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34電氣制動(dòng)基本原理

電氣制動(dòng)形式交流傳動(dòng)電力機(jī)車(chē)的再生制動(dòng)直流傳動(dòng)電力機(jī)車(chē)的電阻制動(dòng)電力機(jī)車(chē)的電氣制動(dòng)電傳動(dòng)機(jī)車(chē)一般有兩套制動(dòng)系統(tǒng)，一是空氣制動(dòng)系統(tǒng)即機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)，包括閘瓦制動(dòng)和盤(pán)型制動(dòng)；二是電氣制動(dòng)系統(tǒng)，包括電阻制動(dòng)和再生制動(dòng)，高速列車(chē)還有磁軌制動(dòng)和渦流制動(dòng)。制動(dòng)是機(jī)車(chē)基本運(yùn)行工作狀態(tài)之一，當(dāng)列車(chē)需要減速、停車(chē)或在長(zhǎng)大下坡道上運(yùn)行限制列車(chē)速度時(shí)，都必須采取制動(dòng)措施。現(xiàn)代鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩栽诤艽蟪潭壬先Q于機(jī)車(chē)制動(dòng)性能的好壞。

1電氣制動(dòng)基本原理電氣制動(dòng)（也稱(chēng)動(dòng)力制動(dòng)）是利用了電機(jī)的可逆性原理。

機(jī)車(chē)在牽引工況時(shí)，牽引電機(jī)做電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，將電網(wǎng)的電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，軸上輸出牽引轉(zhuǎn)矩以驅(qū)動(dòng)列車(chē)運(yùn)行。機(jī)車(chē)在電氣制動(dòng)時(shí)，列車(chē)的慣性力帶動(dòng)牽引電機(jī)，牽引電機(jī)做發(fā)電機(jī)運(yùn)行，將列車(chē)動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，輸出制動(dòng)電流的同時(shí)，在牽引電機(jī)軸上產(chǎn)生反轉(zhuǎn)鉅并作用于輪對(duì)，形成制動(dòng)力使列車(chē)減速或以一定的速度運(yùn)行。

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電氣制動(dòng)形式及基本要求

根據(jù)電氣制動(dòng)時(shí)電能的消耗方式，電氣制動(dòng)分為電阻制動(dòng)和再生制動(dòng)。如果將電氣制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電能利用電阻使之轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉，稱(chēng)為電阻制動(dòng)。如果將電氣制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電能重新回饋給電網(wǎng)并加以利用，稱(chēng)為再生制動(dòng)。

實(shí)施電氣制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)系統(tǒng)必須滿足以下幾點(diǎn)要求：（1）具有電氣穩(wěn)定性并保證必要的機(jī)械穩(wěn)定性；（2）具有廣泛的調(diào)節(jié)范圍，制動(dòng)過(guò)程要平穩(wěn)，沖擊力要??；（3）機(jī)車(chē)由牽引狀態(tài)轉(zhuǎn)換為電氣制動(dòng)狀態(tài)時(shí)線路應(yīng)簡(jiǎn)單，操縱方便，有良好的制動(dòng)性能，負(fù)載分配力求均勻。直流傳動(dòng)電力機(jī)車(chē)采用電阻制動(dòng)，交流傳動(dòng)電力機(jī)車(chē)采用再生制動(dòng)。采用電氣制動(dòng)可以提高列車(chē)運(yùn)行的安全性，提高列車(chē)的下坡速度，最小限度的使用空氣制動(dòng)，以減小輪緣和鋼軌間的磨耗，降低運(yùn)輸成本。

3直流傳動(dòng)電力機(jī)車(chē)的電阻制動(dòng)1.電阻制動(dòng)時(shí)的線路轉(zhuǎn)換在直流傳動(dòng)電力機(jī)車(chē)中，一般采用串勵(lì)牽引電機(jī)。由于串勵(lì)電機(jī)的特性很軟，若作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，輸出電壓穩(wěn)定性很差，因此在進(jìn)行電氣制動(dòng)時(shí)需將串勵(lì)電機(jī)改為它勵(lì)電機(jī)。

采用它勵(lì)電阻制動(dòng)時(shí)，首先切斷牽引電機(jī)電樞與電網(wǎng)的連接，使電樞繞組與制動(dòng)電阻結(jié)成回路，勵(lì)磁繞組則由其它電源供電，并且勵(lì)磁電流方向與牽引時(shí)相反，以改變電磁轉(zhuǎn)矩方向。電機(jī)做它勵(lì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行，其工作原理如圖1所示。圖1電阻制動(dòng)線路轉(zhuǎn)換2.電阻制動(dòng)特性

圖2電阻制動(dòng)特性曲線由圖可知保持勵(lì)磁電流為常量（即Φ值固定)，機(jī)車(chē)速度越高，制動(dòng)力越大，制動(dòng)效果越明顯；機(jī)車(chē)速度越低，制動(dòng)力越小，故電阻一般不能用于制停。制動(dòng)特性是指制動(dòng)力B與機(jī)車(chē)速度v之間的關(guān)系，即B=f(v)，如圖2所示。圖中，對(duì)于某一固定的勵(lì)磁電流（即Φ值固定)，制動(dòng)力B與速度v成正比，并且勵(lì)磁電流越大，特性曲線越陡，如圖2所示，圖中IL4>IL3>IL2>IL1，說(shuō)明它勵(lì)電阻制動(dòng)具有機(jī)械穩(wěn)定性，隨著機(jī)車(chē)速度的增加其制動(dòng)力也增加。3

3.電阻制動(dòng)的不足及克服方法從制動(dòng)特性曲線可以看出電阻制動(dòng)最大的缺點(diǎn)是：低速時(shí)制動(dòng)力直線下降，制動(dòng)效果不明顯。因此，電阻制動(dòng)不能完全代替空氣制動(dòng)，一般只能作為減速制動(dòng)，不能作為停車(chē)制動(dòng)。為了提高低速時(shí)的制動(dòng)力，直流傳動(dòng)電力機(jī)車(chē)一般采用兩種方法。(1)分級(jí)電阻制動(dòng)利用改變制動(dòng)電阻阻值來(lái)改變制動(dòng)特性，即將制動(dòng)電阻分成若干級(jí)，低速時(shí)由于發(fā)電機(jī)電勢(shì)隨機(jī)車(chē)速度（電機(jī)轉(zhuǎn)速）的降低而正比的降低，對(duì)于一定的制動(dòng)電阻，制動(dòng)電流也正比減小，因而不能維持一定制動(dòng)力時(shí)所需的電流，若將制動(dòng)電阻短接（減?。┮徊糠?，則盡管由于機(jī)車(chē)速度的降低使發(fā)電機(jī)電勢(shì)下降，但由于制動(dòng)電阻的減小，制動(dòng)電流仍能保持較大的值，以維持低速時(shí)有較大的制動(dòng)力。又稱(chēng)“補(bǔ)足”電阻制動(dòng)，電阻制動(dòng)在低速區(qū)由于制動(dòng)電流減小而使制動(dòng)力下降，為了維護(hù)制動(dòng)電流不變，克服機(jī)車(chē)制動(dòng)力在低速區(qū)減小的狀況，在制動(dòng)回路外接附加制動(dòng)電源來(lái)補(bǔ)足。其原理如圖3所示。(2)加饋電阻制動(dòng)

圖3加饋電阻制動(dòng)原理由于加饋電阻制動(dòng)需要根據(jù)實(shí)際制動(dòng)電流及時(shí)補(bǔ)足發(fā)電機(jī)電勢(shì)減少部分，故要求附加制動(dòng)電源連續(xù)可調(diào)。

一般相控調(diào)壓的電力機(jī)車(chē)不另設(shè)加饋電源，而是使用牽引時(shí)整流調(diào)壓電路在制動(dòng)工況做為加饋電源。從理論上講，加饋電阻制動(dòng)可使機(jī)車(chē)制停，而實(shí)際上由于牽引電機(jī)換向器不允許在機(jī)車(chē)速度很低時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間流過(guò)額定電流，以防止換向器過(guò)熱而燒損。

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1.再生制動(dòng)原理異步牽引電機(jī)在低于同步轉(zhuǎn)速下做電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，將電網(wǎng)的電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，產(chǎn)生牽引力驅(qū)動(dòng)列車(chē)前進(jìn)，此時(shí)轉(zhuǎn)差率s>0，電磁轉(zhuǎn)矩為動(dòng)力轉(zhuǎn)矩。在電氣制動(dòng)時(shí)，異步牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過(guò)同步轉(zhuǎn)速，即轉(zhuǎn)差率s<0。此時(shí)，異步牽引電機(jī)做發(fā)電機(jī)運(yùn)行，將列車(chē)儲(chǔ)存的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，輸出制動(dòng)電流的同時(shí)，在牽引電機(jī)軸上產(chǎn)生反轉(zhuǎn)鉅并作用于輪對(duì)，形成制動(dòng)力使列車(chē)減速或以一定的速度運(yùn)行。機(jī)車(chē)由牽引工況轉(zhuǎn)換為制動(dòng)工況，通過(guò)降低牽引電機(jī)定子的供電頻率，轉(zhuǎn)子的機(jī)械慣性將使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速維持在高于同步轉(zhuǎn)速的狀態(tài)，此時(shí)轉(zhuǎn)差率變?yōu)樨?fù)值，牽引電機(jī)進(jìn)入發(fā)電機(jī)狀態(tài)，其三相定子繞組切割旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生三相交流電。再生制動(dòng)時(shí)，牽引變流器工作狀態(tài)發(fā)生改變，逆變器僅由每個(gè)主逆變器元件并聯(lián)的二極管組成橋式不控整流電路，將牽引發(fā)電機(jī)交流電能整流成直流電能，輸出直流電能給中間環(huán)節(jié)。然后由四象限脈沖變流器將中間直流環(huán)節(jié)儲(chǔ)存的直流電能逆變?yōu)閱蜗喙ゎl交流電能回饋給電網(wǎng)。再生制動(dòng)模式下交流電力機(jī)車(chē)的傳動(dòng)特性如圖4所示。2.再生制動(dòng)機(jī)車(chē)的傳動(dòng)特性圖4交流傳動(dòng)電力機(jī)車(chē)傳動(dòng)特性

電力機(jī)車(chē)的啟動(dòng)

1機(jī)車(chē)啟動(dòng)電流和啟動(dòng)牽引力2

34機(jī)車(chē)啟動(dòng)的要求及啟動(dòng)方法

直流傳動(dòng)機(jī)車(chē)的控制方法交流傳動(dòng)機(jī)車(chē)的牽引特性

1.啟動(dòng)的基本要求

按照《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》（簡(jiǎn)稱(chēng)《技規(guī)》）的規(guī)定，對(duì)機(jī)車(chē)啟動(dòng)的基本要求是：?jiǎn)?dòng)平穩(wěn)、加速快，防止列車(chē)沖動(dòng)和斷鉤。機(jī)車(chē)啟動(dòng)平穩(wěn)可以使機(jī)車(chē)內(nèi)部設(shè)備免受電流沖擊，機(jī)車(chē)和列車(chē)免受機(jī)械沖擊，希望列車(chē)速度變化平滑。機(jī)車(chē)加速快，可以減少啟動(dòng)時(shí)間，提高平均運(yùn)行速度，對(duì)機(jī)車(chē)運(yùn)行有重大意義。為了使機(jī)車(chē)加速快，就要求有較大的啟動(dòng)電流，以產(chǎn)生較大的啟動(dòng)牽引力。

1機(jī)車(chē)啟動(dòng)的要求及啟動(dòng)方法機(jī)車(chē)啟動(dòng)時(shí)處于靜止?fàn)顟B(tài)，對(duì)機(jī)車(chē)施加額定電壓時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的啟動(dòng)電流，超越線路黏著條件的限制，造成很大的電流沖擊和機(jī)械沖擊，使機(jī)車(chē)和列車(chē)都受到損傷。因此，機(jī)車(chē)的啟動(dòng)必須采取適當(dāng)方法以限制啟動(dòng)電流和牽引力。機(jī)車(chē)啟動(dòng)時(shí)，降低加在牽引電動(dòng)機(jī)上的端電壓，以限制啟動(dòng)電流和啟動(dòng)牽引力，稱(chēng)為降壓?jiǎn)?dòng)。交-直型電力機(jī)車(chē)及交-直-交型電力機(jī)車(chē)均采用降壓?jiǎn)?dòng)。機(jī)車(chē)啟動(dòng)原理與調(diào)速原理相同，啟動(dòng)過(guò)程和調(diào)速過(guò)程沒(méi)有嚴(yán)格的界限，機(jī)車(chē)的調(diào)速理論也適用于機(jī)車(chē)的啟動(dòng)。

2.機(jī)車(chē)的啟動(dòng)方法機(jī)車(chē)啟動(dòng)時(shí)，輪對(duì)發(fā)生空轉(zhuǎn)前所能發(fā)揮的最大牽引力稱(chēng)為啟動(dòng)牽引力，機(jī)車(chē)啟動(dòng)牽引力受線路黏著條件的限制。

機(jī)車(chē)黏著系數(shù)并不是一個(gè)恒定值，它隨線路條件、軌面情況、機(jī)車(chē)啟動(dòng)方式等因素而變化，是一個(gè)范圍值。機(jī)車(chē)的黏著限制曲線并非只有一條而是一個(gè)限制帶。

為了使機(jī)車(chē)啟動(dòng)時(shí)具有較大的牽引力，充分利用機(jī)車(chē)的黏著條件。機(jī)車(chē)啟動(dòng)時(shí)，牽引力盡可能接近黏著限制線。機(jī)車(chē)啟動(dòng)牽引力對(duì)應(yīng)的牽引電動(dòng)機(jī)的電樞電流（定子電流）稱(chēng)為最大啟動(dòng)電流，這一電流應(yīng)小于牽引電機(jī)自身的最大允許溫升電流。

2機(jī)車(chē)啟動(dòng)電流和啟動(dòng)牽引力

3直流傳動(dòng)機(jī)車(chē)的控制方法機(jī)車(chē)為了獲得良好的啟動(dòng)性能，希望能最大限度地利用機(jī)車(chē)的黏著條件，另外在機(jī)車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，不僅希望機(jī)車(chē)特性適合于牽引，做到調(diào)速范圍廣，而且還希望機(jī)車(chē)具有良好的防空轉(zhuǎn)性能和良好的啟動(dòng)性能。因此，需要對(duì)機(jī)車(chē)的運(yùn)行方式加以控制，以保證機(jī)車(chē)具有良好的牽引性能，提高機(jī)車(chē)運(yùn)行的可靠性和運(yùn)輸效率。直流傳動(dòng)電力機(jī)車(chē)的控制方式有恒流控制、恒速控制和特性控制三種。它們是通過(guò)電子控制系統(tǒng)或微機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)機(jī)車(chē)的自然特性加以控制，此時(shí)機(jī)車(chē)的特性稱(chēng)為控制特性。

恒流控制是指機(jī)車(chē)啟動(dòng)時(shí)維持啟動(dòng)電流為一恒定值，該值可以非常接近黏著限制線，如圖1所示。1.恒流控制

機(jī)車(chē)采用恒流啟動(dòng)時(shí)，一旦發(fā)生空轉(zhuǎn)，由于啟動(dòng)電流維持不變，啟動(dòng)牽引力維持不變，如圖2所示。圖1恒流控制原理圖

圖2恒流控制的牽引特性

2.恒速控制

恒速控制是指機(jī)車(chē)恒流啟動(dòng)、恒速運(yùn)行的方式，其控制原理見(jiàn)圖3。恒速控制牽引特性見(jiàn)圖4的虛線恒速控制方式下機(jī)車(chē)牽引特性很硬，防空轉(zhuǎn)性能好，有利于機(jī)車(chē)再黏著。當(dāng)阻力發(fā)生變化時(shí)，牽引力的波動(dòng)很多，使車(chē)鉤承受的沖擊力過(guò)大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成斷鉤事故。

通常機(jī)車(chē)不采用恒速控制，而是采用準(zhǔn)恒速控制，如圖4的實(shí)線所示。圖3恒速控制原理圖圖4恒速、準(zhǔn)恒速控制的牽引特性曲線

3.特性控制特性控制是指機(jī)車(chē)按恒流方式啟動(dòng)，啟動(dòng)完畢后按理想的牽引特性曲線運(yùn)行。理想的牽引特性曲線是介于自然特性與恒速特性曲線之間的斜線（也叫準(zhǔn)恒速特性曲線），見(jiàn)圖5。AB、BD——恒速控制的牽引特性曲線；AB、BC——特性控制的牽引特性曲線；BE——自然牽引特性曲線。圖5恒速特性與準(zhǔn)恒速牽引特性比較

4交流傳動(dòng)機(jī)車(chē)的牽引特性

機(jī)車(chē)牽引特性是指機(jī)車(chē)牽引力F隨速度v變化的關(guān)系曲線F=f(v)。交流傳動(dòng)機(jī)車(chē)牽引特性可分為三個(gè)區(qū)：?jiǎn)?dòng)加速區(qū)、恒功率運(yùn)行區(qū)和提高速度區(qū)（自然特性區(qū)），如圖6所示。圖6交流傳動(dòng)機(jī)車(chē)牽引特性1.啟動(dòng)加速區(qū)

若牽引電機(jī)的氣隙磁通保持不變，則電動(dòng)機(jī)可以在任何轉(zhuǎn)速下提供很大的轉(zhuǎn)矩。恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行中，隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的上升，電壓提高，牽引電動(dòng)機(jī)的輸出功率增加。電壓的提高受到電動(dòng)機(jī)功率或逆變器最大電壓的限制，于是電壓提高到一定的值后將維持不變，或者電壓不再正比于f1上升。此后，電動(dòng)機(jī)將以恒功率輸出為條件進(jìn)行電壓和頻率控制。圖6交流傳動(dòng)機(jī)車(chē)牽引特性牽引電機(jī)的輸出功率可以近似的認(rèn)為是電磁轉(zhuǎn)矩Tem和頻率f1的乘積。隨著速度的增加電磁轉(zhuǎn)矩Tem下降，維持輸出功率近似不變。2.恒功率特性區(qū)3.自然特性區(qū)

當(dāng)逆變器輸出頻率超出最高控制頻率fmc以后，若牽引電機(jī)定子端電壓U1和轉(zhuǎn)差頻率f2均維持不變，機(jī)車(chē)將運(yùn)行在自然特性區(qū)，可進(jìn)一步提高運(yùn)行速度。圖6交流傳動(dòng)機(jī)車(chē)牽引特性HXD3型電力機(jī)車(chē)就采用恒牽引力與準(zhǔn)恒速特性控制，其牽引特性如圖4.21所示。一、電氣制動(dòng)原理

二、電氣制動(dòng)形式

三、電氣制動(dòng)的基本要求

四、制動(dòng)穩(wěn)定性的概念

1．機(jī)械穩(wěn)定性

2．電氣穩(wěn)定性

第二節(jié)電氣制動(dòng)概述一、電阻制動(dòng)的基本原理

二、電阻制動(dòng)特性

第三節(jié)直流傳動(dòng)電力機(jī)車(chē)的電阻制動(dòng)

第三節(jié)直流傳動(dòng)電力機(jī)車(chē)的電阻制動(dòng)三、電阻制動(dòng)的工作范圍

第三節(jié)直流傳動(dòng)電力機(jī)車(chē)的電阻制動(dòng)四、電阻制動(dòng)的控制方式

1．恒磁通控制

2．恒電流控制

3．恒速控制

五、電阻制動(dòng)的不足及克服方法

1．分級(jí)電阻制動(dòng)

2．加饋電阻制動(dòng)

第三節(jié)直流傳動(dòng)電力機(jī)車(chē)的電阻制動(dòng)

第三節(jié)直流傳動(dòng)電力機(jī)車(chē)的電阻