第二十章 直流电力机车速度调节

图中曲线1为满磁场时机车的牵引力特性曲线， 曲线2为所求出的磁场削弱级机车牵引力特性曲线。
3．削弱磁场时的机车牵引特性
由满磁场机车牵引特性曲线求磁场削弱级 机车牵引特性曲线时也分牵引电动机端电压恒 定和牵引电动机端电压随负载变化两种情况。 作图原理同前此略。磁场削弱后的机车牵引特 性在满磁场曲线的上方，曲线的形状基本相似， 而且磁场削弱愈深曲线位置愈高。
其表达式为：
IW )
(%)
(IW )ຫໍສະໝຸດ m（IW）β ──磁场削弱后主极磁势； （IW）ｍ ──磁场削弱前（满磁场）主极磁势。
二、磁场削弱的方法
磁场削弱的方法有两类： 1.改变励磁绕组匝数 改变励磁绕组匝数，即将牵引电动机励磁绕 组分段，通过改变牵引电动机励磁绕组的有 效匝数，使流过牵引电动机电枢的电流只通 过一部分励磁绕组（有效匝数），来达到削 弱磁场，此时磁场削弱系数β的表达式为：
进站停车前进行制动，降低机车速度， 直至最后停车。列车的整个运行过程概括起 来，却只存在起动、调速、制动三种基本的 运行状态。
这三种基本运行状态实质都是速度的调 节，只是起动和制动是调速的两种特殊形式 而已。因此，电力机车速度调节是牵引列车 运行时最为根本的任务之一，也是完成运输 任务的主要手段之一。
2．采用功率因数补偿器（PFC）
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，它跨接于机车主 变压器二次侧绕组的两端，加上功补装置后，就是 把L、R、C连接成某一频率的谐振电路（一般在靠 近三次或五次谐波频率处）。在基波网压的作用下 对基波呈容性，提供容性无功电流，减少相控整流 机车滞后的负载电流，从而可以提高机车的功率因 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而被吸收掉，可以减少 流向电网的3次或5次谐波电流，也减少了等效干扰 电流。
4．特性曲线的应用
当牵引电动机由满磁场级位运行转换为磁场 削弱级运行，这个过程是很短暂的，此时机车由 于巨大的惯性速度还来不及变化，因此磁场削弱 后电机的反电势减小，电枢电流增加，机车的输 出功率和牵引力均有所提高。这时若列车运行阻 力不变，则机车牵引力不变，机车速度便可提高， 故在平道运行实施磁场削弱可提高运行速度。若 在上坡道实施磁场削弱，则机车可增大牵引力而 保持牵引速度不变。因此，使用磁场削弱法调节 机车速度，不仅可以提高机车的运行速度，机车 功率也将发挥得更加充分，而且磁场削弱得越深， 机车功率提高得越多。
二、电力机车的调速方式
1.具有直（脉）流牵引电动机机车的调速 直直型和交直型电力机车均采用直（脉）流 牵引电动机做牵引动力。根据机车速度计算 公式知机车的调速方案应有下列几种：
（1）改变牵引电动机回路电阻R 目前所用机车仍采用改变牵引电动机的电
源电压以及削弱牵引电动机磁场的调速方法。
（2）改变牵引电动机的端电压UＤ 随着电力电子技术的发展，现代直流电力机
电力机车是以牵引电动机作为传动设备 的，所以电力机车的调速本质上是牵引电动 机的调速。不同种类的电力机车、选用牵引 电动机的种类不同，调速的方式就不同，而 调速方式又会影响机车的牵引性能、功率因 数。
一、电力机车调速的基本要求
电力机车无论采用何种调速方式，从运 行安全的角度出发，下列基本要求都必须 得到满足：
1．三段不等分桥式整 流电路
三段不等分桥分段调 压波形图
随着桥段数的增多，机车的功率因数将有所 提高，但是段数的增多，会使牵引变压器二次侧 绕组的分段数相应增加，整流桥臂数、整流元件 的数量增多。因此而使得机车主电路复杂，控制 系统复杂。为此在实际应用中，一般采用多段不 等分桥整流电路，但段数不多于4。
四、功率因数补偿
评价相控调压性能有二个重要指标，即 功率因数和谐波干扰。采用相控调压的电 力机车其功率因数较低，不仅降低了设备 的利用率，而且谐波含量高，影响了电网 的供电质量，对电网造成严重污染。随着 机车单机功率的增加及大功率电力半导体 器件在电力机车上应用的日益广泛，提高 功率因数，减少谐波电流已成为一个重要 课题。
第三节 交直型整流器机车的相控调压
重点：
多段桥顺序控制
难点：
多段桥顺序控制
采用可控整流的机车在低电压区，机车的功率 因数比较低，同时由于平波电抗器的作用使变压器 一次侧电流畸变成了矩形波，产生了较大的高次谐 波，造成对电网的污染。为了改善机车的功率因数， 降低谐波干扰，机车上广泛应用了多段整流桥顺序 控制，即把整流桥的段数增加到ｎ段，ｎ愈大，则 效果愈好。下面就分别介绍理想情况下半控二段桥、 三段不等分桥、四段经济桥的工作原理。
试验表明相控机车在装设一定容量的PFC之后， 就勿需采用多段桥。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，从而大大简化了机车主电 路的结构。例如SS6型电力机车就采用了二段桥带 PFC的主电路，引进的6K、8K型电力机车，当PFC 全部投入工作时机车的功率因数PF〉0.9。由于受 机车重量与总体布置上的限制，于是提出在地面 牵引变电所和接触网上设置功率因数补偿装置， 即车下补偿。试验表明车上、车下补偿各有效果， 两者侧重不同。
所谓励磁调节，就是通过调节流过牵引电 动机的励磁电流，从而改变牵引电动机主极磁 通的方法进行调速，亦称磁场削弱调速。
磁场削弱的目是扩大机车的运行范围，充 分利用机车功率。本节主要讨论磁场削弱系数 的概念，磁场削弱方法以及磁场削弱时机车特 性。
磁场削弱系数用β表示，磁场削弱系数定义 如下：在同一牵引电动机电枢电流下，磁场削弱 后（削弱磁场）牵引电动机主极磁势与磁场削弱 前（满磁场）牵引电动机主极磁势之比。
1
Im
②牵引电动机端电压随负载变化即UD=f（Ia），
如果Φβ=Φm：
m
V I
U1UImmV
m
磁削后机车的速度特性曲线，是在满磁场 速度特性曲线的上方，曲线的形状基本相似， 而且磁场削弱愈深曲线位置愈高。因为当UD， Ia不变时，Φ愈小，则V愈高。
磁场削弱下的机车速度特性
2．削弱磁场时的机车牵引力特性
小结
本章主要讲述了电力机车的速度调节。这是机 车控制理论的重要部分。
一、具有直（脉）流牵引电机机车的调速方法 电力机车调速方法有三种：一是串电阻调速、二 是调压调速、三是磁场削弱调速。交直型电力机车 均采用调压调速为主，磁场削弱调速为辅的调速方 法。
变压器二次侧绕组由二段a4x4、a2x2组成，其 中一段a4x4接成中抽式半控桥，另一段a2x2接成 一般半控桥整流电路，因中抽式绕组可看作两段 绕组a4b4、b4x4，故实际上变压器二次侧绕组是 三段不等分，各段绕组的电压分配比例为1：1：2。 VD1~VD4提供直流续流通道。
2．四段经济桥式整流电路
电枢电流中的一部分流过牵引电动机的励磁绕组，
从而完成磁场削弱。此时磁场削弱系数β的表达
式为：
IW I I mW I m
式中 ：Iβ——牵引电动机磁场削弱后流过励磁 绕组的电流，
Iｍ——牵引电动机满磁场时流过励磁绕 组的电流，即电枢电流。
改变励磁绕组电流的方法可有以下几种：
（1）电阻分路法 电阻分路法就是在励磁绕组的两端并联电阻对 励磁电流进行分路，从而达到削弱磁场的目的。 （2）晶闸管分路法 晶闸管分路法就是利用晶闸管元件的连续、实 时、可控，对牵引电动机的励磁电流根据要求的β 值进行旁路，从而达到削弱磁场的目的，此种方法 也称无级磁场削弱法。利用晶闸管分路法可以使牵 引电动机实现平滑无级的磁场削弱。法国的8K型、 国产SS8型准高速电力机车均采用无级磁场削弱。
1.宽广的调速范围。只有具备宽广的调 速范围才能满足列车运行速度不断提高的需 要；2.冲击力小，牵引力变化连续。速度调 节应力求平稳，不间断牵引电动机的供电， 并且有尽可能多的速度运行级，从而避免电 流和牵引力的冲击；
3.调速经济。在保证速度范围的情况下，附 加设备要少，且尽量减少附加能量损耗；
4.运行可靠，控制简单，操作方便。
第二十章 直流电力机车速度调节
第一节 概述 第二节 励磁调节 第三节 交直型整流器机车的相控调压
第一节 概述
重点：
电力机车调速基本要求和调速方式
难点：
电力机车调速方式
电力机车作为电气化铁道的牵引动力， 为充分发挥其功率，要求机车的牵引力和速 度均能在宽广的范围内均匀而经济地调节。 一般情况下机车牵引列车的整个过程是由停 车状态开始，经过起动加速再逐渐提高速度， 直到机车工作在其自然特性上，此后司机根 据列车运行图的要求及线路纵断面的变化随 时进行速度调节。
（3）改变磁通量Φ
这种方法在直流电力机车和整流器电力机 车上都得到应用，即所谓的磁场削弱调速。无 论调节电压或调节磁通量，都不产生附加的能 量损耗，因而得到的速度级称为经济运行级。 机车在经济运行级上可以长时间运行。
第二节 励磁调节
重点：
磁场削弱的定义和方法
难点：
磁场削弱下的机车特性及其应用
一、磁场削弱系数
车如城市地铁，采用斩波器进行调速。它取消了 起动电阻，利用斩波的原理可对牵引电机的端电 压进行连续、平滑的调节，因此机车的性能大为 改善。
在整流器电力机车上，接触网电压需经变压 器降压和整流装置整流后，再供给牵引电动机， 因而这种机车可用改变变压器一次侧、二次侧电 压的方式进行有级调速，或者利用晶闸管整流元 件，通过改变晶闸管移相角的方法来改变整流输 出电压，从而进行平滑无级调速。
三、磁场削弱下的机车特性及其应用
1.削弱磁场时的机车速度特性 已知满磁场时的机车速度特性为:
V
m
U
m Im CV m
R
Um CV m
削弱磁场时的机车速度特性为:
V
U
I CV
R
U CV
分两种情况进行讨论。
①牵引电动机端电压恒定即UD＝常数，如果 Φβ=Φm，则Vβ=Vm：