第二十一章 电力机车的电气制动

二、他励牵引电机电阻制动 采用它励电机电阻制动时，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 阻接成回路，而电机原串励绕组则由另外电源供电，电机作它励发电机运行，其工作原理图 21-4所示。 1．电气稳定性分析 当它励电阻制动的励磁电流一定时，图21-4所示电枢电路的电压平衡方程式为：
E d Cu V
（2）减少了闸瓦和车轮磨耗。机械制动时，接触表面温度很高，闸瓦和轮缘的磨耗十分 严重，因为机械制动的磨耗主要取决于制动力的强度，高速时需制动强度大，磨耗就大，低 速时相反。所以高速时用电制动，低速度时用机械制动可以大大地降低机车车辆轮轨的磨耗， 大量节约制动闸瓦。
（3）提高了列车下坡运行速度。由于机械制动时需在每次排风制动后，充风缓解至少约 1分钟待风压恢复后才能进行下一次制动，造成下坡速度波动大，使列车的平均速度下降，而 电制动因其性能与制动时间无关，可使列车下坡速度提高8％，因而提高了运输能力。
图21-1 机械稳定性分析
第二节 电阻制动
一、串励牵引电机电阻制动 1．串励电机的自激发电过程 采用串励牵引电机的电力机车在进行电阻制动时，必须首先切断牵引电机电枢与电网的 联接，使电机电枢与制动电阻接成回路。其工作原理图如21-2。
牵引工况
制动工况
图中:ｎ－－电机转速
Φ－－电机主极磁通
Ｅｄ－－电机电枢绕组中产生的感应电势 Ｉａ－－电机电枢电流（制动时为ＩＺ 制动电流） ＲＺ－－制动电阻
示曲线我们还可以得到这样的认识：保持励磁电流为常量时，机车速度越低实行电阻制动时
其制动力越小，因此电阻制动一般不用于机车制停。
如果制动电流Iz保持为一常量，此时机车制动力──速度的特性变为：
B
0.0036mRZ
R
•
I
2 Z
（KN）
V
Cd
（21-9）
由（21-9）式可知，在IZ=C情况下，机车电制动力与机车速度成反比关系，特性曲线为
在I
z
I
时
ZA
d
CV V d IZ
| | |
d
I
Z
RZ d IZ
R
A
（21-5）
Leabharlann Baidu
说明在A点，电阻压降的斜率必须大于电机电势曲线的斜率，系统才具有外部电气稳定
性。
3．调节方式
串励式电阻制动不需要额外的励磁电压，用改变制动电阻RZ的大小来调节制动电流和制 动力。在高压大电流情况下，制动电阻要求有许多抽头和相应的开关电器，造成线路复杂设
4．机车采用电气制动时应满足的基本要求 （1）具有电气稳定性并保证必要的机械稳定性； （2）有广泛的调节范围，冲击力小； （3）机车由牵引状态转换为电气制动状态时应线路简单，操纵方便，有良好的制动性能， 负载分配力求均匀。 5．稳定性概念 （1）机械稳定性：指机车牵引列车在正常运行中，不会由于偶然原因引起速度发生微量 变化而使列车的稳定运行遭到破坏。电气制动的机械稳定性是指当偶然原因使机车运行速度 增高（或降低）时，制动力应随之增大（降低），以保持原来的稳定运行状态。 以图21-1为例对机械稳定性进行分析。设在电气制动工况下，机车在g点稳定运行，若现 有一偶然因素使速度V有一增量ΔV，对曲线1而言，由于其斜率为负，此时制动力Bg〉Bg’， 使速度V进一步上升，因而是不稳定的。而对于曲线2，由于其斜率为正，此时制动力Bg’〉 Bg，迫使速度V降低，因而是稳定的，由此得出判定稳定性的条件：
IZ
RZ
R
L
d IZ
dt
当自感电势 L d I Z 0 时，表示电机的一种稳定工作状态，如图21-5中A点所示。图中曲 dt
线2为他励发电机负载特性曲线。曲线1为机车速度某值时他励发电机的电势特性曲线，如果 电机电流IZ 因扰动而有偏移时，它具有自动恢复到原来稳定状态的趋势。如制动电流IZ 增大，
图21-2 串励牵引电机电阻制动原理
由于串励发电机的激磁建立是依靠电机的剩磁，比较上图（a）、（b）知在牵引工 况和制动工况下，流过机车牵引电机电枢的电流方向是相反的，因此必须设法使电机激磁绕
组的磁势与剩磁方向相同，否则激磁便无法建立。通常采用改换励磁绕组的接法来实现，即
电机励磁绕组CD与电枢绕组AB的接法由ABCD改为ABDC接法，如图21-2所示。
C I R 当它励电阻制动进入稳定工作状态时，电压平衡方程式为 V
R ，
v
ZZ
由此得出机车电阻制动时的速度性为：
V I Z RZ R （km/h） Cv
（21-6）
在上式中由于电阻制动电枢回路的电阻∑R、制动电阻RZ、机车常数Cv均为定值，若不
考虑电机电枢反应的影响，固定的励磁电流下（即主极磁通量Φ固定），机车速度与制动电
流呈正比关系。对应于不同Φ值（即不同的励磁电流），各有一条速度特性曲线，由于励磁
电流的调节是连续的，因而机车的速度特性是一个面特性。需调节机车速度时，可调节它励
磁绕组的励磁电流，各励磁电流下的速度特性曲线如图所示，其中IL4<IL3<IL2<IL1 。
图21-6电阻制动速度特性曲线
（2）制动力特性B=f（IZ） 制动力特性是指轮周制动力与电机制动电流的关系。我们将电机的电磁转矩（反转矩）
2．稳定性分析
电机达到稳定状态时， L d I Z 0 dt
此时：
CV V I Z RZ R
制动电流为：
制动电阻为:
IZ
Cv V RZ R
(21-3)
RZ
CV V IZ
R
(21-4)
由式(21-3)可知在一定的制动电阻RZ及一定的速度Ｖ下，电机只有一个工作状态，它是
由制动电阻的压降与电机外特性曲线所决定的（即二者的交点Ａ）。如果由于某种外界原因
1．会分析电阻制动和加馈电阻制动的原理； 2．掌握电阻制动和加馈电阻制动电气线路构成； 3．会分析电阻制动特性曲线。
第一节 概 述
制动是机车运行的基本工作状态之一。当列车需要减速、停车或在长大下坡道上运行需 要限制列车的速度时，都必须采取制动措施，控制机车的运行速度。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。随着铁路运输的发展，行车速度的不断提高，对 机车的制动性能也相应提出了更高的要求，以更好的保证列车高速运行时的安全性和可靠性。
C B
m
2 c
R 2 D2cd
R
Z
2V （KN）
e
（21-8）
下面我们分析（3-8）式，由上式知，对于某一固定的励磁电流（即Φ值固定），制动力
与速度成正比关系，并且I（L 即Φ值）越大，特性曲线越陡，如图21-8所示，图中IL4 >IL3 >IL2 >IL1。
说明它励电阻制动具有机械稳定性，即随着机车速度的增加其电制动力也增加。从图21-8所
2．制动特性及控制方式
电力机车在电气制动时的各种工作特性称为制动特性。它包括制动时反映机车速度V与
制动电流IZ关系的速度特性V=f（IZ）；制动力Ｂ与制动电流IZ关系的制动力特性B=f（IZ）， 制动力B与机车速度V关系的制动特性B=f（V）。下面具体分析它励电阻制动的各种工作特
性。
（1）速度特性V=f（IZ）
1．电气制动的基本原理 电气制动是利用电机的可逆性原理。电力机车在牵引工况运行时，牵引电机做电动机运 行，将电网的电能转变为机械能，轴上输出牵引转矩以驱动列车运行。电力机车在电气制动 时，列车的惯性力带动牵引电动机，此时牵引电机将做发电机运行，将列车动能转变为电能， 输出制动电流的同时，在牵引电机轴上产生反向转矩并作用于轮对，形成制动力，使列车减 速或在下坡道上以一定速度运行。 2．电气制动的形式 根据电气制动时电能消耗的方式，电气制动分为电阻制动和再生制动二种形式，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，称之为电阻制动。如果将电气制动 时产生的电能重新反馈到电网加以利用，称之为再生制动。 3．电气制动的优越性 （1）提高了列车行车的安全性。列车除机械制动系统外，由于配备了电气制动系统。因 而提高了列车运行的安全性。机械制动是靠闸瓦与车轮的机械磨擦来降低机车的运行速度， 而机械摩擦系数随着温度升高明显下降，因此机械制动的性能和效果随着列车速度、载重和 长度的提高而下降，且在高速时列车的机械制动呈现不稳定性，而电制动则相反，速度越高 制动效果越明显，而且与制动时间无关。
备增多，且制动力的调节是有级的，不利于机车平稳运行。同时制动电阻的取值应适当不宜
过大，否则会使电机不能自激。当多台电机并联共用一个制动电阻时，还会出现不稳定状态。 所以在整流器电力机车上使用电阻制动时，一般不用串励式电阻制动，而采用它励式电阻制 动，即用改变励磁电流的方式来调节机车的制动电流和制动力，实现对机车运行速度的控制。
dIz dt
，E0为由剩磁所产生的旋转电势。
由图可见，在E0的作用下，制动开始的瞬间自感电势 L d I Z 为正值，使制动电流增长，电机 dt
励磁加强。尽管在随后的过程中， L d I Z 在变化，但总为正值，使电机励磁磁势不断加强。 dt
直到曲线1与直线2的交点Ａ，自感电势 L d I Z 0 ，电流达到稳定状态，完成了电机的自激过 dt 程。
C I I I R 电机电势 V 〈 u
Z
Z
R
，L d Z dt
<0，使电流减小；当IZ减小时， L d Z dt
>0，使电流
增大。因而能自动恢复到稳定状态工作点Ａ点。所以，它励电阻制动具有电气稳定性。
图21-4它励电阻制动原理电路
图21-5它励电阻制动回路电势曲线
图中：RZ——制动电阻； IZ——电机制动电流； Ed——电机发电电势。
第二十一章 电力机车的电气制动
牵引与制动是一对矛盾。制动是调速的一种特殊形式。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，包括闸瓦制动和盘形制动。二是电气制动系统，包括电 阻制动和再生制动。本章将详细分析电气制动的基本原理，电气制动的稳定性，电气制动的 形式，电气制动的特性及其控制方式。学习本章应达到以下目的：
一双曲线，且IL3 >IL2 >IL1。另外当制动电流保持恒定时，制动力在很宽的范围内随速度的升
串励发电机在它的自激过程中，制动回路电流IZ与发电机电势Ed关系为:
Ed CvV Iz Rz
R
L
dIz dt
（21-1）
L
dIz dt
CvV
Iz
Rz
R
（21-2）
式中：RZ——制动电阻； ΣR——发电机总电阻，包括电枢、附加极、主极绕组的电阻；
L——制动回路的电感。
图21-3 串励电阻制动回路电势曲线
分析上式，由于列车运行时有很大的机械惯性，在电机自激的过程中，机车速度变化很 小，可视为常值。所以电机的电势将随制动电流IZ的增加而增长。若将制动回路内的电势与 电流的关系表示为曲线可用图21-3表示。图中曲线1表示发电机电势Ed= CvV ，直线2表示电
阻压降 Iz Rz
R
，两线之间的纵线段表示自感电势 L
而偏离这一工作状态，它有自动恢复到原来稳定状态的趋势。比如在制动过程中，制动电流
有所增加，则电机电势
Cv
V
小于电阻压降
I
Z
RZ
R，
L
dI
dt
Z
<0，迫使电流减小；当电
流减小时，电机电势
Cv
V
大于电阻压降
I
Z
RZ
R，
L
dI
dt
Z
>0，使电流增大。因而，它
具有电气稳定性。
根据上述对外部电气稳定性的分析，可以得出检验外部电气稳定性的数学判式为：
dB 0
dV
实际上电力机车无论是电阻制动或再生制动的制动特性在高速区，保持制动电流恒定的 条件下特性曲线的变化率 dB 0 ，故电气制动在高速区具有机械稳定性。
dV
（2）电气稳定性：指电传动机车在正常运行中，不会由于偶然因素，电流发生微量变化， 而使牵引电机的电平衡状态遭到破坏。电气制动的电气稳定性判别我们将在本章的第二节和 第五节详细分析。
需调节制动力时，可通过调节它励绕组的励磁电流来实现。由图21-7曲线可知，当制动
电流一定时，励磁电流越大，机车制动力就越大。也可以在一定的励磁电流下通过调节制动
电流来实现，且制动电流越大，制动力越大。
图21-7 电阻制动力特性曲线
（3）制动特性B=f（V） 由电阻制动的速度特性公式（21-6）和制动力特性公式（21-7）可以求出机车电阻制动 时机车制动力与机车速度的关系式为：
换算为机车轮周制动力B，则有：
B
0.06mCe C D
I
Z
Cd
（KN）
(21-7)
由式（21-7）可知，轮周制动力B正比于CeΦ与IZ的乘积。若不计电机的电枢反应，当励
磁电流一定时（Φ为定值），制动力B与电枢电流IZ之间也是成正比关系。对应于不同的励磁
电流各有一条过原点的直线，制动力特性曲线如图21-7所示，其中IL4 >IL3 >IL2 >IL1。