电力机车速度调节-电力机车速度调节

变频调速的牵引特性

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45CRH2型动车牵引特性HXD1型机车牵引特性

HXD3型机车牵引特性变频调速控制特性

3CRH5型动车牵引特性

1变频调速控制特性一、变频调速原理变频调速，就是连续改变加在异步电动机定子上的供电电源频率，从而改变旋转磁场的同步转速，达到平滑调节转子转速的目的。变频调速的首要条件是需要一套调节范围较大的变频电源，在一定频率范围内，能够连续改变输出频率供给牵引电动机，实现无级调速。电力牵引交流传动系统对交流电源进行交-交变频不能满足机车牵引调速的要求。只能采用交-直-交变频的方法，首先将交流电源整流成直流电源，通过中间环节储能和滤波后，获得平直的直流电压（电流），再将其逆变为三相变压变频的等效正弦交流电，供给牵引电机使用。

二、异步牵引电动机的变压变频调速特性

异步牵引电动机的变压变频（VVVF）调速特性如图1所示。对于不同的负载，变频调速分为恒磁通控制和恒功率控制两种。（1）恒磁通控制

变频调速时为了使励磁电流和功率因数基本保持不变，希望磁通保持不变，电动机的过载能力也保持不变。机车启动阶段采用恒磁通控制，能够产生恒定的牵引力，启动过程平稳，可获得较大的启动加速度。在基频(50Hz）以下，当电源电压一定时，如果降低定子频率f1，则气隙磁通Φm将增大，使磁路过饱和，励磁电流增加，铁芯损耗增加，这是不允许的，因此调频时一定要调节电势，保持感应电势与频率的比值不变，以保持气隙磁通不变。由于感应电势难以检测，当电动势较高时，可忽略定子绕组中的漏阻抗压降，用定子电压U1代替定子电动势E1。

1变频调速控制特性（2）恒功率控制在恒磁通控制中，随着频率和转速的上升，定子电压U1也相应提高，异步电动机的输出功率增大，但电压的提高受到电动机功率或逆变器最大电压的限制。通常调节频率大于基频（f1>f1N）时，即当电压提高到一定数值后维持不变或不再正比于f1上升，此后电动机磁通开始减小，将进入恒功率控制方式。

1变频调速控制特性图1异步牵引电机的VVVF调速控制特性

2CRH2型动车牵引特性CRH2型动车采用黏着控制与恒功率控制，其牵引特性如图2所示。在额定频率点转入恒压恒功率高速区段运行。这种牵引特性的显著特点是启动牵引力大、加速快，是目前普遍采用的一种控制方式，不仅适用于客运、货运电力机车，而且也适用于高速电动车组。

在低速区，牵引力随着机车速度的升高而下降，牵引力采用与黏着限制曲线相近的变化趋势，以充分利用轮轨之间的黏着条件，机车按照准恒转矩运行。图2CRH2型动车组牵引特性

CRH5型动车就采用恒转矩和恒功率控制其牵引特性特性曲线如图3所示。

3CRH5型动车牵引特性在低速区段特性曲线平直，机车按照恒转矩启动，牵引电机工作在恒压频比供电方式下，启动电流大。恒压频比控制结束后，进入恒压恒功率区段运行。这种牵引特性具有恒功率运行范围大，加速性能好的特点，适合于动车组。图3CRH5型动车牵引特性

4HXD1型机车牵引特性HXD1型电力机车采用恒转矩、黏着控制与恒功率控制的牵引特性，如图3所示。特性曲线由三段组成，在低速启动区采用恒转矩/恒牵引力控制，可获得较大的牵引力；当机车速度上升到低速时的一定值后，按照黏着限制条件的斜线进行控制，以充分利用轮轨之间的黏着条件，牵引力随速度的提高而下降，直到持续速度点；从持续速度点开始进入恒功率运行区，按照恒功率输出。

图3HXD1型电力机车牵引特性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所示。机车牵引力由恒定牵引力、最大牵引力和准恒速牵引力三部分组成。牵引力按照特性控制时，对恒定牵引力、最大牵引力和准恒速牵引力进行比较，取最小值做为输出牵引力的控制值送入变流器。图4HXD3型电力机车牵引特性

5HXD3型机车牵引特性直流电力机车的功率因数

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23提高机车功率因数的方法机车功率因数定义评价相控调压的两个指标在正弦交流电路中，功率因数cosφ的定义为：

在相控机车的电网中，变压器一次侧电压U1为正弦波，由于平波电抗器的作用使变压器一次侧电流IT畸变成了矩形波，产生了较大的高次谐波。只有与电源电压同频率的基波电流I(1)才产生有功功率，其它高次谐波只能产生无功功率，因此机车功率因数PF定义为：式中：P——变压器一次侧有功功率（W)；

S——变压器一次侧视在功率（V.A)；

λ——电流波形畸变系数。

1机车功率因数定义上式表明交-直型电力机车的功率因数PF等于基波功率因数和电流畸变系数的乘积。要想提高机车功率因数就要降低高次谐波，减小基波电压与基波电流之间的相位差（也称为延迟角）。

机车的功率因数与整流电路的结构形式有关，图1给出不同整流电路的功率因数。图中，不控整流电路功率因数最高，全控整流电路功率因数最低，半控整流电路介于两者之间。图1不同整流电路的功率因数

1机车功率因数定义交-直型电力机车主要采用相控调压。相控调压的电力机车在理想情况下，由于整流和平波电抗器的作用，使变压器二次侧电流为一方波，从而使变压器一次侧电流为非正弦波，造成接触网电流波形发生畸变，产生高次谐波电流，使机车功率数降低，谐波干扰大。

相控调压最大的优点是可以实现无级调速，避免调压过程中的电流冲击，使牵引电动机的力矩变化平缓，充分利用机车的黏着，发挥较大的牵引力。最大的缺陷是功率因数偏低，谐波干扰电流较大，对电网和通信设施产生不利影响。

2评价相控调压的两个指标评价相控调压性能有两个重要指标，即功率因数和谐波干扰。一般晶闸管相控调压机车的功率因数仅为0.78～0.80，谐波电流为Ipmax>9.2A（等效干扰电流的最大值），远不能满足PF＝0.9、I(3)＝3.9、I(5)＝4.0的限制要求。相控调压电力机车功率数低，会降低设备的利用率，影响电网的供电质量，对电网造成严重污染。此外，国家电力和通信部门对电网用户的功率因数和谐波电流都有明确的要求，并作为强制标准必须贯彻执行。这就需要对机车功率因数进行补偿，对谐波电流加以限制。

2评价相控调压的两个指标

根据机车功率因数表达式，可知要想提高机车功率因数就需要增大波形畸变系数，尽量减小高次谐波电流，同时减小基波电压与基波电流之间的相位差。常用的方法为多段桥顺序控制和装功率因数补偿装置。

1．多段桥顺序控制为了改善机车的功率因数，降低谐波干扰，机车上广泛应用多段整流桥顺序控制，即把多段整流桥串联起来供电，常用的有二段半控桥、三段不等分桥和经济四段桥。三段不等分桥整流电路如图2所示。3提高机车功率因数的方法图2三段不等分半控桥整流电路3提高机车功率因数的方法不同段数半控桥的功率因数如图3所示。从图中可以看出机车功率因数为：III段桥>II段数>I段桥，说明半控桥段数越多，机车功率因数越高。但半控桥段数过多会使变压器抽头数增加，整流装置复杂，在一定程度上降低了机车运行的可靠性，故干线电力机车一般不超过四段半控桥。图3不同段数半控桥的功率因数3提高机车功率因数的方法2．装功率因数补偿器功率因数补偿装置兼作滤波器，简称PFC装置，一般常用的形式有LC、RC、RLC，如图4所示。功率因数补偿装置跨接于机车主变压器二次侧绕组的两端，其工作原理如图5所示。

图5常用滤波电路图6机车滤波器工作原理谐波电流主要是3、5、7次谐波，加上功率因数补偿装置后，将R、L、C连接成某一频率的谐振电路（一般在靠近3次或5次谐波频率处）。

在基波网压的作用下对基波呈容性，提供容性无功电流，减少滞后的负载电流，从而提高机车的功率因数。同时对3、5次谐波呈低阻性，使绝大部分3次、5次谐波电流通过功补装置被吸收掉，以减少流向电网的3次或5次谐波电流，也减少了等效干扰电流。

机车加装了功率因数补偿装置以后，提高了机车的功率因数，降低了接触网和机车主变压器的损耗，同时也减少了接触网对沿线通信线路的干扰。3提高机车功率因数的方法第一节直流电机特性19直流电机的励磁方式按励磁方式分类：他励，并励，串励，复励。直流电动机特性转矩特性M=f（Is）机械特性n=f（M）牵引特性机械稳定性分析稳定性条件：式中：Wo和F分别为负载阻力和电机牵引力

直流牵引电动机（除差复励外）的特性曲线都具有负斜率，均满足列车牵引时的机械稳定性条件。直流电动机牵引特性分析与比较特性1：稳定特性2：不稳定22牵引特性电气稳定性分析由（2-3）电机电势平衡方程式有：L(dId/dt)=Ud

-（E+Id∑R）式中：E=CeΦn电机电枢反电势；Id

电机电枢电流；Ud

电机端电压；∑R电枢回路总电阻；L电枢回路总电感。

设Ud

为恒定，当负载扰动引起∆Id时，电机系统中L(dId/dt)的符号应与∆Id相反，从而使电机恢复到原来的平衡状态。----电气稳定性条件特性1：稳定特性2：不稳定23串励和他励电动机牵引特性电气稳定性

一般情况下，串励和他励电动机具有电气稳定性。但他励电机稳定余量较小，对于无补偿绕组的电机，由于电枢反应的去磁作用，在大电枢电流时，有可能进入不稳定状态（B点）。24多台牵引电动机并联工作时，负载分配性能分析比较

当多台牵引电动机并联工作、电机特性有差异时，串励电机比他励电机负载分配不均匀程度要小得多。25

同一台机车动轮直径有差异时，采用串励牵引电动机比他励电机负载分配均匀。26输入电压波动对电机电流和牵引力的影响分析

当外加电压突变时，由于他励电动机励磁不变，电枢反电势不能及时增加，将使过渡过程开始阶段电枢电流冲击过大，串励电机电流冲击要小得多。27牵引电动机功率利用分析比较

串励牵引电动机具有软特性，转速随转矩的增大而自动降低，故串励电动机的功率变化比他励牵引电动机要小，接近恒功率曲线，可以更合理地利用与牵引功率有关的电器设备容量。28串励电动机由于特性较软，空转发生后恢复粘着状态的能力不如他励牵引电机。所有，从粘着重量的利用观点出发，他励牵引电动机优于串励牵引电动机。第二节电力机车的起动一、对起动的要求

1.起动平稳2.起动迅速起动过程尽量减少起动电流和起动牵引力的波动。起动加速快。二、起动电流起动时，由于牵引电机转速为0，电动机反电势为0，起动电流为：很小必须采取适当方法限制起动电流！三、起动方式1.变阻起动2.降压起动起动时串入起动电阻，以减小起动电流，起动完后切除起动电阻。起动时降低加在牵引电动机上的端电压。第三节电力机车的电气制动二、制动分类：制动机械制动(常备)电气制动电阻制动再生制动能耗电阻制动加馈电阻制动一、电气制动原理三、电气制动的基本要求1.具有电气稳定性和机械稳定性2.具有广泛的调节范围，制动过程要平稳，冲击力要小。3.牵引转变为制动状态时线路简单，操纵方便，具有良好的制动性能，负载分配力求均匀。直流传动电力机车的电气制动一、电阻制动的基本原理电力机车牵引时采用串励牵引电动机，由于特性软不适合电气制动，所以制动时要将牵引状态的串励电动机变化为他励。首先切断牵引电机电枢与电网的连结，使电枢绕组与制动电阻形成回路，励磁绕组则由其他电源供电，并且励磁电流方向与牵引时相反，以改变电磁转矩方向。电阻制动主电路SS1机车6台电机共用一个整流电流，励磁绕组串联。制动必须在OABCDE范围内安全运行。安全运行区由５条限制曲线构成：OA:最大励磁电流限制

AB:粘着限制曲线

BC:最大制动电流限制

CD:牵引电机的安全换向限制

DE:机车结构速度限制二、电阻制动的工作范围１、电阻制动的优点（相对与机械制动）提高运行的安全性：可使列车高速运行时具有较大的制动力，可快速停车；可减小列车闸瓦与轮缘的磨损:100t/km/年;可提高列车的运行速度：下坡速度可提高8%;节能：下坡速度大，可充分利用下坡的势能；易于实现自动控制：可通过电子控制系统实现恒流、恒速、恒功及粘着限制等控制。三、电阻制动的特点２、缺点低速时制动力线性下降，使列车制停缓慢。措施：将电阻分级：高速时，电阻大；低速时，减小电阻，提高制动力；采用加馈电阻制动：低速时，在电枢内串联一个电源与电枢电压相加，增大制动力电流，从而提高制动力；与机械制动配合：高速时，采用电制动为主，低速时配上机械制动，保证整车的制动力。分级制动的效果

在低速时，RZ由1.0005Ω降至0.6Ω时，恒磁通控制，制动力增大；加馈制动效果

在低速时，可通过加馈制动恒制动力制停。SS9电制动电路简化原理图4546四、再生制动１、再生制动的优点节能10-15%；制动范围宽，防滑性能好；２、再生制动的不足功率因数低，仅0.5;谐波成份多，对电网污染大；控制系统复杂；采用全桥对控制可靠性要求高；丢失触发脉冲时容易发生再生颠覆。对线路要求较高。四、再生制动（续１）３、再生制动的原理再生制动条件：全控桥；α>90º;励磁电流反向；交流传动电力机车的电气制动一、电气制动原理51（一）三相异步机的结构YBZXAC转子定子定子绕组（三相）机座转子：在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电流。三相定子绕组：产生旋转磁场。线绕式鼠笼式鼠笼转子52三相定子绕组：产生旋转磁场。组成：定子铁心、定子绕组和机座。53

转子：在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电流。组成：转子铁心、转子绕组和转轴。

实际的异步电动机中，转子之所以转动，是由于旋转磁场的作用。转子的旋转速度n同旋转磁场的转速n1不一致，则有：转差率三相异步电动机的转差率定义：异步电动机电源电压恒定，电机参数已知时，转差率s与电磁转矩T的关系曲线，即曲线，称为异步电动机的机械特性曲线。（二）、三相异步电动机的机械特性异步电机的机械特性机械特性理想空载运行点：Tmax0T+STstTNS=1SKSN机械特性的几个特殊点：额定运行点：最大转矩点：起动点：机械特性启动同步转速最大转矩:电机带动最大负载的能力。

，电机因带不动负载而停转。最大电磁转矩Tmax

最大转矩又叫停转转矩，如果超过这个转矩，电动机将停止运行，对应转差率sK为稳定运行最大转差率，称为临界转差率。（三）、三相异步电动机的运行状态转子转速n<

旋转磁场转速n1，电机处于电动机状态。1.转子转速n>旋转磁场转速n1，电机从转子轴上吸收机械功，通过电磁感应由定子向逆变器及电网输出电功率，电机处于发电机状态。2.牵引电气制动转子转速n与旋转磁场转速n1方向相反，电机一方面从转子轴上吸收机械功，同时又从电网吸收电功率，这两部分功率消耗在转子回路电阻上，电机处于电磁制动状态。3.反接制动将正在电动机状态下运行的异步电动机的定子绕组三根供电线任意对调两根，定子电流相序改变，相应的旋转磁场立即反转，进入反接制动状态。反接制动方法简单，制动迅速，但制动过程冲击强烈，能量消耗较大，不易实现准确停车，一般不采用。异步电机作电动机运行时，由于外在因素使转子转速n>旋转磁场转速n1，则电机处于发电机状态。例如，电动车组下坡运行时，电动机转子在电磁转矩和下坡运行重力分量所产生的转矩共同作用下，列车加速运行，转子转速超越同步转速，电机变为发电机。这时列车的动能转换为电能回送到接触网，回送的电能由接触网下的其他负载消耗掉，因此也称为回馈制动。二、再生制动主要应用于下坡运行或电机变频调速（减速）时不需要机械制动，无机械磨损，更安全无需电气线路的转换，可靠性高牵引工况下的能量转换网侧交流电整流中间直流环节逆变三相异步交流牵引电动机四象限整流器中间直流环节逆变器再生制动工况下的能量转换网侧交流电逆变中间直流环节整流发电机四象限整流器中间直流环节逆变器三、电阻制动异步电机作发电机运行时，若电能由直流侧的制动电阻通过发热来消耗掉，则为电阻制动。电阻制动作为电气制动的补充形式。整流发电机制动电阻作业：1、机车电气制动的基本原理是什么？何谓电阻制动？何谓再生制动？2、交-直型电力机车一般采用电阻制动还是再生制动？为什么?3、交流传动电力机车一般采用电阻制动还是再生制动？为什么？第一节电动机的特性一、电机的特性曲线二、调速方式1、直流电动机的特性曲线串励他励一、电机的特性曲线异步电机的机械特性2、交流异步电机的特性曲线一、电机的特性曲线Tmax0T+STstTNS=1SKSN启动同步转速稳定运行区二、调速方式直流电机的转速特性：直流电力机车采用调压调速为主，弱磁调速为辅。二、调速控制方式交流异步电机的转速：调速方法：1、改变定子极对数P2、改变转差率s

改变外施电压U1

在转子外串附加电阻在转子外串附加电动势3、改变电源频率f1级差大，不经济调速范围窄无级调速不适合鼠笼型变频调速变频调速调速性能优越，调速范围宽，能实现无级调速。进行变频调速时，为使电机得到满意的性能，通常应保持气隙磁通不变，即可保持铁芯磁路的饱和程度。这样，调速效果好，效率高。调频的同时必须同步调节电压！VVVF三相异步电动机每相电压：电机的最大转矩当保持时保持恒磁通的变频调速属于恒转矩调速方式，适于启动状态。与频率无关变压变频调速时的机械特性牵引特性（含动力制动特性）是列车最重要的特性，用列车轮缘牵引力/制动力与轮缘线速度的关系曲线表示。

列车要求恒牵引力起动、恒功率运行，理想牵引特性曲线如下：第二节列车理想牵引特性曲线0FkvkvmaxvN恒转矩区恒功率区理想牵引特性曲线（牛马特性）第三节电力机车的牵引特性与控制方式一、交-直型电力机车的牵引特性二、交流车的牵引特性一、交-直型电力机车的牵引特性（一）电力机车牵引特性的界限（二）牵引特性与控制（三）典型机车牵引特性分析（一）电力机车牵引特性的界限1、受粘着条件限制（机车牵引力始终应小于粘着牵引力）2、受牵引电动机最大电流限制（发热）3、受电机安全换向限制4、受机车最大速度限制（结构速度）（二）牵引特性与控制电力机车为了获得良好的起动性能，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起动性能。单纯依靠电机的机械特性已不能满足机车运行的要求，因此需要对机车的运行方式加以控制，已保证机车具有良好的牵引性能。直流传动电力机车的控制方式由恒流控制、恒速控制和特性控制3种。1、恒流控制恒流控制：机车起动时维持电流恒定（接近粘着限制线的电流值，如SS3B型机车）。司机控制器给定级位→电机电枢电流给定值，恒流控制系统据指令自动调节可控硅触发角，使电流达指令值要求。恒流起动控制特性曲线见图中曲线1。特点：I起大，F起大，起动加速快，t起短；但一旦空转将加剧空转。因此，恒流控制的再粘着能力差。必须具备可靠的防空转检测和保护措施。各种控制特性曲线比较

2、恒速控制恒速控制恒流起动结束后转入恒速运行。特点：恒速控制使机车具有硬特性，空转时牵引力能迅速下降，利于实现再粘着，防空转，如图曲线2所示。但恒速控制特性过于陡，阻力变时，牵引力波动很大，车钩受冲击力大，严重时会断钩。所以一般采用的是准恒速控制，如曲线3所示。3、特性控制特性控制：恒流起动，准恒速控制运行。图中曲线AB+BC就是特性控制的牵引特性曲线。曲线4是自然牵引特性曲线。（三）典型机车牵引特性分析

SS4型电力机车牵引特性牵引特性曲线：牵引电动机与速度的关系及粘着牵引力与速度的关系绘在同一图上。准恒速调节——牵引“级位”数字×10就是该级位所要控制的目标速度。二、交流传动电力机车的牵引特性（一）牵引特性与控制（三）典型车型牵引特性分析（二）交流异步电机转矩-转速闭环控制（一）牵引特性与控制为使交流传动电力机车得到理想的牵引特性，需要对机车的运行方式加以控制。

根据交流传动电力机车所采用异步交流电机电磁转矩的简化公式：对交流电机的转速控制有：恒转矩控制、恒功率控制、恒转差频率控制。1、恒转矩控制恒转矩控制又称恒磁通控制（恒控制）由上式可知，当保持及转差频率恒定可以得到这一特性，在整个范围内发出最大转矩Tm，满足机车以不变的牵引力起动的要求。2、恒功率控制使用恒转矩控制时，电源电压U1随f1的增大而成正比增大，但是由于受到牵引电机端电压（电源电压）的限制，其后U1将维持不变进入恒功率运行（U1/f1不再恒定）。U1不变，恒（fs

/f1)调节

U1不变，fs与f1按比例变化。由上式知，工作点选择：在最高转速（即f1max）时保证有最小允许过载能力（即最小转矩裕度）处，则较低速时有较大的过载能力，保证电机在全部调速范围内稳定运行。

3、恒转差频率控制在恒功率控制中，U1达到最大值不变，fs与f1按比例变化，当fs也达到最大值不变时，仅改变电源频率f1的控制方法。转矩与机车速度平方成反比！f1T4、交流传动电力机车牵引控制特性交流传动电力机车起动时，以恒磁通（恒转矩）工作，在基速以上范围，以固定的U1工作。（二）电机转矩-转速闭环控制在电力牵引传动系统中，如果发生电压或负载波动，或者传动系统突然加速或者减速的情况下，就需要系统能具有快速动态响应能力和精确的稳态运行性能。如果仅靠逆变电源对电机的开环控制（前述方法）是达不到这个要求的，必须采用具有精确反馈信号的闭环控制系统对电机进行调速控制才能满足要求。

在直流牵引传动系统中，调速控制的闭环系统仅需控制电枢电流就可有效控制转矩，但是交流传动系统中的异步电机是一个多变量耦合的复杂控制对象，在闭环控制中必须采用特殊的控制方法。其控制方式主要有：转差频率控制、矢量变换控制和直接转矩控制。1、转差频率控制

转差频率控制实际上是在恒磁通控制的模式上引入了速度闭环，以避免开环控制的缺点，是前述恒磁通控制的改进版。不变（即磁通不变）时，这样用