韶山型电力机车劈相机原理
翟会超
【摘 要】韶山型电力机车是我国铁路干线上的主力军，而劈相机是韶山型电力机车必要的部件。其实它就是一种将单相工频交流电转换成三相交流电，给电力机车各个用电设备供电的特殊异步电机，是单相电动机和三相发电机的特殊组合，从而平衡电力系统的三相负荷。论文主要对韶山型电力机车劈相机的工作原理和控制方法进行了研讨，对输出三相电压的不对称性进行了分析和调整。
【Abstract】ShaoShan type electric locomotive is the main force of China railway line， and the split-phase machine is the necessary component of Shao Shan type electric locomotive. In fact， it is a special asynchronous motor that converts single-phase frequency alternating current into three - phase alternating current， and provides electric for individual electrical equipment of the electric locomotive. Electrical equipment is a special combination of single-phase and three-phase motor generator， so as to balance the three phase load of power system. This paper mainly discusses the working principle and control method of Shao Shan type electric locomotive split-phase machine， and the asymmetry of output three-phase voltage is analyzed and adjusted.
【关键词】电力机车劈相机；单相；三相；工作原理；控制方法
【Keywords】electric locomotive split-phase machine； single phase； three-phase ； working principle ； control method
【中图分类号】U264 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）08-0161-02
1 劈相机工作原理
劈相机是一种结构特殊的三相异步电机，它的用途非常专一，能完成单相和三相电的变换。电力机车的供电电源是单相电源，但负载又是三相的异步电机，劈相机的特殊作用就在于此。劈相机就是用来将主变压器从接触网接收的单相电源转换成三相的工频交流电，向三相负载（异步电动机）供电。图1-1即是劈相机工作原理线路图[1]。
如图1-1所示连接异步电机的各绕组，电机作为单相异步电机运行，单相电源接绕组V、U两端，通电后，绕组VOU将产生一个与异步电机转子转动方向相同的正序旋转磁场和一个与异步电机转子转动方向相反的负序旋转磁场，这两个磁场虽然方向相反，但大小、周期完全相同。当转子运行起来后，转子导体感应出来的电流产生的磁场将会抵消负序旋转磁场，最后在劈相机的气隙里就剩下一个正序旋转磁场。这样，闭合的三相绕组VO、OU、OW处在正序磁場中，被正序磁场磁力切割，产生了电流，这样单相交流电源就被“劈”成了三相。
2 劈相机的起动控制
劈相机常用的起动方法有：分相起动和起动电动机法。
2.1 分相起动
劈相机是一种特殊的异步电机，它可以看成是一个单相异步电动机与三相发电机的组合体。在单相电源的条件下，由于无起动力矩，因此是不能直接做单相起动的，必须接入起动电阻（或电容）进行分相起动，接入方法如图2-1（a）所示。当电机起动完毕后，再甩开起动电阻（或电容）。
如上图2-1（a）所示，图中的RQ作为起动电阻。当劈相机的UV绕组（电动相绕组）接通单相电源起动后，定子绕组可以看作是由VOU相和VOW相组成：VOU相直接由单相电源供电，而VOW相与起动电阻RQ串联后由单相电源供电。这样，电压UVU超前电流IQ1（流经VOU相的电流）90°（电感效应），而UVU超前电流IQ2（流经VOW相的电流）φ角（φ<90°），如图2—1（b）所示。这两个时间上有不同相位的起动电流通入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，使用接触器切除起动电阻，起动即告完成，劈相机投入空载运行[2]。
从以下两个方面保证劈相机可靠起动：
①选择合理的起动电阻，以获得最大的起动转矩。
因为起动电阻值的大小直接影响到发电相起动电流2QI的幅值和相位，起动电阻过大或过小都会使合成后的磁场变成幅值变动、非恒速的椭圆形磁场，起动转矩也随之变小。所以，不同型号的劈相机都应该有一个相对应的最佳起动电阻值。
②控制好切除起动电阻的时间。
在起动转矩达到最大值时，应该及时地把起动电阻甩掉。起动电阻切除时机不当，将严重影响劈相机的可靠性。
2.2 起动电动机法
起动电动机法是指加装一台辅助电动机在劈相机的转轴上，起动时劈相机转子在辅助电动机的带动下转动，当转速达到一定值后，切除辅助电动机的电源，用单相电网为劈相机供电。这种起动方法很明显需要另外增加新的设备，而且使劈相机的结构更加复杂，加大维修难度，因此一般都不采用这种起动方法。
综上所述，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[3]。
3 三相电压不对称性调整
3.1 劈相机负载后三相电压不对称的原因
分析图1-1，绕组VO、OU相当于异步电机的定子绕组，绕组OW相当于起发电作用。在劈相机负载时，绕组VO、OU中有两种电流（电动机电流和发电机电流）流过，而在绕组OW中只有一种电流（发电机电流）流过，这样就导致劈相机的三相电流不对称，电流流过绕组将产生阻抗压降，流过的电流不对称，则三相绕组产生的阻抗压降也不对称。当是电动机电流时（设电动机电流方向为正），阻抗压降方向为正，绕组的端电压将大于感应电势；当是发电机电流时，阻抗压降方向为负，绕组的端电压将小于感应电势。如果流过绕组VO、OU、OW的电流对称，则会产生对称的感性电势。负载后，由于三相绕组电流不对称，阻抗压降就不对称，所以劈相机的三相端电压就不对称。
而且，在负序磁场抵消的过程中可能还有剩余，三相绕组将产生负序感应电势，这也是造成三相电压不对称的一大原因。
3.2 改善劈相机三相电压不对称性的措施
①把一个电容器并联在负载的两端；
②把劈相机的定子绕组做成三相不对称的绕组。
4 结论
劈相机的实质是把单相电源转变成三相电源。只有合理解决劈相机的起动问题和在负载后保持三相输出电压的对称性问题，劈相机才能可靠起动并运行，才能更好地为韶山型电力机车服务。
【参考文献】
【1】王立民.SS4G型电力机车劈相机启动控制电路故障分析与处理[D].黑龙江：黑龙江交通职业技术学院，2012.
【2】王宗信.SS4改型电力机车劈相机控制电路结构分析[J].电子世界，2012（08）：51-52.
【3】许聪明.电力机车控制[M].北京：中国铁道出版社，2004.
【摘 要】韶山型电力机车是我国铁路干线上的主力军，而劈相机是韶山型电力机车必要的部件。其实它就是一种将单相工频交流电转换成三相交流电，给电力机车各个用电设备供电的特殊异步电机，是单相电动机和三相发电机的特殊组合，从而平衡电力系统的三相负荷。论文主要对韶山型电力机车劈相机的工作原理和控制方法进行了研讨，对输出三相电压的不对称性进行了分析和调整。
【Abstract】ShaoShan type electric locomotive is the main force of China railway line， and the split-phase machine is the necessary component of Shao Shan type electric locomotive. In fact， it is a special asynchronous motor that converts single-phase frequency alternating current into three - phase alternating current， and provides electric for individual electrical equipment of the electric locomotive. Electrical equipment is a special combination of single-phase and three-phase motor generator， so as to balance the three phase load of power system. This paper mainly discusses the working principle and control method of Shao Shan type electric locomotive split-phase machine， and the asymmetry of output three-phase voltage is analyzed and adjusted.
【关键词】电力机车劈相机；单相；三相；工作原理；控制方法
【Keywords】electric locomotive split-phase machine； single phase； three-phase ； working principle ； control method
【中图分类号】U264 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）08-0161-02
1 劈相机工作原理
劈相机是一种结构特殊的三相异步电机，它的用途非常专一，能完成单相和三相电的变换。电力机车的供电电源是单相电源，但负载又是三相的异步电机，劈相机的特殊作用就在于此。劈相机就是用来将主变压器从接触网接收的单相电源转换成三相的工频交流电，向三相负载（异步电动机）供电。图1-1即是劈相机工作原理线路图[1]。
如图1-1所示连接异步电机的各绕组，电机作为单相异步电机运行，单相电源接绕组V、U两端，通电后，绕组VOU将产生一个与异步电机转子转动方向相同的正序旋转磁场和一个与异步电机转子转动方向相反的负序旋转磁场，这两个磁场虽然方向相反，但大小、周期完全相同。当转子运行起来后，转子导体感应出来的电流产生的磁场将会抵消负序旋转磁场，最后在劈相机的气隙里就剩下一个正序旋转磁场。这样，闭合的三相绕组VO、OU、OW处在正序磁場中，被正序磁场磁力切割，产生了电流，这样单相交流电源就被“劈”成了三相。
2 劈相机的起动控制
劈相机常用的起动方法有：分相起动和起动电动机法。
2.1 分相起动
劈相机是一种特殊的异步电机，它可以看成是一个单相异步电动机与三相发电机的组合体。在单相电源的条件下，由于无起动力矩，因此是不能直接做单相起动的，必须接入起动电阻（或电容）进行分相起动，接入方法如图2-1（a）所示。当电机起动完毕后，再甩开起动电阻（或电容）。
如上图2-1（a）所示，图中的RQ作为起动电阻。当劈相机的UV绕组（电动相绕组）接通单相电源起动后，定子绕组可以看作是由VOU相和VOW相组成：VOU相直接由单相电源供电，而VOW相与起动电阻RQ串联后由单相电源供电。这样，电压UVU超前电流IQ1（流经VOU相的电流）90°（电感效应），而UVU超前电流IQ2（流经VOW相的电流）φ角（φ<90°），如图2—1（b）所示。这两个时间上有不同相位的起动电流通入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，使用接触器切除起动电阻，起动即告完成，劈相机投入空载运行[2]。
从以下两个方面保证劈相机可靠起动：
①选择合理的起动电阻，以获得最大的起动转矩。
因为起动电阻值的大小直接影响到发电相起动电流2QI的幅值和相位，起动电阻过大或过小都会使合成后的磁场变成幅值变动、非恒速的椭圆形磁场，起动转矩也随之变小。所以，不同型号的劈相机都应该有一个相对应的最佳起动电阻值。
②控制好切除起动电阻的时间。
在起动转矩达到最大值时，应该及时地把起动电阻甩掉。起动电阻切除时机不当，将严重影响劈相机的可靠性。
2.2 起动电动机法
起动电动机法是指加装一台辅助电动机在劈相机的转轴上，起动时劈相机转子在辅助电动机的带动下转动，当转速达到一定值后，切除辅助电动机的电源，用单相电网为劈相机供电。这种起动方法很明显需要另外增加新的设备，而且使劈相机的结构更加复杂，加大维修难度，因此一般都不采用这种起动方法。
综上所述，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[3]。
3 三相电压不对称性调整
3.1 劈相机负载后三相电压不对称的原因
分析图1-1，绕组VO、OU相当于异步电机的定子绕组，绕组OW相当于起发电作用。在劈相机负载时，绕组VO、OU中有两种电流（电动机电流和发电机电流）流过，而在绕组OW中只有一种电流（发电机电流）流过，这样就导致劈相机的三相电流不对称，电流流过绕组将产生阻抗压降，流过的电流不对称，则三相绕组产生的阻抗压降也不对称。当是电动机电流时（设电动机电流方向为正），阻抗压降方向为正，绕组的端电压将大于感应电势；当是发电机电流时，阻抗压降方向为负，绕组的端电压将小于感应电势。如果流过绕组VO、OU、OW的电流对称，则会产生对称的感性电势。负载后，由于三相绕组电流不对称，阻抗压降就不对称，所以劈相机的三相端电压就不对称。
而且，在负序磁场抵消的过程中可能还有剩余，三相绕组将产生负序感应电势，这也是造成三相电压不对称的一大原因。
3.2 改善劈相机三相电压不对称性的措施
①把一个电容器并联在负载的两端；
②把劈相机的定子绕组做成三相不对称的绕组。
4 结论
劈相机的实质是把单相电源转变成三相电源。只有合理解决劈相机的起动问题和在负载后保持三相输出电压的对称性问题，劈相机才能可靠起动并运行，才能更好地为韶山型电力机车服务。
【参考文献】
【1】王立民.SS4G型电力机车劈相机启动控制电路故障分析与处理[D].黑龙江：黑龙江交通职业技术学院，2012.
【2】王宗信.SS4改型电力机车劈相机控制电路结构分析[J].电子世界，2012（08）：51-52.
【3】许聪明.电力机车控制[M].北京：中国铁道出版社，2004.
