速等晶闸管。
普通晶闸管(Thyristor)曾称为可控硅整流器,常用SCR(SiliccmControlledRectifier)表示。
在实际应用中,如果没有特殊说明,晶闸管皆指普通晶闸管。
晶闸管主要用来组成整流、逆变、斩波、交流调压、变频等变流装置和交流开关以及家用电器实用电路等中,由于上述装置特别是变流装置是静止型的,具有体积小、寿命长、效率高、控制性能好,并且具有无毒、无噪声、造价低、维修方便等优点,因此得到广泛的应用。
晶闸管是一种大功率半导体器件,具有三个PN结,引出三个极,阳极A,阴极K,门极G,流过晶闸管阳极的电流称为阳极电流,晶闸管阳极和阴极两端的电压,称为阳极电压。
门极电压连接晶闸管的门极G和阴极K,组成控制电路,称为触发电路,流过门极的电流称门极电流,门极与阴极之间的电压称为门极电压。
晶闸管导通的条件是:
阳极加正电压,门极加适当的正向电压。
晶闸管关断的条件是:
流过晶闸管的电流小于维持电流。
电阻:
电阻的主要物理特征是变电能为热能,也可以说是一个耗能元件,电流经过它就产生热能,电阻在电路中起分压,限流或者做负载用。
与电容一起可以组成滤波器及延时电路,在电源电路、控制电路中做取样电阻,在半导体管电路中用作偏置电阻确定工作点。
电容:
电容应用于电源电路,实现旁路,去耦,滤波和储能等作用。
集成电路是应用半导体制造工艺,把整个电路的晶体管、电阻、电容等元件和连线等都制造在一块半导体基片上,形成一块不可分割的固体块。
它从根本上动摇了原来电子电路的概念,实现了元件、电路和系统的结合。
集成电路显示出许多分立元件无法比拟的优点,它体积小、重量轻、功耗小、性能好,由于外部引线大为减少,减少了故障,提高了可靠性。
集成运算放大器是一种多级直接耦合的高放大倍数的放大电路,它既能放大缓慢变化的直流信号,又能放大交流信号,用运算放大器及其反馈网络,可以构成多种运算电路,如我们在此分析的比例-积分运算电路就是其中的一种。
比例-积分运算电路
这种运算器又称PI调节器,常用于控制系统,以保证控制系统的稳定性和控制精度。
改变R1和电容,可调整比例系数和积分常数,以满足控制系统的要求。
第2节控制电源柜插件箱
控制电源柜的插件箱是电源柜的控制部分。
装有4块插件,分A、B两组,由A、B转换开关DKK控制,箱体内还装有同步信号变压器。
其功能如下:
(1)向110V直流电源主电路中的晶闸管提供移相触发脉冲,及使110V输出电压保持稳定;另一方面起限流作用,确保输出电流限制在55A±10%以内。
(2)提供+24V车内仪表照明用电,+48V三相设备电源及司机台信号显示屏所用的+15V电源。
箱内的4块插件,分别为两块稳压触发及两块开关电源插件。
稳压触发插件面板上有3个绿色发光二极管,当接通电源后,3个绿色发光二极管,说明此时插件工作正常。
开关电源插件面板上有一红、一绿两种二极管,并另有一钮子开关。
当纽子开关置“关”位或电源故障时,红色发光二极管亮;当开关置“开”位时,绿色发光二极管亮,表示此时插件工作正常,查检箱的结构简图所示。
插件体箱AB转换开关开关电源插件稳压触发插件
第3节稳压触发电路原理
1.±15V电源环节
本环节产生的±15V电源是共给本插件自用,从原理图可知:
从752、753线获得交流同步信号,经V1-V4整流管整流,经R1、R2及C1、C2、C3、C4电阻电容滤波,送至稳压管N1及N2,分别产生+15V及-15V电压,此电压再经C5、C6、C7、C8滤波,满足本插件供电之需。
2.稳压环节
稳压环节主要功能在于:
将110V电源的输出电压及电流与其给定值相比较,向移相触发环节送出触发移相控制电压,使控制电源柜的直流输出电压为110V±4%;电源限流值为55A±10%。
由附图二可知:
稳压环节中的给定值由-15V经V36再次稳压后供给,是负极性的,给定值可用RP2调节,其值大约为-4V左右。
正极性电压反馈由207线,经R17、R18分压后供给。
负、正两路电压分别经R16、R22、R24、R25在N3的12脚的同相输入端进行电流综合,N3的14脚输出值直接控制110V电源的移相触发环节。
由于N3的12、13、14脚运算放大器放大倍数数很大,故此能保证晶闸管输出电流电压稳定不变。
在降弓时,由于无交流电源,因而无±15V电源,N3运算放大器无电,无电压输出。
当升弓合闸时,产生±15V电压,由于此时蓄电池电压小于给定值,造成晶闸管的触发脉冲从满开放开始退回,出现瞬时过电压。
为避免这种现象,在无交流电时,V40因207线有电而导通,将RP2上的给定值短接,当有交流时,交流电压经752、753线,由V15、R34、V37、R36等元件组成的有关电路向V40-b极供电,使V40三极管截止。
因-15V电压已建立,RP2上给定值恢复,由于此时蓄电池电压始终小于给定值,致使N3的14脚输出值趋向负饱和(相当于触发电路送出满开放脉冲的电压值)。
另一方面,由于+15V电压已建立,C26电容开始充电的瞬间,使V51三极管导通,+15V电压一方面经电阻R30向N3的14脚输送电流;另一方面直接加至RP3电位器上,迫使触发脉冲从a=180°开始移相,从而避免产生瞬时过电压。
随着C26不断充电,电位不断提高,很快使V51三极管截止。
使α从180°过渡到相应角度,最后受控于N3的14脚的输出电压。
+15V、R27、R28、V11及V12、R30、R31、-15V在此构成N3的12、13、14脚放大器的抗饱和电路,防止其陷入深度饱和,确保N3的12、13、14脚运算放大器输出值在-10.5V—+10.5V之间。
N3的8、9、10脚运算放大器构成电流限制器,电流反馈信号由反馈电阻FKR上的压降经206线输入,限流给定值(正值)可由RP1调整,其值大约为4V(相应限流值为55A)。
206线的电压和RP1的给定值通过各自的电阻,在N3的9脚反相端进行电流综合。
当负载电流未达到限制值时,N3的8脚输出值为负饱和(约﹣13V),此电压低于N3的14
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- 电力机车 110 直流电源 研究 设计 分析