CN101247105A - 铁路列车交流牵引电机扩容主电路 - Google Patents

Abstract

一种铁路列车交流牵引电机扩容主电路，用以克服动车、机车的功率限制，它是在主变流器和牵引电机之间加装绕组转换开关，按极和相把牵引电机的定子绕组每相分成几段，通过转换开关把定子绕组每相各段串联变成并联，从而保持电机的磁通、绕组电流不变，线电压不超过额定值，使恒转矩速度范围拉宽，牵引电机容量倍增，动车、机车驱动力与制动力增强，达到提速与加大运能的效果。

Description

铁路列车交流牵引电机扩容主电路

所属技术领域：

本发明技术涉及铁路列车的电传动技术领域，其范围属于干线和城际轨道交通的电力机车、动车组和电传动内燃机车，为变流器至交流牵引电机的主电路部分。

背景技术：

牵引电机的容量在列车运行中有决定性作用。如日本300系列电动车组，起动后速度到136km/h时，就进入牵引电动机功率300kw的恒功阶段，到最高运行速度270km/h时，牵引力会下降到50％以下，“中华之星”甚至下降到1/3以下，目前所有交流牵引电机都存在容量限制，这里具有下述缺点：

A.列车牵引时，中高速的牵引力变小阻力反大，使加速度变小，再提速困难，甚至临近极限，影响运行全程的运能和速度。

B.列车制动时要分段控制，再生与电阻制动功率不足，中高速减速度也小，在正常和故障情况下紧急制动，必须和盘形制动构成复合制动，特别是行速300km/h时以上时，盘形制动功率也不够，制动困难导致制动距离拉长，也要影响全程运行速度、运能甚至安全可靠性。

发明内容：

本发明技术提供一种在中高段运行交流牵引电机容量扩大电路，减少甚至不受交流牵引电机功率限制。这样：1、在全速范围内牵引和制动特性可不设恒功率曲线，只受粘着潜力限制，在考虑冗余条件下，保持牵引与制动全程以恒转矩运行；2、只增加恒转矩速度宽度，同时提高恒功率区段的牵引制动力幅度。

实际粘着潜力有三要素：轮轨间固体接触，接触斑实为一些离散的接触点，屈服压力使各点的应力几乎相同，触点上主要发生塑变。与粘着有关的第一是触点切向粘附塑变动态的真实接触面积；第二是触点表面膜的自然条件；第三是10^-4～10^-5S的触点程序温升。这三方如有综合改善措施，提升受控的粘着系数μ曲线，加上牵引电机容量抬升，便可获得高速段较大牵引力和制动力，避免出现极限障碍。

交流牵引电机扩容技术方案最简单，只要把交流牵引电机定子绕组通过转换开关换接，把定子绕组各相绕组由串联改为并联，这样就可以了，这里不考虑由定子绕组星接改为三角接，主要是谐波影响关系。例如日本300系列电动车组，因为它是4极电机，每相有4个极相组，如在136km/h时极相组由1串改为2并，在272km/h时由2并改为4并。这样异步牵引电机的容量就从300kw分别增至600kw和1200kw，恒转矩速度宽至544km/h，超过运速全程范围；如果只进行1串2并，自272km/h进入恒功段，最高速如取450km/h，则牵引力将下降40％，否则不扩容要下降70％。

附图1是交流牵引电机定子绕组1串2并、3并和4并的扩容电路，其接法是这样：

a.每相相连的绕组段分为2、3、4段，各段首末端引线分别为3×4，3×6，3×8条，每相首端引线与供电主变流器相连，每相末端引线短接。

b.转换开关为铁路通用的绕组转换开关，每次转换用一根转轴，2次转换用二根转轴，转换一次接触元件为k，转换二次的接触元件分别为k1、k2。

c.每相相邻段间为转换开关一常闭二常开的一组接触单元，常闭元件与相邻两端的首末引线相连，形成串联；一个常开元件将其中首端引线与每相首端相连，另一常开元件将其中末端引线与每相末端相连，形成支路并联；如果各段星接中点独立，各段的末端可用2个常开元件短接，可实用的交流电机绕组换接有5种模式：1串至2、3、4并及1串至2再至3、4并，见表中开关元件动作所示，转换时变流器先封闭，接触元件作无电操作，为双重保护接触元件可附加弧触头；绕组转换3并用于6极交流牵引电机，4并用于4极、8极交流牵引电机；只要电力电子开关元件简单、实用与可靠，也可采用。

                元件动作表

1串	2、3、4并	2→3并	2→4并
					K	K1→K2	K1→K1K2

交流牵引电机定子绕组是双层短矩迭绕组，同步和永磁同步牵引电机定子绕组也可采用双层波绕组，极数一般4～8极，永磁同步牵引电机极数更多；双层迭绕组把不同极性的极相组依次串联，然后换成多条支路并联；双层波绕组则是同极性和反极性线圈各自串联成多个线圈组，由1串换成数支路并联，作为转换没什么区别。同步、异步牵引电机可有2并，还可3并、4并甚至更多，看电机极数多少，但是恒矩速宽范围4并已注入400～500km/h，所以扩容只要2～4并就可以了。

附图2为定子绕组经转换，交流变容牵引电机的线压U、线流I、磁通Φ、转矩N和功率P随速度V变化的特性曲线。图中(a)V1、V2作二次转换，图中(b)在V1直作第二次转换，V3、V4为恒矩控制3并4并的最宽速度，如果V1为120～130km/h的话，3并及以上的V3、V4可进入360～500km/h区段；如果实际需要，V2、V3也可开始进行恒功控制，V1即基速。

扩容后交流牵引电机极数不变，每极在恒矩段不削磁，约数段电流保持额定值，约数段的电压虽增，压频比保持常数；电机的线压不超过额定值，所以绝缘仍保持原有等级，只是线流加大；作为电源主交流器电压不加大，只是晶闸管元件的电流加大；因为扩容在电机主电路发生对控制系统没有太大影响，仅在指定速度进行转换。图2中实线为起动时1串，点实线为2并，点划线为3并，叉实线为4并曲线。

本发明技术的有益效果是：

1、牵引时减少甚至取消功限，充分利用粘着潜力，增大驱动力，客车运营速度可提至400km/h以上，给提速创造条件；在同样路轨条件下货车可增加运能。

2、常用制动、紧急制动和故障紧急制动，动车可以单一使用再生制动或电阻制动，不加工作量大的动车盘形制动，减少拖车协调配合，控制简化、缩短制动距离，减轻磨损。

3、电传内燃机车仍受柴油机功限，但与ND5主发电机定子串并转换有相同技术效果，即恒功速度范围变宽，使调速比变大；另一方面单一电阻制动，全程制动力加大，减速度变大，同样可以缩短制动距离和制动时间。

总的来说交流牵引电机扩容，仅串并联转换技术难度小，投入少，取得效益明显。

附图说明：

以下结合附图和2项实施例，对本发明技术作进一步说明，

附图1为交流牵引电机定子绕组的扩容电路；

附图2为交流牵引电机扩容的特性曲线；

附图3第一实施例采用异步牵引电机的电力机车扩容主电路；

附图4第二实施例采用同步牵引电机的电力机车扩容主电路；

附图5第一实施例两次转换的凸轮轴转换开关外形图，(a)为一次转换接线图，(b)为2次转换接线图；

附图6第二实施例的鼓型转换开关外形图，(a)为绕组接线图，(b)为动触片展开图；

附图7第一实施例的鼓型转换开关外形图，(a)为绕组接线图，(b)(c)为动触片1、2次展开图。

图中K为转换开关的一次转换接触元件，K1K2为两次转换的接触元件；U为线压、I为线流、Φ磁通、N转矩和P功率，V为速度，V1V2为转换时速度，V3V4为3并4并恒矩最宽速度；A为气体传动装置，BC为绕组两次转换开关；a为转接鼓，b为传动气缸，c为电空阀，1～28为牵引电机引线序列号，4×2、3×3+1为引线数，M3～为异步牵引电机。

具体实施方式：

一、采用三点式变流器的干线扩容电力机车，见附图3主电路

由一台主变流器供电给二台并联的4极异步牵引电机M，每台电机的极相组每相4个，各相引线为1～8，11～18，21～28；在变流器和牵引电机中间，考虑LCC加装一台带弧触头的轮轴式转换开关(图5)，转换方式为1串→2并→4并，其接线方式一相见(b)，1串→2并见第一轴，引线5、8与2个静触头相连，1、4与常开动触头相连，4与常闭动触头相连；第二轴2并→4并，引线1、2、6、8与4个静触头相连，同时2、3、6、7与常开动触头相连；3、7与常闭动触头相连；它相与其雷同。

1串直至4并(b)可同时进行，也可采用共轴的图5(a)，(a)的接法是1、2、4、6、8与5个静触头相连，2、3、4、5、6、7与常开动触头相连，3、5、7与常闭动触头相连，它相雷同。

二、采用同步牵引电机的扩容电力机车，见附图4主电路

由一台主变流器供电给双绕组的同步牵引电机，由于电角差两套绕组供电电压不同，绕组转换开关元件要分开，转换时变流器确保电路封闭，定子绕组1串二并，可以加装一个无弧的鼓型转换开关，见附图6，引线接线方式见图6(a)(b)，一相引线1～4，与鼓型开关静触头相接，通过转换动触片，使13、24间构成常开接触，23间构成常闭接触；它相连接相同。

图7给予实施例1提供1串→2并→4并(c)或1串→4并(b)封闭无电转换条件鼓型开关，一相引线1～8与静触头相连，鼓型开关内部见图7的(b)(c)，动触片构成了23、45、67为常闭接触，357与1，246与8为常开接触，形成图7(a)的连线；它相连接也相同。

Claims (3)

1、一种铁路列车交流牵引电机扩容主电路，交流牵引电机的定子绕组星接，主变流器对定子绕组首端供电，其特征在于牵引电机定子绕组每相按极约数分成2、3或4以上的数段，加装一个绕组转换开关，把各段转换为所有段串联和2段3段或4段以上的并联，相邻段间二常开一常闭接触元件为转换开关的单元，电路的接法是：

1)单元的常闭元件与前段末端引线、后段首端引线相连；

2)单元的一个常开元件与后段的首端引线、每相的始端引线相连；

3)单元的另一常开元件与前段末端引线、每相终端引线相连；另一接法是单元的另一常开元件与本相、他相的同段末端引线相连。

2、根据权力要求1所述的交流牵引电机主电路，其特征在于定子绕组转换开关分为一轴或两轴，一轴全部单元与定子绕组的全部引线相连；两轴用于定子绕组每相分4段及以上情况，第一轴单元与定子绕组每相中间点段端的引线相连，第二轴单元与每相其他点的段端引线相连。

3、根据权力要求1所述的交流牵引电机2种牵引电机定子绕组是双层短矩迭绕组，同步和永磁同步牵引电机定子绕组或双层波绕组，其特征在于双层迭绕组是把不同极性的极相组依次串联，然后分成2、3或4段及以上，各段首末端引线；同步牵引电机、永磁同步牵引电机如果用双层波绕组，绕组的每相同极性和反极性线圈各自串联，成为数个线圈组段，其首末端引线。

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