21章 电力机车的电气制动

第二十一章电力机车的电气制动第一节概述第二节电阻制动第一节概述重点：电气制动的基本原理和稳定性难点：稳定性概念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。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。1．电气制动的基本原理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。2．电气制动的形式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。（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。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。（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。（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。5．稳定性概念第二节电阻制动重点：电气制动的形式、特性及其控制方式。难点：不同形式电气制动的特性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。一、串励牵引电机电阻制动2．稳定性分析检验外部电气稳定性的数学判式为：当IZIZAIRIICZZZAZVdRddVd|||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。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。3．调节方式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。1．电气稳定性分析2．制动特性及控制方式（1）速度特性V=f（IZ）（2）制动力特性B=f（IZ）（3）制动特性B=f（V）（4）控制方式二、他励牵引电机电阻制动列车在制动时，由于受牵引电机、机车本身、制动电阻等多种因素的限制，只允许在一定范围内使用电阻制动。其限制如下：（1）最大励磁电流限制──曲线①ILmax。若超过此限制则励磁绕组发热会烧损绕组，另一方面磁路饱和，磁通增加有限，调节效果不明显。（2）粘着力限制──曲线②Bψmax。若机车制动力大于此限制会造成滑行。应当说明根据牵规规定，计算制动时的粘着系数ψjT应比牵引时粘着系数低20％，因此，此制动粘着力限制小于牵引粘着力限制。3．电阻制动的工作范围（3）最大制动电流限制──曲线③IZmax。此值取决于电机电枢绕组的运行温升，一般不超过牵引工况时的持续电流，但因受机车通风条件，制动电阻功率限制，此值根据制动电阻的允许发热而定。电力机车的制动功率为了充分发挥其制动效果，一般等于或小于机车的小时功率，该限制亦表示最大制动功率限制。（4）牵引电机安全换向限制──曲线④。牵引电机安全换向取决于电抗电势er，因er〈VIZ，要维持er在允许值内，必须随着机车速度的提高，相应地减小制动电流。否则牵引电机主极磁通畸变严重，可能导致换向器发生火花加剧甚至环火。（5）机车构造速度限制──曲线⑤。它受机车机械运行部分强度的限制，实际在线路复杂的区段它可能受到线路允许速度的限制。电阻制动除前述的优越性以外，因为电阻制动时控制电路比较简单，制动力调节十分方便，因而易于实现制动力的自动控制，使电阻制动的性能得以充分发挥，但是电阻制动的最大缺点，从特性曲线上看是低速时制动力直线下降，制动效果不明显。目前一般采用二种方法加以克服。1．分级电阻制动2．加馈电阻制动三、电阻制动之不足及克服方法理论上讲，加馈电阻制动可使机车制停。而实际上由于牵引电机整流器不允许静止不动长时间流过额定电流，以防整流器过热而烧损。故在机车速度低于一定值时，就切除加馈制动，改用空气制动使机车停车。国产SS3B、SS4G、SS8型电力机车均采用此种加馈电阻制动。小结在第二十章的基础上，本章讨论了机车速度调节的特殊问题──电气制动。分析了电气制动的工作原理，机车特性，制动力的调节方式。电气制动的基本工作原理是利用电机的可逆性原理，把牵引工况下的串励电动机转换成电制动工况的它励发电机，产生制动转矩从而限制机车速度。根据如何消耗发电机所产生的电能划分出二种电气制动方式，即电阻制动和再生制动。电阻制动是目前电力机上普遍采用的一种控制方式。其电路结构简单，只需将串励电动机车的励磁绕组与电枢绕组分离，电枢绕组并接制动电阻，励磁绕组单独接励磁电源即可。电阻制动易于实现自动控制，可以实现恒磁通、恒速、恒流控制。尤其恒速控制对机车通过长大坡道，提高机车平均速度等有良好的经济意义。恒流控制可以充分利用机车的制动功率。为了克服低速电阻制动之不足采用分级电阻制动和加馈电阻制动。复习思考题1.电力机车电气制动的基本原理是什么？2.电力机车电气制动有几种形式？3.电气制动与空气制动相比有哪些显著的优越性？4.何谓电阻制动？5.为什么串励电机不适合在制动工况运行？6.分析串励电阻制动的电气稳定性。7.它励电阻制动的调节方式有几种？8.它励电阻制动为什么不用于机车制停？9.何谓电力机车的电气制动特性，它包括哪些工作特性？10.何谓恒速控制？分析它对于利用机车制动功率有何意义？11.绘图说明电阻制动工作特性的限界条件。