第三章第三章 电力牵引制动特性电力牵引制动特性 3.1 3.1 概概述述 3.2 3.2 电力牵引电阻制动电力牵引电阻制动 3.3 3.3 电力牵引再生制动电力牵引再生制动 3.1 3.1 概述概述概述概述 列车运行中，下坡限速、弯道或进站减速、到站停车或线列车运行中，下坡限速、弯道或进站减速、到站停车或线路上临时停车等，均由制动来实现。路上临时停车等，均由制动来实现。制动要求制动要求：安全安全（制停、下长大坡的限速等）（制停、下长大坡的限速等）、可靠可靠。制动方式制动方式: : 按能量转移按能量转移（转：能量转化；移：将转化后的能量消耗掉）（转：能量转化；移：将转化后的能量消耗掉）方式分：方式分：（分类方式有多种）（分类方式有多种）摩擦制动摩擦制动：通过：通过摩擦摩擦制动，将列车制动，将列车动能转化动能转化为为热能热能消散。如压缩消散。如压缩空气驱动的闸瓦制动、轮盘制动空气驱动的闸瓦制动、轮盘制动（后者优，动车组常用）（后者优，动车组常用）。电阻制动电阻制动：通过电机将列车：通过电机将列车动能转化动能转化为为电能电能再由再由电阻转电阻转化为化为热能热能风冷来制动。风冷来制动。（交直机车常用）（交直机车常用）再生制动再生制动：通过电机将列车：通过电机将列车动能转化动能转化为为电能回馈电网电能回馈电网来制动。来制动。（经济，直流、交流传动均用，尤其是交流传动）（经济，直流、交流传动均用，尤其是交流传动）3.1 3.1 概述概述概述概述磁轨制动磁轨制动：通过通过电磁吸力电磁吸力使摩擦板紧压钢轨滑动使摩擦板紧压钢轨滑动摩擦，摩擦，将列车将列车动动能转化能转化为为热能热能消散于大气来制动。消散于大气来制动。 特点特点：不受轮轨粘着力限制，可在粘着力外再获一制动力。：不受轮轨粘着力限制，可在粘着力外再获一制动力。 应用应用：配合其他制动配合其他制动产生较大制动力；紧急制动，可满足动车产生较大制动力；紧急制动，可满足动车组对制动距离的要求。组对制动距离的要求。轨道涡流制动轨道涡流制动：类似磁轨制动，但电磁铁距轨几毫米，：类似磁轨制动，但电磁铁距轨几毫米，钢轨感应钢轨感应涡流涡流，从而产生，从而产生电磁吸力电磁吸力来制动。来制动。（动能（动能电能电能热能）热能）旋转涡流制动旋转涡流制动：类似轨道涡流制动，但是装在车轴的金属盘感应类似轨道涡流制动，但是装在车轴的金属盘感应涡流。涡流。 应用：日本新干线应用：日本新干线100系、系、300系、系、700系。系。翼板制动翼板制动：通过车体伸出：通过车体伸出翼板翼板增加空增加空气阻力气阻力来制动（增加来制动（增加34倍）倍）。（处于试验中）（处于试验中） （注：电力机车常用电制动、空气制动，故本章学习电制动）（注：电力机车常用电制动、空气制动，故本章学习电制动）3.1 3.1 概述概述概述概述CRH1转向架转向架轮盘制动轮盘制动3.1 3.1 概述概述概述概述3.1 3.1 概述概述概述概述3.1 3.1 概述概述概述概述复合制动技术复合制动技术3.1 3.1 概述概述概述概述一、电气制动的基本原理一、电气制动的基本原理 利用电机的可逆原理，制动时牵引利用电机的可逆原理，制动时牵引电机电机作作发电发电机机，列车惯，列车惯性力带动电机发电，将性力带动电机发电，将列车动能转换为电能列车动能转换为电能。 电机输出制动电流电机输出制动电流，电机，电机轴上的反转矩作用于机车动轮形轴上的反转矩作用于机车动轮形成制动力成制动力。二、电气制动的形式二、电气制动的形式电阻制动电阻制动：制动产生的制动产生的电能电能由由电阻电阻转化为转化为热能热能消耗掉。消耗掉。再生制动再生制动：制动产生的制动产生的电能电能重新重新反馈反馈到供电到供电电网电网加以利用。节约加以利用。节约电能，经济。电能，经济。 3.1 3.1 概述概述概述概述三、电气制动的优越性三、电气制动的优越性1 1、提升列车行车的安全、提升列车行车的安全摩擦制动摩擦制动：靠闸瓦与车轮的：靠闸瓦与车轮的机械摩擦来减速机械摩擦来减速。摩擦系数随温升而摩擦系数随温升而下降下降，则制动的效能随列车速度、载重、长度的提高而下降，则制动的效能随列车速度、载重、长度的提高而下降，高速高速时呈时呈不稳不稳定性定性。电气制动电气制动：速度越高速度越高制动制动效果越明显效果越明显，且与制动时间无关。，且与制动时间无关。2 2、减少闸瓦与车轮的摩擦、减少闸瓦与车轮的摩擦 机械制动摩擦严重，速度越高，制动强度大，摩擦大；低机械制动摩擦严重，速度越高，制动强度大，摩擦大；低速则相反。速则相反。 高速高速时时电气制动电气制动，低速低速时时机械制动机械制动（动车组为轮盘制动）。（动车组为轮盘制动）。 3.1 3.1 概述概述概述概述3 3、提高列车下坡运行的速度、提高列车下坡运行的速度摩擦制动摩擦制动：每次排风制动后约需一分钟的缓解，待风压恢复后才：每次排风制动后约需一分钟的缓解，待风压恢复后才能再次制动，造成下坡速度波动大，使列车能再次制动，造成下坡速度波动大，使列车平均速度下降平均速度下降。电气制动电气制动：制动性能：制动性能与制动时间无关与制动时间无关，可使列车下坡速度提高，可使列车下坡速度提高8%8%，因而提高运输能力。，因而提高运输能力。四、电制动的基本要求四、电制动的基本要求 电气制动的基本要求：电气制动的基本要求：v机械稳定性机械稳定性 即偶然因素使速度即偶然因素使速度v v制动力制动力B BV ，从而保，从而保持原稳定运行状态。持原稳定运行状态。 3.1 3.1 概述概述概述概述v电气稳定性电气稳定性 在一定速度在一定速度v v，瞬时电流扰动，电气系统能自动，瞬时电流扰动，电气系统能自动恢复到原平衡状态。恢复到原平衡状态。v各台电动机制动力应力求相等各台电动机制动力应力求相等 电机制动时的负载分配尽可电机制动时的负载分配尽可能均匀，若客观原因暂时分配不均，则在客观原因消失后能能均匀，若客观原因暂时分配不均，则在客观原因消失后能自动恢复均匀分配。自动恢复均匀分配。v外界条件暂时变化外界条件暂时变化（如网压波动、粘着条件变化以及人为调节制动力（如网压波动、粘着条件变化以及人为调节制动力等）等），无过大无过大的的电流电流冲击和冲击和制动力冲击制动力冲击。v制动性能良好制动性能良好，工作可靠工作可靠，所增加的电气设备体积小、重量，所增加的电气设备体积小、重量轻、线路简单、操作简单、易于检修。轻、线路简单、操作简单、易于检修。 3.2 电力牵引电阻制动电力牵引电阻制动 电阻制动一般电阻制动一般常用于直流传动常用于直流传动。直流传动电机的电枢串制。直流传动电机的电枢串制动电阻，而励磁分串励、他励两种。动电阻，而励磁分串励、他励两种。他励电阻制动他励电阻制动：电路如图（：电路如图（a a）所示，调励磁电流即调制动电流）所示，调励磁电流即调制动电流和制动力，实现对机车运行速度的控制。（和制动力，实现对机车运行速度的控制。（电力机车常用电力机车常用）串励电阻制动串励电阻制动：电路如图（：电路如图（b b）所示，励磁绕组反向与电枢串，）所示，励磁绕组反向与电枢串，再与制动电阻再与制动电阻R RZ Z形成回路。调形成回路。调R RZ Z可调制动电流和制动力。可调制动电流和制动力。注意注意：R RZ Z多抽头多抽头，需开关电器，需开关电器，线线路复杂路复杂，设备多；，设备多；有级制动有级制动，不利平稳运行不利平稳运行；R RZ Z不宜过大不宜过大，否则会电机不能自激；否则会电机不能自激；多台多台电机电机并并联联共用共用一个一个R RZ Z时，会出时，会出现现不稳定不稳定状态（电力机车各电状态（电力机车各电机各自有机各自有R RZ Z）。）。 (a) (b)(a) (b) 图图3-1 3-1 电阻制动原理图电阻制动原理图 3.2 3.2 电力牵引电阻制动电力牵引电阻制动电力牵引电阻制动电力牵引电阻制动一、他励式电阻制动的稳定性一、他励式电阻制动的稳定性1 1、机械稳定性、机械稳定性简析简析：图：图3-23-2为他励电阻制动特性曲线，为他励电阻制动特性曲线，a a点稳定运行，若偶然因点稳定运行，若偶然因素有素有V V运行到运行到b b点，因制动力点，因制动力B Bb bB Ba a，从而迫使，从而迫使V V降回到降回到a a点；点；反之，则相反。反之，则相反。结论结论：他励式电阻制动机械稳定性条件：他励式电阻制动机械稳定性条件 （3-13-1） 图图3-2 3-2 电阻制动的机械稳定性电阻制动的机械稳定性 实际中，在高速区、制动电流恒实际中，在高速区、制动电流恒定条件下，有（定条件下，有（3-13-1）式成立，故）式成立，故高高速区具有机械稳定性速区具有机械稳定性。 3.2 3.2 电力牵引电阻制动电力牵引电阻制动电力牵引电阻制动电力牵引电阻制动2 2、电气稳定性、电气稳定性（1 1）电压方程式）电压方程式 他励电阻制动电枢回路（见前图）电压平衡方程式为他励电阻制动电枢回路（见前图）电压平衡方程式为 （3-23-2） 图图3-3 3-3 他励电阻制动回路电势曲线他励电阻制动回路电势曲线 式中，式中，E EZ Z为电机发电电势，为电机发电电势，Z Z为他为他励磁通，励磁通，RR为电机总电阻为电机总电阻（主要是（主要是电枢的）电枢的），L L为制动回路的电感为制动回路的电感（制（制动电流稳定时不起作用）。动电流稳定时不起作用）。 （2 2）回路电势曲线）回路电势曲线 图图3-33-3中，曲线中，曲线1 1为某速度时的电势特性曲线为某速度时的电势特性曲线E EZ Z=C=CV VZ ZV V，曲线，曲线2 2为负载特性曲线为负载特性曲线I IZ Z(R(RZ Z+R)+R)，二者间纵线段表示自感电势，二者间纵线段表示自感电势L(dIL(dIZ Z/dt/dt) )。 3.2 3.2 电力牵引电阻制动电力牵引电阻制动电力牵引电阻制动电力牵引电阻制动（3 3）简析）简析 电机在电机在A A点稳定点稳定工作，工作，L(dIL(dIZ Z/dt/dt)=0)=0；若扰动有；若扰动有I IZ Z增大时，增大时，有有 ，即，即L(dIL(dIZ Z/dt/dt) )0 0， 则则I IZ Z减少回到减少回到A A点；若点；若I IZ Z减少时，有减少时，有L(dIL(dIZ Z/dt/dt) )0 0，则，则I IZ Z增大回到增大回到A A点。点。故故 他励电阻制动具有电气稳定性他励电阻制动具有电气稳定性。二、他励式电阻制动的特性二、他励式电阻制动的特性 制动特性，指电力机车电气制动时的各种工作特性，包括制动特性，指电力机车电气制动时的各种工作特性，包括速度特性速度特性V=V=f(If(IZ Z) )、制动力特性、制动力特性B=B=f(If(IZ Z) )、制动特性、制动特性B=B=f(Vf(V) )。1 1、速度特性、速度特性V=V=f(If(IZ Z) ) 稳定稳定工作状态时自感电势为零，则式（工作状态时自感电势为零，则式（3-23-2）变为）变为 （3-33-3） 3.2 3.2 电力牵引电阻制动电力牵引电阻制动电力牵引电阻制动电力牵引电阻制动 则则 电阻制动的速度特性为电阻制动的速度特性为 （h h） （3-43-4）式中，式中， R RZ Z、RR、C CV V均为定值。均为定值。 特性曲线如图特性曲线如图3-43-4，可见可见： （1 1）忽略电枢反应，励磁）忽略电枢反应，励磁I IL L一定一定（即（即Z Z定）时，有定）时，有VIVIZ Z，线性线性; ;（2 2）一个一个I IL L值值（Z Z值）值）对应一条对应一条制动制动速度特性速度特性直线直线； I IL L连续调连续调，则形成，则形成特特性面性面。图中。图中I IL1L1I IL2L2I IL3L3; ;（3 3）调他励电流调他励电流，可调制动速度可调制动速度。图。图中，制动电流中，制动电流I IZ Z一定，一定，I IL L越小越小V V越高；越高；反之则相反。反之则相反。 图图3-4 3-4 电阻制动速度特性曲线电阻制动速度特性曲线 3.2 3.2 电力牵引电阻制动电力牵引电阻制动电力牵引电阻制动电力牵引电阻制动2 2、制动力特性、制动力特性B=B=f(If(IZ Z) ) 他励电阻制动时，若他励电阻制动时，若I IZ Z方向不变，则方向不变，则I IL L要反向；反之则要反向；反之则相反。相反。则则 电机的电磁转矩就为制动转矩电机的电磁转矩就为制动转矩 (3-5) (3-5) 又又 机车的轮周制动力机车的轮周制动力B B与与N N台牵台牵引电机制动转矩引电机制动转矩M MZ Z的关系为的关系为 (3-6)(3-6) 故故 制动力特性为制动力特性为 （）（） (3-7)(3-7) 图图3-5 3-5 电阻制动力特性曲线电阻制动力特性曲线 3.2 3.2 电力牵引电阻制动电力牵引电阻制动电力牵引电阻制动电力牵引电阻制动 制动力特性曲线如图制动力特性曲线如图3-53-5所示，所示，可见可见： （1 1）不计电枢反应，励磁）不计电枢反应，励磁I IL L一定一定（Z Z定），定），有有BIBIZ Z，线性线性。 （2 2）一个）一个I IL L值（值（Z Z值）对应一条制动力特性直线；励磁电值）对应一条制动力特性直线；励磁电流连续调，则形成流连续调，则形成特性面特性面。图中。图中I IL1L1I IL2L2I IL3L3。 （3 3）调制动电流调制动电流或或励磁电流励磁电流都可都可调制动力调制动力。I IZ Z一定，一定，I IL L越越大大B B越大；越大；I IL L一定，一定，I IZ Z越大越大B B越大。越大。3 3、制动特性、制动特性B=B=f(Vf(V) )（1 1）形式一）形式一 将式（将式（3-43-4）的）的I IZ Z式（式（3-73-7），可得制动特性），可得制动特性 （）（） （3-83-8） 3.2 3.2 电力牵引电阻制动电力牵引电阻制动电力牵引电阻制动电力牵引电阻制动 制动特性曲线如图制动特性曲线如图3-63-6所示，所示，可见可见： （1 1）I IL L一定一定（即（即Z Z定），定），BVBV，线线性性；I IL L越大越大，特性特性曲线越陡曲线越陡，图中，图中I IL1L1I IL2L2I IL3L3。 （2 2）I IL L一定时，一定时，VBVB，说明他励，说明他励电阻制动具有电阻制动具有机械稳定性机械稳定性（与前述一致）（与前述一致）；V V越低越低B B越小，故越小，故电阻制动不用于机电阻制动不用于机车的制停车的制停。（2 2）形式二）形式二图图3-6 3-6 电阻制动特性曲线电阻制动特性曲线 将式（将式（3-33-3）的）的Z Z式（式（3-73-7），可得制动特性的另一形式），可得制动特性的另一形式 （）（） （3-93-9） 3.2 3.2 电力牵引电阻制动电力牵引电阻制动电力牵引电阻制动电力牵引电阻制动 制动特性曲线如图制动特性曲线如图3-63-6所示，所示，可见可见： （1 1）I IZ Z一定一定，B1/VB1/V（反比反比），特性曲线为），特性曲线为双曲线双曲线。图中。图中I IZ1Z1I IZ2Z2I IZ3Z3。 （2)I2)IZ Z一定，在很宽范围内一定，在很宽范围内B B随随V V的升高而降低，的升高而降低，不具有机不具有机械稳定性械稳定性。三、他励式电阻制动的控制方式三、他励式电阻制动的控制方式 上述分析可知，他励电阻制动有三种控制方式：恒磁通、上述分析可知，他励电阻制动有三种控制方式：恒磁通、恒电流、恒速度控制。恒电流、恒速度控制。1 1、恒磁通控制、恒磁通控制 励磁励磁I IL L恒定恒定（Z Z恒定），恒定），调调R RZ Z来调来调I IZ Z大小，从而大小，从而调调B B（依式（依式（3-73-7）。3.2 3.2 电力牵引电阻制动电力牵引电阻制动电力牵引电阻制动电力牵引电阻制动特点特点：有级有级调节，调节，电路复杂电路复杂。应用应用：仅作仅作补充补充手段，即手段，即低速低速区制动力不足时区制动力不足时短接部分短接部分R RZ Z使使BB。（如（如SSSS3 3、SSSS4 4）2 2、恒电流控制、恒电流控制 恒恒I IZ Z制动，制动，调调I IL L来调来调B B（依式（依式（3-73-7）。特点特点：机车特性：机车特性呈恒功率呈恒功率曲线，能曲线，能充分利用充分利用机车的机车的制动功率制动功率，但，但机械稳定性差机械稳定性差。应用应用：相控相控机车机车低速区采用低速区采用。3 3、恒速度控制、恒速度控制 恒速恒速V V，调调I IL L来调来调B B（依式（依式（3-83-8）。特点特点：改变制动力：改变制动力B B来抗衡外界加速力实现机车恒速。来抗衡外界加速力实现机车恒速。（调节功率（调节功率小，易实现自动控制）小，易实现自动控制）3.2 3.2 电力牵引电阻制动电力牵引电阻制动电力牵引电阻制动电力牵引电阻制动应用应用：下长大坡道，不断调节：下长大坡道，不断调节I IL L使使B B与加速力平衡，保持机车以与加速力平衡，保持机车以给定速度给定速度恒速下坡恒速下坡。四、他励式电阻制动的界限四、他励式电阻制动的界限 因受机车本身、牵引电机、制动电阻等多因素限制，只允因受机车本身、牵引电机、制动电阻等多因素限制，只允许一定范围内使用电阻制动。许一定范围内使用电阻制动。1 1、最大励磁电流限制、最大励磁电流限制 受励磁绕组允许温升限制。受励磁绕组允许温升限制。 图图3-7 3-7 他励式电阻制动界限他励式电阻制动界限 图图3-73-7中，中，曲线曲线1 1是是最大最大I IL L对应的对应的制动特性曲线，其制动特性曲线，其右方右方允许，而左方允许，而左方易发热烧毁励磁绕组，且磁路饱和调易发热烧毁励磁绕组，且磁路饱和调节效果不明显节效果不明显。 3.2 3.2 电力牵引电阻制动电力牵引电阻制动电力牵引电阻制动电力牵引电阻制动2 2、粘着限制、粘着限制 受受制动打滑制动打滑的的粘着限制粘着限制。 图中图中曲线曲线2 2是粘着限制曲线。据是粘着限制曲线。据“牵规牵规”，制动制动粘着系数粘着系数应应比牵引粘着系数低比牵引粘着系数低2020。3 3、最大制动电流限制、最大制动电流限制 受受电枢电枢绕组绕组允许温升允许温升限制，并受限制，并受R RZ Z允许发热条件允许发热条件（允许功率、（允许功率、通风散热条件）通风散热条件）限制。限制。 以以最大最大I IZ Z代入式（代入式（3-93-9），可得图中），可得图中曲线曲线3 3，它表示制动电，它表示制动电流的限界。流的限界。4 4、换向条件限制、换向条件限制 现代机车牵引电机有补偿绕组，安全换向现代机车牵引电机有补偿绕组，安全换向主要主要受受电抗电势电抗电势限制限制。3.2 3.2 电力牵引电阻制动电力牵引电阻制动电力牵引电阻制动电力牵引电阻制动 高速高速制动电流大，制动电流大，电抗电势会超允许值电抗电势会超允许值。特别是。特别是I IL L较小较小时，时，Z Z畸变严重畸变严重，可能发生，可能发生火花火花甚至甚至环火环火。图中。图中曲线曲线4 4表示了换向表示了换向条件允许的界限。条件允许的界限。 因电抗电势正比于因电抗电势正比于VIVIZ Z，则，则VIVIZ Z。5 5、电力机车最高速度限制、电力机车最高速度限制 即机车的即机车的构造速度构造速度，受机车，受机车机械机械运行部分运行部分强度限制强度限制（还可（还可能受能受线路线路允许速度的允许速度的限制限制）。 图中的图中的曲线曲线5 5表示了最高速度限制。表示了最高速度限制。五、电阻制动的不足与克服五、电阻制动的不足与克服 电阻制动电阻制动优点优点：除前述外，还有控制电路简单、制动力调：除前述外，还有控制电路简单、制动力调节方便、易于实现自动化。节方便、易于实现自动化。 3.2 3.2 电力牵引电阻制动电力牵引电阻制动电力牵引电阻制动电力牵引电阻制动缺点缺点：低速低速区制动力下降快，区制动力下降快，制动效果差制动效果差。解决办法解决办法：1 1、分级电阻制动、分级电阻制动 由式（由式（3-23-2）知，他励发电机）知，他励发电机I IL L不变不变，V VE EZ Z（R RZ Z一一定时）定时）I IZ ZBB。 减小减小R RZ Z，虽，虽VEVEZ Z，仍能，仍能保持保持I IZ Z维持维持B B。 如如SSSS3 3，R RZ Z分分1.00521.0052和和0.60.6两级，低速时为两级，低速时为0.60.6，B B扩扩大近一倍。大近一倍。2 2、加馈电阻制动、加馈电阻制动（“补足补足”电势电阻制动）电势电阻制动） 低速，制动回路低速，制动回路外接附加电源外接附加电源，以，以“补足补足”低速的低低速的低E EZ Z造造成的低成的低I IZ Z，保证足够的，保证足够的I IZ Z，获得，获得足够的足够的B B。 3.2 电力牵引电阻制动电力牵引电阻制动 相控机车加馈电阻制动原理相控机车加馈电阻制动原理电路，回路电压方程式为电路，回路电压方程式为 （3-103-10）则制动电流则制动电流I IZ Z为为 （3-113-11） 图图3-8 3-8 加馈电阻制动原理加馈电阻制动原理 实际中，制动电流需连续可调以及时实际中，制动电流需连续可调以及时“补足补足”。相控机车，。相控机车，用牵引整流调压电路作制动加馈电源，如图示。用牵引整流调压电路作制动加馈电源，如图示。注意注意：（1 1）据计算，维持低速）据计算，维持低速B B恒定恒定，制停制停列车所列车所需外加需外加电源功率几乎电源功率几乎与机车与机车额定功率额定功率相等。相等。（2 2）理论上可）理论上可制停制停机机车，但实际中电机静止，车，但实际中电机静止，整流子整流子长时间流长时间流过额定电流过额定电流易过热而烧坏易过热而烧坏。故。故速度低速度低于一定值时，于一定值时，改用空气制动改用空气制动来制停机车。来制停机车。SSSS3B3B、SSSS4 4改改、SSSS8 8及及SSSS9 9机车均如此。机车均如此。 3.3 3.3 电力牵引再生制动电力牵引再生制动电力牵引再生制动电力牵引再生制动 直流传动、交流传动的电力牵引均可用再生制动，但交直流传动、交流传动的电力牵引均可用再生制动，但交流传动应用普遍，且优先采用再生制动。流传动应用普遍，且优先采用再生制动。一、一、 “交交-直直” 牵引再生制动牵引再生制动（一）再生制动的稳定性（一）再生制动的稳定性1、机械稳定性、机械稳定性 分析可知，再生制动的制动特性分析可知，再生制动的制动特性B=f(V)满足式（满足式（3-1），），故具有制动的故具有制动的机械稳定机械稳定性。性。2、电气稳定性、电气稳定性 “交交-直直”牵引，再生制动时牵引电机通过变流装置间接牵引，再生制动时牵引电机通过变流装置间接与接触网联接，则与接触网联接，则电机电机的的外部电路外部电路须首须首先保证电气稳定先保证电气稳定。 3.3 3.3 电力牵引再生制动电力牵引再生制动电力牵引再生制动电力牵引再生制动（1 1）串励电机的电气稳定性）串励电机的电气稳定性 “交交- -直直”牵引再生制动原理电路牵引再生制动原理电路（图示）（图示）与牵引时相同，与牵引时相同，但变流器（但变流器（全控桥全控桥）为逆变状态。设再生制动时电机为串励）为逆变状态。设再生制动时电机为串励发发电机电机状态，外部特性状态，外部特性U UD D= =f(If(IZ Z) )为为 （3-123-12）式中，式中，E EZ Z为电机电势，为电机电势，RR主要为电枢主要为电枢电阻电阻（图中未画出）（图中未画出）。 逆变器逆变器N N的外特性的外特性U Ud d= =f(If(IZ Z) )，实现再，实现再生制动时应满足生制动时应满足 图图3-9 3-9 相控机车再生制动原理相控机车再生制动原理 （3-133-13）或或 （3-143-14）式中，式中，L L主要为电抗器的电感。主要为电抗器的电感。 3.3 电力牵引再生制动电力牵引再生制动 图图3-103-10为特性曲线，电机为特性曲线，电机U UD D与逆变器与逆变器U Ud d交于交于a a、b b两点。两点。分析分析：a a点不稳定而点不稳定而b b点稳定点稳定。（a a点点：某种原因使某种原因使I IZ Z（左移），有（左移），有U Ud dU UD D，据式（据式（3-143-14）知）知L(dIL(dIZ Z/dt/dt) )0 0，则，则I IZ Z继续减小继续减小远离远离a a点；反之，点；反之，I IZ ZUUD DU Ud d，L(dIL(dIZ Z/dt/dt) )0 0，I IZ Z继续增大远离继续增大远离a a点。点。b b点点：刚好相反，但刚好相反，但b b点点I IZ Z值太大。）值太大。） 可见，再生制动稳定工作的可见，再生制动稳定工作的条件条件为为 （3-153-15）图图3-10 3-10 电机、逆变器电压曲线电机、逆变器电压曲线 若若U Ud d稳定（常数），则条件变为稳定（常数），则条件变为 （3-163-16） 即平衡点处即平衡点处U UD DI IZ Z曲线曲线斜率为负斜率为负。显然，发电机外特性下降形。显然，发电机外特性下降形状才能满足要求。状才能满足要求。 3.3 3.3 电力牵引再生制动电力牵引再生制动电力牵引再生制动电力牵引再生制动串励发电机串励发电机，外特性在，外特性在大电流大电流下下才有下降形状才有下降形状，在其，在其允许的工作允许的工作范围内范围内是是不稳定不稳定的。的。（2 2）他励、并励电机的电气稳定性）他励、并励电机的电气稳定性 他励、并励发电机，其他励、并励发电机，其外特性外特性曲线具有曲线具有下垂形状下垂形状，故再生，故再生制动时制动时具有电气稳定性具有电气稳定性。注意注意：v“交交- -直直”牵引，牵引，他励他励，随，随I IZ ZIIL L，电机有下降的外特性，电机有下降的外特性，保证保证外部电气稳定外部电气稳定性性，并能保证，并能保证并联再生发电机间并联再生发电机间的的内部电内部电气稳定气稳定。v“直直- -直直”牵引，牵引，串励串励，斩波斩波调压调压。调调控制角控制角，满足满足式（式（3-3-1515）条件条件。如我国地铁动车。如我国地铁动车。 3.3 3.3 电力牵引再生制动电力牵引再生制动电力牵引再生制动电力牵引再生制动（二）再生制动的特性（二）再生制动的特性 再生制动，再生制动，全桥全桥变流，控制变流，控制9090，整流，整流逆变逆变。逆变。逆变器外特性器外特性U Ud d= =f(If(IZ Z) )与整流器外特性与整流器外特性U Ud d= =f(If(IZ Z) )有同样的结论有同样的结论。1 1、速度特性、速度特性V=V=f(If(IZ Z) )（1 1）V=V=f(If(IZ Z) ) 再生制动，再生制动，他励发电机他励发电机电势平衡方程式为电势平衡方程式为 （3-173-17） 再生制动，机车速度特性再生制动，机车速度特性 （h h） （3-183-18）而再生制动电流而再生制动电流 （3-193-19）3.3 3.3 电力牵引再生制动电力牵引再生制动电力牵引再生制动电力牵引再生制动浅析浅析： 因因RR很小，小很小，小VV大大I IZ Z；U Ud dIIZ Z，I IZ Z对网压敏感；对网压敏感；各并联电机的各并联电机的RR不同不同分配不均分配不均。故故各电机需各电机需串稳定电阻串稳定电阻R RW W均衡均衡各并联电机的负载，并使各电机各并联电机的负载，并使各电机具有差励磁特性，以保电气稳定性。具有差励磁特性，以保电气稳定性。（2 2）串）串R RW W后的后的V=V=f(If(IZ Z) ) （3-203-20） （3-213-21）可见可见，R RW W直接直接影响影响各电机各电机负载分配负载分配的均匀性和的均匀性和电气稳定性电气稳定性： R RW WUUD D=C=CV VZ ZV-IV-IZ Z（R RW W+R+R）电气稳定性电气稳定性；分母；分母U Ud d小可略小可略抗网压波动抗网压波动，且电机负载，且电机负载分配越均衡分配越均衡。3.3 3.3 电力牵引再生制动电力牵引再生制动电力牵引再生制动电力牵引再生制动 但因但因R RW W能耗能耗、且、且I IZ ZBB，则，则R RW W不宜过大不宜过大。故故：从制动效果和稳定性两方面考虑，：从制动效果和稳定性两方面考虑，R RW W取值应适中取值应适中。如。如8K8K机车机车的的R RW W为为0.450.45，消耗，消耗1/31/3的制动功率。的制动功率。（3 3）下限速度）下限速度VminVmin 由式（由式（3-203-20）可知：）可知：图图3-11 3-11 再生制动机车速度特性再生制动机车速度特性 当当Z Z一定一定，VIVIZ Z（线性线性见图见图3-113-11），即即I IZ ZVV；当当I IZ Z一定一定，V1/V1/Z Z（或（或I IL L），即），即I IL LVV； 当当I IL L、I IZ ZVV。由于电机磁通受。由于电机磁通受I ILmaxLmax限制，则再限制，则再生制动时机车下限速度生制动时机车下限速度V Vminmin为为 （h h） (3-22(3-22) ) 再生制动再生制动的的V=V=f(If(IZ Z) )为为直线直线。图示中。图示中I IL1L1I IL2L2I IL3L3，最大励磁最大励磁I ILmaxLmax对应有最小速度对应有最小速度V Vminmin。3.3 电力牵引再生制动电力牵引再生制动2 2、制动力特性、制动力特性B=B=f(If(IZ Z) ) 再生制动，若再生制动，若I IZ Z与牵引时与牵引时同向同向，而，而Z Z（即（即I IL L）反向反向，则电磁转矩为制动转矩。，则电磁转矩为制动转矩。制动力特性同电阻制动制动力特性同电阻制动（即（即B=B=f(If(IZ Z) )同式（同式（3-3-7 7）。Z Z一定一定，B=B=f(If(IZ Z) )是一条是一条直线直线( (图图3-3-1212），图中，图中I IL1L1I IL2L2I IL3L3。3 3、制动特性、制动特性B=B=f(Vf(V) ) 将（将（3-213-21）的）的I IZ Z（3-73-7），可得），可得B=B=f(Vf(V) ) （）（）（3-233-23）图图3-12 3-12 再生制动力特性再生制动力特性 图图3-13 3-13 再生制动制动特性再生制动制动特性 可见可见，当他励，当他励Z Z为定值为定值，再生制动特性，再生制动特性B=B=f(Vf(V) )为为直线直线（图图3-3-1313），图中，图中I IL1L1I IL2L2I IL3L3。 3.3 3.3 电力牵引再生制动电力牵引再生制动电力牵引再生制动电力牵引再生制动（三）再生制动的界限（三）再生制动的界限 同电阻制动，安全运行受五方面限制：同电阻制动，安全运行受五方面限制：最大励磁最大励磁I ILmaxLmax限制限制，对应机车最小速度，对应机车最小速度V Vminmin ，曲，曲线线1 1；粘着条件限制粘着条件限制，曲线，曲线2 2；最大电枢电流最大电枢电流I IZmaxZmax（制动电流）限制（制动电流）限制，曲线，曲线3 3；安全换向限制安全换向限制，曲线，曲线4 4；最大构造速度限制最大构造速度限制，对应，对应V Vmaxmax ，曲线，曲线5 5 。 图图3-14 3-14 再生制动界限再生制动界限 （四）再生制动的调节（四）再生制动的调节 据式（据式（3-73-7）、（）、（3-233-23）知，）知，调调主磁通主磁通Z Z（即（即I IL L）或逆变器）或逆变器电压电压U Ud d，均可，均可调调B B。 3.3 3.3 电力牵引再生制动电力牵引再生制动电力牵引再生制动电力牵引再生制动1 1、调节过程、调节过程（1 1）第一阶段）第一阶段高速调励磁电流高速调励磁电流I IL L 高速，高速，维持维持逆变器逆变器U Udmaxdmax，调调I IL L（即（即Z Z）调调I IZ Z，以提高功率系数，图中，以提高功率系数，图中BCBC段段。随。随VVI IL L，到到I IL4L4=max=max（B B点）点）为止为止；最小；最小励磁受安全换向限制，图中励磁受安全换向限制，图中I IL1L1=min=min。优点优点：调节：调节功率小功率小，可，可连续连续平滑平滑调调节。节。图图3-15 3-15 再生制动特性再生制动特性 缺点缺点：受：受磁路饱和限制磁路饱和限制，V V不能继续下降；同时，制动力受制动不能继续下降；同时，制动力受制动功率限制，在功率限制，在V V越高越高时，相应时，相应B B也会也会越小越小。（2 2）第二阶段）第二阶段调逆变器电压调逆变器电压U Ud d 调励在调励在I IL4L4=max=max后维持不变，再后维持不变，再调调逆变器逆变器角来角来U Ud d。 随随U Ud d维持维持I IZ Z= =常数常数B B不变不变、VV，到到U Ud d=0=0（A A点）点）为止，图中为止，图中ABAB段段所示。此阶段，可控硅为不对称触发方式。所示。此阶段，可控硅为不对称触发方式。 3.3 3.3 电力牵引再生制动电力牵引再生制动电力牵引再生制动电力牵引再生制动（3 3）第三阶段）第三阶段加馈电阻制动加馈电阻制动 A A点后，变流器从逆变转为整流，点后，变流器从逆变转为整流，U Ud d改改变极性变极性后又后又从从0 0开始开始增大增大，由式（，由式（3-213-21）知（）知（U Ud d为负）此时为负）此时I IZ Z由发电机和整流共同由发电机和整流共同产生产生，以，以保保持低速时的持低速时的B B不变不变，如图，如图3-153-15中的中的DADA虚线虚线所示。所示。 加馈电阻制动瞬间，曲线加馈电阻制动瞬间，曲线OAOA的斜率由式（的斜率由式（3-233-23）知（）知（U Ud d为为负）取决于电阻的大小，电阻越小斜率就越大，负）取决于电阻的大小，电阻越小斜率就越大，A A点速度就越点速度就越低。低。 加馈电阻制动的电阻一般小于电阻制动机车的制动电阻。加馈电阻制动的电阻一般小于电阻制动机车的制动电阻。2 2、再生制动控制方式、再生制动控制方式 前两阶段为前两阶段为再生制动再生制动工况，工况，控制方式控制方式( (决定机车的制动功率系决定机车的制动功率系数数) )：3.3 3.3 电力牵引再生制动电力牵引再生制动电力牵引再生制动电力牵引再生制动（1 1）维持逆变角）维持逆变角为常数控制为常数控制 因变压器因变压器漏抗漏抗X XC C有有换相重叠角换相重叠角，可控硅关断后有，可控硅关断后有恢复恢复正正向阻断时间，即考虑一定的向阻断时间，即考虑一定的裕度角裕度角。则逆变时，可控硅触发。则逆变时，可控硅触发应比交流电源电压过零应比交流电源电压过零引前引前相角相角（逆变角逆变角），即，即 （3-243-24）注意注意：通常，：通常，为为1515，为为551010，则，则一般整定在一般整定在20202525左右。左右。（在（在I IZmaxZmax、X XCmaxCmax、U Udmindmin等最不利情况下，经计算等最不利情况下，经计算最高可达最高可达40405050） 固定固定逆变角逆变角的的控制控制，应考虑，应考虑最不利最不利的情况，的情况，应应取高一取高一些些（如（如8K8K机车机车=36=36）。特点特点：机车的：机车的功率系数较低功率系数较低，回馈能量小回馈能量小。 3.3 3.3 电力牵引再生制动电力牵引再生制动电力牵引再生制动电力牵引再生制动（2 2）维持裕度角）维持裕度角为常数控制为常数控制 恒值恒值（足够，一般为（足够，一般为10102020），随随的变化自动调节的变化自动调节，减小减小亦减小，功率系数有所提高。亦减小，功率系数有所提高。特点特点：需需要要精确精确地检地检测测出出的大小。的大小。（如（如8K8K型机车采用型机车采用=18=182222的的控制方式控制方式）（五）再生制动的特点（五）再生制动的特点（1 1）回馈电网回馈电网，节能节能。国外资料显示，可节能。国外资料显示，可节能15152020。（2 2）调速范围广调速范围广，防滑性能好防滑性能好，减少闸瓦与轮缘的摩擦。，减少闸瓦与轮缘的摩擦。（3 3）控制控制系统较复杂系统较复杂，控制精度高控制精度高。串。串R RW W，提高系统的稳定性，提高系统的稳定性，但耗能，效率降低。但耗能，效率降低。（4 4）须全控桥须全控桥（交（交- -直机车）直机车）。则。则机车机车功率系数低功率系数低，再生制动时更，再生制动时更低，如低，如6G6G机车再生制动时在机车再生制动时在0.50.5左右；左右；谐波含量高谐波含量高，对电网，对电网 3.3 3.3 电力牵引再生制动电力牵引再生制动电力牵引再生制动电力牵引再生制动 干扰大，再生制动时更甚，而换向期间电流畸变更严重干扰大，再生制动时更甚，而换向期间电流畸变更严重；触发触发可靠性要求高可靠性要求高，牵引时丢失触发脉冲使，牵引时丢失触发脉冲使U Ud d、I Id d、FF，而，而再生制动时则意味没有正常换向，造成再生制动时则意味没有正常换向，造成再生再生的的颠覆颠覆，即交直流，即交直流电压叠加短路，对元件和电机安全造成较大威胁。电压叠加短路，对元件和电机安全造成较大威胁。二、二、“交交-直直-交交” 牵引再生制动牵引再生制动 交流牵引机车主电路原理如框图所示。制动优先采用电制交流牵引机车主电路原理如框图所示。制动优先采用电制动，且均为再生制动，因为：动，且均为再生制动，因为：控制逆变器使转差率控制逆变器使转差率s s0 0，异步电动机成异步电动机成发电发电机；机；四象限整流四象限整流器器便于将便于将能量能量向向电网电网回馈回馈。图图3-16 3-16 交流传动主电路框图交流传动主电路框图3.3 3.3 电力牵引再生制动电力牵引再生制动电力牵引再生制动电力牵引再生制动图图3-17 3-17 交流传动制动主电路交流传动制动主电路3.3 电力牵引再生制动电力牵引再生制动工作原理工作原理： 控制使异步电机转差率控制使异步电机转差率s0（即定子同步转速低于转子转速）（即定子同步转速低于转子转速），电机将列车动能电机将列车动能三相交流三相交流逆变逆变直流直流四象限整流四象限整流单相单相交流交流牵引变压器牵引变压器电网。电网。制动转矩制动转矩： (3-25)(3-25)式式中中：M为为制制动动转转矩矩，k为为电电机机常常数数，U为为逆逆变变器器输输出出电电压压，f1为为逆变器输出频率，逆变器输出频率，f2为转差频率。为转差频率。电机同步转速：电机同步转速：可可见见：只只要要s0，控控制制U和和f1就就可可控控制制制制动动力力，即即使使n=0也也有有制制动动力。力。注意注意：现代技术，利用整流与逆变组合，可产生现代技术，利用整流与逆变组合，可产生U和和f1任意可任意可调的交流电，调的交流电，故交流传动故交流传动动车组动车组优先用再生自动优先用再生自动；3.3 3.3 电力牵引再生制动电力牵引再生制动电力牵引再生制动电力牵引再生制动 高速区制动力大，再生自动；高速区制动力大，再生自动；低速区低速区制动力不足，制动力不足，加空加空气制动气制动，动车组在，动车组在10km/h下用空气制动。下用空气制动。