电力机车速度调节-电力机车启动及电气制动

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34电气制动基本原理

电气制动形式交流传动电力机车的再生制动直流传动电力机车的电阻制动电力机车的电气制动电传动机车一般有两套制动系统，一是空气制动系统即机械制动系统，包括闸瓦制动和盘型制动；二是电气制动系统，包括电阻制动和再生制动，高速列车还有磁轨制动和涡流制动。制动是机车基本运行工作状态之一，当列车需要减速、停车或在长大下坡道上运行限制列车速度时，都必须采取制动措施。现代铁路运输的安全性在很大程度上取决于机车制动性能的好坏。

1电气制动基本原理电气制动（也称动力制动）是利用了电机的可逆性原理。

机车在牵引工况时，牵引电机做电动机运行，将电网的电能转换为机械能，轴上输出牵引转矩以驱动列车运行。机车在电气制动时，列车的惯性力带动牵引电机，牵引电机做发电机运行，将列车动能转换为电能，输出制动电流的同时，在牵引电机轴上产生反转钜并作用于轮对，形成制动力使列车减速或以一定的速度运行。

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电气制动形式及基本要求

根据电气制动时电能的消耗方式，电气制动分为电阻制动和再生制动。如果将电气制动时产生的电能利用电阻使之转化为热能消耗掉，称为电阻制动。如果将电气制动时产生的电能重新回馈给电网并加以利用，称为再生制动。

实施电气制动时，制动系统必须满足以下几点要求：（1）具有电气稳定性并保证必要的机械稳定性；（2）具有广泛的调节范围，制动过程要平稳，冲击力要小；（3）机车由牵引状态转换为电气制动状态时线路应简单，操纵方便，有良好的制动性能，负载分配力求均匀。直流传动电力机车采用电阻制动，交流传动电力机车采用再生制动。采用电气制动可以提高列车运行的安全性，提高列车的下坡速度，最小限度的使用空气制动，以减小轮缘和钢轨间的磨耗，降低运输成本。

3直流传动电力机车的电阻制动1.电阻制动时的线路转换在直流传动电力机车中，一般采用串励牵引电机。由于串励电机的特性很软，若作为发电机运行，输出电压稳定性很差，因此在进行电气制动时需将串励电机改为它励电机。

采用它励电阻制动时，首先切断牵引电机电枢与电网的连接，使电枢绕组与制动电阻结成回路，励磁绕组则由其它电源供电，并且励磁电流方向与牵引时相反，以改变电磁转矩方向。电机做它励发电机运行，其工作原理如图1所示。图1电阻制动线路转换2.电阻制动特性

图2电阻制动特性曲线由图可知保持励磁电流为常量（即Φ值固定)，机车速度越高，制动力越大，制动效果越明显；机车速度越低，制动力越小，故电阻一般不能用于制停。制动特性是指制动力B与机车速度v之间的关系，即B=f(v)，如图2所示。图中，对于某一固定的励磁电流（即Φ值固定)，制动力B与速度v成正比，并且励磁电流越大，特性曲线越陡，如图2所示，图中IL4>IL3>IL2>IL1，说明它励电阻制动具有机械稳定性，随着机车速度的增加其制动力也增加。3

3.电阻制动的不足及克服方法从制动特性曲线可以看出电阻制动最大的缺点是：低速时制动力直线下降，制动效果不明显。因此，电阻制动不能完全代替空气制动，一般只能作为减速制动，不能作为停车制动。为了提高低速时的制动力，直流传动电力机车一般采用两种方法。(1)分级电阻制动利用改变制动电阻阻值来改变制动特性，即将制动电阻分成若干级，低速时由于发电机电势随机车速度（电机转速）的降低而正比的降低，对于一定的制动电阻，制动电流也正比减小，因而不能维持一定制动力时所需的电流，若将制动电阻短接（减小）一部分，则尽管由于机车速度的降低使发电机电势下降，但由于制动电阻的减小，制动电流仍能保持较大的值，以维持低速时有较大的制动力。又称“补足”电阻制动，电阻制动在低速区由于制动电流减小而使制动力下降，为了维护制动电流不变，克服机车制动力在低速区减小的状况，在制动回路外接附加制动电源来补足。其原理如图3所示。(2)加馈电阻制动

图3加馈电阻制动原理由于加馈电阻制动需要根据实际制动电流及时补足发电机电势减少部分，故要求附加制动电源连续可调。

一般相控调压的电力机车不另设加馈电源，而是使用牵引时整流调压电路在制动工况做为加馈电源。从理论上讲，加馈电阻制动可使机车制停，而实际上由于牵引电机换向器不允许在机车速度很低时，长时间流过额定电流，以防止换向器过热而烧损。

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1.再生制动原理异步牵引电机在低于同步转速下做电动机运行，将电网的电能转换为机械能，产生牵引力驱动列车前进，此时转差率s>0，电磁转矩为动力转矩。在电气制动时，异步牵引电机转子转速超过同步转速，即转差率s<0。此时，异步牵引电机做发电机运行，将列车储存的动能转换为电能，输出制动电流的同时，在牵引电机轴上产生反转钜并作用于轮对，形成制动力使列车减速或以一定的速度运行。机车由牵引工况转换为制动工况，通过降低牵引电机定子的供电频率，转子的机械惯性将使转子转速维持在高于同步转速的状态，此时转差率变为负值，牵引电机进入发电机状态，其三相定子绕组切割旋转磁场产生三相交流电。再生制动时，牵引变流器工作状态发生改变，逆变器仅由每个主逆变器元件并联的二极管组成桥式不控整流电路，将牵引发电机交流电能整流成直流电能，输出直流电能给中间环节。然后由四象限脉冲变流器将中间直流环节储存的直流电能逆变为单相工频交流电能回馈给电网。再生制动模式下交流电力机车的传动特性如图4所示。2.再生制动机车的传动特性图4交流传动电力机车传动特性

电力机车的启动

1机车启动电流和启动牵引力2

34机车启动的要求及启动方法

直流传动机车的控制方法交流传动机车的牵引特性

1.启动的基本要求

按照《铁路技术管理规程》（简称《技规》）的规定，对机车启动的基本要求是：启动平稳、加速快，防止列车冲动和断钩。机车启动平稳可以使机车内部设备免受电流冲击，机车和列车免受机械冲击，希望列车速度变化平滑。机车加速快，可以减少启动时间，提高平均运行速度，对机车运行有重大意义。为了使机车加速快，就要求有较大的启动电流，以产生较大的启动牵引力。

1机车启动的要求及启动方法机车启动时处于静止状态，对机车施加额定电压时，会产生很大的启动电流，超越线路黏着条件的限制，造成很大的电流冲击和机械冲击，使机车和列车都受到损伤。因此，机车的启动必须采取适当方法以限制启动电流和牵引力。机车启动时，降低加在牵引电动机上的端电压，以限制启动电流和启动牵引力，称为降压启动。交-直型电力机车及交-直-交型电力机车均采用降压启动。机车启动原理与调速原理相同，启动过程和调速过程没有严格的界限，机车的调速理论也适用于机车的启动。

2.机车的启动方法机车启动时，轮对发生空转前所能发挥的最大牵引力称为启动牵引力，机车启动牵引力受线路黏着条件的限制。

机车黏着系数并不是一个恒定值，它随线路条件、轨面情况、机车启动方式等因素而变化，是一个范围值。机车的黏着限制曲线并非只有一条而是一个限制带。

为了使机车启动时具有较大的牵引力，充分利用机车的黏着条件。机车启动时，牵引力尽可能接近黏着限制线。机车启动牵引力对应的牵引电动机的电枢电流（定子电流）称为最大启动电流，这一电流应小于牵引电机自身的最大允许温升电流。

2机车启动电流和启动牵引力

3直流传动机车的控制方法机车为了获得良好的启动性能，希望能最大限度地利用机车的黏着条件，另外在机车运行过程中，不仅希望机车特性适合于牵引，做到调速范围广，而且还希望机车具有良好的防空转性能和良好的启动性能。因此，需要对机车的运行方式加以控制，以保证机车具有良好的牵引性能，提高机车运行的可靠性和运输效率。直流传动电力机车的控制方式有恒流控制、恒速控制和特性控制三种。它们是通过电子控制系统或微机控制系统对机车的自然特性加以控制，此时机车的特性称为控制特性。

恒流控制是指机车启动时维持启动电流为一恒定值，该值可以非常接近黏着限制线，如图1所示。1.恒流控制

机车采用恒流启动时，一旦发生空转，由于启动电流维持不变，启动牵引力维持不变，如图2所示。图1恒流控制原理图

图2恒流控制的牵引特性

2.恒速控制

恒速控制是指机车恒流启动、恒速运行的方式，其控制原理见图3。恒速控制牵引特性见图4的虚线恒速控制方式下机车牵引特性很硬，防空转性能好，有利于机车再黏着。当阻力发生变化时，牵引力的波动很多，使车钩承受的冲击力过大，严重时会造成断钩事故。

通常机车不采用恒速控制，而是采用准恒速控制，如图4的实线所示。图3恒速控制原理图图4恒速、准恒速控制的牵引特性曲线

3.特性控制特性控制是指机车按恒流方式启动，启动完毕后按理想的牵引特性曲线运行。理想的牵引特性曲线是介于自然特性与恒速特性曲线之间的斜线（也叫准恒速特性曲线），见图5。AB、BD——恒速控制的牵引特性曲线；AB、BC——特性控制的牵引特性曲线；BE——自然牵引特性曲线。图5恒速特性与准恒速牵引特性比较

4交流传动机车的牵引特性

机车牵引特性是指机车牵引力F随速度v变化的关系曲线F=f(v)。交流传动机车牵引特性可分为三个区：启动加速区、恒功率运行区和提高速度区（自然特性区），如图6所示。图6交流传动机车牵引特性1.启动加速区

若牵引电机的气隙磁通保持不变，则电动机可以在任何转速下提供很大的转矩。恒转矩运行中，随着电动机转速的上升，电压提高，牵引电动机的输出功率增加。电压的提高受到电动机功率或逆变器最大电压的限制，于是电压提高到一定的值后将维持不变，或者电压不再正比于f1上升。此后，电动机将以恒功率输出为条件进行电压和频率控制。图6交流传动机车牵引特性牵引电机的输出功率可以近似的认为是电磁转矩Tem和频率f1的乘积。随着速度的增加电磁转矩Tem下降，维持输出功率近似不变。2.恒功率特性区3.自然特性区

当逆变器输出频率超出最高控制频率fmc以后，若牵引电机定子端电压U1和转差频率f2均维持不变，机车将运行在自然特性区，可进一步提高运行速度。图6交流传动机车牵引特性HXD3型电力机车就采用恒牵引力与准恒速特性控制，其牵引特性如图4.21所示。一、电气制动原理

二、电气制动形式

三、电气制动的基本要求

四、制动稳定性的概念

1．机械稳定性

2．电气稳定性

第二节电气制动概述一、电阻制动的基本原理

二、电阻制动特性

第三节直流传动电力机车的电阻制动

第三节直流传动电力机车的电阻制动三、电阻制动的工作范围

第三节直流传动电力机车的电阻制动四、电阻制动的控制方式

1．恒磁通控制

2．恒电流控制

3．恒速控制

五、电阻制动的不足及克服方法

1．分级电阻制动

2．加馈电阻制动

第三节直流传动电力机车的电阻制动

第三节直流传动电力机车的电阻