第二章直流电力机车速度调节

1第二章直流电力机车速度调节电力机车作为电气化铁道的牵引动力，为充分发挥其功率，提高运输能力，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。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，情况虽然很复杂，但概括起来，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。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。本章将分别讨论不同传动形式电力机车的调速问题，并重点讨论整流器电力机车的速度调节。通过本章的学习，应达到以下目标：1、掌握交直型整流器机车相控调压调速的原理；2、掌握机车上常用的磁场削弱方法；3、了解电压调节下、磁场削弱下的机车特性。第一节概述一、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、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。2二、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（1-2）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在牵引电动机回路中串入启动调压电阻，通过改变电阻阻值来调节机车的速度。因为牵引电机回路电压较高，电流也比较大，附加的调节电阻的损耗会使牵引电机的效率降低，所以用这种方法调速并不经济。又因为启动调压电阻本身是分段的，在调速的过程中势必造成机车牵引力有冲击。因此，在机车上并不使用这种方法，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直流电力机车的牵引电动机电源直接取自接触网，所以可以采用改变牵引电动机的连结方式（如全串联、串─并联结合，全并联），来改变牵引电动机的端电压。这种调速方法无能量消耗，但只能做有级调节，且调速级有限（一般为2-3级）。随着电力电子技术的发展，现代直流电力机车如城市地铁，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。（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。（这个问题将在本章第二节中专门讨论）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。3第二节励磁调节所谓励磁调节，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。一般情况下，要进行磁场削弱调速，必须是在牵引电动机端电压已达到额定电压，而牵引电动机电流比额定值小时实施。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。一、磁场削弱系数磁场削弱系数用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。其表达式为：(%))()IWIWm（20-1）式中：（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。它表明了牵引电动机主极磁势削弱的程度。例如β＝40％即表示削弱后电机主极磁势仅为削弱前电机主极磁势的40％，其余60％被削弱掉了。β愈小，则表明磁场削弱愈深。当电机磁路不饱和时，可以用磁通代替磁势，但当电机磁路饱和后，不能用磁通代替磁势，两者的差别较大。二、磁场削弱的方法根据式（20-1），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：式中：Im＝Ia──牵引电动机电枢电流w──牵引电动机磁场削弱后励磁绕组匝数4wｍ──牵引电动机满磁场时励磁绕组匝数。由上式可以看出，采用励磁绕组分段进行磁场削弱时，磁场削弱系数β仅与分段绕组的匝数比有关，与电流值无关。通常直流电力机车利用牵引电动机励磁绕组分段法进行磁场削弱调速。采用励磁绕组分段法的优点是磁场削弱系数精确，不足的是电机内部结构变得复杂。一般采用电机串——并联转换法获得，但用此法获得的磁场削弱级数有限，并且要求各电机励磁绕组的电阻值精确，否则，电机励磁绕组电阻值的微小差别，都将引起电机磁场削弱系数不一致。采用励磁绕组分段法磁场削弱的原理如图20-1。图20-1励磁绕组分段法原理图2.改变励磁绕组的电流改变励磁绕组的电流，也就是使牵引电动机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：IIIImmWW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，原理见图20-2所示。5图20-2电阻分路法原理满磁场时，接触器1未闭合，此时牵引电动机电枢电流Iａ全部流过励磁绕组，IL=Ia，其磁势为IaＷ；削弱磁场时，接触器1闭合，磁场削弱电阻R1并联在励磁绕组两端，对励磁绕组起分流作用。此时电枢电流被分为两路，一路流过电阻R1的电流IR，另一路流过励磁绕组的电流IL，此时磁势为ILW，Ia=IR+IL，磁场削弱系数β的表达式为：IIIIIIIIWIWRLLaLaLmWW上式说明，β值的大小仅与两支路中电流的分配有关，而与电机励磁绕组匝数无关。若设励磁绕组的电阻为R，因为ILR=IRR1，且Ia=IL+IR所以导出下式：RRIIIRRLL11（20-2）式（20-2）说明β值取决于励磁绕组和分路电阻的电阻值。对确定的牵引电动机来说，励磁绕组阻值为定值，因此，分路电阻值R1的数值就决定了磁场削弱系数β的大小。要改变磁场削弱系数，只须改变分路电阻的阻值即可。在实际的牵引电机电路中，励磁绕组的两端直接并联着一个不可调节的分路电阻R0，称为固定分路电阻，其作用与R1不同，是为了改善牵引电动机的换向。电阻分路法因为励磁绕组结构简单，磁削系数调节非常方便，同时附加电能损耗很小，调速后的效率不致降低，是一种经济的调速方法。因而在交流型电力机车上得到广泛地应用。应当指出，电阻分路法要求各电机的分路电阻值必须精确一致，否则会造成各电机的β值不一致，磁场削弱程度不一致。同时应当特别注意的是，上述关于磁场削弱系数β的讨论是在电路稳定工作状态下进行的，当电路处在过渡过程时，应充分考虑励磁绕组的电感值。例如，当网压波动时，如网压突然上升造成机车工作电流突增，使电机电枢电流增加，励磁绕组的自感电6势将阻止流过绕组的电流增长，而分路电阻支路电感很小，故电机中增加的电流大部分从分路电阻R1中流过。这样主极磁场便不能很快加强，造成反电势不足，致使电枢电流过大，电机严重过载，严重时可能引起牵引电机环火。为了弥补电阻分路法削磁的不足，采用在分路电阻支路串入适当的电感线圈，使磁削时分路的电路性质与励磁绕组的属性一致，便能顺利度过过渡过程。这种方法称为磁感应分路法。目前，SS3型电力机车就采用这种方法。无论采用励磁绕组分段法或电阻（磁感应）分路法磁削，通过改变励磁绕组的段数或改变分路电阻值，均可得到不同的削弱系数，获得不同程度的削弱磁场，但是若磁场削弱时由满磁场一次过渡到最深度的削弱磁场，就会产生很大的电流冲击和牵引力冲击。因此，通常采用分级磁削。级数越多，磁场削弱时电流和牵引力的冲击越小；但是级数过多会造成控制线路复杂，附加设备增多，故一般磁场削弱取三级左右。从充分利用机车粘着的角度看，即使分级磁场削弱仍会造成负载电流的冲击，使机车特性不连续，给牵引电机运行带来不利影响，同时也影响机车粘着的充分利用。（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，原理见图20-3所示。图中变压器二次侧绕组为a2x2，整流电路T1T2D1D2、D3D4采用半控桥，分路晶闸管为T3、T4，平波电抗器为Ｌ，牵引电机M的励磁绕组为C1C2，电枢绕组为A1A2，固定分路电阻为RSH，其工作原理以交流电压一个周波为例，分析如下：图（a）为满磁场，半控桥满开放时工作情况。正半周a2为高电位时，半控桥T1、D3、D2导通；负半周x2为高电位时，半控桥D1、D4、T2导通，分路晶闸管T3、T4均不参与工作，此时半控桥整流输出的电压全部施加在平波电抗器L，电机的电枢绕组、励磁绕组和固定分路电阻RSH上。图（b）（c）为磁场削弱、半控桥满开放时工作情况。正半周a2为高电位时，见图（b）半控桥仍为T1、D3、D2导通，分路晶闸管T4在ωt=α时刻触发，由于T4加有正向电压，其值等于励磁场绕组两端电压，故触发T4导通。而半控桥中的二7图20-3晶闸管分路法原理图极管D3由于T4的导通而承受反向电压迅速截止。在ωt=α～π之间，T4一直导通，导通角为θ。此时，电枢电流Ia经分路晶闸管T4，半控桥的D2、T1，变压器二次侧绕组a2x2构成回路，不经过励磁绕组和固定分路电阻。励磁电流iF仅靠励磁绕组中的电感作用与固定分路电阻RSH构成续流回路。负半周x2为高电位时，见图（c）因为半控桥工作在满开放状态，所以当ωt=π时，T2触发，D1、D4、T2导通，T1、D2自然关断。当ωt=π+α时，T3触发导通，T4关断，在ωt=（π+α）～2π之间，电枢电流Ia经T3短路，励磁绕组仍与固定分路电阻值自成续流回路。磁场削弱系数：0,IIIWIWaamWW（20-3）上式说明只要调节分路晶闸管的导通角θ就可以连续调节磁场分路，由于分8路晶闸管是靠电源电压过零点自然换相，为了获得磁场削弱系数，就要求半控桥必须满开放工作。使用励磁调节的方法调节机车速度是以牵引电机主极磁场的减少来获得机车高速运行的，并且磁场削弱越深，机车的速度越高。但是磁场削弱深度是有限的，否则由于牵引电机主极磁场过分削弱，在机车大电流、高速运行情况下会使牵引电机换向恶化，容易发生电机环火。故一般情况下脉流牵引电机的最小磁场削弱系数βmin〉0.35～0.40。实用值44%～50%，保留一定的裕量。三、磁场削弱下的机车特性及其应用电力机车在牵引电动机额定电压和满磁场时的机车特性我们在第一章已经做过介绍。牵引电动机实施磁场削弱后机车的基本特性与满磁场时不同，下面就用作图法具体分析削弱后机