铁道部命名的8K型电力机车是铁道部选定由法国阿尔斯通公司牵头的 欧洲 五十赫兹集团推荐的8轴交——直流传动大功率电力机车，机车额定功率6400kW，在牵引及 再生发挥50%及以上的额定功率时，要求机车功率因数不小于0.9，在额定工况下，距牵引变 电所10km处要求原边电流中三次谐波含量不超过3.4%，五次谐波含量不超过2.6%，7次谐波 含量不超过2.6%。
为了达到上述二项要求，8K型电力机车上装设了3次和5次谐波谐振电路，这种兼有提高功率 因数和抑制3次、5次谐波电流的装置称为功率因数补偿装置，简称AFP(法文Ame′lioration du Facrur de Puissance)。
1 AFP作用的原理
8K型电力机车的传动方式是交直系统即电网交流电通过可控硅整流，为直流牵引电动机供电 ，由于主回路大量采用晶闸管，其缺点是功率因数低，产生大量谐波，尤其在采用再生制动 技术后，情况更为严重，为了改善8K型电力机车的功率因数和电网波形，除了在牵引变电站 安装滤波和功率因数补偿装置之外，又在电力机车上装有L-C组成的AFP无源滤波电路，该滤 波支路设计在3次和5次低次谐波的准谐振点处，吸收主整流器非线负载所产生的谐波电流， 使机车主变压器绕组内电流波形得以改善，如图1所示。与此同时，AFP滤波电路在基波网压 的作用下产生基波容性电流，可对相控整流机车滞后的负载电流起到补偿作用，从而改善了 机车的相位移点数，这两方面的共同作用，可使机车功率因数有明显提高。
图1 加装L-C功率因数补偿装置主电路
图1中整流电路采用半控桥，它与机车主变压器次边一段绕组联结，次边绕组电压为 u=umsinωt，Ll为换算到变压器次边绕组接触网一侧的等效电感，包括变电站变压 器和线路的电感，因此它是个随机车离牵引变电站距离而变化的变量，电阻忽略不计，L T为机车主变压器换算到次边绕组的漏电感，L和C为谐波支路的谐振电感和电 容，Ld为直流回路的平波电抗器电感，i为主变压器次边绕组电流，ic为 谐波支路电容电流，Id和Ud为直流回路平均输出电流和电压，直流输出功率Pd =Ud.Id。
图2表示变压器次边绕组电流i波形，曲线1表示不装L-C功率因数补偿装置时的电流波形 ，而 曲线2表示装有功率因数补偿装置时的波形，后者比较接近于正弦波，而且电流峰值明显增 加，且向前移动，与变压器次边电压在相位上基本一致，其结果是使机车功率因数有明显提 高。
图2电流波形是相应于控制角α较小，接近满开放的工况，图3则表示控制角α≈90° 时变压器绕组内电流i的波形。从图可见，不装功率因数补偿装置时，在ωt≤90°期间 ，由 于图1中晶闸管T1和T2关断，直流负载电流Id经二级管续流，变压器 绕组电流i=0，只有在ωt≥90°时，晶闸管触发导通，才有负载电流Id流经 变压器次边绕组，加装功率因数补偿装置后，即使在ωt＜90°期间，变压器次边绕组 流过滤波支路的电容电流ic。两者比较可见，加装功率因数补偿装置后，电网电流在 一个周期内比较接近正弦波，功率传输P=u.i比较均匀，虽然是脉动的，但无间歇时刻 ，滤波器起着储能和供能的调节作用。由此可见，在电力机车上装有L-C组成AFP的无源 滤波电路，不但降低主变压器绕组内的谐波电流，而且提高电力机车的功率因数。
图2 α较小时电流波形
图3 α≈90°时电流波形
2 AFP的构成
AFP装置主要抑制3次、5次谐波电流，8K型电力机车牵引变压器牵引绕组有4个，每个绕组上 并联有1个AFP装置，其电路如图4。
图4 一组AFP电路原理图
8K型电力机车的AFP装置在设计时，近似认为畸变系数γ=1，则功率因数 可用相移因数cosφ1来代替，此时无功补偿容量Q和相移因数cosφ2的 关系可用下式决定：
式中P——机车持续功率(P=6400kW);
cosφ1——功率因数补偿前相移因数(cosφ1=0.82)；
cosφ2——功率因数补偿后相移因数(cosφ2=0.99)。
计算得到Q=3600kvar，相当于机车持续功率的56.25%。补偿电容分为8组，每组为450k var。现以其中1组(图4)为例说明如下：
根据3次和5次谐振电路中电容器承受电压相等原则，将450kvar所需电容量分为900μF(CAP11H3)和300μF(CAP11H5)两种，各自串联电抗器的电感量分别为1.25mH(SF1 1H3)和1.35mH(SF11H5)。相当的谐振频率分别为150Hz和250Hz。AFP的投入和 切除用晶闸管交流开关(TYR11)来实现。交流接触器(C11)作故障隔离用。电容器两 端 并联了放电电阻R(DC)CAP11H3和R(DC)CAP11H5，保证AFP断电后电容器两端电压在1s 内降到低于100V，当AFP再次投入时电容器上不会发生大的电压冲击。打开中央柜时，安全 联锁开关BVR11可将电容器——电抗器两端通过电阻R(DC)CAP11放电，以保证人身 安全。谐波电流的测量用电流互感器TFI1Q(I)的信号，作过电流保护用。
8K型电力机车的AFP参数选择条件是：
(1)电网电压最高不超过29kV；
(2)牵引电动机起动电流为1.5倍持续电流；
(3)功率因数提高到0.99。
因此，与合同规定的技术要求相比，8K型电力机车AFP设计裕量很大，各元件是安全的。
主要元件参数
主电容器：
型号 4RH7 240-2EZ20-ZA14
额定电压 1970V
额定容量 244kvar
标称电容 150μF±5%
50μF±5%。
成组时电容值允差为±23%
重量 52kg
调整电容器：
型号 4RH7 120-2EZ20-ZA14
额定电压 1970V
额定容量 116kvar
标称电容 35+30+15+15μF±5%
重量 53kg
电抗器：
型式 有铁心、油冷式、与机车牵引变压器同箱体
3次谐振电感 1.25mH±2%
5次谐振电感 1.35mH±2%
晶闸管：
型号 T9G03408
正向阻断重复峰值电压 3400V
额定正向平均电流 900A
电阻：
电容器放电电阻 1.35kΩ±10%
安全放电电阻 56Ω±10%
晶闸管过电压保护RC：
电容 2μF±5%，2500V
电阻 12Ω±10%
为了使3次和5次谐振滤波电路的谐振频率控制在规定范围内，对电容器和电抗器单件制造时 作了允差规定，但装车后必须将L-C乘积限制在±3%范围内，即3次谐振滤波器的名义 谐振频率是150Hz，实际允差最大谐振频率152.30Hz,最小谐振频率147.80Hz；5次谐振滤波 器的名义谐振频率为250Hz，实际允差最大谐振频率253.83Hz,最小谐振频率246.33Hz。因此 ，根据电抗器测试值，配以适当的电容量，使谐振频率在上述允差范围内，这种调节由调整 电容器上4组电容抽头中选取。每个AFP有6个主电容器和1个调整电容器。
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