【精品】第三章电力机车控制

第三章电力机车控制第一节电力机车速度调节电力机车是电气化铁道的主要牵引动力之一，为充分发挥电力机车的功率，提高电力牵引的运输能力,要求电力机车的牵引力和速度均能在广泛的范围内改变。

电力机车的调速是指由某一运行速度转变为另一运行速度的过程，即起动、调速与制动。

直流电力机车、整流器式电力机车采用串励牵引电动机,其速度公式为Φv aD CR IU v∑-=式中：U D－牵引电动机端电压（V）Ia－牵引电动机电枢电流(A）ΣR－牵引电动机电路的总电阻（Ω）Φ－牵引电动机的主极磁通（WB）C V －机车常数.D6010CC3cevπμ⋅=式中：D－机车动轮滚动园周直径μC－机车齿轮传动装置的传动比4.35Ce －由牵引电动机结构决定的常数。

apNC e60=式中：p=2 N=720 a=2由上式可知，改变电力机车的运行速度有下述几种方法：1.改变牵引电动机回路电阻R在牵引电动机回路中串入电阻，通过改变电阻值的方法来调节机车的速度。

由于牵引电动机回路电压较高，电流较大，故串入电阻调速是有级的，而且电阻的能量损耗大，所以不经济.这种方法只能在某些直流电力机车起动时(短时间）使用。

2.改变牵引电动机的端电压U D直流电力机车的牵引电动机电源直接取自接触网,所以可用改变牵引电动机的组合方式（串联、串－并联、并联）来改变牵引电动机的端电压。

这种调速方法无能量损耗，但只能作有级的调节，且调速级有限。

装有直流斩波器调速装置的直流电力机车,可对牵引电动机的端电压进行连续、平滑的调节，并取消了启动电阻,因此使机车起动特性大大改善.在整流器式机车上，接触网电压经变压器降压和整流后，再供给牵引电动机，因而这种机车可用改变变压器次边输出电压的方式有级调速,或采用可控硅整流，改变可控硅导通角的方法来改变整流输出电压，从而进行平滑的无级调速。

3。

改变磁通量这种方法在直流电力机车和整流器式电力机车上都得到应用，即磁场削弱调速,通常只能有限地分级式地调节或采用晶闸管进行无级磁场削弱。

一、电压调节（一）斩波调压在直流电力机车上采用可控硅直流斩波调压装置（直流斩波器）进行调压，用这种装置可以平滑地调节输出的直流平均电压，从而改变直流电力机车的速度。

1.直流斩波器的工作原理图3—1a为直流电力机车应用的直流斩波器调压原理图。

图中KG为主可控硅，L、C为电感电容滤波器，D为牵引电动机，PK为平波电抗器，B为续流二级管，U0为外加直流电压。

图3－1a-直流斩波器电路原理图；b—斩波器电压波形图L 、C 电感电容滤波器可以滤去外加电压中的交流成分,减少电压的脉动，同时也可以大大减弱机车操作过电压的影响。

当主可控硅KG 关断时，牵引电动机两端无电压。

当主可控硅KG 导通时,牵引电动机（包括平波电抗器）两端电压为电网电压U 0。

若主可控硅KG 能按一定的时间反复导通和关断，则牵引电动机两端将得到断续的、周期性的电压，其波形如图3—1b 所示。

设其电压平均值为U D ，则U D 可由下式求出：T U U D τ0=式中：T －主可控硅KG 的工作周期；Τ－主可控硅KG 每一工作周期的导通时间；τ/T －导通比。

由上式可知，直流斩波器起到了相当于变压器的作用,其导通比τ/T 即相当于变压器的变比.如果调节主可控硅KG 的工作周期或调节主可控硅的导通时间或二者同时调节，均可以调节斩波器输出电压的平均值,达到电压调节的目的。

一般固定主可控硅KG 的工作周期T ,改变其导通时间来调节斩波器输出电压平均值.由于断续的电压对牵引电动机工作不利，因此在牵引电动机回路串联上平波电抗器PK 进行滤波.斩波器输出的电压可分解为直流分量U D 和一交流分量u ~（见图3-1b ），经平波电抗器平波后，牵引电动机得到的电压比较平直。

当主可控硅导通时,牵引电动机有电流I a通过，电流上升陡度由平波电抗器参数决定。

当主可控硅KG关断时，平波电抗器释放能量，通过续流二极管B向牵引电动机供电.2。

斩波调压的特点直流斩波器在电力机车上的应用使直流电力机车取消了启动电阻,对电机端电压进行连续、平滑的调节,因而增加了机车运行的平稳性，避免了调速过程中的能耗和电流冲击，使粘着得到充分利用。

这种装置与控制系统配合易于实现机车自动控制并可实现直流串励电机的再生制动。

（二）整流器式电力机车的变压器调压整流器式电力机车上装有牵引变压器,可以利用改变牵引变压器输出电压的方法来调节牵引电动机的端电压，实现机车的调速。

改变变压器输出电压，可以在变压器的低压侧进行，也可以在变压器的高压侧进行.因此有低压侧调压和高压侧调压两种方法。

因为这种调压方式具有线路简单、调压方便、速度调节范围大，运行级位多和效率高等优点，因而在整流器式电力机车得到了应用.1。

高压侧调压利用牵引变压器高压绕组的变化来改变变压器输出电压的方法叫高压侧调压。

其原理图如图3-2所示。

在调压开始时,为了得到变压器次边最小输出电压U 2min ，需将变压器全部接入原边匝数，即n 点与A 点相接，此时变压器有最大变比K max ,其值为21min 20max W W U U K ==式中：U 0－接触网供电电压；W 1—变压器原边绕组总匝数；W 2—变压器次边绕组总匝数.在调压过程中，n 点逐渐下移,则变压器原边有效匝数减少，使变压器变比逐惭减少，则变压器次边电压逐渐升高。

一般变压器次边输出的最高电压U 2max 为牵引电动机额定电压U e 的1。

2倍，此时变压器变比为最小值K min ，其值为2min 0max 20min 2.1W W U U U U K e ===式中：W min －变压器原边绕组最小有效匝数。

在实际应用中不能采用这种简单的调压线路，这是因为随着调压过程的进行,A 点的电位将大大提高。

在调压开始时，A 点电位与接触网电压相同。

当变压器次边输出最高电压时,A 点电位为minmax 0min 110K K U W W U U A ==由此可知，A 点电位可以高出接触网电压值U 0很多倍，这样，变压器原边绕组的绝缘就要按很高的电位去设计。

所以在实际应用中往往加入调压绕组。

如法国制造的6Y2型电力机车即采用带有调压绕组变压器原边高压调压.此种调压方案牵引变压器为三绕组变压器，可以把变压器视为一台普通变压器与一台高压自耦变压器的组合体,用高压自耦变压器调压,普通变压器输出。

2.低压侧调压⑴低压侧调压原理利用牵引变压器低压绕组的变化来改变变压器输出电压的方法，叫低压侧调压。

其原理如图3—3所示。

图中变压器低压绕组分a0、b0两臂，每一臂的抽头按次序交替地分为两组。

以左臂a0低压绕组为例，一组抽头与接触器1、5相连，接到转换二极管D3上；另一组抽头与接触器3、7、9相连，接到转换二极管D1上,二极管D1、D3组成级间转换硅机组用以完成级间电压转换，防止低压绕组小分段被短接。

右臂b0绕组与接触器，级间转换硅机组(D2、D4）的连接与左臂相似。

在调压开始时，接触器9、10闭合，其它接触器均断开，变压器次边无输出电压.调压过程是分级进行的.在第一电压级上,接触器1、2闭合9、10打开，此时变压器绕组的抽头1、2分别通过接触器1、2接入整流电路,变压器次边正、负半周都有相同的输出电压U1，经整流硅机组D5、D6整流后给牵引电动机M供电。

过渡到第二电压级时，应先闭合接触器3，此时变压器a0臂的电流经变压器抽头3、接触器3、二极管D1流过，电压提高至U l+ΔU。

由于二极管Dl、D3对接，故变压器抽头1、3间的一小段绕组不会被短接.在接触器3闭合之后再打开接触器1，接触器1也不开断电流。

而变压器b0臂在此电压级上的输出电压仍为U1,由于a0臂输出电压升高，故整流装置D5、D6正负半周输出的平均电压有所提高，即提高了牵引电动机的端电压.过渡到第三电压级时，a0臂保持不变，b0臂使接触器4闭合，再打开接触器2，于是b0臂输出电压也提高到U1+ΔU，经D5、D6整流，输出平均电压又有所提高。

以此类推,随着变压器次边a0臂、b0臂接入的抽头不同，变压器次边输出的电压也不同,达到了调节输出电压的目的。

分析上述调压线路可知，在奇数级时，变压器次边两臂在正、负半周交替导通时，输出电压相同。

而在偶数级时，两个半周输出电压则不相同，这种情况称为不对称调压.假设变压器次边两臂在偶数级上输出电压的幅值分别为2U a和2U b，则不对称调压会引起整流电流的脉动增加和变压器电流的畸变，这对牵引电动机和变压器的工作都是不利的。

但是，只要选择较多的低压绕组分段数目,其影响便不显著。

⑵带固定绕组的低压侧调压为了增加电压级数，而又不增加变压器低压绕组的抽头.在实际应用中，除采用不对称调压方式外,还可以将变压器次边绕组的每臂分成两部分，即固定绕组（又称基本绕组）和调压绕组(又称分级绕组）.通过固定绕组与调压绕组正、反接的转换来调压，型电力机车就是采用这种调压线路。

可使调压级数增加一倍.SS13。

可控硅级间平滑调压可控硅级间平滑调压相当于低压侧调压与可控硅移相调压的综合.SS型电力机车就是3A采用这种调压方式，如图3-4所示。

调压特点如下：图3－4 可控硅级间平滑调压原理图调压开关低压侧级间平滑调压，实现了调压开关无电弧开断，提高了工作可靠性.它具有变压器绕组抽头调压方案功率因数高，整流电压脉动和对通讯干扰小的优点，又具有平滑无级调压能充分利用机车粘着重量的优点。

但是,该调压方法仍采用调压开关作级间转换,主电路结构较复杂.（三）整流器式电力机车的移相调压采用可控硅整流装置的电力机车，通过改变可控硅导通角的大小的方法来调节整流输出平均电压，这种方法称为可控硅移相调压（又称相控调压）。

可控硅移相调压可获得平滑无级的输出电压。

在大功率整流器式电力机车中常见的可控硅整流电路有图3-5所示三种基本电路，（a）为中抽式全控整流电路;（b）为桥式全控整流电路；（c)为半控桥式整流电路。

（a）(b) （c）图3-5 移相调压整流电路原理图1。

可控硅移相调压原理现以理想半控桥式全波整流电路（交流电源的漏抗X C =0，平波电抗器电感L =∞，不计整流元件的压降）为例说明移相调压原理。

图3—5（c ）中T1、T2为可控硅元件,D1、D2为二极管整流元件，该整流电路称为可控硅不共阴极整流电路，它适应于牵引电动机回路大电感负载的要求，在电力牵引中被广泛采用。

整流电路输出电压平均值为：⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎪⎭⎫ ⎝⎛+=2cos 12cos 12202ααπαd d U U U 式中：U dα－整流电路空载整流平均电压值.U 2－变压器次边电压有效值。

α－可控硅的控制角。

由上式可知，当α=π时，U dα=0；α=0时，U dα=0.9U 2,此时平均整流电压有最大值.因此,若将可控硅触发导通的时刻由π→0（0→π）平滑地改变，则平均整流电压便平滑上升（下降），这样便达到了调节电压的目的.2.移相调压的特点由于可以无级平滑地调节可控硅的触发脉冲相位，因而可以达到无级平滑地调节电压的目的，使机车无级调速，充分地利用机车的粘着重量，发挥较大的牵引力进行平稳操纵.使用这种调速方法，不需要转换主电路，使机车主电路大大简化.但是，相控调压也存在缺点，那就是功率因数低、谐波干扰大，需加装功率因数补偿装置。