电力机车控制

电力机车调速电力机车调速电力机车调速电力机车牵引列车运行中，根据运行条件对机车的运行速度进行控制和调节的技术.电力机车调速的目的是充分发挥机车的功率，提高运抽能力，完成运输任务。

列车在线路上由于线路状态、坡度、曲线和牵引重量不同，及遇有临时线路施工、进出站等需要急行或停车的情况，速度变化范围较大，要求电力机车具备良好的调速性能，以满足运行需要。

对调速的基本要求:①在调速过程中不能中断主电路供电，由一个速度级转换到另一速度级应平稳过渡，避免牵引力突变引起列车冲动。

②不因调速引起倾外能量损耗。

③调速方法应力求简便、可靠。

调速原理电力机车调速实质是牵引电动机(电力机车电机电器)的调速问题。

电力机车是以牵引电动机通过齿轮等传动装置驱动机车运行的。

电力机车中应用较多的是直流串励电动机(见直流电动机)，这种电动机有调速简单，调节范围广，起动力矩大等优点。

直流串励电动机的转速公式为 U.一I.R. C巾，r/min 式中U.为牵引电动机端电压，V;1.为电枢电流，A;凡为牵引电动机电路中总电阻，n;巾为励磁磁通，Wb， c.为电动机结构常数。

从公式可知，改变U.、凡以及巾，均可改变电动机的转速，达到调速目的。

分类电力机车的调速分为直流电力机车调速、交流电力机车调速、交流一直流一交流传动系统变频调速。

直流电力机车调速又可分为变阻调速、变压调速、变磁调速(磁场削弱〕、斩波调速。

前三种为有级调速，最后一种为无级平滑调速。

变阻调速:其基本工作原理是改变串接在牵引电动机电路中的电阻值以调节机车的速度. 按运行要求，改变可调电阻R的数值，即可改变牵引电动机的端电压，从而使机车的速度变化。

变阻调速的值再进一步提速，可充分发挥高速运行时牵引电动机的功率。

此时通过采用主极绕组上并联分路电阻(R、与 RZ并联)来减少牵引电动机主极磁通必(一般称为磁场削弱)，从而使电机电流一部分流经分路电阻，减少励磁电流，即相应减少磁通。

这种调速方法简单、方便.利用改变分路电阻值的方法，即可得到几个不同的磁场削弱强度.斩波调速:在直流接触网电压电源与直流牵引电动机之间接人可控晶闸管直流斩波器，通过调节可控晶闸管每一周期内导通时间(即改变导通比)，可以改变牵引电动机的端电压，从而调节机车的运行速度. 这种斩波调速方法，不仅损耗小而且可以无级平滑调速。

在地下铁道、动车及城市无执电车上广泛采用斩波调速。

(见斩波控制直流调速) 交流电力机车调速在交流电力机车中，以整流器式电力机车用的最多。

它由单相高压交流接触网供电，经过机车的牵引变压器降压和整流装t整流后以低压直流(实为脉流)形式供给直流牵引电动机.由于这种电力机车上装有牵引变压器、整流器，可以采用多种调压方式。

这些调压方式既可用改变牵引变压器输出电压方法来调节牵引电动机的端电压，也可用直接改变整流装置的整流电压方法来调节牵引电动机的端电压，以达到电力机车调速的目的。

利用牵引变压器调压方法进行机车调速的优点是:调压电路简单，调速范围广，经济运行级多，调节方便，功率因数和效率比较高。

采用直接改变整流电压调速方法，即晶闸管相位控制调压，则可实现平滑无级调速，即每级均可长期运行，都是经济运行级。

(l)牵引变压器调压方法分为高压侧调压及低压侧调压两种，使用较多的是低压侧调压。

1)高压侧调压:改变牵引变压器的高压侧绕组 (即一次绕组)抽头，调节其输出电压，从而达到机车调速目的。

高压侧调压的基本原理如图4所示。

变压器的基本关系式为竺_丛.0._。

坠 uZw:’一‘一’wz 式中WI为高压绕组匝数;WZ为低压绕组匝数;“，为牵引变压器输入电压;uZ为牵引变压器输出电压。

若牵引变压器低压绕组匝数WZ不变时，改变高压实质仍为调节牵引电动机的端电压。

图1变阻调速示意图变阻调速方法简单、方便，将电阻分为几级，便可得到几级调速，但在电阻上有能量损耗，不经济。

它是有级调速，难以实行平滑无级连续调节，故只用在直流电力机车上，作为短时起动调节，不能长期运行。

一般在城市电车上普遍采用变阻调速，而干线大功率电力机车上不采用变阻调速方法。

(2)变压调速:改变作用于牵引电动机上的电压来调节机车的运行速度。

这种调压方法，也称为电机的串并联调压方法。

在直流电力机车上，通常其牵引电动机直接与接触网(见电气化铁路接触网)连接，中间无变换装置，利用电机的串并联方法，改变牵引电动机端电压，达到调节机车速度的目的(见图2)。

如一台直流电力机车装有4台牵引电动机，开始低速运行时采用 ;当台牵引电动机2台串联2组并联时，每台端电压为 U。

后者比前者电压提高1倍.机车速度也提高1倍. 2“若4台电机并联，则牵引电动机的端电压为U，即为接触网电压，因电压又提高，故机车速度再提高1倍改变牵引电动机端电压调压 (a)4台串联;(b)2台串联为一组，2组并联; (e)4台并联这种变压调速方法，需改变牵引电动机的接线，并需相应的转换开关，线路较复杂，且为有级调速，调节级数少(2~3级)，但调速时无电能损耗，比较经济，一般在直流电力机车上采用，并可与其他调节方法联合使用。

(3)变磁调速:通过改变励磁即改变牵引电动机的主极励磁磁通来改变电机转速的方法，一般在电力机车运行时，当其速度达到额定低压侧绕组匝数n2;，则可改变牵引变压器输出电压uZ。

在机车起动时，将高压侧绕组W:的全部匝数 C串入接触网，以便得到最小输出电压.此时A点与接触网电位相同.在调压过程中，需逐步减少匝数 W:，来提高低压侧翰出电压。

输出电压达到最大值时， N点电位和仍与接触网电位相同，而此时A点为接触网电位的几倍! 为此，要求变压器的绕组绝缘水平大大提高，设计制造更复杂.实际上高压侧调压的牵引变压器是一台高压自辆变压器与一台一般双绕组变压器的组合，除有高、低压绕组外，还有一个调压绕组(直接与接触网连接)，三个绕组共同拐合在一个铁芯柱上。

在机车起动之前 A、T两点重合，此时高压绕组Ll的两端电压为零，低压绕组LZ的两端也无摘出电压。

然后A点向上移动，商压绕组Ll上电压逐渐升高，低压绕组LZ感应相应的输出电压“2，经整流后供给牵引电动机。

调压绕组有若干个绕组抽头，通过高压调压开关将高压绕组A 点与调压绕组的相应抽头连接，有几个抽头便可得到几级调压。

抽头多，调压级也增多。

高压侧调压是有级调压，增加调压级数，以及有调压绕组的存在，都将使变压器的结构复杂、设计容量增加，在机车低速运行时，其效率及功率因数降低。

高压侧调压的优点是:调压过程中转换电流较小 (一般为几百安)，开关电器抽头的引线尺寸小、重量轻、调压级数较多(30级左右)，对合理选择牵引电动机端电压有利。

2)低压侧调压:改变牵引变压器低压绕组匝数，达到调节供给牵引电动机的电压，控制机车速度的目的。

低压侧调压的优点:牵引变压器的容量较小，对调压开关(为转换变压器低压侧绕组抽头用)的绝缘水平要求较低，机车低速运行时的效率及功率因数较高。

其缺点为:由于牵引变压器低压侧电流比较大(数千安)，所以要求调压开关转换电流比较大，低压绕组匝数比较小，设计安排调压用的抽头有一定限制，这一点不如高压侧调压方便。

为得到较多的调压级数，采用一些特殊的调压线路。

例如，中间抽头式(简称中抽式)调压电路将低压侧绕组每相再分为基本绕组与有几个抽头的可调绕组，利用调压开关的绕组转换开关，将两部分绕组进行正接或反接，调节牵引变压器的输出电压，可得到较多的调压级数。

按规定程序调节，可使愉出电压逐级升高，在最高调压级时，输出电压达最大值(为基本绕组与可调绕组电压之和)，反方向调节电压则输出电压下降。

这种中间抽头式调压电路在调压过程中，在奇数级时正负半周中两相绕组的输出电压相等，而偶数级时输出电压不等.不对称调压只有在两组绕组翰出电压相等时的电压级上，才可长期运行。

在调压过程中，为了使调压级间转换时负载电流不致中断(不中断牵引电动机电路电流)，同时牵引变压器绕组又不发生局部短路，要在高压侧调压电路中，设里有级间转换用的过渡电阻，在低压侧调压电路中设置有级间转换用硅二极管(也称过渡硅机组)或过波电抗器。

在整流式电力机车上，采用中抽式整流电路低压侧调压时，一般采用有过渡硅机组的低压侧绕组、正反接的不对称调压方式。

中国韶山1型(551型)电力机车即用此调压方式，韶山1型机车低压侧调压及其绕组正反向连接原理 (a)中点抽头线路;(b)反接中抽线路; (c)正接中抽线路牵引变压器低压侧调压方式的基本调压原理也适用于桥式整流电路的电力机车。

(2)晶闸管相位控制调压(简称相控调压):利用反并联连接的晶闸管接人交流侧进行反并联控制.或与二极管组成混合桥路或者全控桥路，利用相位控制直接进行相控调压，省略了调压开关，减少了主电路的开关电器，使机车主电路简化。

为了减少高次谐波电流，在机车牵引变压器二次侧可用多分段绕组，在直流侧采用纵向连接，全控桥时作为逆变器可进行再生制动，晶闸管相控调压可实现无级平滑调压。

相控调压也称移相调压，它是通过控制晶闸管整流装置的导通相角，直接调节整流电压的调压方法。

在相控调压时，牵引变压器低压侧输出电压“2维持不变，而晶闸管整流装置起着整流与调压的双重作用。

最简单的相控调压线路是用一个半控桥式整流电路对牵引电动机供电，但这种电路功率因数很低，对通信干扰大，很少采用。

在晶闸管整流器式电力机车上多用两段半控桥调压电路，见图6。

交流一直流一交流传动系统变频调速20世纪7。

年代电力电子技术迅速发展，出现体积小、功率大、效率高、性能好的静止变频装置，为发展交流传动系统采用异步牵引电动机(或同步电动机)创造了有利条件。

图6两段半控桥调压原理及电压波形 (a)原理图;(b)整流电压波形该电路的牵引变压器低压侧有两段绕组，每段向一个半控桥供电，两个半控桥串联对牵引电动机供电。

调压过程分为两阶段。

第一阶段半控桥UI工作，UZ 中的V7、VS不工作，通过UZ中的V石、V6与电动机组成回路。

当Vl、VZ逐渐导通时，对应于一定的控制角a:，牵引电动机得到相应的电压，若逐渐减少控制角al，则整流电压逐渐升高。

UI全开通后，整流电压平均值升至0.SUd。

(Ud。

为a~。

时空载电压平均值)，此时第一阶段调压结束。

然后在Ul桥全开通基础上，投人UZ桥工作，继续提高整流电压，V7、VS开通，牵引电动机电压也相应提高，直到UZ桥全开通时，整流电压平均值达到Ud。

，则整个调压过程完毕。

控制角a 的调节范围为180。

一0o，实际上由于换相过程中有重叠角y存在，所以a的调节范围为18护~2扩，最小允许到150. 两段半控桥调压比一段半控桥虽然整流电压脉动量有所下降，机车功率因数有所提高，但为进一步提高机车功率因数，晶闸管整流器式机车采用多段桥顺序相控调压方式(如四段桥等)，见图7，过多分段将使牵引变压器和机车主电路结构复杂化。