第十章交流辅助电动机 为了保证电力机车正常运行,在单相工频交流电力机车中装有许多辅助机 械,这些辅助机械多采用结构简单、价格低廉的三相异步电动机驱动 用于驱动辅助机械的三相异步电动机(简称辅助电动机)结构上与普通鼠笼 式异步电动机相同。但由劈相机供电时,电压波动范围大、三相电压和电流不对 称等,使这些辅助电动机工作在三相不对称,且非额定、非正弦电压下。为保证 辅助电动机能正常工作,在选用和设计辅助电动机时,必须考虑电动机额定功率 与实际使用功率之间的差异,以满足电动机在电压变化及不对称条件下运行的需 在单相工频交流电力机车上,为各辅助机组提供三相交流电源的劈相机是 种将单相电变换成三相电的特殊电机,其实质是由单相电动机和三相发电机组合 而成的旋转电机。劈相机可以是同步型,也可以是异步型,目前应用较广的是异 步劈相机。 本章分析异步劈相机的工作原理,讨论异步劈相机起动、三相电压对称性问 题,介绍异步劈相机的结构特点、额定参数等。介绍SS4型和SS8型电力机车 中辅助电动机的工作特点、结构特点、额定参数等基本知识。 第一节异步劈相机的工作原理 异步劈相机是一种结构特殊、用途特殊的三相异步电机。它是一种能实现单 相变换的异步电机,用于一切由单相电源供电,而又以三相异步电动机为负 载的场合。在单相工频交流电力机车的辅助系统中,异步劈相机(简称“劈相机”) 用来将主变压器辅助绕组供给的单相电源“劈成”三相,向辅助系统所有三相异 步电动机供电。图10-1所示为异步劈相机工作原理线路图 图10—1劈相机工作原理线路图
第十章 交流辅助电动机 为了保证电力机车正常运行，在单相工频交流电力机车中装有许多辅助机 械，这些辅助机械多采用结构简单、价格低廉的三相异步电动机驱动。 用于驱动辅助机械的三相异步电动机（简称辅助电动机）结构上与普通鼠笼 式异步电动机相同。但由劈相机供电时，电压波动范围大、三相电压和电流不对 称等，使这些辅助电动机工作在三相不对称，且非额定、非正弦电压下。为保证 辅助电动机能正常工作，在选用和设计辅助电动机时，必须考虑电动机额定功率 与实际使用功率之间的差异，以满足电动机在电压变化及不对称条件下运行的需 要。 在单相工频交流电力机车上，为各辅助机组提供三相交流电源的劈相机是一 种将单相电变换成三相电的特殊电机，其实质是由单相电动机和三相发电机组合 而成的旋转电机。劈相机可以是同步型，也可以是异步型，目前应用较广的是异 步劈相机。 本章分析异步劈相机的工作原理，讨论异步劈相机起动、三相电压对称性问 题，介绍异步劈相机的结构特点、额定参数等。介绍 SS4 型和 SS8 型电力机车 中辅助电动机的工作特点、结构特点、额定参数等基本知识。 第一节 异步劈相机的工作原理 异步劈相机是一种结构特殊、用途特殊的三相异步电机。它是一种能实现单 一三相变换的异步电机，用于一切由单相电源供电，而又以三相异步电动机为负 载的场合。在单相工频交流电力机车的辅助系统中，异步劈相机（简称“劈相机”） 用来将主变压器辅助绕组供给的单相电源“劈成”三相，向辅助系统所有三相异 步电动机供电。图 10—1 所示为异步劈相机工作原理线路图。 图 10—1 劈相机工作原理线路图
一、劈相机的空载工况 当定子绕组UOV接至单相电源时,单相电流Ⅰ。由U相流人,从V相流出, 该电流产生的磁场可以分解为两个幅值相等、转速相同、转向相反的旋转磁场, 分别称为正序旋转磁场和负序旋转磁场。当劈相机转子静止不动时这两个旋转磁 场在转子导体中感应出两个大小相等、方向相反的电势和电流,而产生两个大小 相等、方向相反的电磁转矩,其合成起动转矩为零,故劈相机不能自行起动,这 是劈相机的一个特点,也是一个缺点。因此,如何经济、可靠地实现劈相机的起 动,是劈相机运行中必须首先解决的问题。 如果用某种方法使劈相机的转子转动起来,并达到额定转速。那么和转子转 向一致的定子正序磁场与转子的相对速度很小,而和转子转向相反的定子负序磁 场与转子的相对速度约为两倍同步转速,定子负序磁场切割转子导体,在转子导 体中感应出数值较大,且频率为接近两倍电网频率的转子负序电势和电流。由于 转子漏抗的显著增大,使转子负序电流在相位上滞后于转子负序电势9°电角度 从而使转子负序电流建立的磁场几乎抵消了定子负序磁场,气隙中的剩余负序磁 场很微弱,这种现象称为转子的阻尼作用。异步电机的这种阻尼作用正是异步电 机具有劈相机功能的基础。因此,当劈相机转子以额定转速转动时,可以认为气 隙中只有正序磁场和正序磁通。 当劈相机转动起来以后,若劈相机不与外界电负载相接,称为劈相机空载工 况。这时劈相机气隙中的正序磁场和磁通有两个作用:一是,正序磁通和转子导 体内感应的正序电流相互作用产生电磁转矩,用以克服转子的机械阻转矩及转子 负序电流产生的电磁阻转矩,驱使转子沿着正序磁场的方向继续维持转动,这时 劈相机实际上是作为一台单相异步电动机运行;二是,正序磁场切割定子三相绕 组,感应出三相电势,从劈相机三相负载端来看,它又是三相发电机。因此,从 这两方面作用来看,劈相机是一台单相异步电动机和三相异步发电机的组合体, 既可以在它的轴上接上机械负载,又可以在它的U、V、W三相输出端接上电负 载 二、劈相机的负载工况 当劈相机与三相电负载接通后,因U、V两相负载直接与单相电源相连,不
一、劈相机的空载工况 当定子绕组 UOV 接至单相电源时，单相电流 p I . 由 U 相流人，从 V 相流出， 该电流产生的磁场可以分解为两个幅值相等、转速相同、转向相反的旋转磁场， 分别称为正序旋转磁场和负序旋转磁场。当劈相机转子静止不动时这两个旋转磁 场在转子导体中感应出两个大小相等、方向相反的电势和电流，而产生两个大小 相等、方向相反的电磁转矩，其合成起动转矩为零，故劈相机不能自行起动，这 是劈相机的一个特点，也是一个缺点。因此，如何经济、可靠地实现劈相机的起 动，是劈相机运行中必须首先解决的问题。 如果用某种方法使劈相机的转子转动起来，并达到额定转速。那么和转子转 向一致的定子正序磁场与转子的相对速度很小，而和转子转向相反的定子负序磁 场与转子的相对速度约为两倍同步转速，定子负序磁场切割转子导体，在转子导 体中感应出数值较大，且频率为接近两倍电网频率的转子负序电势和电流。由于 转子漏抗的显著增大，使转子负序电流在相位上滞后于转子负序电势 90°电角度， 从而使转子负序电流建立的磁场几乎抵消了定子负序磁场，气隙中的剩余负序磁 场很微弱，这种现象称为转子的阻尼作用。异步电机的这种阻尼作用正是异步电 机具有劈相机功能的基础。因此，当劈相机转子以额定转速转动时，可以认为气 隙中只有正序磁场和正序磁通。 当劈相机转动起来以后，若劈相机不与外界电负载相接，称为劈相机空载工 况。这时劈相机气隙中的正序磁场和磁通有两个作用：一是，正序磁通和转子导 体内感应的正序电流相互作用产生电磁转矩，用以克服转子的机械阻转矩及转子 负序电流产生的电磁阻转矩，驱使转子沿着正序磁场的方向继续维持转动，这时 劈相机实际上是作为一台单相异步电动机运行；二是，正序磁场切割定子三相绕 组，感应出三相电势，从劈相机三相负载端来看，它又是三相发电机。因此，从 这两方面作用来看，劈相机是一台单相异步电动机和三相异步发电机的组合体， 既可以在它的轴上接上机械负载，又可以在它的 U、V、W 三相输出端接上电负 载。 二、劈相机的负载工况 当劈相机与三相电负载接通后，因 U、V 两相负载直接与单相电源相连，不
需要经过劈相机即可直接从单相电源获得负载电流·和·。W相负载电流 则由劈相机的W相提供。因为当电网W相缺相时,劈相机的W相电势髙 于W相端电压,从而使W相电流反相,源源不断地向三相负载输出第三相电流 件,这时电机才真正进人劈相机工况运行。由于专用劈相机的轴上均不带机械负 载,故劈相机负载前后的轴输出机械功率是不变的,所以它的气隙正序磁场也应 保持不变。但W相输出电流;产生的单相磁势将使气隙磁场发生变化,这就需 要从U相和Ⅴ相输人相应的附加电流面Δ;和Δ;,以保持气隙正序磁场不 变,而定子的负序磁场将随着W相电流·的增加而增加,这些新增加的负序磁 场同样由转子产生新的负序电流去抵消,仍然保持气隙负序磁场几乎为零的特 点。用数学关系式来表示上述两个物理现象,可把劈相机负载时的定子三相电流 分解成两组:一组是劈相机空载时,仅在U、V相绕组中流过的单相电流,此电 流与转子作用产生电磁转矩,以维持转子的继续转动,故称此电流为电动机电流, 习惯上将U、Ⅴ相绕组称为劈相机的电动相绕组:另一组是劈相机负载后,在三 相绕组中重新加人的三相电流和△ 1n’该电流与转子作用产生电磁阻转矩,相 应地将这一组电流称为发电机电流,习惯上将W相统组称为劈相机的发电相绕 组。由此可知,当劈相机负载时,在劈相机的发电相绕组中仅有发电相电流;流 过,而在U、V电动相绕组中同时存在着电动机电流;和发电机电流△ △n,所以劈相机负载后的定子三相电流的关系可写成: 因此,劈相机无论是空载工况还是负载工况,其定子三相电流都是不对称的, 这种三相电流的不对称是劈相机负载后三相电压不对称的重要原因之一,这将直
需要经过劈相机即可直接从单相电源获得负载电流 I CM • 和 I UM • 。W 相负载电流 I WM • 则由劈相机的 W 相提供。因为当电网 W 相缺相时，劈相机的 W 相电势高 于 W 相端电压，从而使 W 相电流反相，源源不断地向三相负载输出第三相电流 件，这时电机才真正进人劈相机工况运行。由于专用劈相机的轴上均不带机械负 载，故劈相机负载前后的轴输出机械功率是不变的，所以它的气隙正序磁场也应 保持不变。但 W 相输出电流 I W • 产生的单相磁势将使气隙磁场发生变化，这就需 要从 U 相和 V 相输人相应的附加电流面 Δ I U • 和 Δ I V • ，以保持气隙正序磁场不 变，而定子的负序磁场将随着 W 相电流 I W • 的增加而增加，这些新增加的负序磁 场同样由转子产生新的负序电流去抵消，仍然保持气隙负序磁场几乎为零的特 点。用数学关系式来表示上述两个物理现象，可把劈相机负载时的定子三相电流 分解成两组：一组是劈相机空载时，仅在 U、V 相绕组中流过的单相电流，此电 流与转子作用产生电磁转矩，以维持转子的继续转动，故称此电流为电动机电流， 习惯上将 U、V 相绕组称为劈相机的电动相绕组；另一组是劈相机负载后，在三 相绕组中重新加人的三相电流和 Δ I W • ，该电流与转子作用产生电磁阻转矩，相 应地将这一组电流称为发电机电流，习惯上将 W 相统组称为劈相机的发电相绕 组。由此可知，当劈相机负载时，在劈相机的发电相绕组中仅有发电相电流 I W • 流 过，而在 U、V 电动相绕组中同时存在着电动机电流 I P • 和发电机电流 Δ I U • 、 Δ I V • ，所以劈相机负载后的定子三相电流的关系可写成： • = • • + • = − • • + • = • I I I I I I I I W W V P V U P U 因此，劈相机无论是空载工况还是负载工况，其定子三相电流都是不对称的， 这种三相电流的不对称是劈相机负载后三相电压不对称的重要原因之一，这将直
接影响辅助电动机的正常运行。如何在劈相机负载后或负载变化时保持其输出三 相电压的对称性,也是劈相机运用中必须解决的核心问题之 上述分析表明:劈相机实质上是一种本身只输出一相电流的异步电机。劈相 机工况实际上是三相异步电机在不对称条件下运行的一个特例 异步电机进入劈相机工况一般应具备以下两个条件: (1)电机轴上的机械负载不变 (2)三相电网中W相缺相,使W相电流反相输出 只要具备上述条件,一般的三相异步电动机同样具有劈相机功能。对于多台 异步电动机并联运行的场合,如果电网突然缺相造成三相异步电动机单相运行, 那么先运行的电动机便会自动投人劈相机工况来起动后面的电动机,当后面的电 动机起动完成后,该电机的劈相工况自动结束。根据这个原理SS4改型电力机车 的每节内仅设置一台劈相机,另将一台牵引通风机电动机作为先导机,即它不仅 是一台通风机。也是一台“劈相机”。在劈相机烧损或控制失灵的故障情况下, 作为应急手段,实践证明这种设计是有益的 第二节异步劈相机的起动及三相电压对称性调整 、异步劈相机的起动 在单相电网中,劈相机不能自行起动,需采用特殊的起动方法。异步劈相机 的起动方法有辅助电动机起动法和分相起动法两种。辅助电动机起动法是在劈相 机的转轴上安装一台辅助电动机,起动时先由辅助电动机带动劈相机转子转动, 待劈相机转速达到一定值时,将劈相机投入单相电网,并切除辅助电动机的电源。 显然,这种起动方法需要增加设备,而且使劈相机的结构复杂、维修困难,故」 般都不采用这种方法。分相起动法分为电阻分相起动和电容分相起动两种。电阻 分相起动具有线路简单、设备成本低等优点,因而得到广泛的应用,国产SS系 列电力机车上的劈相机都采用电阻分相起动的方法 劈相机的电阻分相起动原理线路如图10-2a所示,图中RQ为起动电阻 当劈相机的电动相绕组UV接通单相电源起动时,可以把定子绕组看作是由两相 组成:一相是VOU,它直接由单相电源供电;另一相是VOW,它与起动电阻 RQ串联后由单相电源供电。这时流经VOU相电流;滞后电压曹90°电角
接影响辅助电动机的正常运行。如何在劈相机负载后或负载变化时保持其输出三 相电压的对称性，也是劈相机运用中必须解决的核心问题之一。 上述分析表明：劈相机实质上是一种本身只输出一相电流的异步电机。劈相 机工况实际上是三相异步电机在不对称条件下运行的一个特例。 异步电机进入劈相机工况一般应具备以下两个条件： （1）电机轴上的机械负载不变； （2）三相电网中 W 相缺相，使 W 相电流反相输出。 只要具备上述条件，一般的三相异步电动机同样具有劈相机功能。对于多台 异步电动机并联运行的场合，如果电网突然缺相造成三相异步电动机单相运行， 那么先运行的电动机便会自动投人劈相机工况来起动后面的电动机，当后面的电 动机起动完成后，该电机的劈相工况自动结束。根据这个原理 SS4 改型电力机车 的每节内仅设置一台劈相机，另将一台牵引通风机电动机作为先导机，即它不仅 是一台通风机。也是一台“劈相机”。在劈相机烧损或控制失灵的故障情况下， 作为应急手段，实践证明这种设计是有益的。 第二节 异步劈相机的起动及三相电压对称性调整 一、异步劈相机的起动 在单相电网中，劈相机不能自行起动，需采用特殊的起动方法。异步劈相机 的起动方法有辅助电动机起动法和分相起动法两种。辅助电动机起动法是在劈相 机的转轴上安装一台辅助电动机，起动时先由辅助电动机带动劈相机转子转动， 待劈相机转速达到一定值时，将劈相机投入单相电网，并切除辅助电动机的电源。 显然，这种起动方法需要增加设备，而且使劈相机的结构复杂、维修困难，故一 般都不采用这种方法。分相起动法分为电阻分相起动和电容分相起动两种。电阻 分相起动具有线路简单、设备成本低等优点，因而得到广泛的应用，国产 SS 系 列电力机车上的劈相机都采用电阻分相起动的方法。 劈相机的电阻分相起动原理线路如图 10－2(a)所示，图中 RQ 为起动电阻。 当劈相机的电动相绕组 UV 接通单相电源起动时，可以把定子绕组看作是由两相 组成：一相是 VOU，它直接由单相电源供电；另一相是 VOW，它与起动电阻 RQ 串联后由单相电源供电。这时流经 VOU 相电流 I Q • 1 滞后电压曹 UVU • 90°电角
而流经voW相电流;滞后9角(9<90°=,如图10-2(b所示。这两个 时间上有不同相位的起动电流通人在空间彼此相差一定电角度的两相绕组中,所 产生的气隙合成磁场是一个旋转磁场,在该磁场的作用下能产生较大的起动转 矩,使劈相机的转子转动起来。当转速达到同步转速的80%-90%时,借助接触 器切除起动电阻,起动即告完成,劈相机投人空载运行 Red: w l 士 lo 2劈相机电阻分相起动原理图 (a)原理线路图:(b)向量图 多年来,在国产SS系列电力机车上经常发生的劈相机烧损故障大部分 发生在起动过程中,其主要原因是由于分相起动元件未能合理选择或正常接人。 为了保证劈相机的可靠起动,应该解决以下两个问题。 (1)起动电阻值应选择合适,以获得最大的起动转矩 由于起动电阻值的大小对发电相起动电流;的幅值和相位影响极大,起动 电阻过大或过小都会使两相磁势的合成磁场成为一个幅值变动、非恒速的椭圆形 磁场,从而使起动转矩变 小。因此,对不同型号的劈相机而言都有一个相应的起动电阻最佳值。 (2)控制好切除起动电阻的时刻 当劈相机的起动转矩达到最大值时,应及时切除起动电阻,起动电阻切除过 早或过晚对起动电阻和劈相机都是很不利的。图10-3所示为YPX-280M 型劈相机的转矩特性,曲线1为起动电阻为0.79Ω时的转矩特性,曲线2为无 起动电阻单相通电时的转矩特性。由图可见,该劈相机切除起动电阻的最佳时刻 应为转速达到最大转矩所对应的转速为1400r/min,此时,切除起动电阻,劈 相机转矩虽由735N·m突然降至441N·m,但电磁转矩仍为正的加速转矩
而流经 VOW 相电流 I Q • 2 滞后 UVU • 角（ ＜90°＝，如图 10—2(b)所示。这两个 时间上有不同相位的起动电流通人在空间彼此相差一定电角度的两相绕组中，所 产生的气隙合成磁场是一个旋转磁场，在该磁场的作用下能产生较大的起动转 矩，使劈相机的转子转动起来。当转速达到同步转速的 80%-90%时，借助接触 器切除起动电阻，起动即告完成，劈相机投人空载运行。 图 10－2 劈相机电阻分相起动原理图 (a) 原理线路图；(b)向量图。 多年来，在国产 SS 系列电力机车上经常发生的劈相机烧损故障大部分 发生在起动过程中，其主要原因是由于分相起动元件未能合理选择或正常接人。 为了保证劈相机的可靠起动，应该解决以下两个问题。 （1）起动电阻值应选择合适，以获得最大的起动转矩 由于起动电阻值的大小对发电相起动电流 I Q • 2 的幅值和相位影响极大，起动 电阻过大或过小都会使两相磁势的合成磁场成为一个幅值变动、非恒速的椭圆形 磁场，从而使起动转矩变 小。因此，对不同型号的劈相机而言都有一个相应的起动电阻最佳值。 （2）控制好切除起动电阻的时刻 当劈相机的起动转矩达到最大值时，应及时切除起动电阻，起动电阻切除过 早或过晚对起动电阻和劈相机都是很不利的。图 10—3 所示为 YPX－280M－4 型劈相机的转矩特性，曲线 1 为起动电阻为 0.79Ω 时的转矩特性，曲线 2 为无 起动电阻单相通电时的转矩特性。由图可见，该劈相机切除起动电阻的最佳时刻 应为转速达到最大转矩所对应的转速为 1400 r／min，此时，切除起动电阻，劈 相机转矩虽由 735 N·m 突然降至 441N·m，但电磁转矩仍为正的加速转矩