林 忠

SS3B型電力機(jī)車磁場(chǎng)削弱電機(jī)電流波動(dòng)原因及解決方案

林 忠

南昌鐵路局福州機(jī)務(wù)段技術(shù)科

SS3B型電力機(jī)車的TPZ11和TPZ11型電子柜在使用磁場(chǎng)削弱功能提高牽引電機(jī)輸出特性時(shí)，電機(jī)電流會(huì)強(qiáng)烈波動(dòng)，造成機(jī)車上下震動(dòng)，影響機(jī)車牽引速度和運(yùn)行工況。該文分析了使用磁場(chǎng)削弱造成牽引電機(jī)電流波動(dòng)的原因，提出了解決方案并裝車試驗(yàn)，取得良好的效果。

電力機(jī)車 電子柜 整流裝置 磁場(chǎng)削弱

1 引言

SS3B電力機(jī)車采用六臺(tái)直流串勵(lì)牽引電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)速的變化受到電機(jī)的外加電壓，即隨整流后的直流電壓而變化，由于整流裝置的最高工作電壓受到限制，電機(jī)在其額定電壓下獲得的轉(zhuǎn)速（即車速）仍不能滿足牽引的需要，為擴(kuò)大調(diào)速范圍，機(jī)車必須采用磁場(chǎng)削弱調(diào)速。磁場(chǎng)削弱是相對(duì)電機(jī)全磁場(chǎng)而言，當(dāng)電機(jī)端電壓恒定時(shí)，通過(guò)減少電機(jī)的勵(lì)磁磁通，提高電機(jī)轉(zhuǎn)速以提高機(jī)車速度。

為了適應(yīng)鷹廈、外福線的提速要求，我們對(duì)現(xiàn)有的原車SS3B電力機(jī)車的磁場(chǎng)削弱功能進(jìn)行了試驗(yàn)。在運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，所有機(jī)車在投入磁場(chǎng)削弱裝置時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生機(jī)車牽引電機(jī)電流劇烈抖動(dòng)；說(shuō)明原車SS3B電力機(jī)車的磁場(chǎng)削弱功能在使用時(shí)存在缺陷，會(huì)造成牽引電機(jī)磁場(chǎng)紊亂，進(jìn)而造成機(jī)車牽引力劇烈變化，使列車沖動(dòng)較大，影響列車的平穩(wěn)運(yùn)行，影響了機(jī)車提速的實(shí)現(xiàn)。本文將從機(jī)車控制系統(tǒng)分析磁場(chǎng)削弱電機(jī)電流波動(dòng)原因，提出解決方案。

2 SS3B型機(jī)車磁場(chǎng)削弱電機(jī)電流波動(dòng)原因分析

2.1 SS3B型機(jī)車整流裝置控制原理

SS3B型機(jī)車通過(guò)司機(jī)控制手柄的調(diào)節(jié)，經(jīng)過(guò)電子柜轉(zhuǎn)向架控制板的邏輯控制，向整流裝置發(fā)出信號(hào)指令，整流裝置根據(jù)指令調(diào)節(jié)開通不同的整流橋臂，輸出不同的電機(jī)端電壓來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。SS3B機(jī)車整流裝置采用三段不等分橋相控技術(shù)，其控制原理及順序見圖1：第一段a1—x1—T11、T12、D11、D12（a2—x2—T21、T22、D21、D22）大橋調(diào)壓，整流橋輸入電壓1071V（空載）通過(guò)控制T11、T12（T21、T22）臂晶閘管導(dǎo)通角，使直流輸出電壓由0~1/2ud（ud為機(jī)車輸出直流電壓）平滑調(diào)節(jié)，直至T11、T12（T21、T22）晶閘管全導(dǎo)通。第二段a3—b3—T13、T14、D13、D14（a4—b4— T23、T24、D23、D24）小橋調(diào)壓，整流橋輸入電壓535.5V（空載）通過(guò)控制T13、T14（T23、T24）晶閘管導(dǎo)通角，使直流輸出電壓由1/2ud0~1/4ud平滑調(diào)節(jié)，直至T13、T14（T23、T24）晶閘管全導(dǎo)通。第三段b3—x3—T15、T16、D13、D14（b4—x4—T25、T26、D23、D24）小橋調(diào)壓，整流橋輸入電壓535.5V（空載）通過(guò)控制T15、T16（T25、T26）晶閘管導(dǎo)通角，使直流輸出電壓由3/4ud~ud平滑調(diào)節(jié)，直至T15、T16（T25、T26）晶閘管全導(dǎo)通。這就是整個(gè)三段不等分橋控制原理和順序，而控制三段橋按上述順序依次開放的移相控制電壓就是由電子柜控制系統(tǒng)中轉(zhuǎn)向架控制板產(chǎn)生的UE1、UE2、UE3。

圖1 三段不等分橋控制原理圖

根據(jù)上述控制原理及順序，為了能使機(jī)車輸出的直流電壓能夠平滑調(diào)節(jié)，電壓平緩變化的關(guān)鍵在于調(diào)節(jié)二、三段小橋時(shí)，大橋晶閘管保持滿開放，但現(xiàn)有的TPZ11型電子柜在使用磁場(chǎng)削弱功能過(guò)程中，電子柜轉(zhuǎn)向架控制板在調(diào)節(jié)二、三段小橋晶閘管導(dǎo)通角時(shí)，同時(shí)對(duì)大橋的晶閘管導(dǎo)通角進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此造成機(jī)車輸出的直流電壓變化波動(dòng)大，從而導(dǎo)致機(jī)車電流波動(dòng)大。

2.2 電子柜轉(zhuǎn)向架控制板原理

圖2 轉(zhuǎn)向架控制板電路結(jié)構(gòu)

圖2中，“8”為“最大電壓限制電路”；“9”為“電樞電流調(diào)節(jié)電路”；“10”為“控制邏輯電路”。

機(jī)車在使用磁場(chǎng)削弱時(shí)往往是為了使機(jī)車保持最大牽引力，此時(shí)機(jī)車牽引電機(jī)電流達(dá)到電機(jī)電流限制值，在一定速度情況下，機(jī)車處于限壓控制狀態(tài)下，此時(shí)轉(zhuǎn)向架控制板根據(jù)電機(jī)電壓的反饋信號(hào)，調(diào)節(jié)UE2、UE3的值，根據(jù)上面所述，如果此時(shí)UE1也進(jìn)行改變，造成機(jī)車直流輸出電壓波動(dòng)大，從而導(dǎo)致機(jī)車電流波動(dòng)大，因此要解決問(wèn)題的關(guān)鍵在于在機(jī)車限壓狀態(tài)下，調(diào)節(jié)UE2、UE3的數(shù)值大小的同時(shí)，必須保證UE1數(shù)值保持相對(duì)的穩(wěn)定，使機(jī)車直流輸出電壓保持平穩(wěn)變化，減小機(jī)車電流的波動(dòng)，使機(jī)車平穩(wěn)運(yùn)行。

3 SS3B型機(jī)車磁場(chǎng)削弱電機(jī)電流波動(dòng)解決方案

基于以上分析，我們對(duì)電子柜轉(zhuǎn)向架控制板進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，在保留大部分原有電路基礎(chǔ)上，將三段橋移相控制電壓UE1、UE2/UE3方式進(jìn)行改變，該電路主要由二個(gè)部分組成。

3.1 電樞電流調(diào)節(jié)功能

由運(yùn)算放大器及降壓電阻等元件組成電樞電流調(diào)節(jié)器，電流指令信號(hào)和電流反饋信號(hào)經(jīng)調(diào)節(jié)器的輸出，經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器的倒相，其輸出即為直流移相控制電壓UE1，該電壓一路去轉(zhuǎn)向架控制插件II，作為制動(dòng)時(shí)第二轉(zhuǎn)向架的移相控制電壓；另一路與電壓限制環(huán)節(jié)比較后，從另一路輸出，作為第2、3段橋的移相控制電壓UE2、UE3。增加一個(gè)限制電路，使?fàn)恳龝r(shí)調(diào)節(jié)器的輸出限制在（+ UF/10 ，-UF）之間；制動(dòng)時(shí)限制在（+ UF/10，- UF/2）之間。當(dāng)調(diào)節(jié)器的輸出在上述范圍內(nèi)時(shí)，限制電路均為負(fù)飽和，指示調(diào)節(jié)器處于工作狀態(tài)。當(dāng)調(diào)節(jié)器的輸出超過(guò)該范圍時(shí)，兩個(gè)限制環(huán)節(jié)將起作用，調(diào)節(jié)器不工作。并處于開環(huán)工作狀態(tài)，不參與電流調(diào)節(jié)。其驅(qū)動(dòng)電路在該環(huán)節(jié)的作用有兩點(diǎn)：其一是保證調(diào)節(jié)器只在參與調(diào)節(jié)時(shí)起作用。在調(diào)節(jié)器不工作時(shí)，不會(huì)影響其它電路的工作。其二是在調(diào)節(jié)器的輸出端，始終與輸出電壓一致，因此在調(diào)節(jié)器與限制環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)換時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生電壓波動(dòng)。

3.2 最大電壓限制功能

運(yùn)算放大器組成電機(jī)最大電壓限制環(huán)節(jié)。正值的電機(jī)電壓反饋信號(hào)Um輸入后，當(dāng)Um未達(dá)到最大值時(shí)，放大器輸出正飽和，電壓限制環(huán)節(jié)不起作用。當(dāng)Um達(dá)到限制值時(shí)，放大器的輸出從正飽和迅速往下降，至其值小于設(shè)定輸出時(shí)，電壓限制環(huán)節(jié)起作用，輸出即為限制環(huán)節(jié)的輸出，從而達(dá)到最大電壓限制的目的。同時(shí)，放大器輸出為負(fù)飽和，指示電壓限制環(huán)節(jié)工作。

4 實(shí)施效果驗(yàn)證

2008年8月5日，我們對(duì)SS3型4421 號(hào)機(jī)車進(jìn)一步進(jìn)行試驗(yàn)。運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)在7級(jí)以上進(jìn)行機(jī)車磁場(chǎng)削弱時(shí)，發(fā)生機(jī)車牽引電流波動(dòng)嚴(yán)重，列車抖動(dòng)嚴(yán)重。

2008年12月11日，我們對(duì)改裝好的SS3型4421號(hào)機(jī)車進(jìn)行試運(yùn)。試運(yùn)行中機(jī)車電流、電壓平穩(wěn)。在提速運(yùn)行區(qū)段，為了進(jìn)一步加速，逐在機(jī)車調(diào)整手柄在7級(jí)時(shí)，進(jìn)行機(jī)車磁場(chǎng)削弱，使機(jī)車提速，經(jīng)檢查確認(rèn)機(jī)車未發(fā)生機(jī)車抖動(dòng)，牽引電機(jī)電流波動(dòng)。機(jī)車運(yùn)行平穩(wěn)，加速自如。實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求。在其它運(yùn)用區(qū)間多次進(jìn)行機(jī)車磁場(chǎng)削弱試驗(yàn)，均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，對(duì)機(jī)車運(yùn)行無(wú)影響，證明改造方案是成功可行的，2009年至今，福州機(jī)務(wù)段已在全段SS3電力機(jī)車上全面推廣使用該項(xiàng)技術(shù)，目前除小部分機(jī)車外，福建省境內(nèi)的SS3B機(jī)車已能夠正常使用磁場(chǎng)削弱，達(dá)到良好的效果。

5 結(jié)論和意義

電力機(jī)車使用磁場(chǎng)削弱引起震動(dòng)的解決方案采用改變移相控制方式，在機(jī)車達(dá)到限壓時(shí)，一段橋維持滿開放只調(diào)節(jié)二、三段橋觸發(fā)脈沖，維持機(jī)車電流平穩(wěn)調(diào)節(jié)。限壓部分增加微分控制環(huán)節(jié)，減緩電流抖動(dòng)，不改動(dòng)原SS3B電力機(jī)車控制方式，改造后的轉(zhuǎn)向架控制板電子插件，與原插件進(jìn)行向下兼容，不對(duì)機(jī)車的其它部分進(jìn)行改動(dòng)，并且盡量采用原機(jī)車插件上的高可靠性元、器件。由于機(jī)車是進(jìn)行分架控制，在機(jī)車轉(zhuǎn)向架控制板電子插件發(fā)生故障時(shí)，切除一個(gè)轉(zhuǎn)向架控制，另一轉(zhuǎn)向架控制插件板也應(yīng)能實(shí)現(xiàn)機(jī)車的單一轉(zhuǎn)向架控制不會(huì)造成機(jī)車故障擴(kuò)大。鐵路運(yùn)輸對(duì)安全要求較高，如果機(jī)車使用磁場(chǎng)削弱電流波動(dòng)大，旅客機(jī)車沖動(dòng)容易使旅客發(fā)生意外；對(duì)貨運(yùn)列車，會(huì)使列車產(chǎn)生安全隱患，如由于機(jī)車波動(dòng)大、沖動(dòng)大使車鉤產(chǎn)生斷裂可能，對(duì)機(jī)車6臺(tái)電機(jī)而言，脈動(dòng)電流波動(dòng)大，對(duì)其使用壽命損害較大，因此保持機(jī)車運(yùn)行平穩(wěn)，對(duì)于鐵路安全運(yùn)輸而言具有重大意義。所以改善機(jī)車磁場(chǎng)削弱時(shí)，機(jī)車平穩(wěn)運(yùn)行具有很高的社會(huì)效益。同時(shí)，對(duì)于鷹廈線來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)大坡道存在使機(jī)車的運(yùn)輸能力受到制約，使用磁場(chǎng)削弱可以使機(jī)車在較快速度下保持較大的牽引電流，使機(jī)車獲得更大的牽引功率，從而實(shí)現(xiàn)多拉快跑的目的。未改造機(jī)車使用磁場(chǎng)削弱時(shí)，機(jī)車電流波動(dòng)很大，這對(duì)于機(jī)車的主變壓器、牽引電機(jī)、車鉤損傷較大，從而會(huì)大大增加機(jī)務(wù)段檢修成本。改造后，能改善磁場(chǎng)削弱時(shí)電機(jī)電流、電壓狀況，對(duì)實(shí)現(xiàn)機(jī)車平穩(wěn)運(yùn)行、多拉快跑、降低檢修部門檢修成本起到積極作用，因此具有很高的經(jīng)濟(jì)效益。

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[2] 劉友梅. 韶山3型4000系電力機(jī)車[M]. 北京：中國(guó)鐵道出版社，1999.

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