模塊1 交-直流電力傳動系統(tǒng)《列車電力傳動與控制》教學(xué)課件

《列車電力傳動與控制》?精品課件合集第X章XXXX模塊1

交-直流電力傳動系統(tǒng)第1章交-直流電力傳動系統(tǒng)

1.1電力傳動系統(tǒng)的組成

1.2交-直流傳動電力機車/EMU速度調(diào)節(jié)

1.3交-直流傳動電力機車/EMU的調(diào)壓方式

1.4電力機車/EMU的起動與動力制動

1.5

相控調(diào)壓電力機車功率因數(shù)的改善2024/8/224

交-直流傳動系統(tǒng)是指機車或動車組采用交流電源供電經(jīng)變流器變換為直流電，供給直流牽引電動機驅(qū)動機車或動車組運行的傳動系統(tǒng)，是直流傳動系統(tǒng)的主要傳動方式。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)的牽引動力裝置有電力機車與內(nèi)燃機車之區(qū)別。在直流傳動系統(tǒng)中，電力傳動內(nèi)燃機車經(jīng)歷了直-直流傳動、交-直流傳動兩個階段。直-直流傳動機車因技術(shù)原因已被淘汰，交-直流傳動機車/動車組技術(shù)成熟、性能可靠，保有量很大，仍在許多國家、地區(qū)作為主型機車繼續(xù)服役。對于直流傳動電力機車/EMU，沒有經(jīng)過直-直流傳動階段，只經(jīng)歷了交-直流傳動階段。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調(diào)壓、2024/8/225調(diào)壓開關(guān)與晶閘管結(jié)合的級間平滑調(diào)壓和相控?zé)o級調(diào)壓。調(diào)壓開關(guān)與二極管組合的有級調(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)合的級間平滑調(diào)壓是介于有級調(diào)壓與無級調(diào)壓方式之間的一種過渡調(diào)壓方式，應(yīng)用較少，國產(chǎn)電力機車中只有SS3型電力機車采用此電路。晶閘管相控平滑調(diào)壓作為交-直流傳動電力機車/EMU的主要調(diào)壓方式，技術(shù)成熟、運行可靠,仍有大量的相控電力機車/EMU在應(yīng)用。國產(chǎn)電力機車SS3B~SS9G

，日本新干線100、200、400系動車組均為相控調(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)、計算機技術(shù)以及控制理論的發(fā)展而發(fā)展。西方發(fā)達國家早在20世紀90年代已經(jīng)停止了直流傳動機車的制造，全面進2024/8/226入交流傳動時代，新造機車/動車組全部采用交流傳動系統(tǒng),其交流傳動機車、動車組的應(yīng)用已很成熟。我國目前在線運用的機車絕大多數(shù)屬于交-直流傳動機車。交流傳動機車、動車組在我國還處于起步發(fā)展階段。我國曾研發(fā)了個別車型的交流傳動機車，但由于受關(guān)鍵技術(shù)、成本等因素制約，只在機車型譜里占了一個位置，沒有形成批量。當(dāng)前正在引進的和諧系列機車、動車組均采用交流傳動系統(tǒng)，這將確定了我國牽引動力的發(fā)展方向，必然是走交流傳動之路。直流電力傳動技術(shù)(機車)的發(fā)展概略為：2024/8/227本章主要介紹電力機車、EMU的直流傳動系統(tǒng)，圍繞基本組成、牽引與制動等主要方面，進行系統(tǒng)分析。1.1電力牽引傳動系統(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力裝置的傳動系統(tǒng)。牽引動力裝置主要指電力機車、電動車組（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，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力裝置部分。這里只討論牽引動力裝置的傳動系統(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機的主電路部分。交-直流傳動的電力機車及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），為直流牽引電動機提供電能。直流牽引電動機將電能轉(zhuǎn)換為機械能，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩驅(qū)動輪對旋轉(zhuǎn)，在輪軌間產(chǎn)生牽引力，驅(qū)動機車運行。電力機車/EMU的電力傳動系統(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、牽引電動機、平波電抗器、制動電阻及其相聯(lián)接的電氣設(shè)備組成，是機車產(chǎn)生牽引力和制動力的主體電路，它應(yīng)滿足機車起動、調(diào)速及制動三個基本工作狀態(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械拖動電動機等組成。劈相裝置將單相交流電變換為三相交流電，供給各輔助機械拖動電動機。它是保證主電路發(fā)揮功率和實現(xiàn)牽引性能所必需的電路?？刂齐娐肪褪菆?zhí)行司機的控制命令或意圖，完成對主電路、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、調(diào)速及制動是列車運行的基本規(guī)律，它們是通過電力機車/EMU主電路、控制電路和輔助電路共同作用實現(xiàn)的。為了充分發(fā)揮機車/EMU的功率，實現(xiàn)多拉快跑，就要求機車/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，電力機車/EMU主電路必須保證牽引電動機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速都可作獨立的調(diào)節(jié)，而且要有寬廣的調(diào)節(jié)范圍。

起動、調(diào)速及制動是列車運行的基本規(guī)律，它與主電路結(jié)構(gòu)、牽引電動機的配置與供電方式、調(diào)速方式、動力制動方式都有著密切關(guān)系。2024/8/22131.2交-直流傳動電力機車/EMU速度調(diào)節(jié)

電力機車/EMU主電路是高電壓、大電流的大功率動力回路。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，會在很大程度上決定著機車/EMU的基本性能。電力機車/EMU性能的好壞，技術(shù)上的難易程度，投資的多少，以及它運行費用的高低和可靠性等重要技術(shù)經(jīng)濟指標，均與主電路的設(shè)計密切相關(guān)。交-直流傳動電力機車/EMU速度的調(diào)節(jié)，是通過對直流(脈流)牽引電動機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)的，因此，電力機車/EMU的調(diào)速問題歸根到底就是對牽引電動機如何調(diào)速的問題。2024/8/2214機車調(diào)速是指人為地改變牽引電動機的工作參數(shù)使其轉(zhuǎn)速發(fā)生改變的運行過程，它有別于外部擾動（電壓變化、線路基本狀態(tài)變化等）引起地轉(zhuǎn)速變化。機車對調(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)濟性指標要高，調(diào)速系統(tǒng)運行要求可靠。2024/8/22151.2.1直流牽引電動機的工作特性為了便于進行調(diào)速分析，在此將直流牽引電動機的勵磁方式及工作特性作一簡單回顧。

1.直流牽引電機的勵磁方式直流牽引電動機在結(jié)構(gòu)上與普通直流電動機基本相同。直流電機的性能取決于勵磁繞組的供電方式即勵磁方式，不同勵磁方式的電機，性能差異很大。按勵磁方式的不同可分為：他勵、并勵、串勵、復(fù)勵。他勵、并勵、串勵、復(fù)勵都可用以直流電動機，對于直流發(fā)電機只能采用他勵、并勵和復(fù)勵，不允許采用串勵方式。直流牽引電動機一般采用串勵方式，只有個別系統(tǒng)中采用串勵為主的他復(fù)勵方式。(1)直流他勵電動機他勵直流電動機是一種勵磁繞組C1-C2與電樞繞組S1-H2無電路聯(lián)接關(guān)系，由其它直流電源對勵磁繞組供電的直流電動機，如圖1-3a所示。勵磁繞組又稱他勵繞組，其主磁場與電樞電流無關(guān)，勵磁電流僅取決于他勵電源的電動勢和勵磁電路的總電阻，而不受電樞端電壓的影響。永磁直流電機也可看作是他勵直流電機。

(2)直流并勵電動機并勵電動機的勵磁繞組C1-C2與電樞繞組S1-H2相并聯(lián)，勵磁電壓始終等于電樞電壓，Uf

=Ua、If+Ia=I,如圖1-3b所示。

(3)直流串勵電動機串勵電機的勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)，如圖1—3c所示。它的勵磁電流就是電樞電流，即。勵磁繞組又稱串勵繞組。串勵繞組電流較大，因此要求串勵繞組應(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)勵直流電機這種電機的主磁極上有兩個勵磁繞組，一個同電樞繞組串聯(lián)（稱為串勵繞組C1-C2），另一個同電樞繞組無連接關(guān)系(稱為他勵繞組C3-C4)，如圖1—3d所示。他復(fù)勵電動機的特性總是介于串勵、他勵電機特性之間。作為牽引電動機主要以串勵成分為主，它保持了串勵和他勵方式的優(yōu)點，克服了缺點與不足，可以靈活地獲得優(yōu)異的工作特性。牽引電機根據(jù)列車的運行狀態(tài)(即牽引與制動狀態(tài))，工作在電動機工況和發(fā)電機工況。電動機工況采用串勵方式，將電能轉(zhuǎn)換為機械能，為列車產(chǎn)生牽引動力；發(fā)電機工況采用他勵方式，將吸收列車慣性能量，將其轉(zhuǎn)化為電能，對列車產(chǎn)生制動力。2024/8/2219

2.直流牽引電動機的工作特性工作特性是指當(dāng)電源電壓及勵磁電流不作人為調(diào)節(jié)時，電動機的轉(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：對于他勵（并勵）電動機，若不計電樞反應(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(并勵)電動機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

對于串勵電動機，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，，其中串勵繞組的電阻。由此可看出，串勵電動機的速率特性是一條等邊雙曲線——軟特性。當(dāng)負載電流增加時，其轉(zhuǎn)速隨負載的增加而迅速下降。當(dāng)負載很小時，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。因此,串勵電動機不允許空載運行和輕載運行。在選擇傳動方式時不允許采用皮帶傳動或鏈條傳動等間歇傳動方式。

(2)轉(zhuǎn)矩特性

串勵電動機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，。此時電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比。所以，串勵電動機其電磁轉(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，串勵電動機的起動、過載能力都大于其它電動機。串勵電動機的工作特性如圖1—4所示。

(3)機械特性

串勵電動機的機械特性是指時，。從電動機的電壓方程可知：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

串勵電動機的機械特性也是一條軟特性，隨著電磁轉(zhuǎn)矩的增加，電動機的轉(zhuǎn)速迅速下降，即。1.2.2牽引電動機特性分析串勵電動機由于具有“軟特性”，因此與他勵電動機相比，在相同的負載變化時，串勵電動機可有更大的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩變化。在內(nèi)燃機車電力傳動裝置中，牽引電動機由恒功率電源供電，可使?fàn)恳妱訖C在電源電壓較小變化時具有較大的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩變化，故調(diào)速容易，調(diào)速范圍廣，可見串勵電動機更適合機車牽引。在電傳動機車上，一般總有幾臺牽引電動機同時并聯(lián)運行，由于電動機的特性不可能完全一致，或者電動機驅(qū)動的動輪直徑不完全相等，因此，這些都將使各電動機之間的負載分配不均勻。當(dāng)兩臺并聯(lián)運行的電動機轉(zhuǎn)速相同時，由于性能的差異2024/8/2226而導(dǎo)致負載電流分配出現(xiàn)不均勻，此時牽引電動機之間的負載分配關(guān)系如圖1—6所示。對于串勵電動機而言，由于具有軟特性，這種負載分配的不均勻性遠較他勵電動機小得多，可防止個別電動機在運行時發(fā)生嚴重過載現(xiàn)象。在牽引電動機獨立傳動的情況下，當(dāng)機車起動或爬坡時，經(jīng)常發(fā)生動輪和鋼軌之間因粘著條件的破壞而使動輪空轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，在這種情況下，串勵電動機的軟特性不利于粘著條件的恢復(fù)。而他勵電動機的硬特性卻有利于防止動輪空轉(zhuǎn)，因為在出現(xiàn)空轉(zhuǎn)時他勵電動機電樞電流和轉(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、并勵牽引電動機的防空轉(zhuǎn)能力比較如圖1—7所示。1.2.3直流牽引電動機的調(diào)速方式根據(jù)直流牽引電動機轉(zhuǎn)速表達式

可知，直流牽引電動機的調(diào)速可通過改變電樞兩端電壓和減小磁通來實現(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)負載一定時，若忽略電樞回路的電阻壓降，可認為電動機的轉(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，對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為調(diào)節(jié)電壓所能達到的最高轉(zhuǎn)速，即改變電樞端電壓調(diào)速是以額定電壓對應(yīng)轉(zhuǎn)速為最高轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法。2024/8/2229調(diào)速時直流牽引電動機的電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)牽引電動機在電樞端電壓U1、電樞電流Ia1下，以轉(zhuǎn)速n1在a點穩(wěn)定運行時，若提高電壓至U2，原有的平衡狀態(tài)被破壞，由于機械慣性很大，在電壓發(fā)生突變的瞬間，轉(zhuǎn)速來不及變化，電動機的反電勢Ea也將保持不變，而電樞電流Ia必將突然增大到Ia2，電動機的工作點由a點跳變到電壓U2對應(yīng)的速率特性曲線上的b點，如圖1-8所示。在b點，Ia2>>Ia1，電動機的電磁轉(zhuǎn)矩也遠大于負載轉(zhuǎn)矩，根據(jù)牛頓定律，電動機將以很高的加速度加速運行，轉(zhuǎn)速沿著電壓U2對應(yīng)的速率特性曲線上升。若負載未變?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，電動機轉(zhuǎn)速上升到了n2，電樞電流再次恢復(fù)到了Ia1，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩相平衡，電動機將在c點穩(wěn)定運行，此時轉(zhuǎn)速因電壓提高而升高到了n2。改變電壓調(diào)速時的速率特性如圖1-8所示。2024/8/2231

2.弱磁調(diào)速

對于機車/動車組而言，只有當(dāng)調(diào)壓資源用盡后才開始實施磁場削弱調(diào)速，即進行磁場削弱調(diào)速時，電源電壓達到最大值且保持不變。若不考慮電樞回路的電阻壓降，則有

即磁削后電動機轉(zhuǎn)速升高，轉(zhuǎn)速與磁通基本成反比關(guān)系。削磁后的轉(zhuǎn)速都高于額定磁場時的轉(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。在負載一定時進行磁削，電動機的電磁轉(zhuǎn)矩保持不變，即(1--3)2024/8/2232

也就是說，磁削前后電動機的電樞電流與磁通成反比關(guān)系。磁削后電樞電流將會增大，轉(zhuǎn)速升高，這對電動機換向帶來困難。通過對串勵繞組電流進行分流，可實現(xiàn)磁場削弱。一般采用在串勵繞組兩端并聯(lián)分流電阻或接入可控元件的方法實現(xiàn)，電路如圖1—10所示。若在串勵繞組兩端并聯(lián)固定阻值的分流電阻，其磁通不能連續(xù)變化，只能是有級變化，這種磁削方法稱為電阻有級磁削。(1--4)2024/8/2235若在串勵繞組兩端并聯(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，就可以實現(xiàn)對勵磁電流的連續(xù)調(diào)節(jié)，達到無級削磁的目的。此方法只適合于電力機車/EMU。

磁場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并入的方法。磁削深度一定時，磁削電阻的并入級數(shù)越多，產(chǎn)生的沖擊電流越小，電動機調(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)的級數(shù)以2--3級為宜。

(2)可控元件分流磁削在勵磁繞組兩端并聯(lián)可控元件，調(diào)節(jié)可控元件的控制角就可以連續(xù)改變勵磁電流的大小，實現(xiàn)無級磁場削弱?？煽卦话悴捎镁чl管，依靠電源電壓過零點時自然換向，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，對磁削深度必需要加以控制。在保證牽引電動機可靠換向的前提下，盡可能采用較深的磁削深度，以提高牽引電動機的調(diào)速范圍，一般。采用磁場削弱的方法調(diào)速，調(diào)速范圍較大，調(diào)速在勵磁回路進行，附加能耗較小，調(diào)速前后電動機的效率變化不大，是一種經(jīng)濟的調(diào)速方法。它的缺點主要是使?fàn)恳妱訖C換向條件惡化，磁削較深時容易發(fā)生環(huán)火。因此，必須要限制磁削的深度。機車在平直線路上實施磁削可提高運行速度，在上坡線路上進行磁削可實現(xiàn)恒速運行。2024/8/22381.3交-直流傳動電力機車/EMU的調(diào)壓方式電力機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。交直流傳動電力機車的調(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，對應(yīng)的調(diào)壓方式可分為有級調(diào)壓和無級調(diào)壓兩大類。采用單相不可控整流電路（單拍全波整流）的電力機車已基本上退役。目前正在服役的交直流傳動電力機車，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級調(diào)壓。2024/8/2239

一、單相不可控整流電路電力機車采用調(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)，完成對輸出電壓的有級調(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)繞組在電源正負半波交替工作，整流器也是正負半波輪流工作。在一個周期中，正負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行分解，可計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：

功率因數(shù)高達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、電流的脈動情況單相整流由于在一個周期中最多只有兩個脈波，因此電壓波動較大，這必將引起電流的脈動。電流的脈動與負載的性質(zhì)有關(guān)。整流電壓、電流的脈動情況用脈動系數(shù)來表示。整流電壓脈動系數(shù)整流電流脈動系數(shù)其中，、、分別為電流的最大值、最小值和平均值。(1--10)對于純電阻負載，。對于電力機車，整流電路的負載為反電勢負載，若不串入平波電抗器，整流電流的脈動要比電阻性負載大一些。電流的脈動不利于牽引電動機換向。因此，在電樞回路串入平波電抗器是減小電流脈動的有效措施。當(dāng)電樞回路中串入平波電抗器后，若電流發(fā)生變化時，平波電抗器產(chǎn)生自感電勢將阻止電流的變化，可減小電流的(1--11)

工程設(shè)計中2024/8/2248脈動。從電流脈動系數(shù)表達式可看出,電流的脈動與整流器輸出電壓、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。對于電力機車脈流牽引電動機要求,而,只要，就可保證。也就是說，負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機的換向穩(wěn)定性要求。電力機車/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-直流傳動電力機車/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)壓的電力機車/EMU只能進行電阻制動，全控式調(diào)壓的電力機車可以進行再生制動。從我國現(xiàn)服役的電力機車來看，在數(shù)量上采用半控式整流電路的機車較多，全控式整流電路機車相對要少一點。1.全控橋式整流電路全控橋式整流電路如圖1—14所示。組成一對橋臂，組成另一對橋臂。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，。負載中由于電感的存在使得負載電流不能突變，電感對負載電流起到平波作用。假設(shè)負載電感足夠大，負載電流將連續(xù)且波形近似為一水平線。在過零進入負半周時，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??？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：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，可以進行再生制動，不需要進行電路的切換。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)，在不需要再生制動的電力機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，向負載回路供電，。負載回路中由于電感的存在使得負載電流不能突變，電感對負載電流起到平波作用。假設(shè)負載回路電感足夠大，負載電流將連續(xù)且波形近似為一水平線。在過零進入負半周時，繼續(xù)導(dǎo)通，因點電位已低于點電位，導(dǎo)通，關(guān)斷，電流不再經(jīng)過變壓器二次繞組，而是由和進行續(xù)流，此時，若不考慮器件的通態(tài)壓降，則，。

2024/8/2259在負半波觸發(fā)脈沖到來時刻，被觸發(fā)導(dǎo)通，同時向加反向電壓將其關(guān)斷，經(jīng)向負載回路供電。在過零變正進入正半周時，導(dǎo)通,關(guān)斷，由和進行續(xù)流，輸出電壓變?yōu)榱悖?。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)計時應(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)計算過程很復(fù)雜，在此不再贅述，只給出表達式供參考。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期內(nèi)，網(wǎng)壓與電流極性是相反的，表明電源不向負載傳遞功率，而是負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載，負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

電力機車/EMU相控調(diào)壓方式選擇在交直流傳動電力機車/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，這些直接影響機車性能和機車成本。采用何種調(diào)壓方式，要與機車的用途、使用范圍、使用條件等因素綜合考慮，力求機車具有較高的性價比。根據(jù)對各種整流電路性能的分析，現(xiàn)將各種調(diào)壓方式的優(yōu)點及應(yīng)用范圍作一匯總，供選擇使用。橋式整流電路對變壓器的利用率要比中抽式高，一般都采用橋式整流電路。若需要進行再生制動，整流電路必須采用全控式，能2024/8/2264夠在四象限運行。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，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。在相控電力機車中，采用全控式整流電路能夠進行再生制動，在某種意義上講節(jié)約能源，但工作在再生制動時，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，對電網(wǎng)產(chǎn)生嚴重干擾，嚴重影響電網(wǎng)功率因數(shù)，需增加補償容量和補償設(shè)備，從經(jīng)濟角度看往往是不合算的。再生制動的控制系統(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，也將使制動電流/制動力產(chǎn)生很大的波動，系2024/8/2265統(tǒng)的穩(wěn)定性較差。因此，在相控電力機車/EMU中較少采用再生制動方式。絕大多數(shù)相控機車/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?。相控電力機車的主要特點：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、機車運行平穩(wěn)，但功率因數(shù)較低，一般只能達到0.82左右，諧波干擾電流較大。

相控式電力機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車最多采用了四段半控整流橋，大多數(shù)電力機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)一般可達到0.80--0.84左右，實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)繞組由兩段完全對稱的繞組組成，各自接有半控橋式整流電路，兩個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：在機車起動時，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達到滿開放時，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，此時電流和輸出電壓波形如圖1—18所示。當(dāng)VT3、VT4滿開放時，輸出電壓達到額定電壓，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：

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型電力機車采用兩段半控橋順序控制。

SS5、8K、SS7/B/C型電力機車盡管采用了兩段橋順序控制電路，但只有一段橋為半控橋，另一段橋采用全控橋。這類機車既利用了半控橋功率因數(shù)高之特點，又可以實施再生制動，對改善機車牽引性能、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)計為兩段完全對稱的繞組，將其中一段繞組設(shè)計為中抽式，這樣在二次側(cè)就可獲得三段不對稱繞組。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，這樣就形成了一個四臂橋（大橋）和一個六臂橋（2個小橋），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，進行移相控制，調(diào)節(jié)輸出電壓。當(dāng)VT3、VT4全開放時，輸出電壓達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，進行移相控制。當(dāng)VT5、VT6全開放時，輸出電壓達到額定值。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，成為相控電力機車/EMU主要的調(diào)壓模式。目前許多干線相控電力機車都采用此整流調(diào)壓方式，如SS3B、SS4G/B、SS6B、SS8、SS9/G、SS7D/E等電力機車。2024/8/2277

3.三段不等分繞組構(gòu)成的經(jīng)濟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，達到等分四段橋的效果。

控制過程是先對中抽式半控橋進行移相順序控制，待其完全開放時，對普通半控橋進行開關(guān)控制，使其完全開放，這時將中抽式半控橋承擔(dān)的輸出電壓（負載）全部轉(zhuǎn)移到普通半控橋上，同時封鎖中抽式半控橋，重新對中抽式半控橋進行移相順序控制，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VT3、VT4、VD3、VD4橋進行移相控制，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，整流電壓已達到額定值的一半。通過邏輯控制將中抽式繞組上(Ⅰ、Ⅱ段)上的負載全部轉(zhuǎn)移到普通半控橋上去，即應(yīng)將a2x2繞組上的負載轉(zhuǎn)移到a1x1繞2024/8/2280組。因為它們的匝數(shù)完全相等，輸出電壓相同，只要控制合理，可以實現(xiàn)無電壓差、無電流沖擊的平滑轉(zhuǎn)移。轉(zhuǎn)移時刻一般選擇在電壓自然過零點處，在半控橋換向重疊角期間完成轉(zhuǎn)移，對VT3、VT4和VT5、VT6完成觸發(fā)脈沖封鎖，同時應(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VT3、VT4施加觸發(fā)脈沖，使繞組a2b2再次投入工作，進行移相控制，整流電壓達到（1/2～3/4）Ud。此段控制的關(guān)鍵是實現(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型電力機車整流調(diào)壓電路采用了經(jīng)濟四段橋，但是在運用中發(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，常會出現(xiàn)故障。經(jīng)濟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機車中，放棄了此電路，改為三段不等分半控橋電路，運用效果很好。2024/8/22831.4電力機車/EMU的起動與動力制動起動與制動是電力機車/EMU運行中的基本狀態(tài)。在起動時，要能夠充分利用粘著條件，使機車產(chǎn)生足夠的牽引力，保證機車順利起動；動力制動就是利用電機的可逆原理，在實施制動時將電動機改為發(fā)動機運行，吸收列車的慣性能量，將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茌敵?，在機車/EMU轉(zhuǎn)軸上產(chǎn)生與運行方向相反的阻力性轉(zhuǎn)矩，阻礙列車運行，對列車實施制動。1.4.1

起動

1.起動的基本要求起動過程要平穩(wěn)；產(chǎn)生足夠大的起動牽引力，獲得一定的起動加速度。2024/8/2284

2.起動方式一般采用恒電流起動，起動電流可以接近于受粘著限制的最大起動電流，能夠產(chǎn)生很大的起動牽引力，起動加速較大，即但當(dāng)發(fā)生空轉(zhuǎn)時，由于起動電流維持不變，必將使空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速進一步上升，加速空轉(zhuǎn)，不利于粘著條件的再恢復(fù)。采用恒流起動時，必須要有可靠的防空轉(zhuǎn)檢測、保護措施，以保證機車可靠、順利起動。1.4.2動力制動基本要求及制動穩(wěn)定性動力制動是將列車的慣性能轉(zhuǎn)化為電能的一種非摩擦制2024/8/2285動方式。根據(jù)電能消耗的形式不同，分為電阻制動和再生制動。電阻制動是將電動機發(fā)出的電能消耗在制動電阻上，以熱能的形式散失掉；再生制動是將制動過程產(chǎn)生的電能回饋到電網(wǎng)上去再利用。采用電氣制動可以提高列車運行的安全性，提高列車的下坡速度，最小限度的使用空氣制動，以減少輪緣鋼軌間的摩耗，有利于降低運輸成本。1.動力制動的基本要求在實施電氣制動時，制動系統(tǒng)必須要滿足以下幾點：要求制動系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性，制動過程要求平穩(wěn)，沖擊力要小；2024/8/2286制動調(diào)節(jié)范圍要盡可能大一些；牽引電動機在工況轉(zhuǎn)換時轉(zhuǎn)換電路要簡單、操作方便。

2.動力制動的穩(wěn)定性概念由于偶然因素（電網(wǎng)電壓波動、線路縱斷面變化等)引起機車速度變化,破壞了原有的運行狀態(tài)，制動力要能夠適應(yīng)速度的變化，此時制動系統(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：

即制動力特性為向上的特性。2024/8/22871.4.3

電阻制動在相控電力機車和直流傳動內(nèi)燃機車中，牽引電動機基本都采用直流串勵電動機。由于串勵電動機的特性很軟，若作為發(fā)電機時，輸出電壓穩(wěn)定性很差，因此，在進行電阻制動時，需要將勵磁方式由串勵改為他勵，在電樞繞組中串入制動電阻。電機以他勵發(fā)電機方式運行時，勵磁電源由主變壓器（內(nèi)燃機車由牽引發(fā)動機）提供。電阻制動時的制動力取決于電機的電磁轉(zhuǎn)矩，它與勵磁磁通和制動電流有關(guān)，即式中

----制動電流；2024/8/2288

----勵磁磁通。電磁轉(zhuǎn)矩的大小可以通過兩種方法來改變：一是改變牽引電動機的勵磁磁通可改變制動轉(zhuǎn)矩；二是通過改變制動電流可以改變制動轉(zhuǎn)矩。1.電阻制動時的制動特性制動特性是指制動力與機車速度之間的關(guān)系，即

制動時牽引電動機按他勵發(fā)電機方式運行，它所發(fā)出的電能供給制動電阻，電路工作原理如圖1—26所示?？闪谐龃穗娐返碾妱萜胶夥匠淌剑?/p>

——

制動電阻；

——

電樞回路總電阻；

——

制動電路總電阻。將此式代入轉(zhuǎn)矩方程式可得到或考慮到機車制動力和速度為：(1--14)(1--15)2024/8/2290式中——牽引電動機臺數(shù)；

——牽引齒輪傳動比；

——傳動效率，齒輪傳動效率與電機效率的乘積。故機車/EMU制動力可表示為(1--17)(1--16)2024/8/2291由制動力公式可知，制動力的調(diào)節(jié)可通過改變牽引電動機的磁通或制動電流來實現(xiàn)。當(dāng)磁通不變（勵磁電流不變）時，制動力與機車運行速度成正比例關(guān)系；當(dāng)制動電流不變時，制動力與機車運行速度成反比例關(guān)系。

2.制動范圍制動力的大小與機車速度、電動機的制動電流和勵磁電流有關(guān)。由于這些參數(shù)都有一定的限制，同時考慮到在高速運行時，牽引電動機穩(wěn)定換向限制及機車結(jié)構(gòu)強度的限制，或(1--18)2024/8/2292因此制動力的大小有一定的限制范圍。在設(shè)計制動裝置時，須先計算預(yù)期的制動特性范圍。進行制動特性范圍計算時，需有下列原始數(shù)據(jù)：牽引電動電樞繞組發(fā)熱所允許的最大電樞電流；牽引電動機勵磁繞組發(fā)熱所允許的最大勵磁電流；牽引電動機的空載和負載特性曲線；牽引電動機的結(jié)構(gòu)參數(shù)、；機車/EMU最大速度；制動電阻值；機車/EMU傳動參數(shù)：動輪直徑、齒輪傳動比等。

制動力特性是在理想情況下所獲得的特性，實際上列車2024/8/2293制動時，由于受到牽引電機、制動電阻和機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。制動過程一般受到下列五個因素的制約。

(1)最大勵磁電流的限制

根據(jù)制動力公式(1-17)，若勵磁電流不變，則從牽引電動機空載及負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

受最大勵磁電流的限制。根據(jù)牽引電機允許的最大勵磁電流，求出制動力與機車速度的關(guān)系，如圖1—27中曲線所示。最大制動電流是根據(jù)牽引電機勵磁繞組在制動工況時的允許溫升而定。oA線的右下方為勵磁電流的允許工作區(qū)域。2024/8/2294

(2)最大制動電流限制最大制動電流是根據(jù)牽引電動機電樞繞組和制動電阻的允許發(fā)熱容量而定。由于牽引電動機的熱容量較大，因此最大制動電流一般取決于制動電阻的熱容量。只要制動電阻發(fā)熱容量允許，電樞電流在制動時適當(dāng)過載是允許的。為了充分發(fā)揮電阻制動的效果，制動功率一般等于或大于機車小時功率。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

受最大制動電流的限制。由最大制動電流確定的制動力與機車速度的關(guān)系，如圖1--25中線所示。線的下方為制動電流的允許工作區(qū)域。2024/8/2295由此得出機車能夠?qū)崿F(xiàn)的最大粘著制動力為式中——機車粘著質(zhì)量。如圖1--25中曲線所示。

(4)牽引電動機換向條件的限制(3)粘著力限制根據(jù)《列車牽引計算規(guī)程》規(guī)定，計算制動時的粘著系數(shù)應(yīng)比牽引時低20%，即(1--19)(1--20)2024/8/2296直流牽引電動機在高速時的換向條件取決于電抗電勢和片間最高電壓，前者可能引起火花，后者可能會造成環(huán)火。對于裝有換向極的牽引電機，由于氣隙中磁場畸變不嚴重，片間電壓較小，所以隨著機車速度增加，首先起限制作用的是電抗電勢。電抗電勢正比于機車速度與制動電流的乘積，即。要維持在一定的允許值內(nèi)，必須隨著機車速度的提高，相應(yīng)地減小制動電流。令，將其帶入制動力公式(1—18)，可得到制動力與電抗電勢之間的關(guān)系：2024/8/2297由此可見，在電抗電勢一定時，制動力

與速度

的三次方成反比，此時制動力曲線要比恒制動電流時的曲線要陡。在保證牽引電機可靠換向時，其最高電抗電勢所對應(yīng)的制動力關(guān)系曲線，與最大制動電流下的制動曲線相比，制動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電流成正比，而與勵磁電流成反(1--21)2024/8/2298比，即。

(5)機車構(gòu)造速度的限制機車構(gòu)造速度的限制主要是指受到機車走行部機械強度的限制，實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，可以獲得機車在電阻制動時的工作范圍區(qū)域，其制動特性是按照制動電阻等于固定阻值時求得的。制動工作范圍所限定的面積等于制動功率。該面積越大，表示調(diào)節(jié)范圍越大。

3.制動特性類型電阻制動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特性，則是根據(jù)需要來確定。制動特性的類型主要有三種，即恒勵磁制動、恒電流制動和恒速制動。

(1)恒勵磁制動特性恒勵磁制動特性為過坐標原點的一簇直線，在最大勵磁電流允許的范圍內(nèi)，勵磁電流越大，直線的斜率也越大。此制動特性的制動力隨著機車速度2024/8/22101的變化而成正比例變化，具有較好地機械穩(wěn)定性，適合于機車在下坡道上調(diào)節(jié)運行速度的要求。電阻制動主要作為輔助制動方式，應(yīng)用于機車在下坡時的速度調(diào)節(jié)，應(yīng)用比較廣泛。恒勵磁制動特性曲線如圖1—28所示。(2)恒電流制動特性恒電流制動特性曲線如圖1—29所示。此制動特性為雙曲線，即制動力和機車速度成反比關(guān)系。制動電流越大，雙曲線的位置越高。恒電流制動特性的制動力在很寬廣的范圍內(nèi)隨著速度的升高而降低，機械穩(wěn)定性較差，但這種制動特性能夠充分利用其制動功率。DF4、DF11系列內(nèi)燃機車電阻制2024/8/22103動的主要區(qū)域基本上屬于恒電流制動特性。

(3)恒速制動特性恒速制動是一種比較理想的制動特性，其制動力自動與加速力始終保持平衡，只要設(shè)定機車在下坡時的運行速度，不論線路運行條件如何變化，機車速度將按照預(yù)定速度運行。但這種特性只適合在制動功率足夠大的機車上使用才有意義。因為只有制動功率足夠大時，才能依靠電阻制動獨立完成在下坡道上的調(diào)速任務(wù)。若制動功率不足時，還需要借助于空氣制動的作用，但這時機車速度將不能自動調(diào)節(jié)。制動特性如圖1—30所示。比較三種制動特性，恒速制動是一種比較理想的制動特2024/8/22104性，但所需的制動功率應(yīng)足夠大，相控電力機車由于受功率的限制，較難滿足要求。因此，電力機車一般都采用限流準恒速制動特性。如SS3B電力機車的電阻制動特性（限流準恒速控制）為式中n——制動級位數(shù)，n=11～1；v——機車速度(km／h)。(1--22)2024/8/22105

4.電阻制動的不足及改進

(1)電阻制動的不足列車速度較低（40km/h左右）時，制動力與列車速度成正比關(guān)系，速度越低，制動電流越小、制動力越小，制動效果越差。所以，電阻制動不能代替空氣制動，一般只能作為減速制動，而不能作為停車制動。

(2)改進方法1---加饋電阻制動為了改善電阻制動在低速時制動力不足問題，提高低速時的制動能力，實現(xiàn)低速恒制動力特性。在低速區(qū)只要維持制動電流不隨電力機車/EMU速度降低而下降，就可以改變低速時的制動能力，使其按照恒制動力制動。要維持制動電2024/8/22106流不變，必須要有外部電源對制動回路供電，以使制動電流(電樞電流)不變，實現(xiàn)低速恒制動力特性，這種方法稱之為“加饋電阻制動”。在電力機車/EMU電阻制動中，加饋電源由主變壓器和主整流橋相控輸出整流電壓提供，對制動回路實施電流加饋，以維持制動電流不變，即要維持制動電流不變，加饋電壓必須要與發(fā)電機電勢同步反向變化，即發(fā)電機輸出電壓減小多少由Ud補充多少，直至加饋整流橋輸出電壓達到最大值為止，加饋制動結(jié)束。(1--23)

此后，電力機車將按照最大勵磁電流特性進行制動。加饋制動過程如圖1-31中A-B段所示，SS3B型電力機車從A點恒制動力運行到B點，機車速度已降低到20km/h以下，制動范圍明顯擴大了。

加饋制動要消耗電網(wǎng)功率。從理論上講，加饋電阻制動可以作為停車制動,但需要考慮牽引電動機換向片的載流能力（允許的最大熱容量）。

(2)改進方法2---制動電阻分級一般將制動電阻分為兩級。高速時采用較大阻值的制動電阻，以獲得較大的制動功率和制動力的調(diào)節(jié)范圍；低速時采用較小阻值的制動電阻，以增加低速時制動力。

SS4型電力機車采用此方法，將制動電阻分為1.00052和0.60歐姆兩級。2024/8/221081.4.4再生制動從理論上講，干線電力機車再生制動時可向電網(wǎng)回饋大量的電能，節(jié)能效果十分可觀。據(jù)文獻資料看，在國外采用再生制動的相控電力機車，可節(jié)能約10～15%，減少閘瓦(片)磨耗2～3倍。但再生制動存在著較為嚴重的問題，制約了其推廣與應(yīng)用。目前在線運營的相控電力機車中，只有少量的機車使用再生制動。但在交流傳動電力機車/EMU中，再生制動已成為主要的制動方式，空氣制動使用率只占3%左右。1.再生制動的基本原理再生制動時，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，整流電壓的平均值為負值，即制動電流可表示為：式中----牽引電機感應(yīng)電勢，----制動回路總電阻，包括電機電樞繞組電阻、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)制動電流，可（1—24）（1—25）2024/8/22111通過調(diào)節(jié)磁通（勵磁電流），或逆變器電壓（改變控制角）來實現(xiàn)。再生制動回路的電阻一般不變，但附加穩(wěn)定電阻要從制動效率和穩(wěn)定性兩方面綜合考慮。8K電力機車，消耗制動功率約1/3。再生制動的調(diào)節(jié)過程一般分為三個階段：（1）調(diào)節(jié)勵磁電流機車在高速時進行再生制動，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，通過改變勵磁電流來調(diào)節(jié)制動電流，如圖1—33中BC段所示。隨著機車2024/8/22112速度的下降，相應(yīng)地增加勵磁電流，直至達到額定值為止。勵磁電流最小值受牽引電機可靠換向的限制，一般不應(yīng)小于牽引電機額定電流的40%。在這一區(qū)段，制動力受到制動功率及牽引電機安全換向的限制，隨著機車速度的增加，制動力相應(yīng)地要減小。（2）調(diào)節(jié)逆變器電壓當(dāng)勵磁電流調(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，減小可維持制動電流恒定，即制動力不變，其特性如圖1—33中AB段所示。

2024/8/22113（3）加饋電阻制動逆變器轉(zhuǎn)變?yōu)檎鞴r運行，電壓極性改變。從式（1—25）可知，制動電流是由電樞電勢和整流電壓共同產(chǎn)生，可保持機車在低速時制動力不變，如圖1—33中虛線所示。圖中的OA線的斜率取決于制動回路電阻的大小，電阻值越小，相應(yīng)A點的速度越低。此電阻值一般小于電阻制動機車的制動電阻。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)斷需要一定的時間，因為硅片載流子恢復(fù)需要一定的時間，約為幾十到幾百微秒。對于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電流、回路電抗和變壓器電壓(換向電勢)而變化?？刂票仨毧紤]到最不利的情況，即、和，由此可計算出換向重疊角可達。2024/8/22116若認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，這樣將會顯（1—26）（1—27）2024/8/22117著地減小再生制動回饋能量的平均值，結(jié)果是功率因數(shù)下降嚴重，為此需要對角進行控制。

(2)晶閘管恢復(fù)阻斷角控制選取足夠的，使其恒定，這時提前角將隨著換向重疊角的變化而自動地進行調(diào)節(jié)。在角減小時，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出換向重疊角的大小。8K機車采用此控制，。2024/8/22118

3.再生制動在相控電力機車中存在的主要問題（1）再生制動時功率因數(shù)很低。相控電力機車的主要缺點之一是功率因數(shù)偏低，在再生制動工況時功率因數(shù)更低，一般只有0.5左右。（2）諧波分量增加，對電網(wǎng)產(chǎn)生嚴重干擾。再生制動時電網(wǎng)電壓與電流波形畸變比牽引時嚴重，特別是在換相期間波形畸變更為嚴重。（3）再生制動的控制系統(tǒng)較復(fù)雜。再生制動系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差，制動力的調(diào)節(jié)既可通過調(diào)節(jié)牽引電機的他勵電2024/8/22119流，也可通過對逆變器輸出電壓的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)，控制過程較復(fù)雜且控制精度較高，因為勵磁電流或逆變器電壓即使出現(xiàn)很小的變化，將會引起制動電流（制動力）很大的波動。為此在制動電路中一般都設(shè)有附加的穩(wěn)定電阻，以限制制動電流的變化，提高再生制動系統(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，制動效率下降。（4）再生制動的機車必須要采用全控橋，對觸發(fā)控制系統(tǒng)可靠性要求很高。機車在牽引工況下若出現(xiàn)丟失觸發(fā)脈沖時，將使整流輸出電壓下降，負載電流及牽引力相應(yīng)2024/8/22120減小，對機車的運行影響有限；在再生制動時，若丟失觸發(fā)脈沖，則意味著不能進行正常換相，將造成再生的顛覆，即交、直流電壓疊加短路，對逆變元件和牽引電機的安全運行帶來嚴重威脅。（5）動力集中式機車采用電氣制動時，對線路和車輛的要求較高。因為制動力集中于機車動輪上，不像空氣制動，制動力是通過閘瓦（片）均勻地作用于整個列車上，也不像動力分散型的列車，制動力合理地分布在列車各動軸上。在線路曲線上實施電氣制動時，機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)壓電力機車功率因數(shù)的改善1.5.1相控調(diào)壓電力機車的評價指標提高機車功率因數(shù)和降低高次諧波電流，對節(jié)約能源具有重要的意義。國家電力、通訊主管部門對各種用戶的功率因數(shù)及諧波分量都有明確地要求，并作為強制標準必須貫徹執(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作為對用戶的考核、計費標準。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強制指標，它反映了整流調(diào)壓電路的性能，代表了相控電力機車的性能、造價。因此，相控調(diào)壓電力機車的評價指標有兩個，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，若采用傅氏級數(shù)分解，可得到各次諧波幅值之間的關(guān)系為。實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功率因數(shù)的影響不甚顯著，但存在著兩個不利因素：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，因此電力部門對三次、五次諧波需要進行限制；其二是對電氣化鐵路附近的通訊線路產(chǎn)生電磁干擾，通訊部門對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；----雜音評價系數(shù)，。

各頻率下的雜音評價系數(shù)如表1—1所示。（1—28）頻率（Hz）頻率（Hz）16.660.056750955500.7180010001008.91850103515035.5100011222501781150103535037612001000450582135092855073315008616508512000708雜音評價系數(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)計和運行時應(yīng)保證高功率因數(shù)。

設(shè)電網(wǎng)的阻抗標幺值為，電力機車的有功功率和無功功率分別為和，由阻抗引起的電壓降：

因為，則電壓降的標幺值變?yōu)?，即電網(wǎng)壓降與機車的無功功率大小成正比，所以減小無功功率將使電力機車端獲得較高的電壓，可增加機車的速度或牽引力。通過上述分析可知，改善電力機車的功率因數(shù)不僅有利于提高電網(wǎng)電能的利用率和供