SS3B型电力机车磁场削弱电机电流波动原因及解决方案

林 忠

SS3B型电力机车磁场削弱电机电流波动原因及解决方案

林 忠

南昌铁路局福州机务段技术科

SS3B型电力机车的TPZ11和TPZ11型电子柜在使用磁场削弱功能提高牵引电机输出特性时，电机电流会强烈波动，造成机车上下震动，影响机车牵引速度和运行工况。该文分析了使用磁场削弱造成牵引电机电流波动的原因，提出了解决方案并装车试验，取得良好的效果。

电力机车 电子柜 整流装置 磁场削弱

1 引言

SS3B电力机车采用六台直流串励牵引电动机，其转速的变化受到电机的外加电压，即随整流后的直流电压而变化，由于整流装置的最高工作电压受到限制，电机在其额定电压下获得的转速（即车速）仍不能满足牵引的需要，为扩大调速范围，机车必须采用磁场削弱调速。磁场削弱是相对电机全磁场而言，当电机端电压恒定时，通过减少电机的励磁磁通，提高电机转速以提高机车速度。

为了适应鹰厦、外福线的提速要求，我们对现有的原车SS3B电力机车的磁场削弱功能进行了试验。在运行中发现，所有机车在投入磁场削弱装置时，都会产生机车牵引电机电流剧烈抖动；说明原车SS3B电力机车的磁场削弱功能在使用时存在缺陷，会造成牵引电机磁场紊乱，进而造成机车牵引力剧烈变化，使列车冲动较大，影响列车的平稳运行，影响了机车提速的实现。本文将从机车控制系统分析磁场削弱电机电流波动原因，提出解决方案。

2 SS3B型机车磁场削弱电机电流波动原因分析

2.1 SS3B型机车整流装置控制原理

SS3B型机车通过司机控制手柄的调节，经过电子柜转向架控制板的逻辑控制，向整流装置发出信号指令，整流装置根据指令调节开通不同的整流桥臂，输出不同的电机端电压来调节电机转速。SS3B机车整流装置采用三段不等分桥相控技术，其控制原理及顺序见图1：第一段a1—x1—T11、T12、D11、D12（a2—x2—T21、T22、D21、D22）大桥调压，整流桥输入电压1071V（空载）通过控制T11、T12（T21、T22）臂晶闸管导通角，使直流输出电压由0~1/2ud（ud为机车输出直流电压）平滑调节，直至T11、T12（T21、T22）晶闸管全导通。第二段a3—b3—T13、T14、D13、D14（a4—b4— T23、T24、D23、D24）小桥调压，整流桥输入电压535.5V（空载）通过控制T13、T14（T23、T24）晶闸管导通角，使直流输出电压由1/2ud0~1/4ud平滑调节，直至T13、T14（T23、T24）晶闸管全导通。第三段b3—x3—T15、T16、D13、D14（b4—x4—T25、T26、D23、D24）小桥调压，整流桥输入电压535.5V（空载）通过控制T15、T16（T25、T26）晶闸管导通角，使直流输出电压由3/4ud~ud平滑调节，直至T15、T16（T25、T26）晶闸管全导通。这就是整个三段不等分桥控制原理和顺序，而控制三段桥按上述顺序依次开放的移相控制电压就是由电子柜控制系统中转向架控制板产生的UE1、UE2、UE3。

图1 三段不等分桥控制原理图

根据上述控制原理及顺序，为了能使机车输出的直流电压能够平滑调节，电压平缓变化的关键在于调节二、三段小桥时，大桥晶闸管保持满开放，但现有的TPZ11型电子柜在使用磁场削弱功能过程中，电子柜转向架控制板在调节二、三段小桥晶闸管导通角时，同时对大桥的晶闸管导通角进行调节，因此造成机车输出的直流电压变化波动大，从而导致机车电流波动大。

2.2 电子柜转向架控制板原理

图2 转向架控制板电路结构

图2中，“8”为“最大电压限制电路”；“9”为“电枢电流调节电路”；“10”为“控制逻辑电路”。

机车在使用磁场削弱时往往是为了使机车保持最大牵引力，此时机车牵引电机电流达到电机电流限制值，在一定速度情况下，机车处于限压控制状态下，此时转向架控制板根据电机电压的反馈信号，调节UE2、UE3的值，根据上面所述，如果此时UE1也进行改变，造成机车直流输出电压波动大，从而导致机车电流波动大，因此要解决问题的关键在于在机车限压状态下，调节UE2、UE3的数值大小的同时，必须保证UE1数值保持相对的稳定，使机车直流输出电压保持平稳变化，减小机车电流的波动，使机车平稳运行。

3 SS3B型机车磁场削弱电机电流波动解决方案

基于以上分析，我们对电子柜转向架控制板进行重新设计，在保留大部分原有电路基础上，将三段桥移相控制电压UE1、UE2/UE3方式进行改变，该电路主要由二个部分组成。

3.1 电枢电流调节功能

由运算放大器及降压电阻等元件组成电枢电流调节器，电流指令信号和电流反馈信号经调节器的输出，经过运算放大器的倒相，其输出即为直流移相控制电压UE1，该电压一路去转向架控制插件II，作为制动时第二转向架的移相控制电压；另一路与电压限制环节比较后，从另一路输出，作为第2、3段桥的移相控制电压UE2、UE3。增加一个限制电路，使牵引时调节器的输出限制在（+ UF/10 ，-UF）之间；制动时限制在（+ UF/10，- UF/2）之间。当调节器的输出在上述范围内时，限制电路均为负饱和，指示调节器处于工作状态。当调节器的输出超过该范围时，两个限制环节将起作用，调节器不工作。并处于开环工作状态，不参与电流调节。其驱动电路在该环节的作用有两点：其一是保证调节器只在参与调节时起作用。在调节器不工作时，不会影响其它电路的工作。其二是在调节器的输出端，始终与输出电压一致，因此在调节器与限制环节转换时，不会产生电压波动。

3.2 最大电压限制功能

运算放大器组成电机最大电压限制环节。正值的电机电压反馈信号Um输入后，当Um未达到最大值时，放大器输出正饱和，电压限制环节不起作用。当Um达到限制值时，放大器的输出从正饱和迅速往下降，至其值小于设定输出时，电压限制环节起作用，输出即为限制环节的输出，从而达到最大电压限制的目的。同时，放大器输出为负饱和，指示电压限制环节工作。

4 实施效果验证

2008年8月5日，我们对SS3型4421 号机车进一步进行试验。运行中发现在7级以上进行机车磁场削弱时，发生机车牵引电流波动严重，列车抖动严重。

2008年12月11日，我们对改装好的SS3型4421号机车进行试运。试运行中机车电流、电压平稳。在提速运行区段，为了进一步加速，逐在机车调整手柄在7级时，进行机车磁场削弱，使机车提速，经检查确认机车未发生机车抖动，牵引电机电流波动。机车运行平稳，加速自如。实现了设计要求。在其它运用区间多次进行机车磁场削弱试验，均达到了设计要求，对机车运行无影响，证明改造方案是成功可行的，2009年至今，福州机务段已在全段SS3电力机车上全面推广使用该项技术，目前除小部分机车外，福建省境内的SS3B机车已能够正常使用磁场削弱，达到良好的效果。

5 结论和意义

电力机车使用磁场削弱引起震动的解决方案采用改变移相控制方式，在机车达到限压时，一段桥维持满开放只调节二、三段桥触发脉冲，维持机车电流平稳调节。限压部分增加微分控制环节，减缓电流抖动，不改动原SS3B电力机车控制方式，改造后的转向架控制板电子插件，与原插件进行向下兼容，不对机车的其它部分进行改动，并且尽量采用原机车插件上的高可靠性元、器件。由于机车是进行分架控制，在机车转向架控制板电子插件发生故障时，切除一个转向架控制，另一转向架控制插件板也应能实现机车的单一转向架控制不会造成机车故障扩大。铁路运输对安全要求较高，如果机车使用磁场削弱电流波动大，旅客机车冲动容易使旅客发生意外；对货运列车，会使列车产生安全隐患，如由于机车波动大、冲动大使车钩产生断裂可能，对机车6台电机而言，脉动电流波动大，对其使用寿命损害较大，因此保持机车运行平稳，对于铁路安全运输而言具有重大意义。所以改善机车磁场削弱时，机车平稳运行具有很高的社会效益。同时，对于鹰厦线来说，长大坡道存在使机车的运输能力受到制约，使用磁场削弱可以使机车在较快速度下保持较大的牵引电流，使机车获得更大的牵引功率，从而实现多拉快跑的目的。未改造机车使用磁场削弱时，机车电流波动很大，这对于机车的主变压器、牵引电机、车钩损伤较大，从而会大大增加机务段检修成本。改造后，能改善磁场削弱时电机电流、电压状况，对实现机车平稳运行、多拉快跑、降低检修部门检修成本起到积极作用，因此具有很高的经济效益。

[1] 林聪云. 内燃机车电力传动[M].北京：中国铁道出版社，1997.

[2] 刘友梅. 韶山3型4000系电力机车[M]. 北京：中国铁道出版社，1999.

[3] 南车集团株洲时代公司质量服务部. SS3B型电力机车电子控制系统检修说明. 2002.