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第二章 直流電力機(jī)車速度調(diào)節(jié) 電力機(jī)車作為電氣化鐵道的牽引動力，為充分發(fā)揮其功率，提高運(yùn)輸能力，要求機(jī)車的牽引力和速度均能在寬廣的范圍內(nèi)均勻而經(jīng)濟(jì)地調(diào)節(jié)。一般情況下機(jī)車牽引列車的整個過程是由停車狀態(tài)開始，經(jīng)過起動加速再逐漸提高速度，直到機(jī)車工作在其自然特性上，此后司機(jī)根據(jù)列車運(yùn)行圖的要求及線路縱斷面的變化隨時進(jìn)行速度調(diào)節(jié)。進(jìn)站停車前進(jìn)行制動，降低機(jī)車速度，直至最后停車。列車的整個運(yùn)行過程，情況雖然很復(fù)雜，但概括起來，卻只存在起動、調(diào)速、制動三種基本的運(yùn)行狀態(tài)。這三種基本運(yùn)行狀態(tài)實(shí)質(zhì)都是速度的調(diào)節(jié)，只是起動和制動是調(diào)速的兩種特殊形式而已。因此，電力機(jī)車速度調(diào)節(jié)是牽引列車運(yùn)行時最為根本的任務(wù)之一，也是完成運(yùn)輸任務(wù)的主要手段之一。 電力機(jī)車是以牽引電動機(jī)作為傳動設(shè)備的，所以電力機(jī)車的調(diào)速本質(zhì)上是牽引電動機(jī)的調(diào)速。不同種類的電力機(jī)車、選用牽引電動機(jī)的種類不同，調(diào)速的方式就不同，而調(diào)速方式又會影響機(jī)車的牽引性能、功率因數(shù)。本章將分別討論不同傳動形式電力機(jī)車的調(diào)速問題，并重點(diǎn)討論整流器電力機(jī)車的速度調(diào)節(jié)。通過本章的學(xué)習(xí)，應(yīng)達(dá)到以下目標(biāo)： 1、掌握交直型整流器機(jī)車相控調(diào)壓調(diào)速的原理； 2、掌握機(jī)車上常用的磁場削弱方法； 3、了解電壓調(diào)節(jié)下、磁場削弱下的機(jī)車特性。 第一節(jié) 概述 一、電力機(jī)車調(diào)速的基本要求 電力機(jī)車無論采用何種調(diào)速方式，從運(yùn)行安全的角度出發(fā)，下列基本要求都必須得到滿足： 1、寬廣的調(diào)速范圍。只有具備寬廣的調(diào)速范圍才能滿足列車運(yùn)行速度不斷提高的需要； 2、沖擊力小，牽引力變化連續(xù)。速度調(diào)節(jié)應(yīng)力求平穩(wěn)，不間斷牽引電動機(jī)的供電，并且有盡可能多的速度運(yùn)行級，從而避免電流和牽引力的沖擊； 3、調(diào)速經(jīng)濟(jì)。在保證速度范圍的情況下，附加設(shè)備要少，且盡量減少附加能量損耗； 4、運(yùn)行可靠，控制簡單，操作方便。 二、電力機(jī)車的調(diào)速方式 1、具有直（脈）流牽引電動機(jī)機(jī)車的調(diào)速 直直型和交直型電力機(jī)車均采用直（脈）流牽引電動機(jī)做牽引動力。根據(jù)機(jī)車速度計算公式（1-2）知機(jī)車的調(diào)速方案應(yīng)有下列幾種： （1）改變牽引電動機(jī)回路電阻R 在牽引電動機(jī)回路中串入啟動調(diào)壓電阻，通過改變電阻阻值來調(diào)節(jié)機(jī)車的速度。因?yàn)闋恳姍C(jī)回路電壓較高，電流也比較大，附加的調(diào)節(jié)電阻的損耗會使?fàn)恳姍C(jī)的效率降低，所以用這種方法調(diào)速并不經(jīng)濟(jì)。又因?yàn)閱诱{(diào)壓電阻本身是分段的，在調(diào)速的過程中勢必造成機(jī)車牽引力有沖擊。因此，在機(jī)車上并不使用這種方法，目前所用機(jī)車仍采用改變牽引電動機(jī)的電源電壓以及削弱牽引電動機(jī)磁場的調(diào)速方法。 （2）改變牽引電動機(jī)的端電壓UＤ 直流電力機(jī)車的牽引電動機(jī)電源直接取自接觸網(wǎng)，所以可以采用改變牽引電動機(jī)的連結(jié)方式（如全串聯(lián)、串─并聯(lián)結(jié)合，全并聯(lián)），來改變牽引電動機(jī)的端電壓。這種調(diào)速方法無能量消耗，但只能做有級調(diào)節(jié)，且調(diào)速級有限（一般為2-3級）。 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代直流電力機(jī)車如城市地鐵，采用斬波器進(jìn)行調(diào)速。它取消了起動電阻，利用斬波的原理可對牽引電機(jī)的端電壓進(jìn)行連續(xù)、平滑的調(diào)節(jié)，因此機(jī)車的性能大為改善。 在整流器電力機(jī)車上，接觸網(wǎng)電壓需經(jīng)變壓器降壓和整流裝置整流后，再供給牽引電動機(jī)，因而這種機(jī)車可用改變變壓器一次側(cè)、二次側(cè)電壓的方式進(jìn)行有級調(diào)速，或者利用晶閘管整流元件，通過改變晶閘管移相角的方法來改變整流輸出電壓，從而進(jìn)行平滑無級調(diào)速。 （3）改變磁通量Φ 這種方法在直流電力機(jī)車和整流器電力機(jī)車上都得到應(yīng)用，即所謂的磁場削弱調(diào)速。（這個問題將在本章第二節(jié)中專門討論） 無論調(diào)節(jié)電壓或調(diào)節(jié)磁通量，都不產(chǎn)生附加的能量損耗，因而得到的速度級稱為經(jīng)濟(jì)運(yùn)行級。機(jī)車在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行級上可以長時間運(yùn)行。 第二節(jié) 勵磁調(diào)節(jié) 所謂勵磁調(diào)節(jié)，就是通過調(diào)節(jié)流過牽引電動機(jī)的勵磁電流，從而改變牽引電動機(jī)主極磁通的方法進(jìn)行調(diào)速，亦稱磁場削弱調(diào)速。一般情況下，要進(jìn)行磁場削弱調(diào)速，必須是在牽引電動機(jī)端電壓已達(dá)到額定電壓，而牽引電動機(jī)電流比額定值小時實(shí)施。磁場削弱的目是擴(kuò)大機(jī)車的運(yùn)行范圍，充分利用機(jī)車功率。本節(jié)主要討論磁場削弱系數(shù)的概念，磁場削弱方法以及磁場削弱時機(jī)車特性。 一、磁場削弱系數(shù) 磁場削弱系數(shù)用β表示，磁場削弱系數(shù)定義如下：在同一牽引電動機(jī)電樞電流下，磁場削弱后（削弱磁場）牽引電動機(jī)主極磁勢與磁場削弱前（滿磁場）牽引電動機(jī)主極磁勢之比。其表達(dá)式為： （20-1） 式中：（IW）β ──磁場削弱后主極磁勢； （IW）ｍ ──磁場削弱前（滿磁場）主極磁勢。 它表明了牽引電動機(jī)主極磁勢削弱的程度。例如β＝40％即表示削弱后電機(jī)主極磁勢僅為削弱前電機(jī)主極磁勢的40％，其余60％被削弱掉了。β愈小，則表明磁場削弱愈深。當(dāng)電機(jī)磁路不飽和時，可以用磁通代替磁勢，但當(dāng)電機(jī)磁路飽和后，不能用磁通代替磁勢，兩者的差別較大。 二、磁場削弱的方法 根據(jù)式（20-1），磁場削弱的方法有兩類： 1.改變勵磁繞組匝數(shù) 改變勵磁繞組匝數(shù)，即將牽引電動機(jī)勵磁繞組分段，通過改變牽引電動機(jī)勵磁繞組的有效匝數(shù)，使流過牽引電動機(jī)電樞的電流只通過一部分勵磁繞組（有效匝數(shù)），來達(dá)到削弱磁場，此時磁場削弱系數(shù)β的表達(dá)式為： 式中：Im ＝Ia ──牽引電動機(jī)電樞電流 w──牽引電動機(jī)磁場削弱后勵磁繞組匝數(shù) wｍ──牽引電動機(jī)滿磁場時勵磁繞組匝數(shù)。 由上式可以看出，采用勵磁繞組分段進(jìn)行磁場削弱時，磁場削弱系數(shù)β僅與分段繞組的匝數(shù)比有關(guān)，與電流值無關(guān)。 通常直流電力機(jī)車?yán)脿恳妱訖C(jī)勵磁繞組分段法進(jìn)行磁場削弱調(diào)速。采用勵磁繞組分段法的優(yōu)點(diǎn)是磁場削弱系數(shù)精確，不足的是電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。一般采用電機(jī)串——并聯(lián)轉(zhuǎn)換法獲得，但用此法獲得的磁場削弱級數(shù)有限，并且要求各電機(jī)勵磁繞組的電阻值精確，否則，電機(jī)勵磁繞組電阻值的微小差別，都將引起電機(jī)磁場削弱系數(shù)不一致。采用勵磁繞組分段法磁場削弱的原理如圖20-1。 圖20-1 勵磁繞組分段法原理圖 2.改變勵磁繞組的電流 改變勵磁繞組的電流，也就是使?fàn)恳妱訖C(jī)電樞電流中的一部分流過牽引電動機(jī)的勵磁繞組，從而完成磁場削弱。此時磁場削弱系數(shù)β的表達(dá)式為： 式中： Iβ——牽引電動機(jī)磁場削弱后流過勵磁繞組的電流， Iｍ——牽引電動機(jī)滿磁場時流過勵磁繞組的電流，即電樞電流。 改變勵磁繞組電流的方法可有以下幾種： (1)電阻分路法 電阻分路法就是在勵磁繞組的兩端并聯(lián)電阻對勵磁電流進(jìn)行分路，從而達(dá)到削弱磁場的目的，原理見圖20-2所示。 圖20-2 電阻分路法原理 滿磁場時，接觸器1未閉合，此時牽引電動機(jī)電樞電流Iａ全部流過勵磁繞組， IL=Ia ，其磁勢為IaＷ；削弱磁場時，接觸器1閉合，磁場削弱電阻R1并聯(lián)在勵磁繞組兩端，對勵磁繞組起分流作用。此時電樞電流被分為兩路，一路流過電阻R1的電流IR，另一路流過勵磁繞組的電流IL，此時磁勢為ILW，Ia=IR+IL，磁場削弱系數(shù)β的表達(dá)式為： 上式說明，β值的大小僅與兩支路中電流的分配有關(guān)，而與電機(jī)勵磁繞組匝數(shù)無關(guān)。若設(shè)勵磁繞組的電阻為R，因?yàn)镮LR=IRR1，且Ia=IL+IR所以導(dǎo)出下式： （20-2） 式（20-2）說明β值取決于勵磁繞組和分路電阻的電阻值。對確定的牽引電動機(jī)來說，勵磁繞組阻值為定值，因此，分路電阻值R1的數(shù)值就決定了磁場削弱系數(shù)β的大小。要改變磁場削弱系數(shù)，只須改變分路電阻的阻值即可。在實(shí)際的牽引電機(jī)電路中，勵磁繞組的兩端直接并聯(lián)著一個不可調(diào)節(jié)的分路電阻R，稱為固定分路電阻，其作用與R不同，是為了改善牽引電動機(jī)的換向。 電阻分路法因?yàn)閯畲爬@組結(jié)構(gòu)簡單，磁削系數(shù)調(diào)節(jié)非常方便，同時附加電能損耗很小，調(diào)速后的效率不致降低，是一種經(jīng)濟(jì)的調(diào)速方法。因而在交流型電力機(jī)車上得到廣泛地應(yīng)用。應(yīng)當(dāng)指出，電阻分路法要求各電機(jī)的分路電阻值必須精確一致，否則會造成各電機(jī)的β值不一致，磁場削弱程度不一致。同時應(yīng)當(dāng)特別注意的是，上述關(guān)于磁場削弱系數(shù)β的討論是在電路穩(wěn)定工作狀態(tài)下進(jìn)行的，當(dāng)電路處在過渡過程時，應(yīng)充分考慮勵磁繞組的電感值。例如，當(dāng)網(wǎng)壓波動時，如網(wǎng)壓突然上升造成機(jī)車工作電流突增，使電機(jī)電樞電流增加，勵磁繞組的自感電勢將阻止流過繞組的電流增長，而分路電阻支路電感很小，故電機(jī)中增加的電流大部分從分路電阻R1中流過。這樣主極磁場便不能很快加強(qiáng)，造成反電勢不足，致使電樞電流過大，電機(jī)嚴(yán)重過載，嚴(yán)重時可能引起牽引電機(jī)環(huán)火。 為了彌補(bǔ)電阻分路法削磁的不足，采用在分路電阻支路串入適當(dāng)?shù)碾姼芯€圈，使磁削時分路的電路性質(zhì)與勵磁繞組的屬性一致，便能順利度過過渡過程。這種方法稱為磁感應(yīng)分路法。目前，SS3型電力機(jī)車就采用這種方法。 無論采用勵磁繞組分段法或電阻（磁感應(yīng)）分路法磁削，通過改變勵磁繞組的段數(shù)或改變分路電阻值，均可得到不同的削弱系數(shù)，獲得不同程度的削弱磁場，但是若磁場削弱時由滿磁場一次過渡到最深度的削弱磁場，就會產(chǎn)生很大的電流沖擊和牽引力沖擊。因此，通常采用分級磁削。級數(shù)越多，磁場削弱時電流和牽引力的沖擊越??；但是級數(shù)過多會造成控制線路復(fù)雜，附加設(shè)備增多，故一般磁場削弱取三級左右。從充分利用機(jī)車粘著的角度看，即使分級磁場削弱仍會造成負(fù)載電流的沖擊，使機(jī)車特性不連續(xù)，給牽引電機(jī)運(yùn)行帶來不利影響，同時也影響機(jī)車粘著的充分利用。 （2）晶閘管分路法 晶閘管分路法就是利用晶閘管元件的連續(xù)、實(shí)時、可控，對牽引電動機(jī)的勵磁電流根據(jù)要求的β值進(jìn)行旁路，從而達(dá)到削弱磁場的目的，此種方法也稱無級磁場削弱法。利用晶閘管分路法可以使?fàn)恳妱訖C(jī)實(shí)現(xiàn)平滑無級的磁場削弱。法國的8K型、國產(chǎn)SS8型準(zhǔn)高速電力機(jī)車均采用無級磁場削弱，原理見圖20-3所示。 圖中變壓器二次側(cè)繞組為a2x2，整流電路T1T2D1D2、D3D4采用半控橋，分路晶閘管為T3、T4，平波電抗器為Ｌ，牽引電機(jī)M的勵磁繞組為C1C2，電樞繞組為A1A2，固定分路電阻為RSH，其工作原理以交流電壓一個周波為例，分析如下： 圖（a）為滿磁場，半控橋滿開放時工作情況。正半周a2為高電位時，半控橋T1、D3、D2導(dǎo)通；負(fù)半周x2為高電位時，半控橋D1、D4、T2導(dǎo)通，分路晶閘管T3、T4均不參與工作，此時半控橋整流輸出的電壓全部施加在平波電抗器L，電機(jī)的電樞繞組、勵磁繞組和固定分路電阻RSH上。 圖（b）（c）為磁場削弱、半控橋滿開放時工作情況。正半周a2為高電位時，見圖（b）半控橋仍為T1、D3、D2導(dǎo)通，分路晶閘管T4在ωt=α?xí)r刻觸發(fā)，由于T4加有正向電壓，其值等于勵磁場繞組兩端電壓，故觸發(fā)T4導(dǎo)通。而半控橋中的二 圖20-3 晶閘管分路法原理圖 極管D3由于T4的導(dǎo)通而承受反向電壓迅速截止。在ωt=α～π之間，T4一直導(dǎo)通，導(dǎo)通角為θ。此時，電樞電流Ia經(jīng)分路晶閘管T4，半控橋的D2、T1，變壓器二次側(cè)繞組a2x2構(gòu)成回路，不經(jīng)過勵磁繞組和固定分路電阻。勵磁電流iF僅靠勵磁繞組中的電感作用與固定分路電阻RSH構(gòu)成續(xù)流回路。 負(fù)半周x2為高電位時，見圖（c）因?yàn)榘肟貥蚬ぷ髟跐M開放狀態(tài)，所以當(dāng)ωt=π時，T2觸發(fā)，D1、D4、T2導(dǎo)通，T1、D2自然關(guān)斷。當(dāng)ωt=π+α?xí)r，T3觸發(fā)導(dǎo)通，T4關(guān)斷，在ωt=（π+α）～2π之間，電樞電流Ia經(jīng)T3短路，勵磁繞組仍與固定分路電阻值自成續(xù)流回路。磁場削弱系數(shù)： （20-3） 上式說明只要調(diào)節(jié)分路晶閘管的導(dǎo)通角θ就可以連續(xù)調(diào)節(jié)磁場分路，由于分路晶閘管是靠電源電壓過零點(diǎn)自然換相，為了獲得磁場削弱系數(shù)，就要求半控橋必須滿開放工作。 使用勵磁調(diào)節(jié)的方法調(diào)節(jié)機(jī)車速度是以牽引電機(jī)主極磁場的減少來獲得機(jī)車高速運(yùn)行的，并且磁場削弱越深，機(jī)車的速度越高。但是磁場削弱深度是有限的，否則由于牽引電機(jī)主極磁場過分削弱，在機(jī)車大電流、高速運(yùn)行情況下會使?fàn)恳姍C(jī)換向惡化，容易發(fā)生電機(jī)環(huán)火。故一般情況下脈流牽引電機(jī)的最小磁場削弱系數(shù)βmin〉0.35～0.40。實(shí)用值44%～50%，保留一定的裕量。 三、磁場削弱下的機(jī)車特性及其應(yīng)用 電力機(jī)車在牽引電動機(jī)額定電壓和滿磁場時的機(jī)車特性我們在第一章已經(jīng)做過介紹。牽引電動機(jī)實(shí)施磁場削弱后機(jī)車的基本特性與滿磁場時不同，下面就用作圖法具體分析削弱后機(jī)車的基本特性。 1.削弱磁場時的機(jī)車速度特性 已知滿磁場時的機(jī)車速度特性為: (20-4) 削弱磁場時的機(jī)車速度特性為: (20-5) 上兩式中：Vm、Vβ——分別為牽引電動機(jī)滿磁場、削弱磁場時的機(jī)車運(yùn)行速度； Um、Uβ——分別為牽引電動機(jī)滿磁場、削弱磁場時的端電壓； Im、Iβ——分別為牽引電動機(jī)滿磁場、削弱磁場時的電樞電流； Φm、Φβ——分別為牽引電動機(jī)滿磁場、削弱磁場時的主極磁通量。 分兩種情況進(jìn)行討論。 ①牽引電動機(jī)端電壓恒定即UD＝常數(shù)，如果Φβ=Φm，則Vβ=Vm，根據(jù)公式(20-4) (20-5)得出一組表達(dá)式： 　　　　 （20-6） ②牽引電動機(jī)端電壓隨負(fù)載變化即UD=f（Ia），如果Φβ=Φm，則根據(jù)公式(20-4) (20-5)得出另一組表達(dá)式： （20-7） 表達(dá)式（20-6）（20-7）就是作圖的依據(jù)。在繪制特性曲線時，只要把恒電壓下滿磁場時機(jī)車速度特性曲線各點(diǎn)的橫座標(biāo)加大1/β倍，就可以得到恒電壓下磁場削弱系數(shù)為β時的機(jī)車速度特性曲線。有幾個磁場削弱級就有幾條速度特性曲線。具體作圖方法步驟如圖20-4（a）箭頭所示，圖中已知恒電壓下滿磁場時機(jī)車速度特性曲線1，OC為輔助線，并且OE=1/βOD。若求牽引電動機(jī)端電壓隨負(fù)載變化時磁場削弱系數(shù)為β的機(jī)車速度特性，用作圖法作圖時可按圖20-4（b）中箭頭所示的順序用相似三角形進(jìn)行繪制，圖中已知牽引電動機(jī)外電壓特性，滿磁場時機(jī)車速度特性曲線1，OC為輔助線。 從圖20-4可以看出，磁削后機(jī)車的速度特性曲線，是在滿磁場速度特性曲線的上方，曲線的形狀基本相似，而且磁場削弱愈深曲線位置愈高。這從公式（20-3）中顯然可以看出，因?yàn)楫?dāng)UD，Ia不變時，Φ愈小，則V愈高。 （a） （b） 圖20-4磁場削弱下的機(jī)車速度特性 2．削弱磁場時的機(jī)車牽引力特性 滿磁場時機(jī)車牽引力特性為 （20-8） 磁場削弱時 （20-9） 仍假設(shè)磁場削弱前后電機(jī)主極磁通Φβ=Φm，則由（20-8）（20-9）也可得出一組表達(dá)式 （20-10） 因?yàn)闄C(jī)車牽引力特性與電機(jī)端電壓無關(guān)，故無論在恒電壓或變電壓情況下牽引力特性只有一條。磁場削弱時機(jī)車牽引力特性曲線均由式（20-10）求得，圖20-5用箭頭清楚地表示了磁場削弱時機(jī)車牽引力特性曲線的作圖方法。圖中曲線1為滿磁場時機(jī)車的牽引力特性曲線，曲線2為所求出的磁場削弱級機(jī)車牽引力特性曲線。注意：求取特性曲線前，應(yīng)首先作出輔助線OB、OD，且OB=1/βOA，OD=1/βOC。 圖20-5 磁場削弱下的機(jī)車牽引力特性 圖20-5可以看出，磁場削弱后的牽引力特性在滿磁場曲線的下方。 3．削弱磁場時的機(jī)車牽引特性 由滿磁場機(jī)車牽引特性曲線求磁場削弱級機(jī)車牽引特性曲線時也分牽引電動機(jī)端電壓恒定和牽引電動機(jī)端電壓隨負(fù)載變化兩種情況。作圖原理同前此略。 磁場削弱后的機(jī)車牽引特性在滿磁場曲線的上方，曲線的形狀基本相似，而且磁場削弱愈深曲線位置愈高。 應(yīng)當(dāng)指出，由滿磁場機(jī)車特性曲線作圖法求取磁場削弱級機(jī)車特性曲線的方法雖然簡便，但卻是近似的，只有在β大于0.5時比較準(zhǔn)確。因?yàn)樵跀?shù)學(xué)推導(dǎo)過程中，我們忽略了電阻壓降，牽引力損失以及電樞反應(yīng)等因素的影響。如果要求作出精確的機(jī)車特性曲線，應(yīng)根據(jù)電機(jī)的磁化曲線Φ=f（Ia），對機(jī)車型式試驗(yàn)報告的數(shù)據(jù)，按照機(jī)車的特性公式逐步計算，然后得出機(jī)車的特性曲線。 4．特性曲線的應(yīng)用 我們以圖20-6來說明特性曲線的應(yīng)用。假定機(jī)車在a點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行，這時對機(jī)車實(shí)施1級磁場削弱。在磁削后的很短時間內(nèi)，機(jī)車速度由于慣性而基本保持不變，所以工作點(diǎn)平移至1級磁削后的速度特性1020V-I曲線上b點(diǎn)，電機(jī)電流由Ia突增至Ib。在磁場削弱后的瞬間，一般要求Ib不大于牽引電動機(jī)的持續(xù)電流IN∞，以免引起電機(jī)過熱。通常根據(jù)這一條件來限制β1的值。1級磁削后，若運(yùn)行阻力不變，機(jī)車會自動加速，電樞電流下降，工作點(diǎn)將沿β1曲線由b點(diǎn)向下移動，直至機(jī)車牽引力與阻力相等，達(dá)到新的穩(wěn)定工作點(diǎn)c，機(jī)車在更高的速度上穩(wěn)定運(yùn)行。 從以上分析可知，當(dāng)牽引電動機(jī)由滿磁場級位運(yùn)行轉(zhuǎn)換為磁場削弱級運(yùn)行，這個過程是很短暫的，此時機(jī)車由于巨大的慣性速度還來不及變化，因此磁場削弱后電機(jī)的反電勢減小，電樞電流增加，機(jī)車的輸出功率和牽引力均有所提高。這時若列車運(yùn)行阻力不變，則機(jī)車牽引力不變，機(jī)車速度便可提高，故在平道運(yùn)行實(shí)施磁場削弱可提高運(yùn)行速度。若在上坡道實(shí)施磁場削弱，則機(jī)車可增大牽引力而保持牽引速度不變，即有所謂恒速爬坡。因此，使用磁場削弱法調(diào)節(jié)機(jī)車速度，不僅可以提高機(jī)車的運(yùn)行速度，機(jī)車功率也將發(fā)揮得更加充分，而且磁場削弱得越深，機(jī)車功率提高得越多。 整流器電力機(jī)車上裝設(shè)有牽引變壓器，利用改變牽引變壓器輸出電壓的方法來調(diào)節(jié)牽引電動機(jī)的端電壓，也可以實(shí)現(xiàn)機(jī)車的速度調(diào)節(jié)。改變變壓器輸出電壓，既可以在變壓器的低壓側(cè)進(jìn)行，也可以在變壓器的高壓側(cè)進(jìn)行，即有所謂的低壓側(cè)調(diào)壓和高壓側(cè)調(diào)壓兩種方法。高壓側(cè)調(diào)壓是保持變壓器低壓繞組（二次側(cè)）匝數(shù)不變，利用改變高壓繞組（一次側(cè)）匝數(shù)來調(diào)節(jié)變壓器輸出電壓的方法，因?yàn)? 圖20-6 SS4改型電力機(jī)車牽引電動機(jī)Ia--v特性 這種調(diào)壓方式對電器設(shè)備的絕緣要求高、設(shè)備復(fù)雜、調(diào)壓有級，現(xiàn)代電力機(jī)車上已不用此種調(diào)壓方法。低壓側(cè)調(diào)壓具有線路簡單、調(diào)壓方便、速度調(diào)節(jié)范圍廣、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行級多和效率高等優(yōu)點(diǎn)，因而在整流器電力機(jī)車上得到了一定應(yīng)用。 第三節(jié) 交直型整流器機(jī)車的相控調(diào)壓 交直型整流器電力機(jī)車采用單相的整流裝置。本節(jié)將首先討論多段整流橋順序控制工作原理及參數(shù)計算，簡單介紹機(jī)車功率因數(shù)及其補(bǔ)償問題。 一、多段橋順序控制 采用可控整流的機(jī)車在低電壓區(qū)，機(jī)車的功率因數(shù)比較低，同時由于平波電抗器的作用使變壓器一次側(cè)電流畸變成了矩形波，產(chǎn)生了較大的高次諧波，造成對電網(wǎng)的污染。為了改善機(jī)車的功率因數(shù)，降低諧波干擾，機(jī)車上廣泛應(yīng)用了多段整流橋順序控制，即把整流橋的段數(shù)增加到ｎ段，ｎ愈大，則效果愈好。下面就分別介紹理想情況下半控二段橋、三段不等分橋、四段經(jīng)濟(jì)橋的工作原理。 圖20-7 不同整流電路功率因數(shù) 1．二段半控橋式整流電路 圖20-8 二段半控橋 圖20-9 二段半控橋波形圖 圖20-8給出了二段半控橋整流電路。該整流電路中變壓器二次側(cè)繞組分成電壓相等的兩段ab和cd，各自接有半控橋整流電路RM1和RM2，兩個半控橋相串聯(lián)，其中由VD1~VD4提供直流續(xù)流通道，兩段半控橋順序控制。 第Ⅰ段（低壓階段），首先移相控制VT1、VT2，控制角為α1，則ab- RM1投入工作，RM2中VT3、VT4 被封鎖即控制角α2=π，D3、D4 提供電流通道，繞組cd中沒有電流流過。負(fù)載電流流過繞組ab、RM1、RM2中的D3、D4 。此階段整流輸出電壓的平均值為： （0<α1<π）（20-11） 當(dāng)α1=π時，Ud=0 當(dāng)α1=0時，Ud= 第Ⅱ段維持T1、T2滿開放即α1=0，移相控制T3、T4，則cd- RM2投入工作，負(fù)載電流流過ab、RM1、RM2、cd，此時整流電壓波形如圖20-9（a），原邊電流波形為圖20-9（d）。第Ⅱ段整流輸出電壓的平均值為： （0<α2<π） （20-12） 根據(jù)功率因數(shù)、相位系數(shù)、波形畸變系數(shù)公式可以求出二段半控橋的PF、DF、λ。圖20-7曲線Ⅳ為半控二段橋的功率因數(shù)，可見采用二段橋功率因數(shù)已有顯著的提高。從圖20-9（d）iT的波形看，電流畸變也有所改善。6G型電力機(jī)車和國產(chǎn)的SS6型電力機(jī)車主電路均采用這種二段半控橋式整流電路。 2．三段不等分橋式整流電路 圖20-10 三段不等分半控橋 圖20-11三段不等分橋分段調(diào)壓波形圖 從對二段半控等分橋整流電路的分析可以看出，隨著橋段數(shù)的增多，機(jī)車的功率因數(shù)將有所提高，但是段數(shù)的增多，會使?fàn)恳儔浩鞫蝹?cè)繞組的分段數(shù)相應(yīng)增加，整流橋臂數(shù)、整流元件的數(shù)量增多。因此而使得機(jī)車主電路復(fù)雜，控制系統(tǒng)復(fù)雜。為此在實(shí)際應(yīng)用中，一般采用多段不等分橋整流電路，但段數(shù)不多于4。圖20-10所示為三段不等分橋。變壓器二次側(cè)繞組由二段a4x4、a2x2組成，其中一段a4x4接成中抽式半控橋，另一段a2x2接成一般半控橋整流電路，因中抽式繞組可看作兩段繞組a4b4、b4x4，故實(shí)際上變壓器二次側(cè)繞組是三段不等分，各段繞組的電壓分配比例為1：1：2。VD1~VD4提供直流續(xù)流通道。三段不等分半控橋式調(diào)壓整流電路的升壓順序控制如下： 第Ⅰ段：a2x2- T1T2 D1D2工作，大橋調(diào)壓，晶閘管的控制角為α1，VT3~VT6晶閘管封鎖，即第Ⅱ段橋晶閘管的控制角α2和第Ⅲ段橋晶閘管的控制角α3均為π。負(fù)載電流流過a2x2 、VT1VT2 VD1VD2、PK、M、VD3VD4。輸出電壓、電流、變壓器繞組中電流的波形如圖20-11（a），整流輸出電壓的平均值為： (0<α1<π) (20-13) 第Ⅱ段：維持T1、T2滿開放即α1=0，a4b4-VT3TV4VD3VD4四臂小橋調(diào)壓，T5、T6 封鎖即α3=π。負(fù)載電流流過a2x2、VT1VT2VDVD2 、PK、M、a4b4 、VT3VT4 VD3VD4。此時輸出電壓、電流及變壓器繞組中電流波形如圖20-11（b）。整流輸出電壓平均值為： (0<α2<π) (20-14) 第Ⅲ段：維持T1~T4滿開放即α1=0，α2=0，b4x4- T5T6 D3D4調(diào)壓橋調(diào)壓，負(fù)載電流流過三段變壓器繞組和三段半控橋。電壓、電流波形如圖20-11（c）。此時整流電壓平均值為： (0<α3<π) (20-15) 三段不等分橋的功率因數(shù)曲線見圖20-7（ｖ），它與二段橋相比功率因數(shù)較高，波形畸變也偏小了，基本是在0.9上下波動。此種整流調(diào)壓方案被廣泛地應(yīng)用在整流器電力機(jī)車上。國產(chǎn)SS4改、SS8、SS34000等系列電力機(jī)車均采用此種調(diào)壓方案。8K機(jī)車亦采用三段不等分橋，所不同的是8K機(jī)車調(diào)壓整流的第一段橋?yàn)槿貥颍ぷ饔陬愃瓢肟貭顟B(tài)，制動時可實(shí)施再生制動，移相范圍π/2～0。當(dāng)α1＝0時，順序開放第二段橋，此時維持全控橋滿開放，即相當(dāng)于工作在不控橋狀態(tài)。 3．四段經(jīng)濟(jì)橋式整流電路 四段經(jīng)濟(jì)橋的整流電路在結(jié)構(gòu)上與三段不等分橋完全相同，只是采取的控制順序與三段不等分橋不同，四段經(jīng)濟(jì)橋的控制順序如下： 仍以圖20-10為例進(jìn)行分析。第Ⅰ段移相控制T3、T4控制角為α1，a4b4- T3T4D3D4投入工作，而T1~T2 、T5~T6 均封鎖，僅a4x4段繞組有電流流過，此時整流輸出電壓為： （0<α1<π）（20-16） 第Ⅱ段維持T3T4滿開放，控制T5、T6，控制角為α2，使b4x4亦投入工作，T1~T2仍被封鎖，此時繞組a4b4、b4x4均流過電流，D1D2提供直流通道，此時整流輸出電壓為： （0<α2<π）（20-17） 第Ⅱ段橋達(dá)到滿開放時，通過邏輯控制將a4x4繞組上的負(fù)載全部轉(zhuǎn)移到a2x2段繞組上，即將第二段橋的滿電壓輸出完全等值地轉(zhuǎn)移到a2x2- T1T2 D1D2上去。因?yàn)閍2x2、a4x4匝數(shù)相等，只要控制合理，就可以實(shí)現(xiàn)無電壓電流沖擊的平滑轉(zhuǎn)移。一般選擇在電壓過零時刻，使晶閘管T1T2滿開放，同時封鎖T3~T6脈沖。這樣，對牽引電機(jī)而言，可保證端電壓值不變，此時整流輸出電壓值為： （20-18） 第Ⅲ段橋，維持T1T2滿開放，再次控制T3、T4，控制角為α3，使a4b4再次投入工作，那么此時整流輸出電壓： （0<α3<π）（20-19） 維持T1~T4滿開放，再次控制T5、T6（控制角為α4） 進(jìn)入第Ⅳ段橋，b4x4再次工作，總的整流輸出電壓為： （0<α4<π）（20-20） 表20-1給出了四段經(jīng)濟(jì)橋每段繞組及其整流輸出的電壓波形和四段經(jīng)濟(jì)橋的控制順序。由表20-1可知，由于利用了中抽式半控橋，結(jié)果使三段不等分半控橋獲得了四段等分橋的效果。這樣就用較少的元件和繞組段數(shù)獲得了較多的調(diào)壓級數(shù)，從而降低了機(jī)車造價，故稱中抽橋?yàn)榻?jīng)濟(jì)橋，它因起著電壓調(diào)節(jié)的作用，也叫移相橋。而另一半控橋的則起著存儲電壓的作用，稱為開關(guān)橋。 理想情況下，四段經(jīng)濟(jì)橋的功率因數(shù)如圖20-7曲線Ⅵ所示。分析圖中曲線可以看出，電力機(jī)車采用四段半控橋已具有比較滿意的功率因數(shù)。 表20-1 四段經(jīng)濟(jì)橋波形及控制順序 *四、功率因數(shù)補(bǔ)償 評價相控調(diào)壓性能有二個重要指標(biāo)，即功率因數(shù)和諧波干擾。采用相控調(diào)壓的電力機(jī)車其功率因數(shù)較低，不僅降低了設(shè)備的利用率，而且諧波含量高，影響了電網(wǎng)的供電質(zhì)量，對電網(wǎng)造成嚴(yán)重污染。隨著機(jī)車單機(jī)功率的增加及大功率電力半導(dǎo)體器件在電力機(jī)車上應(yīng)用的日益廣泛，提高功率因數(shù)，減少諧波電流已成為一個重要課題。另外，電力部門和郵電部門都對用戶的功率因數(shù)和諧波電流有明確限制。一般晶閘管相控機(jī)車的功率因數(shù)僅為0.78～0.80，諧波電流為Ｊpmax 〉9.2Ａ（等效干擾電流的最大值），遠(yuǎn)不能滿足PF＝0.9、I(3) ＝3.9、I(5) ＝4.0的限制要求。 晶閘管相控機(jī)車的功率因數(shù)PF＝λcosψ1，DF主要取決于α、λ，根據(jù)DF曲線知其變化范圍不大，其中主要是3次、5次諧波含量。因此，改善晶閘管相控機(jī)車的功率因數(shù)和減少諧波電流的方法主要有： 1．采用多段橋 如前所述這一方法能提高機(jī)車的功率因數(shù)和降低諧波分量，但段數(shù)過多會使變壓器抽頭數(shù)增加，整流裝置復(fù)雜，即使是多段橋，由于其電子控制增加從移相橋到開關(guān)橋邏輯轉(zhuǎn)換的復(fù)雜性，在一定程度上會降低機(jī)車運(yùn)行的可靠性。干線電力機(jī)車一般不超過四段，試驗(yàn)表明在額定工況下，半控四段橋的功率因數(shù)PF＝0.80～0.85。 2．采用功率因數(shù)補(bǔ)償器（PFC） 圖20-12 濾波電路 圖20-13 機(jī)車濾波器工作原理 功率因數(shù)補(bǔ)償裝置兼作濾波器，簡稱PFC裝置，一般常用的形式有LC、RC、RLC，如圖20-12所示，它跨接于機(jī)車主變壓器二次側(cè)繞組的兩端，如圖20-13(a)所示。其工作原理可用圖20-13(b)來說明：在理想情況下，由于整流電路的作用，整流裝置交流側(cè)電流i2 為一方波，造成接觸網(wǎng)中電流波形發(fā)生畸變，即產(chǎn)生高次諧波電流，從iT表達(dá)式中我們知道，諧波電流主要是3、5、7次諧波含量。而整流裝置的負(fù)載——平波電抗器和牽引電動機(jī)均為感性負(fù)載，加之整流裝置本身的晶閘管相位控制（α）的作用，使電流I2 的相位滯后于電網(wǎng)電壓UC，即也產(chǎn)生了一個感性無功電流，使機(jī)車功率數(shù)降低。加上功補(bǔ)裝置后，就是把L、R、C連接成某一頻率的諧振電路（一般在靠近三次或五次諧波頻率處）。在基波網(wǎng)壓的作用下對基波呈容性，提供容性無功電流，減少相控整流機(jī)車滯后的負(fù)載電流，從而可以提高機(jī)車的功率因數(shù)；同時對3、5次諧波呈低阻性，使絕大部分3次、5次諧波電流通過功補(bǔ)裝置而被吸收掉，可以減少流向電網(wǎng)的3次或5次諧波電流，也減少了等效干擾電流。 試驗(yàn)表明相控機(jī)車在裝設(shè)一定容量的PFC之后，就勿需采用多段橋。機(jī)車加裝了功率因數(shù)補(bǔ)償裝置以后，提高了機(jī)車的功率因數(shù)，降低了接觸網(wǎng)和機(jī)車主變壓器的損耗，同時也減少了接觸網(wǎng)對沿線通信線路的干擾，從而大大簡化了機(jī)車主電路的結(jié)構(gòu)。例如SS6型電力機(jī)車就采用了二段橋帶PFC的主電路，引進(jìn)的6K、8K型電力機(jī)車，當(dāng)PFC全部投入工作時機(jī)車的功率因數(shù)PF〉0.9。由于受機(jī)車重量與總體布置上的限制，于是提出在地面牽引變電所和接觸網(wǎng)上設(shè)置功率因數(shù)補(bǔ)償裝置，即車下補(bǔ)償。試驗(yàn)表明車上、車下補(bǔ)償各有效果，兩者側(cè)重不同。 小 結(jié) 本章主要講述了電力機(jī)車的速度調(diào)節(jié)。這是機(jī)車控制理論的重要部分。 一、具有直（脈）流牽引電機(jī)機(jī)車的調(diào)速方法 電力機(jī)車調(diào)速方法有三種：一是串電阻調(diào)速、二是調(diào)壓調(diào)速、三是磁場削弱調(diào)速。交直型電力機(jī)車均采用調(diào)壓調(diào)速為主，磁場削弱調(diào)速為輔的調(diào)速方法。 1、調(diào)壓調(diào)速是調(diào)速的主要手段。下表列出了各種調(diào)壓方案的比較。 2、磁場削弱調(diào)速作為調(diào)速的輔助手段，它是在UN=UD、Ia〈IN 、V〈V構(gòu)條件下實(shí)施的。磁場削弱有電阻分路法的有級磁場削弱和晶閘管分路法的無級磁削。學(xué)完本章后應(yīng)掌握使用磁場削弱時的限制，會分析磁場削弱下的機(jī)車特性。 各種調(diào)壓方案比較 方案 說明 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 變壓器調(diào)壓 高壓側(cè)調(diào)壓：對變壓器絕緣要求高，有級調(diào)壓而應(yīng)用較少。 低壓側(cè)調(diào)壓：調(diào)壓級數(shù)較多，電壓等級低，絕緣要求低而廣泛應(yīng)用。 控制簡單。 功率因數(shù)高。 牽引力有沖擊，粘著利用差，需要轉(zhuǎn)換電器，當(dāng)級數(shù)較多時電路復(fù)雜。 相控調(diào)壓 相控調(diào)壓（移相調(diào)壓）分為半控和全控兩種。全控用于再生制動機(jī)車，電阻制動機(jī)車一般采用半控電路。 電路簡單。 平滑調(diào)壓，可實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，粘著利用好。 易實(shí)現(xiàn)機(jī)車自動控制。 低速區(qū)功率因數(shù)低，諧波分量高，對通訊干擾大。 二、共同問題 1、電流脈動 整流電路的輸出電壓是一脈動電壓，從而引起了電流的脈動。脈動電流使?fàn)恳姍C(jī)工作條件惡化。衡量脈動的大小用：電壓脈動系數(shù)Ku、電流脈動系數(shù)Ki。在電傳機(jī)車上減少電流脈動的措施是在牽引電機(jī)電路串聯(lián)平波電抗器和在牽引電機(jī)勵磁繞組兩端并聯(lián)固定分路電阻。目的可使Ki=0.25~0.30。 2、電力機(jī)車的功率因數(shù) 電力機(jī)車的功率因數(shù)，與交流側(cè)電抗、交直流側(cè)電流波形、基波電壓電流相位之差有關(guān)。機(jī)車功率因數(shù)在很大程度上取決于機(jī)車采用的整流電路的形式，不控整流電路PF=0.9最高，全控整流電路和半控整流電路PF均與晶閘管的控制角有關(guān)。 相控機(jī)車功率因數(shù)低的原因是變壓器繞組中電流畸變。它降低了供電設(shè)備的效率，影響了供電質(zhì)量，同時諧波分量增加，對沿線通訊產(chǎn)生干擾。功率因數(shù)的改善： （1）無功功率的抑制措施 一是增大波形畸變系數(shù)，盡量減小高次諧波電流；二是減小晶閘管觸發(fā)角即減小基波電壓與電流的相位差。但這些措施或因控制復(fù)雜、電路復(fù)雜、或因改善某一個量而不能兼顧機(jī)車的功率因數(shù)，因此干線電力機(jī)車上并未采用。電力機(jī)車采用多段橋順序控制的方法來改善機(jī)車的功率因數(shù)和減小諧波電流。 （2）無功功率的補(bǔ)償措施 主要是采用電力電容器或同步機(jī)組的方法。電力機(jī)車上采用在變壓二次側(cè)并聯(lián)補(bǔ)償器的方法，補(bǔ)償器由RC、RL、RLC組成，補(bǔ)償效果可使PF〉0.9?？紤]經(jīng)濟(jì)性可以采用車上補(bǔ)償、車下補(bǔ)償或車上、車下同時補(bǔ)償。 復(fù)習(xí)思考題 1、試述機(jī)車的基本運(yùn)行狀態(tài)與實(shí)質(zhì)。 2、說明交直型整流器電力機(jī)車有哪些調(diào)速方法，并比較它們的優(yōu)缺點(diǎn)。 3、什么是磁場削弱系數(shù)？說明磁場削弱系數(shù)的物理意義。 4、磁削對機(jī)車特性有什么影響？ 5、機(jī)車在調(diào)速過程中實(shí)施磁削的條件是什么？ 6、簡述電阻分路法、晶閘管分路法的原理及β的確定方法。 7、為什么說機(jī)車實(shí)施磁削可以提高功率使其充分利用？ 8、交直型整流器電力機(jī)車有幾種調(diào)壓方法？