華東交通大學(xué) 車輛電器裝置 客車分散式供電

1、復(fù)習(xí)：1.客車用蓄電池的作用2.酸性、堿性電池的優(yōu)缺點(diǎn)3.我國客車供電方式 第四章 交-直流供電裝置 第一節(jié) 交-直流供電裝置基本組成車軸發(fā)電機(jī)供電采用車軸驅(qū)動的發(fā)電機(jī)與蓄電池組并聯(lián)供電，如圖一、特點(diǎn)在客車車軸式交流發(fā)電機(jī)供電裝置中，采用了感應(yīng)子發(fā)電機(jī)。這種電機(jī)的轉(zhuǎn)子上無繞組，只是一個實(shí)芯的（爪極式電機(jī)）或由硅鋼片疊成的齒輪狀圓柱體。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時齒和槽依次掠過定子齒面，由于齒和槽的交替變化引起氣隙磁導(dǎo)的變化，而在定子工作繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，故人們把轉(zhuǎn)子稱為感應(yīng)子，發(fā)電機(jī)也就由此而得名?？蛙囉酶袘?yīng)子發(fā)電機(jī)按功率分有三種，即3kW（J3型）、5kW（J5型）、7kW（J7型）二、二、J5感應(yīng)子發(fā)電

2、機(jī)的構(gòu)造感應(yīng)子發(fā)電機(jī)的構(gòu)造J5型感應(yīng)子發(fā)電機(jī)的外形見圖4-1，其結(jié)構(gòu)見圖3-3-2。它由機(jī)座、定子鐵芯、轉(zhuǎn)子鐵芯、激磁繞組和電樞繞組、端蓋、軸承及軸承蓋等部 定子鐵芯是壓裝在機(jī)座內(nèi)腔的部分，如圖所示。定子鐵芯用以嵌放電樞繞組和激磁繞組，同時也是電機(jī)磁路的組成部分 。定子鐵芯用400片0.5mm厚的D30型硅鋼片沖片疊壓而成，每一沖片單面涂有絕緣漆，可減少渦流損耗。 定子沖片的形狀見圖，它的內(nèi)圓周上有兩個安放激磁繞組的大槽，22個安放電樞繞組的小槽，槽距的機(jī)械角為10。轉(zhuǎn)子如圖所示，由轉(zhuǎn)軸和套裝在軸上鐵芯組成。為減少渦流損耗，轉(zhuǎn)子鐵芯也采用0.5mm厚的D30型硅鋼片沖片疊壓而成，每一沖片單面涂

3、絕緣漆。轉(zhuǎn)子采用斜齒主要是為改善電機(jī)輸出電勢的波形，使之接近正弦波，同時也減少了電機(jī)的附加損耗和噪聲。J5型感應(yīng)子發(fā)電機(jī)的定子鐵芯上嵌有兩種繞組，一種是通入直流電產(chǎn)生發(fā)電機(jī)工作主磁通的激磁繞組；一種是用以產(chǎn)生感應(yīng)電勢向機(jī)外輸出電能的電樞繞組。激磁繞組由兩個線圈串聯(lián)組成，每個線圈用直徑1.25mm的高強(qiáng)度漆包線兩根并繞150匝。電樞繞組又稱工作繞組，共用12個線圈組成，每四個線圈成一組，輸出一相交流電，12個線圈輸出三相交流電。激磁繞組的兩個線圈放在定子鐵芯的兩個大槽內(nèi)，嵌好后用鋁板制的槽楔楔緊。電樞繞組的12個線圈嵌放在11個定子鐵芯的小槽內(nèi)（并占用兩個大槽），用石蠟煮過的竹質(zhì)槽楔楔緊。第二節(jié)

4、 J5型感應(yīng)子發(fā)電機(jī)工作原理一、 J5型感應(yīng)子發(fā)電機(jī)工作原理發(fā)電機(jī)工作時，轉(zhuǎn)子不斷旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子各凸齒及凹槽所在的位置不斷變化，嵌放在定子上的各電樞線圈有時和轉(zhuǎn)子凸齒相對應(yīng)，有時則和凹槽相對應(yīng)。因此，對某一電樞繞圈來說，主磁通是不斷變化的，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個齒距時，磁通的大小經(jīng)歷了一個周期的變化。發(fā)電機(jī)在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，由于通過電樞繞組的磁通量變生變化，或者說磁力線隨著凸極的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動被電樞導(dǎo)體切割而產(chǎn)生感應(yīng)電勢。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，通過定子內(nèi)圓周上任一點(diǎn)的磁通密度B的方向不變而數(shù)量變化，這一點(diǎn)正是一般的（單極、多極梳齒式）感應(yīng)子發(fā)電機(jī)區(qū)別于其它發(fā)電機(jī)的一個特點(diǎn)。二、二、J5型感應(yīng)子發(fā)電機(jī)的工作特性型感應(yīng)子發(fā)電機(jī)的

5、工作特性 （一）發(fā)電機(jī)工作時影響端電壓變化的因素（一）發(fā)電機(jī)工作時影響端電壓變化的因素對發(fā)電機(jī)的要求是：在額定負(fù)載范圍內(nèi)發(fā)電機(jī)的端電壓（指有效值，下同）應(yīng)盡量保持恒定。對于一臺運(yùn)行中的發(fā)電機(jī)，下列因素變化時均將引起發(fā)電機(jī)電壓的變化。1發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速n當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化時，單位時間內(nèi)通過電樞繞組的磁通量也要變化，因而引起發(fā)電機(jī)電壓變化。2發(fā)電機(jī)的負(fù)載電流發(fā)電機(jī)的負(fù)載電流I當(dāng)發(fā)電機(jī)的電樞繞組上有負(fù)載電流通過時，由于電樞反應(yīng)，將使工作主磁通被削弱；另外，電樞繞組通過電流時由于內(nèi)阻的存在，還會引起內(nèi)部電壓降，因此負(fù)載電流變化時會使發(fā)電機(jī)的端壓變化。3發(fā)電機(jī)的激磁電流發(fā)電機(jī)的激磁電流I激激如果在發(fā)電

6、機(jī)運(yùn)行時，調(diào)節(jié)激磁電流，則發(fā)電機(jī)的工作主磁通量就發(fā)生變化，因而使發(fā)電機(jī)端壓變化。發(fā)電機(jī)的端壓U與轉(zhuǎn)速n、負(fù)載電流I、激磁電流I激間的相互變化關(guān)系被稱為發(fā)電機(jī)的特性。這些變化關(guān)系如用一組曲線來表示，就得到發(fā)電機(jī)的特性曲線。 （二）感應(yīng)子發(fā)電機(jī)的特性感應(yīng)子發(fā)電機(jī)的特性實(shí)驗(yàn)分三種：即空負(fù)載特性、外特性和調(diào)節(jié)特性，實(shí)驗(yàn)線路見圖3-3-10。1空、負(fù)載特性2.外特性3.調(diào)節(jié)特性調(diào)節(jié)特性曲線表明為保持發(fā)電機(jī)電壓不變，在一定的的負(fù)載電流的情況下，激磁電流與轉(zhuǎn)速之間的變化關(guān)系。由此可得出結(jié)論，當(dāng)發(fā)電機(jī)的負(fù)載和由此可得出結(jié)論，當(dāng)發(fā)電機(jī)的負(fù)載和轉(zhuǎn)速在較大范圍內(nèi)變化時，欲將發(fā)電機(jī)電轉(zhuǎn)速在較大范圍內(nèi)變化時，欲將發(fā)電機(jī)

7、電壓穩(wěn)定在額定值，激磁電流也必須能在較壓穩(wěn)定在額定值，激磁電流也必須能在較大范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。大范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。根據(jù)發(fā)電機(jī)的調(diào)節(jié)特性，在客車供電裝置中，感應(yīng)子發(fā)電機(jī)必須配備一套能自感應(yīng)子發(fā)電機(jī)必須配備一套能自動調(diào)節(jié)激磁電流的裝置，動調(diào)節(jié)激磁電流的裝置，在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)載發(fā)生變化而引起發(fā)電機(jī)電壓變化時，這套裝置應(yīng)能在較大范圍內(nèi)自動調(diào)整激磁電流，保持發(fā)電機(jī)電壓穩(wěn)定。保持發(fā)電機(jī)電壓穩(wěn)定。 第三節(jié) KP-2A控制箱從上一節(jié)所學(xué)內(nèi)容可知，客車感應(yīng)子發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓受負(fù)荷變化和車速改變以及激磁電流大小的影響而改變，要想保證車上用電器正常使用，就必須使感應(yīng)子發(fā)電機(jī)輸出電壓基本恒定。由感應(yīng)子發(fā)電機(jī)的調(diào)節(jié)特性可知

8、：要維持給定值（輸由感應(yīng)子發(fā)電機(jī)的調(diào)節(jié)特性可知：要維持給定值（輸出電壓）不變，必須使激磁電流隨負(fù)載增減和轉(zhuǎn)速的改變出電壓）不變，必須使激磁電流隨負(fù)載增減和轉(zhuǎn)速的改變而作相應(yīng)的改變，以達(dá)到自動控制發(fā)電機(jī)端電壓的目的。而作相應(yīng)的改變，以達(dá)到自動控制發(fā)電機(jī)端電壓的目的。KP-2A型、KP-2B型控制箱是和感應(yīng)子發(fā)電機(jī)配套使用較多的一種自動控制裝置。其型號的含義：K客車用；P配電箱，即控制箱；2設(shè)計序號；A（B）第一（二）次改進(jìn)設(shè)計。KP-2A型控制箱的穩(wěn)壓電路就是一個閉環(huán)自動控制系統(tǒng)。它主要由主整流電路、穩(wěn)壓電路及輔助電路組成，其結(jié)構(gòu)原理圖見方框圖4-16，電路原理圖見圖4-17。J5型感應(yīng)子發(fā)電機(jī)

9、發(fā)出的三相交流電，經(jīng)主整流器整流后變成直流電，向車上負(fù)載供電及向蓄電池充電。測量回路、觸發(fā)器、激磁回路構(gòu)成自動穩(wěn)壓系統(tǒng)，在電機(jī)轉(zhuǎn)速變化、負(fù)載變化時，自動調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)激磁電流，使發(fā)電機(jī)端電壓能穩(wěn)定在規(guī)定值范圍內(nèi)。過壓保護(hù)、起激及限流充電回路稱作控制箱的輔助電路，用以保護(hù)供電系統(tǒng)安全可靠地工作。KP-2A型控制箱的主要技術(shù)參數(shù)：1、三相交流輸出線電壓 44V2、輸出直流電壓 591V3、輸出直流電流 85A4、最大充電電流 405A5、過壓保護(hù)整定值 641V6、交流電頻率 85370Hz一、KP-2A型控制箱的主整流電路KP-2A型控制箱的主整流回路如圖4-18所示。它的主整流器由D1D6六只整流

10、二極管組成。三相橋式整流器的作用是將發(fā)電機(jī)發(fā)出的三相三相橋式整流器的作用是將發(fā)電機(jī)發(fā)出的三相交流電變成直流電供給負(fù)載。交流電變成直流電供給負(fù)載。設(shè)感應(yīng)子發(fā)電機(jī)輸出電壓按正弦規(guī)律變化，其波形如下圖所示。主整流電路可簡化為圖4-19的形式。 六只二極管根據(jù)電壓的變化而輪流導(dǎo)通，導(dǎo)通規(guī)律是在各段時間內(nèi)都是正極接電位最高那一相的管子和負(fù)極接電位最低那一相的管子導(dǎo)通，且連續(xù)導(dǎo)通120（1/3周期）二、KP-2A型控制箱的穩(wěn)壓電路激磁、測量及觸發(fā)器回路構(gòu)成了控制箱的穩(wěn)壓電路。其自動穩(wěn)壓的基本過程是：當(dāng)發(fā)電機(jī)端電壓由于轉(zhuǎn)速或負(fù)載發(fā)生變化而引起波動時，測量回路可以測得此變化并向觸發(fā)器發(fā)出信號，改變觸發(fā)器脈沖輸

11、出時的相位，從而改變激磁回路中可控硅的控制角，最終實(shí)現(xiàn)改變激磁電流的大小，使發(fā)電機(jī)的端電壓始終穩(wěn)定在整定值范圍內(nèi)。穩(wěn)壓電路的原理如方框圖4-21所示。1激磁回路激磁回路如圖4-22示，它由可控硅SCR1、整流二極管D6、D4、D2，電容C2、電阻R14、熔斷器RD3、續(xù)流二極管D7等元件組成。激磁回路的作用是向發(fā)電機(jī)激磁繞組提供方向不變，但大小隨時間變化的脈動直流電。二相式整流電路電壓波形如圖4-23所示。只要A相電位高于B相或C相電位，SCR1就導(dǎo)通。可以看出，在交流電變化的一個周期內(nèi)，只有2/3周期內(nèi)負(fù)載上可以得到電壓，另外1/3周期因可控硅SCR1不具備導(dǎo)通條件而截止，負(fù)載上電壓為零。這

12、就造成激磁電壓波形不連續(xù)，即有1/3周期缺口的特點(diǎn)。設(shè)計這樣的電壓波形的目的，是出于兩方面的考慮：一是給負(fù)載提供適當(dāng)?shù)碾妷?，一是給負(fù)載提供適當(dāng)?shù)碾妷海墙o可控硅創(chuàng)造自行關(guān)斷的二是給可控硅創(chuàng)造自行關(guān)斷的機(jī)會。否則，可控硅一經(jīng)導(dǎo)通機(jī)會。否則，可控硅一經(jīng)導(dǎo)通便處于失控狀態(tài)。便處于失控狀態(tài)。2.測量回路測量回路如圖4-26所示。它由測量變壓器B1、二極管z1、z5，電解電容C1、電阻R8、電位器R1、R2組成。其作用是把測得的發(fā)電機(jī)電壓的變化經(jīng)其作用是把測得的發(fā)電機(jī)電壓的變化經(jīng)半波整流后變?yōu)殇忼X波電壓，輸送給觸發(fā)器回路。半波整流后變?yōu)殇忼X波電壓，輸送給觸發(fā)器回路。在RC1電路中，電容放電的時間常數(shù)與

13、回路中的電容值C1和電阻值R有關(guān)。由于C1的數(shù)值是不變的，R1的阻值是可調(diào)的，因此，當(dāng)調(diào)節(jié)電位器R1時，可調(diào)節(jié)電容C1的充放電時間。調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)R1的阻值可消除發(fā)電的阻值可消除發(fā)電機(jī)電壓的振蕩。因此，稱機(jī)電壓的振蕩。因此，稱R1為為振蕩調(diào)節(jié)電位器。振蕩調(diào)節(jié)電位器。調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)R2的阻值可改變鋸齒的阻值可改變鋸齒波電壓的大小，從而改變發(fā)電波電壓的大小，從而改變發(fā)電機(jī)輸出電壓的高低。因此，稱機(jī)輸出電壓的高低。因此，稱R2為為“電壓整定電壓整定”電位器電位器。通過以上分析可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)UAB上升時，將引起下列變化過程。 即：即： U UABUB1UC1U鋸鋸。反之：反之： U UABUB1UC1U鋸鋸。鋸齒波

14、電壓的高低，反映了發(fā)電機(jī)電壓的大小，測量回路因此而得名。3.觸發(fā)器回路觸發(fā)器回路如圖4-30所示，它由電壓比較電路和觸發(fā)電路組成。其作用是根據(jù)測量回路所提供鋸齒波電壓的大小，控制BG1、BG2的開關(guān)時間，從而控制了向SCR1提供觸發(fā)脈沖的早、晚。（1）電壓比較電路電壓比較電路由Z2、CW1、R3等組成。穩(wěn)壓管CW1其穩(wěn)壓值等于78V。在觸發(fā)器電路中，它通過R3兩端輸出電壓。起電壓比較作用。當(dāng)UOUCW1時，穩(wěn)壓管CW1被擊穿，即有電流通過R3、CW1、Z2。此時，比較電路在R3兩端有電壓輸出（即UR3），且UO=Uab1，其波形見圖3-4-11、。當(dāng)U0UCW1時，R3兩端有壓降Ueb1，此電

15、壓是鋸齒波電壓提供的，而鋸此波電壓又是測量回路提供的。因此BG1的基極電流Ib1是由測量回路的測量變壓器B1提供的。Ib1的流向是：Uc1+BG1（eb）CW1Z2R2R8Uc1-。由于BG1飽和導(dǎo)通后，Uces0.1V。該電壓通過R7加在Z3陽極與BG2的eb間，這么小的電壓不會使BG2導(dǎo)通，因此也就不能向SCR1提供觸發(fā)電流。SCR1不導(dǎo)通，不能向激磁繞組提供激磁電流。 由分析可知：由分析可知：BG1飽和導(dǎo)通后，飽和導(dǎo)通后，BG2截止，截止，SCR1不不導(dǎo)通，無激磁電流輸出；導(dǎo)通，無激磁電流輸出；BG1截止，則截止，則BG2飽和導(dǎo)通，飽和導(dǎo)通，SCR1導(dǎo)通。導(dǎo)通。觸發(fā)器電路是受測量回路輸出鋸齒波電壓觸發(fā)器電路是受測量回路輸出鋸齒波電壓U