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《列車電力傳動(dòng)與控制》?精品課件合集第X章XXXX模塊1
交-直流電力傳動(dòng)系統(tǒng)第1章交-直流電力傳動(dòng)系統(tǒng)
1.1電力傳動(dòng)系統(tǒng)的組成
1.2交-直流傳動(dòng)電力機(jī)車/EMU速度調(diào)節(jié)
1.3交-直流傳動(dòng)電力機(jī)車/EMU的調(diào)壓方式
1.4電力機(jī)車/EMU的起動(dòng)與動(dòng)力制動(dòng)
1.5
相控調(diào)壓電力機(jī)車功率因數(shù)的改善2024/8/224
交-直流傳動(dòng)系統(tǒng)是指機(jī)車或動(dòng)車組采用交流電源供電經(jīng)變流器變換為直流電,供給直流牽引電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)車或動(dòng)車組運(yùn)行的傳動(dòng)系統(tǒng),是直流傳動(dòng)系統(tǒng)的主要傳動(dòng)方式。由于交流電源供給方式不同,有外接電源與自備電源之別,相應(yīng)的牽引動(dòng)力裝置有電力機(jī)車與內(nèi)燃機(jī)車之區(qū)別。在直流傳動(dòng)系統(tǒng)中,電力傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車經(jīng)歷了直-直流傳動(dòng)、交-直流傳動(dòng)兩個(gè)階段。直-直流傳動(dòng)機(jī)車因技術(shù)原因已被淘汰,交-直流傳動(dòng)機(jī)車/動(dòng)車組技術(shù)成熟、性能可靠,保有量很大,仍在許多國家、地區(qū)作為主型機(jī)車?yán)^續(xù)服役。對(duì)于直流傳動(dòng)電力機(jī)車/EMU,沒有經(jīng)過直-直流傳動(dòng)階段,只經(jīng)歷了交-直流傳動(dòng)階段。由于采用整流調(diào)壓電路結(jié)構(gòu)、形式不同,先后經(jīng)歷了調(diào)壓開關(guān)與二極管組合的有級(jí)調(diào)壓、2024/8/225調(diào)壓開關(guān)與晶閘管結(jié)合的級(jí)間平滑調(diào)壓和相控?zé)o級(jí)調(diào)壓。調(diào)壓開關(guān)與二極管組合的有級(jí)調(diào)壓方式,由于調(diào)壓開關(guān)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、輸出電壓不連續(xù)等原因,早已被淘汰。調(diào)壓開關(guān)與晶閘管結(jié)合的級(jí)間平滑調(diào)壓是介于有級(jí)調(diào)壓與無級(jí)調(diào)壓方式之間的一種過渡調(diào)壓方式,應(yīng)用較少,國產(chǎn)電力機(jī)車中只有SS3型電力機(jī)車采用此電路。晶閘管相控平滑調(diào)壓作為交-直流傳動(dòng)電力機(jī)車/EMU的主要調(diào)壓方式,技術(shù)成熟、運(yùn)行可靠,仍有大量的相控電力機(jī)車/EMU在應(yīng)用。國產(chǎn)電力機(jī)車SS3B~SS9G
,日本新干線100、200、400系動(dòng)車組均為相控調(diào)壓??v觀電力牽引控制技術(shù)的發(fā)展歷程,它隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及控制理論的發(fā)展而發(fā)展。西方發(fā)達(dá)國家早在20世紀(jì)90年代已經(jīng)停止了直流傳動(dòng)機(jī)車的制造,全面進(jìn)2024/8/226入交流傳動(dòng)時(shí)代,新造機(jī)車/動(dòng)車組全部采用交流傳動(dòng)系統(tǒng),其交流傳動(dòng)機(jī)車、動(dòng)車組的應(yīng)用已很成熟。我國目前在線運(yùn)用的機(jī)車絕大多數(shù)屬于交-直流傳動(dòng)機(jī)車。交流傳動(dòng)機(jī)車、動(dòng)車組在我國還處于起步發(fā)展階段。我國曾研發(fā)了個(gè)別車型的交流傳動(dòng)機(jī)車,但由于受關(guān)鍵技術(shù)、成本等因素制約,只在機(jī)車型譜里占了一個(gè)位置,沒有形成批量。當(dāng)前正在引進(jìn)的和諧系列機(jī)車、動(dòng)車組均采用交流傳動(dòng)系統(tǒng),這將確定了我國牽引動(dòng)力的發(fā)展方向,必然是走交流傳動(dòng)之路。直流電力傳動(dòng)技術(shù)(機(jī)車)的發(fā)展概略為:2024/8/227本章主要介紹電力機(jī)車、EMU的直流傳動(dòng)系統(tǒng),圍繞基本組成、牽引與制動(dòng)等主要方面,進(jìn)行系統(tǒng)分析。1.1電力牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的組成電力牽引系統(tǒng)是由牽引供電部分和牽引動(dòng)力裝置兩大部分組成,包括從牽引變電所到列車受電弓在內(nèi)的供電部分和牽引動(dòng)力裝置的傳動(dòng)系統(tǒng)。牽引動(dòng)力裝置主要指電力機(jī)車、電動(dòng)車組(EMU)。電力牽引系統(tǒng)組成如圖1-1所示。一般習(xí)慣上以車載受電弓為分界點(diǎn),受電弓以上為供電部分,包括接觸網(wǎng)線、牽引變電所等;受電弓及以下為牽引動(dòng)力裝置部分。這里只討論牽引動(dòng)力裝置的傳動(dòng)系統(tǒng),即從受電弓、高壓電器、牽引變壓器、牽引變流器到牽引電動(dòng)機(jī)的主電路部分。交-直流傳動(dòng)的電力機(jī)車及EMU的工作原理如圖1-2所示。牽引變電所將來自于國家電網(wǎng)的高壓三相交流電,經(jīng)變壓器降壓變換成25kV,并以單相形式供給接觸網(wǎng)。通過受電弓等高壓電器,將接觸網(wǎng)上25kV/50Hz單相交流電導(dǎo)入機(jī)車內(nèi)牽引變壓器一次繞組,電流流過一次側(cè)繞組,經(jīng)車體接地裝置與鋼軌、回流線聯(lián)結(jié),與牽引變電所形成高壓供電回路。同時(shí)經(jīng)牽引變壓器的降壓作用,在二次側(cè)繞組上產(chǎn)生牽引及輔助系統(tǒng)所需交流電壓,向牽引整流器供電,通過整流器將單相交流電變換為直流(脈流),為直流牽引電動(dòng)機(jī)提供電能。直流牽引電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能,產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)輪對(duì)旋轉(zhuǎn),在輪軌間產(chǎn)生牽引力,驅(qū)動(dòng)機(jī)車運(yùn)行。電力機(jī)車/EMU的電力傳動(dòng)系統(tǒng)電氣線路按其作用,可分為主電路、控制電路和輔助電路三大部分。主電路是由受電弓、主斷路器、高壓電流互感器、主變壓器、牽引變流裝置、牽引電動(dòng)機(jī)、平波電抗器、制動(dòng)電阻及其相聯(lián)接的電氣設(shè)備組成,是機(jī)車產(chǎn)生牽引力和制動(dòng)力的主體電路,它應(yīng)滿足機(jī)車起動(dòng)、調(diào)速及制動(dòng)三個(gè)基本工作狀態(tài)的要求。輔助電路主要由提供三相交流電的劈相裝置和各種輔助機(jī)械拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)等組成。劈相裝置將單相交流電變換為三相交流電,供給各輔助機(jī)械拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)。它是保證主電路發(fā)揮功率和實(shí)現(xiàn)牽引性能所必需的電路??刂齐娐肪褪菆?zhí)行司機(jī)的控制命令或意圖,完成對(duì)主電路、輔助電路的間接控制的低壓電路。它由各種主令電器及控制模塊組成。起動(dòng)、調(diào)速及制動(dòng)是列車運(yùn)行的基本規(guī)律,它們是通過電力機(jī)車/EMU主電路、控制電路和輔助電路共同作用實(shí)現(xiàn)的。為了充分發(fā)揮機(jī)車/EMU的功率,實(shí)現(xiàn)多拉快跑,就要求機(jī)車/EMU不僅能在不同的線路和載荷條件下改變牽引力,而且還要求在相同的牽引力下得到不同的速度。由此可見,電力機(jī)車/EMU主電路必須保證牽引電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速都可作獨(dú)立的調(diào)節(jié),而且要有寬廣的調(diào)節(jié)范圍。
起動(dòng)、調(diào)速及制動(dòng)是列車運(yùn)行的基本規(guī)律,它與主電路結(jié)構(gòu)、牽引電動(dòng)機(jī)的配置與供電方式、調(diào)速方式、動(dòng)力制動(dòng)方式都有著密切關(guān)系。2024/8/22131.2交-直流傳動(dòng)電力機(jī)車/EMU速度調(diào)節(jié)
電力機(jī)車/EMU主電路是高電壓、大電流的大功率動(dòng)力回路。通過主電路的功率傳遞,將變電所的電能轉(zhuǎn)變成適用于列車牽引所需要的牽引力。由于主電路的結(jié)構(gòu)不同、調(diào)壓方式不同,會(huì)在很大程度上決定著機(jī)車/EMU的基本性能。電力機(jī)車/EMU性能的好壞,技術(shù)上的難易程度,投資的多少,以及它運(yùn)行費(fèi)用的高低和可靠性等重要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo),均與主電路的設(shè)計(jì)密切相關(guān)。交-直流傳動(dòng)電力機(jī)車/EMU速度的調(diào)節(jié),是通過對(duì)直流(脈流)牽引電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)的,因此,電力機(jī)車/EMU的調(diào)速問題歸根到底就是對(duì)牽引電動(dòng)機(jī)如何調(diào)速的問題。2024/8/2214機(jī)車調(diào)速是指人為地改變牽引電動(dòng)機(jī)的工作參數(shù)使其轉(zhuǎn)速發(fā)生改變的運(yùn)行過程,它有別于外部擾動(dòng)(電壓變化、線路基本狀態(tài)變化等)引起地轉(zhuǎn)速變化。機(jī)車對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的基本要求:調(diào)速平滑且牽引力連續(xù)變化,盡量減小沖擊;調(diào)速范圍要能夠滿足牽引要求,盡可能大一些;調(diào)速的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)要高,調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行要求可靠。2024/8/22151.2.1直流牽引電動(dòng)機(jī)的工作特性為了便于進(jìn)行調(diào)速分析,在此將直流牽引電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁方式及工作特性作一簡單回顧。
1.直流牽引電機(jī)的勵(lì)磁方式直流牽引電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上與普通直流電動(dòng)機(jī)基本相同。直流電機(jī)的性能取決于勵(lì)磁繞組的供電方式即勵(lì)磁方式,不同勵(lì)磁方式的電機(jī),性能差異很大。按勵(lì)磁方式的不同可分為:他勵(lì)、并勵(lì)、串勵(lì)、復(fù)勵(lì)。他勵(lì)、并勵(lì)、串勵(lì)、復(fù)勵(lì)都可用以直流電動(dòng)機(jī),對(duì)于直流發(fā)電機(jī)只能采用他勵(lì)、并勵(lì)和復(fù)勵(lì),不允許采用串勵(lì)方式。直流牽引電動(dòng)機(jī)一般采用串勵(lì)方式,只有個(gè)別系統(tǒng)中采用串勵(lì)為主的他復(fù)勵(lì)方式。(1)直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)是一種勵(lì)磁繞組C1-C2與電樞繞組S1-H2無電路聯(lián)接關(guān)系,由其它直流電源對(duì)勵(lì)磁繞組供電的直流電動(dòng)機(jī),如圖1-3a所示。勵(lì)磁繞組又稱他勵(lì)繞組,其主磁場(chǎng)與電樞電流無關(guān),勵(lì)磁電流僅取決于他勵(lì)電源的電動(dòng)勢(shì)和勵(lì)磁電路的總電阻,而不受電樞端電壓的影響。永磁直流電機(jī)也可看作是他勵(lì)直流電機(jī)。
(2)直流并勵(lì)電動(dòng)機(jī)并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組C1-C2與電樞繞組S1-H2相并聯(lián),勵(lì)磁電壓始終等于電樞電壓,Uf
=Ua、If+Ia=I,如圖1-3b所示。
(3)直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)串勵(lì)電機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián),如圖1—3c所示。它的勵(lì)磁電流就是電樞電流,即。勵(lì)磁繞組又稱串勵(lì)繞組。串勵(lì)繞組電流較大,因此要求串勵(lì)繞組應(yīng)具有較小的電阻。為此,所用導(dǎo)線要求粗且匝數(shù)較小,但由于流過的電流較大,故磁極仍能產(chǎn)生較大的磁通。
(4)他復(fù)勵(lì)直流電機(jī)這種電機(jī)的主磁極上有兩個(gè)勵(lì)磁繞組,一個(gè)同電樞繞組串聯(lián)(稱為串勵(lì)繞組C1-C2),另一個(gè)同電樞繞組無連接關(guān)系(稱為他勵(lì)繞組C3-C4),如圖1—3d所示。他復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)的特性總是介于串勵(lì)、他勵(lì)電機(jī)特性之間。作為牽引電動(dòng)機(jī)主要以串勵(lì)成分為主,它保持了串勵(lì)和他勵(lì)方式的優(yōu)點(diǎn),克服了缺點(diǎn)與不足,可以靈活地獲得優(yōu)異的工作特性。牽引電機(jī)根據(jù)列車的運(yùn)行狀態(tài)(即牽引與制動(dòng)狀態(tài)),工作在電動(dòng)機(jī)工況和發(fā)電機(jī)工況。電動(dòng)機(jī)工況采用串勵(lì)方式,將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能,為列車產(chǎn)生牽引動(dòng)力;發(fā)電機(jī)工況采用他勵(lì)方式,將吸收列車慣性能量,將其轉(zhuǎn)化為電能,對(duì)列車產(chǎn)生制動(dòng)力。2024/8/2219
2.直流牽引電動(dòng)機(jī)的工作特性工作特性是指當(dāng)電源電壓及勵(lì)磁電流不作人為調(diào)節(jié)時(shí),電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩隨電樞電流的變化關(guān)系。
(1)速率特性
由公式及可得出:對(duì)于他勵(lì)(并勵(lì))電動(dòng)機(jī),若不計(jì)電樞反應(yīng)影響,則有:式中,為理想空載轉(zhuǎn)速;為特性曲線的斜率。
顯然,他勵(lì)(并勵(lì))電動(dòng)機(jī)其速率特性是一條斜率為的直線,斜率的大小取決于電樞回路的總電阻值。2024/8/2220
對(duì)于串勵(lì)電動(dòng)機(jī),由于,即氣隙主磁通隨電樞電流而變化。若不考慮磁路飽和的影響,式中——電樞回路總電阻,,其中串勵(lì)繞組的電阻。由此可看出,串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的速率特性是一條等邊雙曲線——軟特性。當(dāng)負(fù)載電流增加時(shí),其轉(zhuǎn)速隨負(fù)載的增加而迅速下降。當(dāng)負(fù)載很小時(shí),主磁通亦很小,使其轉(zhuǎn)速極(1--1)2024/8/2221高,將產(chǎn)生“飛車”現(xiàn)象,后果十分危險(xiǎn)。因此,串勵(lì)電動(dòng)機(jī)不允許空載運(yùn)行和輕載運(yùn)行。在選擇傳動(dòng)方式時(shí)不允許采用皮帶傳動(dòng)或鏈條傳動(dòng)等間歇傳動(dòng)方式。
(2)轉(zhuǎn)矩特性
串勵(lì)電動(dòng)機(jī)若不考慮磁路飽和的影響,,則有即轉(zhuǎn)矩特性是一條關(guān)于電樞電流的二次方函數(shù)。當(dāng)磁路完全飽和以后,。此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比。所以,串勵(lì)電動(dòng)機(jī)其電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流之間的關(guān)系總是大于一次方而小于二次方,即。也就是說,在相同條件下,串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、過載能力都大于其它電動(dòng)機(jī)。串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的工作特性如圖1—4所示。
(3)機(jī)械特性
串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性是指時(shí),。從電動(dòng)機(jī)的電壓方程可知:2024/8/2223式中(不考慮磁路的飽和)。于是電磁轉(zhuǎn)矩表示為由此可解出
(1--2)2024/8/2224
串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性也是一條軟特性,隨著電磁轉(zhuǎn)矩的增加,電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速迅速下降,即。1.2.2牽引電動(dòng)機(jī)特性分析串勵(lì)電動(dòng)機(jī)由于具有“軟特性”,因此與他勵(lì)電動(dòng)機(jī)相比,在相同的負(fù)載變化時(shí),串勵(lì)電動(dòng)機(jī)可有更大的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩變化。在內(nèi)燃機(jī)車電力傳動(dòng)裝置中,牽引電動(dòng)機(jī)由恒功率電源供電,可使?fàn)恳妱?dòng)機(jī)在電源電壓較小變化時(shí)具有較大的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩變化,故調(diào)速容易,調(diào)速范圍廣,可見串勵(lì)電動(dòng)機(jī)更適合機(jī)車牽引。在電傳動(dòng)機(jī)車上,一般總有幾臺(tái)牽引電動(dòng)機(jī)同時(shí)并聯(lián)運(yùn)行,由于電動(dòng)機(jī)的特性不可能完全一致,或者電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)輪直徑不完全相等,因此,這些都將使各電動(dòng)機(jī)之間的負(fù)載分配不均勻。當(dāng)兩臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相同時(shí),由于性能的差異2024/8/2226而導(dǎo)致負(fù)載電流分配出現(xiàn)不均勻,此時(shí)牽引電動(dòng)機(jī)之間的負(fù)載分配關(guān)系如圖1—6所示。對(duì)于串勵(lì)電動(dòng)機(jī)而言,由于具有軟特性,這種負(fù)載分配的不均勻性遠(yuǎn)較他勵(lì)電動(dòng)機(jī)小得多,可防止個(gè)別電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)發(fā)生嚴(yán)重過載現(xiàn)象。在牽引電動(dòng)機(jī)獨(dú)立傳動(dòng)的情況下,當(dāng)機(jī)車起動(dòng)或爬坡時(shí),經(jīng)常發(fā)生動(dòng)輪和鋼軌之間因粘著條件的破壞而使動(dòng)輪空轉(zhuǎn)的現(xiàn)象,在這種情況下,串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的軟特性不利于粘著條件的恢復(fù)。而他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的硬特性卻有利于防止動(dòng)輪空轉(zhuǎn),因?yàn)樵诔霈F(xiàn)空轉(zhuǎn)時(shí)他勵(lì)電動(dòng)機(jī)電樞電流和轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速的微小增加而急劇下降,促使粘著條件的迅速恢復(fù)。串、并勵(lì)牽引電動(dòng)機(jī)的防空轉(zhuǎn)能力比較如圖1—7所示。1.2.3直流牽引電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方式根據(jù)直流牽引電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表達(dá)式
可知,直流牽引電動(dòng)機(jī)的調(diào)速可通過改變電樞兩端電壓和減小磁通來實(shí)現(xiàn),即改變電樞電壓調(diào)速和弱磁調(diào)速。
1.改變電樞電壓調(diào)速由式(1-1)可知:當(dāng)負(fù)載一定時(shí),若忽略電樞回路的電阻壓降,可認(rèn)為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電樞端電壓成正比,提高電樞端電壓將提高轉(zhuǎn)速。電樞端電壓的提高是以額定電壓為限值,對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為調(diào)節(jié)電壓所能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速,即改變電樞端電壓調(diào)速是以額定電壓對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速為最高轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法。2024/8/2229調(diào)速時(shí)直流牽引電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)牽引電動(dòng)機(jī)在電樞端電壓U1、電樞電流Ia1下,以轉(zhuǎn)速n1在a點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),若提高電壓至U2,原有的平衡狀態(tài)被破壞,由于機(jī)械慣性很大,在電壓發(fā)生突變的瞬間,轉(zhuǎn)速來不及變化,電動(dòng)機(jī)的反電勢(shì)Ea也將保持不變,而電樞電流Ia必將突然增大到Ia2,電動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)由a點(diǎn)跳變到電壓U2對(duì)應(yīng)的速率特性曲線上的b點(diǎn),如圖1-8所示。在b點(diǎn),Ia2>>Ia1,電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也遠(yuǎn)大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩,根據(jù)牛頓定律,電動(dòng)機(jī)將以很高的加速度加速運(yùn)行,轉(zhuǎn)速沿著電壓U2對(duì)應(yīng)的速率特性曲線上升。若負(fù)載未變?nèi)詾镮a1,隨著轉(zhuǎn)速的上升,電樞電流和電磁轉(zhuǎn)矩逐漸減小,加速度減小,直到加速度變?yōu)榱銜r(shí),電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升到了n2,電樞電流再次恢復(fù)到了Ia1,電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡,電動(dòng)機(jī)將在c點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行,此時(shí)轉(zhuǎn)速因電壓提高而升高到了n2。改變電壓調(diào)速時(shí)的速率特性如圖1-8所示。2024/8/2231
2.弱磁調(diào)速
對(duì)于機(jī)車/動(dòng)車組而言,只有當(dāng)調(diào)壓資源用盡后才開始實(shí)施磁場(chǎng)削弱調(diào)速,即進(jìn)行磁場(chǎng)削弱調(diào)速時(shí),電源電壓達(dá)到最大值且保持不變。若不考慮電樞回路的電阻壓降,則有
即磁削后電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高,轉(zhuǎn)速與磁通基本成反比關(guān)系。削磁后的轉(zhuǎn)速都高于額定磁場(chǎng)時(shí)的轉(zhuǎn)速,削磁后的人為特性總是處于固有特性(額定磁通之特性)的上方。在負(fù)載一定時(shí)進(jìn)行磁削,電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩保持不變,即(1--3)2024/8/2232
也就是說,磁削前后電動(dòng)機(jī)的電樞電流與磁通成反比關(guān)系。磁削后電樞電流將會(huì)增大,轉(zhuǎn)速升高,這對(duì)電動(dòng)機(jī)換向帶來困難。通過對(duì)串勵(lì)繞組電流進(jìn)行分流,可實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)削弱。一般采用在串勵(lì)繞組兩端并聯(lián)分流電阻或接入可控元件的方法實(shí)現(xiàn),電路如圖1—10所示。若在串勵(lì)繞組兩端并聯(lián)固定阻值的分流電阻,其磁通不能連續(xù)變化,只能是有級(jí)變化,這種磁削方法稱為電阻有級(jí)磁削。(1--4)2024/8/2235若在串勵(lì)繞組兩端并聯(lián)可控元件,通過改變其導(dǎo)通角的大小來調(diào)節(jié)所通過的電流,就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)勵(lì)磁電流的連續(xù)調(diào)節(jié),達(dá)到無級(jí)削磁的目的。此方法只適合于電力機(jī)車/EMU。
磁場(chǎng)削弱程度用磁削系數(shù)來表示:(1)并聯(lián)電阻分流磁削即磁削系數(shù)值取決于勵(lì)磁繞組與分流電阻的阻值大小。(1--5)2024/8/2236
為了減小磁削后由于電樞電流增大而產(chǎn)生的沖擊,磁削電阻一般都是采取分級(jí)并入的方法。磁削深度一定時(shí),磁削電阻的并入級(jí)數(shù)越多,產(chǎn)生的沖擊電流越小,電動(dòng)機(jī)調(diào)速越平滑,但所需的電磁開關(guān)器件的數(shù)量相應(yīng)增加很多,不僅增加了設(shè)備成本,而且使得電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜化,影響電路的可靠性。故一般磁削電阻并聯(lián)的級(jí)數(shù)以2--3級(jí)為宜。
(2)可控元件分流磁削在勵(lì)磁繞組兩端并聯(lián)可控元件,調(diào)節(jié)可控元件的控制角就可以連續(xù)改變勵(lì)磁電流的大小,實(shí)現(xiàn)無級(jí)磁場(chǎng)削弱。可控元件一般采用晶閘管,依靠電源電壓過零點(diǎn)時(shí)自然換向,要求主整流器半控橋必須工作在全開放狀態(tài)。2024/8/2237
無論采用何種磁削方式,對(duì)磁削深度必需要加以控制。在保證牽引電動(dòng)機(jī)可靠換向的前提下,盡可能采用較深的磁削深度,以提高牽引電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍,一般。采用磁場(chǎng)削弱的方法調(diào)速,調(diào)速范圍較大,調(diào)速在勵(lì)磁回路進(jìn)行,附加能耗較小,調(diào)速前后電動(dòng)機(jī)的效率變化不大,是一種經(jīng)濟(jì)的調(diào)速方法。它的缺點(diǎn)主要是使?fàn)恳妱?dòng)機(jī)換向條件惡化,磁削較深時(shí)容易發(fā)生環(huán)火。因此,必須要限制磁削的深度。機(jī)車在平直線路上實(shí)施磁削可提高運(yùn)行速度,在上坡線路上進(jìn)行磁削可實(shí)現(xiàn)恒速運(yùn)行。2024/8/22381.3交-直流傳動(dòng)電力機(jī)車/EMU的調(diào)壓方式電力機(jī)車在世界各國基本上都采用單相交流供電,我國采用25kV、50Hz的單相交流電源供電。交直流傳動(dòng)電力機(jī)車的調(diào)壓方式取決于整流電路和主變壓器二次繞組的結(jié)構(gòu)。分析調(diào)壓方式就是分析整流電路,整流電路可分為單相不可控整流電路和單相可控整流電路兩種,對(duì)應(yīng)的調(diào)壓方式可分為有級(jí)調(diào)壓和無級(jí)調(diào)壓兩大類。采用單相不可控整流電路(單拍全波整流)的電力機(jī)車已基本上退役。目前正在服役的交直流傳動(dòng)電力機(jī)車,整流電路均采用單相可控整流電路,調(diào)壓方式為相控?zé)o級(jí)調(diào)壓。2024/8/2239
一、單相不可控整流電路電力機(jī)車采用調(diào)壓開關(guān)和二極管組合的單相不可控整流電路結(jié)構(gòu),完成對(duì)輸出電壓的有級(jí)調(diào)節(jié)。單相不可控整流電路分為中抽式和橋式整流兩種。
1.中抽式不可控整流電路中抽式整流電路中,主變壓器二次側(cè)繞組在電源正負(fù)半波交替工作,整流器也是正負(fù)半波輪流工作。在一個(gè)周期中,正負(fù)半波整流器各工作一次,工作方式稱為單拍全波整流。其輸入電壓、輸出電壓(整流電壓平均值或理想空載直流電壓)可表示為:2024/8/2241整流元件承受的反向電壓為2倍的二次繞組電壓,即此整流電路的功率因數(shù)(PF反映了用電設(shè)備從電源取用有功功率的效率)(1--7)(1--6)2024/8/2242式中----基波電流的有效值;----電流有效值;
----基波電壓與基波電流之間的相位系數(shù),用表示;----電流畸變系數(shù),表示電流波形中含有高次諧波的程度。也可用諧波系數(shù)表示為:(1--8)2024/8/2243
通過對(duì)整流電路工作過程的分析,接觸網(wǎng)(變壓器一次繞組)中流過的電流中除基波外還存在著高次諧波,其波形為非正弦波的方波,交流電壓的波形基本為正弦波。但變壓器一次繞組中流過的方波電流與接觸網(wǎng)電壓之間的相位相同,即。將變壓器一次繞組中流過的方波電流進(jìn)行分解,可計(jì)算出電流波形的畸變系數(shù),即(1--9)2024/8/2244即中抽式單相不可控整流電路的功率因數(shù)達(dá)到0.9。電網(wǎng)電流中只有基波電流產(chǎn)生有功功率,諧波電流只是在消耗電網(wǎng)無功功率,使得功率因數(shù)總小于1。中抽式不可控整流電路的特點(diǎn):
功率因數(shù)高達(dá)0.9(在整流電路中功率因數(shù)最高);基波相位系數(shù),變壓器一次側(cè)方波電流與一次側(cè)電壓同相位。
2.橋式不可控整流電路單相橋式不可控整流電路從輸出關(guān)系上看,屬于雙拍全波整流。變壓器二次側(cè)電流與電壓分布情況與中抽式不可控整流電路相同,二次繞組中交替流過整流電流,二次側(cè)電壓、直流輸出電壓表示為整流元件承受的反向電壓。
功率因數(shù)與中抽式電路相同,即(、)2024/8/2246
3.整流電壓、電流的脈動(dòng)情況單相整流由于在一個(gè)周期中最多只有兩個(gè)脈波,因此電壓波動(dòng)較大,這必將引起電流的脈動(dòng)。電流的脈動(dòng)與負(fù)載的性質(zhì)有關(guān)。整流電壓、電流的脈動(dòng)情況用脈動(dòng)系數(shù)來表示。整流電壓脈動(dòng)系數(shù)整流電流脈動(dòng)系數(shù)其中,、、分別為電流的最大值、最小值和平均值。(1--10)對(duì)于純電阻負(fù)載,。對(duì)于電力機(jī)車,整流電路的負(fù)載為反電勢(shì)負(fù)載,若不串入平波電抗器,整流電流的脈動(dòng)要比電阻性負(fù)載大一些。電流的脈動(dòng)不利于牽引電動(dòng)機(jī)換向。因此,在電樞回路串入平波電抗器是減小電流脈動(dòng)的有效措施。當(dāng)電樞回路中串入平波電抗器后,若電流發(fā)生變化時(shí),平波電抗器產(chǎn)生自感電勢(shì)將阻止電流的變化,可減小電流的(1--11)
工程設(shè)計(jì)中2024/8/2248脈動(dòng)。從電流脈動(dòng)系數(shù)表達(dá)式可看出,電流的脈動(dòng)與整流器輸出電壓、電流的比值(相當(dāng)于整流器的等效輸出阻抗)成正比,與回路的電感量的大小成反比關(guān)系。對(duì)于電力機(jī)車脈流牽引電動(dòng)機(jī)要求,而,只要,就可保證。也就是說,負(fù)載電流與平波電抗器電感之間按照反比關(guān)系變化,就可基本滿足牽引電動(dòng)機(jī)的換向穩(wěn)定性要求。電力機(jī)車/EMU要求2024/8/22491.3.2
單相可控整流電路單相可控整流電路分半控式與全控式兩種。全控式又分為中抽式、橋式。從變壓器的利用率來看,橋式整流電路要優(yōu)于中抽式。相控調(diào)壓的交-直流傳動(dòng)電力機(jī)車/EMU都采用可控式整流電路,半控式和全控式都有使用。半控式整流調(diào)壓的電力機(jī)車/EMU只能進(jìn)行電阻制動(dòng),全控式調(diào)壓的電力機(jī)車可以進(jìn)行再生制動(dòng)。從我國現(xiàn)服役的電力機(jī)車來看,在數(shù)量上采用半控式整流電路的機(jī)車較多,全控式整流電路機(jī)車相對(duì)要少一點(diǎn)。1.全控橋式整流電路全控橋式整流電路如圖1—14所示。組成一對(duì)橋臂,組成另一對(duì)橋臂。2024/8/2251
在的正半周,在控制角處給施加觸發(fā)脈沖使其開通,。負(fù)載中由于電感的存在使得負(fù)載電流不能突變,電感對(duì)負(fù)載電流起到平波作用。假設(shè)負(fù)載電感足夠大,負(fù)載電流將連續(xù)且波形近似為一水平線。在過零進(jìn)入負(fù)半周時(shí),由于電感的作用中仍有電流流過,并不能關(guān)斷,一直要延續(xù)到時(shí)刻,給施加觸發(fā)脈沖后,因已承受正向電壓而開始導(dǎo)通。
導(dǎo)通后,通過分別向施加反向電壓迫使關(guān)斷,流過的電流訊速轉(zhuǎn)移到2024/8/2252相當(dāng)于不可控;整流波形中正負(fù)兩部分面積相等,故其平均值為零。上,此過程稱為換流(換相)。下一周期重復(fù)上述過程,如此循環(huán)下去。輸出電壓的平均值為(1--12)2024/8/2253所以,橋式全控整流電路的移相范圍為當(dāng),進(jìn)入逆變狀態(tài)。由于在電樞回路中存在著很大的電感,故整流電流的波形基本為一直線,變壓器繞組中流過的電流為正負(fù)各180°的矩形波,其相位由角決定,有效值??煽卦惺艿淖畲笳聪螂妷壕鶠椤?煽卦膶?dǎo)通角與控制角無關(guān),均為180°,即每次導(dǎo)通180°。功率因數(shù):2024/8/2254
Note:
a.,功率因數(shù)隨著輸出電壓的增大而增大,即控制角越小,功率因數(shù)越大。當(dāng),功率因數(shù)達(dá)到最大值0.9,與不可控整流電路相等,這是全控整流電路最大的不足。2024/8/2255
b.變壓器一次側(cè)電流的基波分量與一次側(cè)電壓之間的相位差角就是可控元件的觸發(fā)角,即,滯后于。
全控整流電路的特點(diǎn):根據(jù)控制角的大小可以方便地在整流與逆變狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換,可以進(jìn)行再生制動(dòng),不需要進(jìn)行電路的切換。功率因數(shù)與輸出電壓成正比??煽卦看螌?dǎo)通180°,導(dǎo)通角與控制角無關(guān)。變壓器二次電流的波形為的矩形波,其相位由決定。
2.單相橋式半控整流電路為了改善功率因數(shù),在不需要再生制動(dòng)的電力機(jī)車上采用單相橋式半控整流電路。電路結(jié)構(gòu)如圖1—16所示。2024/8/2258
電路工作過程分析:在的正半波,在處施加觸發(fā)脈沖,導(dǎo)通,橋臂開始工作,向負(fù)載回路供電,。負(fù)載回路中由于電感的存在使得負(fù)載電流不能突變,電感對(duì)負(fù)載電流起到平波作用。假設(shè)負(fù)載回路電感足夠大,負(fù)載電流將連續(xù)且波形近似為一水平線。在過零進(jìn)入負(fù)半周時(shí),繼續(xù)導(dǎo)通,因點(diǎn)電位已低于點(diǎn)電位,導(dǎo)通,關(guān)斷,電流不再經(jīng)過變壓器二次繞組,而是由和進(jìn)行續(xù)流,此時(shí),若不考慮器件的通態(tài)壓降,則,。
2024/8/2259在負(fù)半波觸發(fā)脈沖到來時(shí)刻,被觸發(fā)導(dǎo)通,同時(shí)向加反向電壓將其關(guān)斷,經(jīng)向負(fù)載回路供電。在過零變正進(jìn)入正半周時(shí),導(dǎo)通,關(guān)斷,由和進(jìn)行續(xù)流,輸出電壓變?yōu)榱?,即。以后重?fù)以上過程。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn):可控元件與二極管在一個(gè)周期內(nèi),導(dǎo)通角大小不一致,可控元件的導(dǎo)通角為,二極管導(dǎo)通角為。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在額定電流的選擇上予以考慮。2024/8/2260
輸出電壓:(1--13)
功率因數(shù):半控橋式整流電路的功率因數(shù)計(jì)算過程很復(fù)雜,在此不再贅述,只給出表達(dá)式供參考。其功率因數(shù)是介于不可控橋式和全控橋式整流電路之間,即圖1—18不同整流電路的功率因數(shù)2024/8/22623.全控與半控整流電路在功率因數(shù)方面的差異分析全控式整流電路在這一段時(shí)期內(nèi),網(wǎng)壓與電流極性是相反的,表明電源不向負(fù)載傳遞功率,而是負(fù)載在向電源反饋功率,這是全控式整流電路功率因數(shù)低的主要原因。半控式整流電路則不同,在此期間內(nèi),由于負(fù)載電流經(jīng)二極管續(xù)流,變壓器繞組中沒有電流流過,電源不提供功率給負(fù)載,負(fù)載也不向電源反饋功率,相當(dāng)于變壓器在此期間不工作,電源與負(fù)載之間沒有往復(fù)傳遞功率的現(xiàn)象,所以其功率因數(shù)較高。2024/8/22631.3.3
電力機(jī)車/EMU相控調(diào)壓方式選擇在交直流傳動(dòng)電力機(jī)車/EMU中,相控調(diào)壓方式不同,將使變壓器繞組結(jié)構(gòu)和整流電路模式都有很大差別,這些直接影響機(jī)車性能和機(jī)車成本。采用何種調(diào)壓方式,要與機(jī)車的用途、使用范圍、使用條件等因素綜合考慮,力求機(jī)車具有較高的性價(jià)比。根據(jù)對(duì)各種整流電路性能的分析,現(xiàn)將各種調(diào)壓方式的優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用范圍作一匯總,供選擇使用。橋式整流電路對(duì)變壓器的利用率要比中抽式高,一般都采用橋式整流電路。若需要進(jìn)行再生制動(dòng),整流電路必須采用全控式,能2024/8/2264夠在四象限運(yùn)行。工作在整流狀態(tài),工作在逆變(再生)狀態(tài)。若需要電阻制動(dòng),整流電路可選用半控橋式,電路結(jié)構(gòu)簡單,功率因數(shù)較高,控制角。在相控電力機(jī)車中,采用全控式整流電路能夠進(jìn)行再生制動(dòng),在某種意義上講節(jié)約能源,但工作在再生制動(dòng)時(shí),由于功率因數(shù)很低,通常只有0.5—0.6左右,諧波成分增加,對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重干擾,嚴(yán)重影響電網(wǎng)功率因數(shù),需增加補(bǔ)償容量和補(bǔ)償設(shè)備,從經(jīng)濟(jì)角度看往往是不合算的。再生制動(dòng)的控制系統(tǒng)比較復(fù)雜并且要求精度高,既使系統(tǒng)輸出電壓出現(xiàn)很小變化,也將使制動(dòng)電流/制動(dòng)力產(chǎn)生很大的波動(dòng),系2024/8/2265統(tǒng)的穩(wěn)定性較差。因此,在相控電力機(jī)車/EMU中較少采用再生制動(dòng)方式。絕大多數(shù)相控機(jī)車/EMU整流電路采用多段半控橋順序控制,既能提高功率因數(shù),又能夠?qū)嵤╇娮柚苿?dòng)。相控電力機(jī)車的主要特點(diǎn):主電路結(jié)構(gòu)較簡單,可以連續(xù)調(diào)節(jié)整流器可控元件的控制角,使輸出電壓平滑變化、機(jī)車運(yùn)行平穩(wěn),但功率因數(shù)較低,一般只能達(dá)到0.82左右,諧波干擾電流較大。
相控式電力機(jī)車最大的缺陷是功率因數(shù)較低、諧波電流大。2024/8/22661.3.4
多段半控整流橋順序控制為了改善機(jī)車功率因數(shù)、降低諧波,在主電路結(jié)構(gòu)上可采用多段半控整流橋,這是晶閘管相控機(jī)車普遍采用的措施。半控整流橋段數(shù)越多相應(yīng)功率因數(shù)越高,但段數(shù)不宜過多,一般都不超過四段,若段數(shù)過多會(huì)使變壓器二次側(cè)繞組結(jié)構(gòu)復(fù)雜、抽頭數(shù)增加,同時(shí)也使整流電路元件增加及控制電路復(fù)雜化。我國干線相控電力機(jī)車最多采用了四段半控整流橋,大多數(shù)電力機(jī)車只采用三段不等分半控整流橋。在額定工況下,功率因數(shù)一般可達(dá)到0.80--0.84左右,實(shí)際等效干擾電流約為6A左右。2024/8/2267
1.二段半控橋變壓器二次側(cè)繞組由兩段完全對(duì)稱的繞組組成,各自接有半控橋式整流電路,兩個(gè)半控整流橋之間串聯(lián),其中不可控橋臂之間形成續(xù)流通路,兩段半控橋采用順序控制。二段半控橋順控整流電路結(jié)構(gòu)與工作波形如圖1—17、18所示。
電路工作過程分析如下:在機(jī)車起動(dòng)時(shí),第一段半控橋RM1投入工作,首先控制VT1、VT2,而VT3、VT4封閉,VD3、VD4提供續(xù)流通路。變壓器二次繞組a2x2中沒有電流流過,負(fù)載電流流過VD3、VD4和半控橋RM1,變壓器一次側(cè)繞組內(nèi)電流波形如圖1-18所示。當(dāng)VT1、VT2達(dá)到滿開放時(shí),輸出電壓為額定輸出電壓的的一半,即。第二段半控橋RM2是在VT1、VT2達(dá)到滿開放以后,控制VT3、VT4,使變壓器二次繞組a2x2投入工作,此時(shí)電流和輸出電壓波形如圖1—18所示。當(dāng)VT3、VT4滿開放時(shí),輸出電壓達(dá)到額定電壓,即。
二段半控橋的控制方法及輸出關(guān)系:第一段半控橋
(n為奇數(shù))第二段半控橋電路特點(diǎn):
功率因數(shù)要比一段半控橋高一些;變壓器一次側(cè)電流波形有所改善。6G型電力機(jī)車采用兩段半控橋順序控制。
SS5、8K、SS7/B/C型電力機(jī)車盡管采用了兩段橋順序控制電路,但只有一段橋?yàn)榘肟貥?,另一段橋采用全控橋。這類機(jī)車既利用了半控橋功率因數(shù)高之特點(diǎn),又可以實(shí)施再生制動(dòng),對(duì)改善機(jī)車牽引性能、節(jié)約能源有一定的益處。2024/8/2271
2.三段不等分繞組構(gòu)成的三段半控橋根據(jù)對(duì)二段半控橋的分析可以推斷,半控橋段數(shù)越多,功率因數(shù)越高。但由此引起主電路復(fù)雜、元件數(shù)量增加。為了用較少的繞組段數(shù)和元件,將變壓器二次側(cè)繞組設(shè)計(jì)為兩段完全對(duì)稱的繞組,將其中一段繞組設(shè)計(jì)為中抽式,這樣在二次側(cè)就可獲得三段不對(duì)稱繞組。各段繞組的匝數(shù)比為2:1:1(完整繞組:中抽繞組1:中抽繞組2)。將二次側(cè)兩段繞組其中一段繞組接成普通半控橋,另一段繞組接成中抽式半控橋,這樣就形成了一個(gè)四臂橋(大橋)和一個(gè)六臂橋(2個(gè)小橋),其輸出電壓比為2:1:1。各段半控整流橋的輸出電壓范圍為:2024/8/2274
不等分三段半控整流橋的工作過程:第I段橋:普通半控橋(大橋或四臂橋)首先工作,VT1、VT2觸發(fā)導(dǎo)通,進(jìn)行移相控制,直至其全開放,輸出電壓可由零均勻地調(diào)至額定輸出電壓的一半。此階段中抽式半控橋(六臂橋或小橋)始終被封鎖,由VD3、VD4提供續(xù)流通路。第Ⅱ段橋:維持普通半控橋VT1、VT2的全導(dǎo)通狀態(tài),中抽式半控橋中第一小橋投入工作,另一小橋仍然被封鎖,觸發(fā)VT3、VT4使其導(dǎo)通,進(jìn)行移相控制,調(diào)節(jié)輸出電壓。當(dāng)VT3、VT4全開放時(shí),輸出電壓達(dá)到額定輸出電壓的四分之三。第Ⅲ段橋:維持大橋、第一小橋處于滿開放狀態(tài),第二小橋投入工作,觸發(fā)VT5、VT6導(dǎo)通,進(jìn)行移相控制。當(dāng)VT5、VT6全開放時(shí),輸出電壓達(dá)到額定值。至此,升壓調(diào)節(jié)過程全部結(jié)束。降壓調(diào)節(jié)過程與升壓過程相反。三段不等分半控橋的控制方式及輸出關(guān)系:2024/8/2276
三段不等分半控橋相對(duì)于二段不等分半控橋而言,功率因數(shù)能夠提高一些,變壓器一次側(cè)電流波形的畸變相對(duì)有所減小。三段不等分半控橋控制方式簡單,工作可靠,成為相控電力機(jī)車/EMU主要的調(diào)壓模式。目前許多干線相控電力機(jī)車都采用此整流調(diào)壓方式,如SS3B、SS4G/B、SS6B、SS8、SS9/G、SS7D/E等電力機(jī)車。2024/8/2277
3.三段不等分繞組構(gòu)成的經(jīng)濟(jì)四段半控橋變壓器二次側(cè)繞組結(jié)構(gòu)、整流電路的接線方式都與不等分三段橋的形式一樣,依然為三段不等分橋,即由普通半控橋和中抽式半控橋組成。只是在控制方式上作了改變,采用移相控制與開關(guān)控制相結(jié)合的組合控制方式,達(dá)到等分四段橋的效果。
控制過程是先對(duì)中抽式半控橋進(jìn)行移相順序控制,待其完全開放時(shí),對(duì)普通半控橋進(jìn)行開關(guān)控制,使其完全開放,這時(shí)將中抽式半控橋承擔(dān)的輸出電壓(負(fù)載)全部轉(zhuǎn)移到普通半控橋上,同時(shí)封鎖中抽式半控橋,重新對(duì)中抽式半控橋進(jìn)行移相順序控制,直至中抽式半控橋再次全開放為止,此2024/8/2278此刻輸出電壓可達(dá)到額定電壓。調(diào)節(jié)控制過程分析如下:第Ⅰ段:觸發(fā)VT3、VT4,繞組a2b2投入工作,對(duì)VT3、VT4、VD3、VD4橋進(jìn)行移相控制,由VD1、VD2提供續(xù)流通路。整流輸出電壓為(0~1/4)Ud。第Ⅱ段:維持VT3、VT4全開放狀態(tài),開始觸發(fā)VT5、VT6,使繞組b2-x2投入工作,進(jìn)行順序移相控制,VD1、VD2繼續(xù)提供續(xù)流通路。整流電壓為(1/4~1/2)Ud。當(dāng)VT5、VT6全開放時(shí),整流電壓已達(dá)到額定值的一半。通過邏輯控制將中抽式繞組上(Ⅰ、Ⅱ段)上的負(fù)載全部轉(zhuǎn)移到普通半控橋上去,即應(yīng)將a2x2繞組上的負(fù)載轉(zhuǎn)移到a1x1繞2024/8/2280組。因?yàn)樗鼈兊脑褦?shù)完全相等,輸出電壓相同,只要控制合理,可以實(shí)現(xiàn)無電壓差、無電流沖擊的平滑轉(zhuǎn)移。轉(zhuǎn)移時(shí)刻一般選擇在電壓自然過零點(diǎn)處,在半控橋換向重疊角期間完成轉(zhuǎn)移,對(duì)VT3、VT4和VT5、VT6完成觸發(fā)脈沖封鎖,同時(shí)應(yīng)使VT1、VT2觸發(fā)完全開放導(dǎo)通。第Ⅲ段:保持VT1、VT2全開放狀態(tài),再次對(duì)VT3、VT4施加觸發(fā)脈沖,使繞組a2b2再次投入工作,進(jìn)行移相控制,整流電壓達(dá)到(1/2~3/4)Ud。此段控制的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制與順序移相控制的協(xié)調(diào)配合,即封鎖VT5、VT6,全開放VT1、VT2,順序移相VT3、VT4。在轉(zhuǎn)換的瞬間,會(huì)產(chǎn)生開關(guān)式的跳躍,這由控制系統(tǒng)2024/8/2281的邏輯轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)來保證。第Ⅳ段:維持VT1、VT2和VT3、VT4的全開放狀態(tài),觸發(fā)VT5、VT6,使繞組b2x2再次投入工作,繼續(xù)移相順序控制,整流電壓可達(dá)到(3/4~1)Ud。至此調(diào)節(jié)過程完成。由于充分利用了中抽式半控橋,使三段不等分半控橋獲得了四段等分橋的效果,增加了調(diào)壓段數(shù),節(jié)省了元器件及繞組段數(shù),降低了電路成本,故稱之為四段經(jīng)濟(jì)橋。在此電路中,各段整流橋分工明確,中抽式半控橋承擔(dān)電壓調(diào)節(jié)功能,稱為移相橋。普通半控橋只起到儲(chǔ)存電壓的功能,稱之為開關(guān)橋。此電路的功率因數(shù)略高于三段不等分半控橋。2024/8/2282
SS4型電力機(jī)車整流調(diào)壓電路采用了經(jīng)濟(jì)四段橋,但是在運(yùn)用中發(fā)現(xiàn),由于開關(guān)元器件性能的不一致性,從移相調(diào)壓橋切換到開關(guān)橋,兩者之間很難協(xié)調(diào)一致,也很難保證無壓差(等電位)轉(zhuǎn)換,常會(huì)出現(xiàn)故障。經(jīng)濟(jì)四段橋從表面上看性能優(yōu)于三段橋,功率因數(shù)高、調(diào)壓均勻,但在實(shí)用中存在著一些難以克服的缺陷,制約了其應(yīng)用。因此,在SS4G、SS4B機(jī)車中,放棄了此電路,改為三段不等分半控橋電路,運(yùn)用效果很好。2024/8/22831.4電力機(jī)車/EMU的起動(dòng)與動(dòng)力制動(dòng)起動(dòng)與制動(dòng)是電力機(jī)車/EMU運(yùn)行中的基本狀態(tài)。在起動(dòng)時(shí),要能夠充分利用粘著條件,使機(jī)車產(chǎn)生足夠的牽引力,保證機(jī)車順利起動(dòng);動(dòng)力制動(dòng)就是利用電機(jī)的可逆原理,在實(shí)施制動(dòng)時(shí)將電動(dòng)機(jī)改為發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行,吸收列車的慣性能量,將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茌敵?,在機(jī)車/EMU轉(zhuǎn)軸上產(chǎn)生與運(yùn)行方向相反的阻力性轉(zhuǎn)矩,阻礙列車運(yùn)行,對(duì)列車實(shí)施制動(dòng)。1.4.1
起動(dòng)
1.起動(dòng)的基本要求起動(dòng)過程要平穩(wěn);產(chǎn)生足夠大的起動(dòng)牽引力,獲得一定的起動(dòng)加速度。2024/8/2284
2.起動(dòng)方式一般采用恒電流起動(dòng),起動(dòng)電流可以接近于受粘著限制的最大起動(dòng)電流,能夠產(chǎn)生很大的起動(dòng)牽引力,起動(dòng)加速較大,即但當(dāng)發(fā)生空轉(zhuǎn)時(shí),由于起動(dòng)電流維持不變,必將使空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速進(jìn)一步上升,加速空轉(zhuǎn),不利于粘著條件的再恢復(fù)。采用恒流起動(dòng)時(shí),必須要有可靠的防空轉(zhuǎn)檢測(cè)、保護(hù)措施,以保證機(jī)車可靠、順利起動(dòng)。1.4.2動(dòng)力制動(dòng)基本要求及制動(dòng)穩(wěn)定性動(dòng)力制動(dòng)是將列車的慣性能轉(zhuǎn)化為電能的一種非摩擦制2024/8/2285動(dòng)方式。根據(jù)電能消耗的形式不同,分為電阻制動(dòng)和再生制動(dòng)。電阻制動(dòng)是將電動(dòng)機(jī)發(fā)出的電能消耗在制動(dòng)電阻上,以熱能的形式散失掉;再生制動(dòng)是將制動(dòng)過程產(chǎn)生的電能回饋到電網(wǎng)上去再利用。采用電氣制動(dòng)可以提高列車運(yùn)行的安全性,提高列車的下坡速度,最小限度的使用空氣制動(dòng),以減少輪緣鋼軌間的摩耗,有利于降低運(yùn)輸成本。1.動(dòng)力制動(dòng)的基本要求在實(shí)施電氣制動(dòng)時(shí),制動(dòng)系統(tǒng)必須要滿足以下幾點(diǎn):要求制動(dòng)系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性,制動(dòng)過程要求平穩(wěn),沖擊力要??;2024/8/2286制動(dòng)調(diào)節(jié)范圍要盡可能大一些;牽引電動(dòng)機(jī)在工況轉(zhuǎn)換時(shí)轉(zhuǎn)換電路要簡單、操作方便。
2.動(dòng)力制動(dòng)的穩(wěn)定性概念由于偶然因素(電網(wǎng)電壓波動(dòng)、線路縱斷面變化等)引起機(jī)車速度變化,破壞了原有的運(yùn)行狀態(tài),制動(dòng)力要能夠適應(yīng)速度的變化,此時(shí)制動(dòng)系統(tǒng)若能建立起新的平衡狀態(tài)或恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài),這種系統(tǒng)就是穩(wěn)定系統(tǒng)。否則為不穩(wěn)定系統(tǒng)。穩(wěn)定的條件:
即制動(dòng)力特性為向上的特性。2024/8/22871.4.3
電阻制動(dòng)在相控電力機(jī)車和直流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車中,牽引電動(dòng)機(jī)基本都采用直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)。由于串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的特性很軟,若作為發(fā)電機(jī)時(shí),輸出電壓穩(wěn)定性很差,因此,在進(jìn)行電阻制動(dòng)時(shí),需要將勵(lì)磁方式由串勵(lì)改為他勵(lì),在電樞繞組中串入制動(dòng)電阻。電機(jī)以他勵(lì)發(fā)電機(jī)方式運(yùn)行時(shí),勵(lì)磁電源由主變壓器(內(nèi)燃機(jī)車由牽引發(fā)動(dòng)機(jī))提供。電阻制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)力取決于電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩,它與勵(lì)磁磁通和制動(dòng)電流有關(guān),即式中
----制動(dòng)電流;2024/8/2288
----勵(lì)磁磁通。電磁轉(zhuǎn)矩的大小可以通過兩種方法來改變:一是改變牽引電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁磁通可改變制動(dòng)轉(zhuǎn)矩;二是通過改變制動(dòng)電流可以改變制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。1.電阻制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)特性制動(dòng)特性是指制動(dòng)力與機(jī)車速度之間的關(guān)系,即
制動(dòng)時(shí)牽引電動(dòng)機(jī)按他勵(lì)發(fā)電機(jī)方式運(yùn)行,它所發(fā)出的電能供給制動(dòng)電阻,電路工作原理如圖1—26所示。可列出此電路的電勢(shì)平衡方程式:
——
制動(dòng)電阻;
——
電樞回路總電阻;
——
制動(dòng)電路總電阻。將此式代入轉(zhuǎn)矩方程式可得到或考慮到機(jī)車制動(dòng)力和速度為:(1--14)(1--15)2024/8/2290式中——牽引電動(dòng)機(jī)臺(tái)數(shù);
——牽引齒輪傳動(dòng)比;
——傳動(dòng)效率,齒輪傳動(dòng)效率與電機(jī)效率的乘積。故機(jī)車/EMU制動(dòng)力可表示為(1--17)(1--16)2024/8/2291由制動(dòng)力公式可知,制動(dòng)力的調(diào)節(jié)可通過改變牽引電動(dòng)機(jī)的磁通或制動(dòng)電流來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)磁通不變(勵(lì)磁電流不變)時(shí),制動(dòng)力與機(jī)車運(yùn)行速度成正比例關(guān)系;當(dāng)制動(dòng)電流不變時(shí),制動(dòng)力與機(jī)車運(yùn)行速度成反比例關(guān)系。
2.制動(dòng)范圍制動(dòng)力的大小與機(jī)車速度、電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)電流和勵(lì)磁電流有關(guān)。由于這些參數(shù)都有一定的限制,同時(shí)考慮到在高速運(yùn)行時(shí),牽引電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定換向限制及機(jī)車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制,或(1--18)2024/8/2292因此制動(dòng)力的大小有一定的限制范圍。在設(shè)計(jì)制動(dòng)裝置時(shí),須先計(jì)算預(yù)期的制動(dòng)特性范圍。進(jìn)行制動(dòng)特性范圍計(jì)算時(shí),需有下列原始數(shù)據(jù):牽引電動(dòng)電樞繞組發(fā)熱所允許的最大電樞電流;牽引電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組發(fā)熱所允許的最大勵(lì)磁電流;牽引電動(dòng)機(jī)的空載和負(fù)載特性曲線;牽引電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、;機(jī)車/EMU最大速度;制動(dòng)電阻值;機(jī)車/EMU傳動(dòng)參數(shù):動(dòng)輪直徑、齒輪傳動(dòng)比等。
制動(dòng)力特性是在理想情況下所獲得的特性,實(shí)際上列車2024/8/2293制動(dòng)時(shí),由于受到牽引電機(jī)、制動(dòng)電阻和機(jī)車自身一些因素的限制,只允許在一定的范圍內(nèi)使用電阻制動(dòng)。制動(dòng)過程一般受到下列五個(gè)因素的制約。
(1)最大勵(lì)磁電流的限制
根據(jù)制動(dòng)力公式(1-17),若勵(lì)磁電流不變,則從牽引電動(dòng)機(jī)空載及負(fù)載特性上得到的也幾乎不變,因此
和成正比,即呈線性關(guān)系。但
受最大勵(lì)磁電流的限制。根據(jù)牽引電機(jī)允許的最大勵(lì)磁電流,求出制動(dòng)力與機(jī)車速度的關(guān)系,如圖1—27中曲線所示。最大制動(dòng)電流是根據(jù)牽引電機(jī)勵(lì)磁繞組在制動(dòng)工況時(shí)的允許溫升而定。oA線的右下方為勵(lì)磁電流的允許工作區(qū)域。2024/8/2294
(2)最大制動(dòng)電流限制最大制動(dòng)電流是根據(jù)牽引電動(dòng)機(jī)電樞繞組和制動(dòng)電阻的允許發(fā)熱容量而定。由于牽引電動(dòng)機(jī)的熱容量較大,因此最大制動(dòng)電流一般取決于制動(dòng)電阻的熱容量。只要制動(dòng)電阻發(fā)熱容量允許,電樞電流在制動(dòng)時(shí)適當(dāng)過載是允許的。為了充分發(fā)揮電阻制動(dòng)的效果,制動(dòng)功率一般等于或大于機(jī)車小時(shí)功率。根據(jù)公式(1-18),保持
不變,并視其余參數(shù)為常數(shù),則
和
成反比,即雙曲線關(guān)系,但
受最大制動(dòng)電流的限制。由最大制動(dòng)電流確定的制動(dòng)力與機(jī)車速度的關(guān)系,如圖1--25中線所示。線的下方為制動(dòng)電流的允許工作區(qū)域。2024/8/2295由此得出機(jī)車能夠?qū)崿F(xiàn)的最大粘著制動(dòng)力為式中——機(jī)車粘著質(zhì)量。如圖1--25中曲線所示。
(4)牽引電動(dòng)機(jī)換向條件的限制(3)粘著力限制根據(jù)《列車牽引計(jì)算規(guī)程》規(guī)定,計(jì)算制動(dòng)時(shí)的粘著系數(shù)應(yīng)比牽引時(shí)低20%,即(1--19)(1--20)2024/8/2296直流牽引電動(dòng)機(jī)在高速時(shí)的換向條件取決于電抗電勢(shì)和片間最高電壓,前者可能引起火花,后者可能會(huì)造成環(huán)火。對(duì)于裝有換向極的牽引電機(jī),由于氣隙中磁場(chǎng)畸變不嚴(yán)重,片間電壓較小,所以隨著機(jī)車速度增加,首先起限制作用的是電抗電勢(shì)。電抗電勢(shì)正比于機(jī)車速度與制動(dòng)電流的乘積,即。要維持在一定的允許值內(nèi),必須隨著機(jī)車速度的提高,相應(yīng)地減小制動(dòng)電流。令,將其帶入制動(dòng)力公式(1—18),可得到制動(dòng)力與電抗電勢(shì)之間的關(guān)系:2024/8/2297由此可見,在電抗電勢(shì)一定時(shí),制動(dòng)力
與速度
的三次方成反比,此時(shí)制動(dòng)力曲線要比恒制動(dòng)電流時(shí)的曲線要陡。在保證牽引電機(jī)可靠換向時(shí),其最高電抗電勢(shì)所對(duì)應(yīng)的制動(dòng)力關(guān)系曲線,與最大制動(dòng)電流下的制動(dòng)曲線相比,制動(dòng)力隨速度的增加而下降得更快,其變化關(guān)系如圖1--25中曲線段所示。片間最高電壓與制動(dòng)電流成正比,而與勵(lì)磁電流成反(1--21)2024/8/2298比,即。
(5)機(jī)車構(gòu)造速度的限制機(jī)車構(gòu)造速度的限制主要是指受到機(jī)車走行部機(jī)械強(qiáng)度的限制,實(shí)際上還可能受到線路允許速度的限制。如圖1--25中曲線所示。綜合以上五種限制條件,可以獲得機(jī)車在電阻制動(dòng)時(shí)的工作范圍區(qū)域,其制動(dòng)特性是按照制動(dòng)電阻等于固定阻值時(shí)求得的。制動(dòng)工作范圍所限定的面積等于制動(dòng)功率。該面積越大,表示調(diào)節(jié)范圍越大。
3.制動(dòng)特性類型電阻制動(dòng)的工作范圍是受到五種因素的限制,但在它允許的工作范圍內(nèi),究竟采用何種類型的制動(dòng)特性,則是根據(jù)需要來確定。制動(dòng)特性的類型主要有三種,即恒勵(lì)磁制動(dòng)、恒電流制動(dòng)和恒速制動(dòng)。
(1)恒勵(lì)磁制動(dòng)特性恒勵(lì)磁制動(dòng)特性為過坐標(biāo)原點(diǎn)的一簇直線,在最大勵(lì)磁電流允許的范圍內(nèi),勵(lì)磁電流越大,直線的斜率也越大。此制動(dòng)特性的制動(dòng)力隨著機(jī)車速度2024/8/22101的變化而成正比例變化,具有較好地機(jī)械穩(wěn)定性,適合于機(jī)車在下坡道上調(diào)節(jié)運(yùn)行速度的要求。電阻制動(dòng)主要作為輔助制動(dòng)方式,應(yīng)用于機(jī)車在下坡時(shí)的速度調(diào)節(jié),應(yīng)用比較廣泛。恒勵(lì)磁制動(dòng)特性曲線如圖1—28所示。(2)恒電流制動(dòng)特性恒電流制動(dòng)特性曲線如圖1—29所示。此制動(dòng)特性為雙曲線,即制動(dòng)力和機(jī)車速度成反比關(guān)系。制動(dòng)電流越大,雙曲線的位置越高。恒電流制動(dòng)特性的制動(dòng)力在很寬廣的范圍內(nèi)隨著速度的升高而降低,機(jī)械穩(wěn)定性較差,但這種制動(dòng)特性能夠充分利用其制動(dòng)功率。DF4、DF11系列內(nèi)燃機(jī)車電阻制2024/8/22103動(dòng)的主要區(qū)域基本上屬于恒電流制動(dòng)特性。
(3)恒速制動(dòng)特性恒速制動(dòng)是一種比較理想的制動(dòng)特性,其制動(dòng)力自動(dòng)與加速力始終保持平衡,只要設(shè)定機(jī)車在下坡時(shí)的運(yùn)行速度,不論線路運(yùn)行條件如何變化,機(jī)車速度將按照預(yù)定速度運(yùn)行。但這種特性只適合在制動(dòng)功率足夠大的機(jī)車上使用才有意義。因?yàn)橹挥兄苿?dòng)功率足夠大時(shí),才能依靠電阻制動(dòng)獨(dú)立完成在下坡道上的調(diào)速任務(wù)。若制動(dòng)功率不足時(shí),還需要借助于空氣制動(dòng)的作用,但這時(shí)機(jī)車速度將不能自動(dòng)調(diào)節(jié)。制動(dòng)特性如圖1—30所示。比較三種制動(dòng)特性,恒速制動(dòng)是一種比較理想的制動(dòng)特2024/8/22104性,但所需的制動(dòng)功率應(yīng)足夠大,相控電力機(jī)車由于受功率的限制,較難滿足要求。因此,電力機(jī)車一般都采用限流準(zhǔn)恒速制動(dòng)特性。如SS3B電力機(jī)車的電阻制動(dòng)特性(限流準(zhǔn)恒速控制)為式中n——制動(dòng)級(jí)位數(shù),n=11~1;v——機(jī)車速度(km/h)。(1--22)2024/8/22105
4.電阻制動(dòng)的不足及改進(jìn)
(1)電阻制動(dòng)的不足列車速度較低(40km/h左右)時(shí),制動(dòng)力與列車速度成正比關(guān)系,速度越低,制動(dòng)電流越小、制動(dòng)力越小,制動(dòng)效果越差。所以,電阻制動(dòng)不能代替空氣制動(dòng),一般只能作為減速制動(dòng),而不能作為停車制動(dòng)。
(2)改進(jìn)方法1---加饋電阻制動(dòng)為了改善電阻制動(dòng)在低速時(shí)制動(dòng)力不足問題,提高低速時(shí)的制動(dòng)能力,實(shí)現(xiàn)低速恒制動(dòng)力特性。在低速區(qū)只要維持制動(dòng)電流不隨電力機(jī)車/EMU速度降低而下降,就可以改變低速時(shí)的制動(dòng)能力,使其按照恒制動(dòng)力制動(dòng)。要維持制動(dòng)電2024/8/22106流不變,必須要有外部電源對(duì)制動(dòng)回路供電,以使制動(dòng)電流(電樞電流)不變,實(shí)現(xiàn)低速恒制動(dòng)力特性,這種方法稱之為“加饋電阻制動(dòng)”。在電力機(jī)車/EMU電阻制動(dòng)中,加饋電源由主變壓器和主整流橋相控輸出整流電壓提供,對(duì)制動(dòng)回路實(shí)施電流加饋,以維持制動(dòng)電流不變,即要維持制動(dòng)電流不變,加饋電壓必須要與發(fā)電機(jī)電勢(shì)同步反向變化,即發(fā)電機(jī)輸出電壓減小多少由Ud補(bǔ)充多少,直至加饋整流橋輸出電壓達(dá)到最大值為止,加饋制動(dòng)結(jié)束。(1--23)
此后,電力機(jī)車將按照最大勵(lì)磁電流特性進(jìn)行制動(dòng)。加饋制動(dòng)過程如圖1-31中A-B段所示,SS3B型電力機(jī)車從A點(diǎn)恒制動(dòng)力運(yùn)行到B點(diǎn),機(jī)車速度已降低到20km/h以下,制動(dòng)范圍明顯擴(kuò)大了。
加饋制動(dòng)要消耗電網(wǎng)功率。從理論上講,加饋電阻制動(dòng)可以作為停車制動(dòng),但需要考慮牽引電動(dòng)機(jī)換向片的載流能力(允許的最大熱容量)。
(2)改進(jìn)方法2---制動(dòng)電阻分級(jí)一般將制動(dòng)電阻分為兩級(jí)。高速時(shí)采用較大阻值的制動(dòng)電阻,以獲得較大的制動(dòng)功率和制動(dòng)力的調(diào)節(jié)范圍;低速時(shí)采用較小阻值的制動(dòng)電阻,以增加低速時(shí)制動(dòng)力。
SS4型電力機(jī)車采用此方法,將制動(dòng)電阻分為1.00052和0.60歐姆兩級(jí)。2024/8/221081.4.4再生制動(dòng)從理論上講,干線電力機(jī)車再生制動(dòng)時(shí)可向電網(wǎng)回饋大量的電能,節(jié)能效果十分可觀。據(jù)文獻(xiàn)資料看,在國外采用再生制動(dòng)的相控電力機(jī)車,可節(jié)能約10~15%,減少閘瓦(片)磨耗2~3倍。但再生制動(dòng)存在著較為嚴(yán)重的問題,制約了其推廣與應(yīng)用。目前在線運(yùn)營的相控電力機(jī)車中,只有少量的機(jī)車使用再生制動(dòng)。但在交流傳動(dòng)電力機(jī)車/EMU中,再生制動(dòng)已成為主要的制動(dòng)方式,空氣制動(dòng)使用率只占3%左右。1.再生制動(dòng)的基本原理再生制動(dòng)時(shí),必須要采用全控式整流電路,其電路如圖1—32所示。2024/8/22110當(dāng)控制角時(shí),整流電壓的平均值為負(fù)值,即制動(dòng)電流可表示為:式中----牽引電機(jī)感應(yīng)電勢(shì),----制動(dòng)回路總電阻,包括電機(jī)電樞繞組電阻、平波電抗器電阻、附加穩(wěn)定電阻。由式(1—24)和式(1—25)可知,調(diào)節(jié)制動(dòng)電流,可(1—24)(1—25)2024/8/22111通過調(diào)節(jié)磁通(勵(lì)磁電流),或逆變器電壓(改變控制角)來實(shí)現(xiàn)。再生制動(dòng)回路的電阻一般不變,但附加穩(wěn)定電阻要從制動(dòng)效率和穩(wěn)定性兩方面綜合考慮。8K電力機(jī)車,消耗制動(dòng)功率約1/3。再生制動(dòng)的調(diào)節(jié)過程一般分為三個(gè)階段:(1)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流機(jī)車在高速時(shí)進(jìn)行再生制動(dòng),為了提高功率因數(shù),可保持逆變器電壓基本恒定且為最大值,通過改變勵(lì)磁電流來調(diào)節(jié)制動(dòng)電流,如圖1—33中BC段所示。隨著機(jī)車2024/8/22112速度的下降,相應(yīng)地增加勵(lì)磁電流,直至達(dá)到額定值為止。勵(lì)磁電流最小值受牽引電機(jī)可靠換向的限制,一般不應(yīng)小于牽引電機(jī)額定電流的40%。在這一區(qū)段,制動(dòng)力受到制動(dòng)功率及牽引電機(jī)安全換向的限制,隨著機(jī)車速度的增加,制動(dòng)力相應(yīng)地要減小。(2)調(diào)節(jié)逆變器電壓當(dāng)勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)到額定值后維持恒定,然后調(diào)節(jié)控制角改變逆變器電壓,減小可維持制動(dòng)電流恒定,即制動(dòng)力不變,其特性如圖1—33中AB段所示。
2024/8/22113(3)加饋電阻制動(dòng)逆變器轉(zhuǎn)變?yōu)檎鞴r運(yùn)行,電壓極性改變。從式(1—25)可知,制動(dòng)電流是由電樞電勢(shì)和整流電壓共同產(chǎn)生,可保持機(jī)車在低速時(shí)制動(dòng)力不變,如圖1—33中虛線所示。圖中的OA線的斜率取決于制動(dòng)回路電阻的大小,電阻值越小,相應(yīng)A點(diǎn)的速度越低。此電阻值一般小于電阻制動(dòng)機(jī)車的制動(dòng)電阻。上述三種工況中,只有前兩種工況為再生工況,其功率因數(shù)取決于控制方式。其控制方式包括提前角恒定控制和晶閘管恢復(fù)阻斷角恒定控制兩種。2024/8/221152.再生制動(dòng)控制方式(1)提前角控制提前角由換向重疊角和晶閘管恢復(fù)阻斷角組成,即。晶閘管關(guān)斷需要一定的時(shí)間,因?yàn)楣杵d流子恢復(fù)需要一定的時(shí)間,約為幾十到幾百微秒。對(duì)于50Hz工頻來說。為了留有足夠的裕量,角一般取
。換向重疊角是隨制動(dòng)電流、回路電抗和變壓器電壓(換向電勢(shì))而變化??刂票仨毧紤]到最不利的情況,即、和,由此可計(jì)算出換向重疊角可達(dá)。2024/8/22116若認(rèn)為換向期間電流按線形關(guān)系變化,交流電流應(yīng)在換向重疊角的一半處過零,因此基波功率因數(shù)可表示為:若粗略地估算基波功率因數(shù),可忽略換向重疊角的影響,則有:由此可見,角大小對(duì)功率因數(shù)的影響很大。在角期間不是在反饋電能,而是從電網(wǎng)吸收電能,這樣將會(huì)顯(1—26)(1—27)2024/8/22117著地減小再生制動(dòng)回饋能量的平均值,結(jié)果是功率因數(shù)下降嚴(yán)重,為此需要對(duì)角進(jìn)行控制。
(2)晶閘管恢復(fù)阻斷角控制選取足夠的,使其恒定,這時(shí)提前角將隨著換向重疊角的變化而自動(dòng)地進(jìn)行調(diào)節(jié)。在角減小時(shí),角相應(yīng)地減小,故功率因數(shù)有所提高。這種控制方式需要精確地檢測(cè)出換向重疊角的大小。8K機(jī)車采用此控制,。2024/8/22118
3.再生制動(dòng)在相控電力機(jī)車中存在的主要問題(1)再生制動(dòng)時(shí)功率因數(shù)很低。相控電力機(jī)車的主要缺點(diǎn)之一是功率因數(shù)偏低,在再生制動(dòng)工況時(shí)功率因數(shù)更低,一般只有0.5左右。(2)諧波分量增加,對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。再生制動(dòng)時(shí)電網(wǎng)電壓與電流波形畸變比牽引時(shí)嚴(yán)重,特別是在換相期間波形畸變更為嚴(yán)重。(3)再生制動(dòng)的控制系統(tǒng)較復(fù)雜。再生制動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差,制動(dòng)力的調(diào)節(jié)既可通過調(diào)節(jié)牽引電機(jī)的他勵(lì)電2024/8/22119流,也可通過對(duì)逆變器輸出電壓的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn),控制過程較復(fù)雜且控制精度較高,因?yàn)閯?lì)磁電流或逆變器電壓即使出現(xiàn)很小的變化,將會(huì)引起制動(dòng)電流(制動(dòng)力)很大的波動(dòng)。為此在制動(dòng)電路中一般都設(shè)有附加的穩(wěn)定電阻,以限制制動(dòng)電流的變化,提高再生制動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,但穩(wěn)定電阻的存在將使再生回饋電能減少,制動(dòng)效率下降。(4)再生制動(dòng)的機(jī)車必須要采用全控橋,對(duì)觸發(fā)控制系統(tǒng)可靠性要求很高。機(jī)車在牽引工況下若出現(xiàn)丟失觸發(fā)脈沖時(shí),將使整流輸出電壓下降,負(fù)載電流及牽引力相應(yīng)2024/8/22120減小,對(duì)機(jī)車的運(yùn)行影響有限;在再生制動(dòng)時(shí),若丟失觸發(fā)脈沖,則意味著不能進(jìn)行正常換相,將造成再生的顛覆,即交、直流電壓疊加短路,對(duì)逆變?cè)蜖恳姍C(jī)的安全運(yùn)行帶來嚴(yán)重威脅。(5)動(dòng)力集中式機(jī)車采用電氣制動(dòng)時(shí),對(duì)線路和車輛的要求較高。因?yàn)橹苿?dòng)力集中于機(jī)車動(dòng)輪上,不像空氣制動(dòng),制動(dòng)力是通過閘瓦(片)均勻地作用于整個(gè)列車上,也不像動(dòng)力分散型的列車,制動(dòng)力合理地分布在列車各動(dòng)軸上。在線路曲線上實(shí)施電氣制動(dòng)時(shí),機(jī)車后面的車輛慣性力將產(chǎn)生橫向作用力,直接作用于線路。2024/8/221211.5相控調(diào)壓電力機(jī)車功率因數(shù)的改善1.5.1相控調(diào)壓電力機(jī)車的評(píng)價(jià)指標(biāo)提高機(jī)車功率因數(shù)和降低高次諧波電流,對(duì)節(jié)約能源具有重要的意義。國家電力、通訊主管部門對(duì)各種用戶的功率因數(shù)及諧波分量都有明確地要求,并作為強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)必須貫徹執(zhí)行。
1.相關(guān)主管部門的具體規(guī)定
電力部門按照平均功率因數(shù)等于0.9作為對(duì)用戶的考核、計(jì)費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)。2024/8/22122電力及通信部門規(guī)定:各供電電壓下電網(wǎng)電壓正弦波的畸形率,在110kV電網(wǎng)側(cè)限值為1.85%,機(jī)車注入電網(wǎng)三次和五次諧波分量的限制值分別為3.9A和4.0A,即干擾電流的等效值I3=3.9A、I5=4.0A。由此可見,功率因數(shù)和諧波分量作為兩個(gè)強(qiáng)制指標(biāo),它反映了整流調(diào)壓電路的性能,代表了相控電力機(jī)車的性能、造價(jià)。因此,相控調(diào)壓電力機(jī)車的評(píng)價(jià)指標(biāo)有兩個(gè),即功率因數(shù)PF和諧波電流干擾。
2.等效干擾電流2024/8/22123相控調(diào)壓電力機(jī)車的功率因數(shù)等于電流畸變系數(shù)與基波相位系數(shù)DF
的乘積,即。相位移系數(shù)主要取決于控制角和換向重疊角。電流畸變系數(shù)或諧波系數(shù)HF變化范圍不大,其中主要是三次、五次諧波含量。如果按理想狀態(tài)考慮,換向重疊角,平波電抗
,電流波形為矩形波,若采用傅氏級(jí)數(shù)分解,可得到各次諧波幅值之間的關(guān)系為。實(shí)際上換向重疊角總是存在的,,平波電抗,各次諧波分量要2024/8/22124比理想狀態(tài)小一些,一般可按照來估算。高次諧波電流雖然對(duì)功率因數(shù)的影響不甚顯著,但存在著兩個(gè)不利因素:其一,三次、五次諧波是諧波中的主要成份,將引起電網(wǎng)電壓波形發(fā)生畸變,影響供電質(zhì)量,因此電力部門對(duì)三次、五次諧波需要進(jìn)行限制;其二是對(duì)電氣化鐵路附近的通訊線路產(chǎn)生電磁干擾,通訊部門對(duì)等效干擾電流有一定的限制。各種諧波頻率引起的干擾噪音是不同的,其中以1000Hz左右最為明顯。2024/8/22125國際電信電話咨詢委員會(huì)規(guī)定,將800Hz的干擾噪音規(guī)定為1,其他頻率的干擾噪音需折合到800Hz的干擾水平上??偟牡刃Ц蓴_電流可表示為:式中----第n次諧波電流有效值;----雜音評(píng)價(jià)系數(shù),。
各頻率下的雜音評(píng)價(jià)系數(shù)如表1—1所示。(1—28)頻率(Hz)頻率(Hz)16.660.056750955500.7180010001008.91850103515035.5100011222501781150103535037612001000450582135092855073315008616508512000708雜音評(píng)價(jià)系數(shù)表1—1
2024/8/221271.5.2提高功率因數(shù)的作用
隨著大功率半導(dǎo)體變流裝置的廣泛應(yīng)用,相控電力機(jī)車如何提高功率因數(shù)、減小諧波分量已是十分迫切的問題。減小無功功率不僅可以提高機(jī)車功率的利用率,而且可使電網(wǎng)電壓穩(wěn)定,改善供電的品質(zhì),提高電網(wǎng)的供電效率。因此,用戶和供電部門雙方都希望在設(shè)備設(shè)計(jì)和運(yùn)行時(shí)應(yīng)保證高功率因數(shù)。
設(shè)電網(wǎng)的阻抗標(biāo)幺值為,電力機(jī)車的有功功率和無功功率分別為和,由阻抗引起的電壓降:
因?yàn)椋瑒t電壓降的標(biāo)幺值變?yōu)?,即電網(wǎng)壓降與機(jī)車的無功功率大小成正比,所以減小無功功率將使電力機(jī)車端獲得較高的電壓,可增加機(jī)車的速度或牽引力。通過上述分析可知,改善電力機(jī)車的功率因數(shù)不僅有利于提高電網(wǎng)電能的利用率和供
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