淺析電力機(jī)車(chē)調(diào)速

1、電力機(jī)車(chē)調(diào)速電力機(jī)車(chē)調(diào)速 電力機(jī)車(chē)調(diào)速電力機(jī)車(chē)牽引列車(chē)運(yùn)行中， 根據(jù)運(yùn)行條件對(duì)機(jī)車(chē)的運(yùn)行速度進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)的 技術(shù) .電力機(jī) 車(chē)調(diào)速的目的是充分發(fā)揮機(jī)車(chē)的功率，提高運(yùn)抽能力， 完成運(yùn)輸任務(wù)。 列車(chē) 在線路上由于線路狀態(tài)、 坡度、 曲線和牽引重量不同，及遇有臨時(shí)線路施工、進(jìn)出站等需要 急行或停車(chē)的情況， 速度變化范圍較大， 要求電力機(jī)車(chē)具備良好的調(diào)速性能， 以滿(mǎn)足運(yùn)行需 要。 對(duì)調(diào)速的基本要求 : 在調(diào)速過(guò)程中不能中斷主電路供電，由一個(gè)速度級(jí)轉(zhuǎn)換到另一速度級(jí)應(yīng)平穩(wěn)過(guò)渡， 避免牽引力突變引起列車(chē)沖動(dòng)。 不因調(diào)速引起傾外能量損耗。 調(diào)速 方法應(yīng)力求簡(jiǎn)便、可靠。 調(diào)速原理電力機(jī)車(chē)調(diào)速實(shí)質(zhì)是牽引電動(dòng)機(jī)

2、（電力機(jī)車(chē)電機(jī)電器 ） 的 調(diào)速問(wèn)題。 電力機(jī)車(chē)是以牽引電動(dòng)機(jī)通過(guò)齒輪等傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)機(jī)車(chē)運(yùn)行的。 電力機(jī)車(chē)中應(yīng)用 較多的是直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī) （見(jiàn)直流電動(dòng)機(jī) ），這種電動(dòng)機(jī)有調(diào)速簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)范圍廣，起動(dòng)力矩 大等優(yōu)點(diǎn)。直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為U. 一 I.R. C巾,r/min式中U.為牽引電動(dòng)機(jī)端電壓，V;1.為電樞電流，A;凡 為牽引電動(dòng)機(jī)電路中總電阻，n;巾為勵(lì)磁磁通， Wb， c.為電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)常數(shù)。從公式可知，改變 U.、凡以及巾，均可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)速目的。分類(lèi)電力機(jī)車(chē)的調(diào)速分為直流電力機(jī)車(chē)調(diào)速、交流電力機(jī)車(chē)調(diào)速、交流一直流一交流傳動(dòng)系統(tǒng)變頻調(diào)速。 直流電力機(jī)車(chē)調(diào)速又可分為變阻調(diào)

3、速、變壓調(diào)速、變磁調(diào)速（磁場(chǎng)削弱 、斬波調(diào)速。前三種為有級(jí)調(diào)速，最后一種為無(wú)級(jí)平滑調(diào)速。變阻調(diào)速 :其基本工作原理是改變串接在牽引電動(dòng)機(jī)電路中的電阻值以調(diào)節(jié)機(jī)車(chē)的速度.按運(yùn)行要求，改變可調(diào)電阻R的數(shù)值，即可改變牽引電動(dòng)機(jī)的端電壓，從而使機(jī)車(chē)的速度變化。變阻調(diào)速的值再進(jìn)一步提速， 可充分發(fā)揮高速運(yùn)行時(shí)牽引電動(dòng)機(jī)的功率。此時(shí)通過(guò)采用主極繞組上并聯(lián)分路電阻（R、與RZ 并聯(lián)）來(lái)減少牽引電動(dòng)機(jī) 主極磁通必 （一般稱(chēng)為磁場(chǎng)削弱 ），從而使電機(jī)電流一部分流經(jīng)分 路電阻，減少勵(lì)磁電流，即相應(yīng)減少磁通。這種調(diào)速方法簡(jiǎn)單、方便.利用改變分路電阻值的方法，即可得到幾個(gè)不同的磁場(chǎng)削弱強(qiáng)度 .斬波調(diào)速 :在直流接觸網(wǎng)

4、電壓電源與直流牽引電動(dòng)機(jī)之間接人可控晶閘管直流斬波器， 通過(guò)調(diào)節(jié)可 控晶閘管每一周期內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間 （即改變導(dǎo) 通比 ），可以改變牽引電動(dòng)機(jī)的端電壓，從而調(diào)節(jié)機(jī)車(chē)的運(yùn)行速度. 這種斬波調(diào)速方法，不僅損耗小而且可以無(wú)級(jí)平滑調(diào) 速。在地下鐵道、 動(dòng)車(chē)及城市無(wú)執(zhí)電車(chē)上廣泛采用斬波 調(diào)速。 （見(jiàn)斬波控制直流調(diào)速 ） 交流電力機(jī)車(chē)調(diào)速在交流電力機(jī)車(chē)中， 以整流 器式電力機(jī)車(chē)用的最 多。它由單相高壓交流接觸網(wǎng)供 電，經(jīng)過(guò)機(jī)車(chē)的牽引變壓器降壓和整流裝 t 整流后以 低壓 直流 （實(shí)為脈流 ）形式供給直流牽引電動(dòng)機(jī) .由于 這種電力機(jī)車(chē)上裝有牽引變壓器、整流器， 可以采用多 種調(diào)壓方式。這些調(diào)壓方式既可用改變牽引

5、變壓器輸出電壓方法來(lái)調(diào)節(jié)牽引電 動(dòng)機(jī)的端電壓，也可用直接改變整流裝置的整流電壓方法來(lái)調(diào)節(jié)牽引電動(dòng)機(jī)的端電壓，以達(dá)到電力機(jī)車(chē)調(diào)速的目的。利用牽引變壓器調(diào) 壓方法進(jìn)行機(jī)車(chē)調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)是 : 調(diào)壓電路簡(jiǎn) 單，調(diào)速范 圍廣，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行級(jí)多，調(diào)節(jié)方便，功率因數(shù)和效率比較 高。采用直接改變整流 電壓調(diào)速方法， 即晶閘管相位控制調(diào)壓， 則可實(shí)現(xiàn)平滑無(wú)級(jí)調(diào)速， 即每級(jí)均可長(zhǎng)期運(yùn)行，都 是經(jīng)濟(jì)運(yùn)行級(jí)。 （l） 牽引變壓器調(diào)壓方法分為高壓側(cè)調(diào)壓及低壓側(cè)調(diào)壓兩種， 使用較多的是低壓側(cè)調(diào)壓。 1）高壓側(cè)調(diào)壓 :改變牽引變壓器的高壓側(cè)繞組（ 即一次繞組 ） 抽頭，調(diào)節(jié)其輸出電壓， 從而達(dá)到機(jī)車(chē) 調(diào)速目的。 高壓側(cè)調(diào)壓的基本

6、原理如圖 4 所示。 變壓器的基本關(guān)系式 為 竺_叢.0._。墜 uZw: 一一 wz 式中 WI 為高壓繞組匝數(shù) ;WZ 為低壓繞組匝數(shù) ;“，為 牽 引變壓器輸入電壓 ;uZ 為牽引變壓器輸出電壓。 若牽引變壓器低壓繞組匝數(shù) WZ 不變時(shí)， 改變高壓 實(shí)質(zhì)仍為調(diào)節(jié)牽引電動(dòng)機(jī)的端電壓。 圖 1 變阻調(diào)速示意圖 變阻調(diào)速方法簡(jiǎn)單、 方便，將電阻分為幾級(jí)，便可 得到幾級(jí)調(diào)速，但在電阻上有能量損耗，不經(jīng)濟(jì)。它是 有級(jí) 調(diào)速，難以實(shí)行平滑無(wú)級(jí)連續(xù)調(diào)節(jié)，故只用在直流 電力機(jī)車(chē)上，作為短時(shí)起動(dòng)調(diào)節(jié)，不能 長(zhǎng)期運(yùn)行。 一般 在城市電車(chē)上普遍采用變阻調(diào)速， 而干線大功率電力 機(jī)車(chē)上不采用變阻調(diào) 速方法。 （

7、2） 變壓調(diào)速 : 改變作用于牽引電動(dòng)機(jī)上的電壓來(lái) 調(diào)節(jié)機(jī)車(chē)的運(yùn)行速度。這種調(diào)壓 方法， 也稱(chēng)為電機(jī)的串 并聯(lián)調(diào)壓方法。 在直流電力機(jī)車(chē)上， 通常其牽引電動(dòng)機(jī) 直接與接觸 網(wǎng) （見(jiàn)電氣化鐵路接觸網(wǎng) ）連接，中間無(wú)變 換裝置，利用電機(jī)的串并聯(lián)方法，改變牽引電動(dòng) 機(jī)端電 壓，達(dá)到調(diào)節(jié)機(jī)車(chē)速度的目的 （見(jiàn)圖 2）。如一臺(tái)直流 電力機(jī)車(chē)裝有 4 臺(tái)牽引電動(dòng)機(jī)， 開(kāi)始低速運(yùn)行時(shí)采用 ；當(dāng)臺(tái)牽引電動(dòng)機(jī)2臺(tái)串聯(lián)2組并聯(lián)時(shí)，每臺(tái)端電壓為 U。后者比前者 電壓提高1倍機(jī)車(chē)速度也提高1倍 2 “若4臺(tái)電機(jī)并聯(lián)，則牽引電動(dòng)機(jī)的端電壓為U,即為接觸網(wǎng)電壓， 因電壓又提高， 故機(jī)車(chē)速度再提高 1 倍 改變牽引電動(dòng)機(jī)端電

8、壓調(diào)壓 （a）4 臺(tái) 串聯(lián);（b）2臺(tái)串聯(lián)為一組，2組并聯(lián)；（e）4臺(tái)并聯(lián) 這種變壓調(diào)速方法， 需改變牽引電動(dòng)機(jī)的接 線，并需相應(yīng)的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，線路較復(fù)雜，且為有級(jí)調(diào)速，調(diào)節(jié)級(jí)數(shù)少（23 級(jí)），但調(diào)速時(shí)無(wú)電能損耗，比較經(jīng)濟(jì)， 一般在直流電力機(jī)車(chē)上采用，并可與其他調(diào)節(jié)方法聯(lián)合使用。（3）變磁調(diào)速 :通過(guò)改變勵(lì)磁即改變牽引電動(dòng)機(jī)的主極勵(lì)磁磁通來(lái)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法，一般在 電力機(jī)車(chē)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)其速度達(dá)到額定低壓側(cè)繞組匝數(shù)n2;,則可改變牽引變壓器輸出電壓uZ。在機(jī)車(chē)起動(dòng)時(shí)，將高壓側(cè)繞組W:的全部匝數(shù)C串入接觸網(wǎng)，以便得到最小輸出電壓此時(shí)A 點(diǎn) 與接觸網(wǎng)電位相同 .在調(diào)壓過(guò)程中，需逐步減少匝數(shù)W: ，來(lái)提

9、高低壓側(cè)翰出電壓。輸出電壓達(dá)到最大值時(shí)， N 點(diǎn)電位和仍與接觸網(wǎng)電位相同， 而此時(shí) A 點(diǎn)為接觸網(wǎng)電位的幾倍 ! 為 此，要求變壓器的繞組絕緣水平大大提高，設(shè)計(jì)制造 更復(fù)雜 實(shí)際上高壓側(cè)調(diào)壓的牽引變壓 器是一臺(tái)高壓 自輛變壓器與一臺(tái)一般雙繞組變壓器的組合， 除有高、 低壓繞組外， 還有一 個(gè)調(diào)壓繞組 （直接與接觸網(wǎng)連接 ）， 三個(gè)繞組共同拐合在一個(gè)鐵芯柱上。 在機(jī)車(chē)起動(dòng)之前 A、 T 兩點(diǎn)重合，此時(shí)高壓繞組 Ll 的兩端電壓為零，低 壓繞組 LZ 的兩端也無(wú)摘出電壓。然后 A 點(diǎn)向上移動(dòng)， 商壓繞組 Ll 上電壓逐漸升高，低壓繞組 LZ 感應(yīng)相應(yīng) 的輸出電壓“ 2，經(jīng) 整流后供給牽引電動(dòng)機(jī)。

10、調(diào)壓繞組 有若干個(gè)繞組抽頭， 通過(guò)高壓調(diào)壓開(kāi)關(guān)將高壓繞組 A 點(diǎn) 與調(diào)壓繞組的相應(yīng)抽頭連接，有幾個(gè)抽頭便可得到幾級(jí)調(diào)壓。抽頭多，調(diào)壓級(jí)也增多。高壓側(cè)調(diào)壓是有級(jí) 調(diào)壓，增加調(diào)壓級(jí)數(shù)， 以及有調(diào)壓繞組的存在， 都將使 變壓器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、 設(shè)計(jì)容量增加，在機(jī)車(chē)低速運(yùn)行 時(shí)，其效率及功率因數(shù)降低。 高壓側(cè)調(diào)壓的優(yōu)點(diǎn)是 :調(diào)壓 過(guò)程中轉(zhuǎn)換電流較小 （一般為幾百安 ），開(kāi)關(guān)電器抽頭的引線尺寸小、重量 輕、調(diào)壓級(jí)數(shù)較 多（30 級(jí)左右 ），對(duì)合理選擇牽引電動(dòng) 機(jī)端電壓有利。2）低壓側(cè)調(diào)壓 :改變牽引變壓器低壓繞組匝數(shù)，達(dá) 到調(diào)節(jié)供給牽引電動(dòng)機(jī)的電壓，控制機(jī)車(chē)速度的目的。低壓側(cè)調(diào)壓的優(yōu)點(diǎn):牽引變壓器的容量較小

11、，對(duì)調(diào)壓開(kāi) 關(guān)（為轉(zhuǎn)換變壓器低壓側(cè)繞組抽頭用 ）的絕緣水平要求 較 低，機(jī)車(chē)低速運(yùn)行時(shí)的效率及功率因數(shù)較高。 其缺點(diǎn) 為:由于牽引變壓器低壓側(cè)電流比較大 （數(shù)千安 ），所 以要求調(diào)壓開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換電流比較大，低壓繞組匝數(shù)比較小，設(shè)計(jì)安排調(diào)壓用的抽頭有一定限制， 這一點(diǎn)不如高 壓側(cè)調(diào)壓方便。 為得到較多的調(diào)壓級(jí)數(shù)， 采用一些特殊 的 調(diào)壓線路。例如，中間抽頭式 （簡(jiǎn)稱(chēng)中抽式 ）調(diào)壓電 路將低壓側(cè)繞組每相再分為基本繞組與有幾個(gè)抽頭的 可調(diào)繞組，利用調(diào)壓開(kāi)關(guān)的繞組轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，將兩部分繞 組進(jìn)行正接或反接， 調(diào)節(jié)牽引變壓器的輸出電壓， 可得 到較多的調(diào)壓級(jí)數(shù)。 按規(guī)定程序調(diào)節(jié)， 可使愉出電壓逐 級(jí) 升高，在最

12、高調(diào)壓級(jí)時(shí)，輸出電壓達(dá)最大值（為基本 繞組與可調(diào)繞組電壓之和 ），反方向調(diào)節(jié)電壓則輸出電 壓下降。 這種中間抽頭式調(diào)壓電路在調(diào)壓過(guò)程中， 在奇 數(shù)級(jí)時(shí)正負(fù)半周中 兩相繞組的輸出電壓相等，而偶數(shù) 級(jí)時(shí)輸出電壓不等 .不對(duì)稱(chēng)調(diào)壓只有在兩組繞組翰出電壓相等時(shí)的電壓級(jí)上， 才可長(zhǎng)期運(yùn)行。 在調(diào)壓過(guò)程中， 為了使調(diào)壓級(jí)間轉(zhuǎn)換時(shí)負(fù)載電流 不 致中斷 （不中斷牽引電動(dòng)機(jī)電路電流 ），同時(shí)牽引變 壓器繞組又不發(fā)生局部短路，要在高壓 側(cè)調(diào)壓電路中， 設(shè)里有級(jí)間轉(zhuǎn)換用的過(guò)渡電阻， 在低壓側(cè)調(diào)壓電路中 設(shè)置有級(jí)間轉(zhuǎn)換用硅 二極管 （也稱(chēng)過(guò)渡硅機(jī)組 ） 或過(guò)波 電抗器。 在整流式電力機(jī)車(chē)上，采用中抽式整流電路低壓 側(cè)

13、調(diào)壓時(shí)，一般采用有過(guò)渡硅機(jī)組的低壓側(cè)繞組、正反 接的不對(duì)稱(chēng)調(diào)壓方式。中國(guó)韶山 1 型（551 型）電力機(jī) 車(chē)即用此調(diào)壓方式，韶山 1 型機(jī)車(chē)低壓側(cè)調(diào)壓 及其繞組正反向連接原理 中點(diǎn)抽頭線路；（b）反接中抽線路；（c）正接中抽線路 牽引變壓器低壓側(cè)調(diào)壓方式的基本調(diào) 壓原理也適 用于橋式整流電路的電力機(jī)車(chē)。（2）晶閘管相位控制調(diào)壓 （簡(jiǎn)稱(chēng)相控調(diào)壓 ）:利用反并聯(lián)連接的晶閘管接人交流側(cè)進(jìn)行反并聯(lián)控制.或 與二極管組成混合橋路或者全控橋路，利用相位控制 直接進(jìn)行相控調(diào)壓， 省略了調(diào)壓開(kāi)關(guān)， 減少了主電路的 開(kāi)關(guān)電器， 使機(jī)車(chē)主 電路簡(jiǎn)化。 為了減少高次諧波電 流，在機(jī)車(chē)牽引變壓器二次側(cè)可用多分段繞組，

14、 在直流 側(cè) 采用縱向連接，全控橋時(shí)作為逆變器可進(jìn)行再生制 動(dòng)，晶閘管相控調(diào)壓可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)平滑調(diào) 壓。 相控調(diào)壓也稱(chēng)移相調(diào)壓， 它是通過(guò)控制晶閘管整 流裝置的導(dǎo)通相角， 直接調(diào)節(jié)整流電 壓的調(diào)壓方法。在 相控調(diào)壓時(shí)，牽引變壓器低壓側(cè)輸出電壓“2 維持不 變，而晶閘管整流裝置起著整流與調(diào)壓的雙重作用。 最簡(jiǎn)單的相控調(diào)壓線路是用一個(gè)半控橋式整流電 路對(duì)牽 引電動(dòng)機(jī)供電，但這種電路功率因數(shù)很低，對(duì)通 信干擾大，很少采用。在晶閘管整流器式 電力機(jī)車(chē)上多 用兩段半控橋調(diào)壓電路，見(jiàn)圖6。 交流一直流一交流傳動(dòng)系統(tǒng)變頻調(diào)速 20世紀(jì) 7。 年代電力電子技術(shù)迅速發(fā)展，出現(xiàn)體積小、功率大、效率高、性能好的靜止變頻

15、裝置，為發(fā)展交流傳動(dòng)系 統(tǒng)采用異步牽引電動(dòng)機(jī) （或同步電動(dòng)機(jī) ）創(chuàng)造了有利條 件。 圖 6 兩段半控橋調(diào)壓原理及電壓波形（a）原理圖;（b）整流電壓波形 該電路的牽引變壓器低壓側(cè)有兩段繞組， 每段向 一個(gè)半控橋供電， 兩個(gè)半控橋串聯(lián)對(duì)牽引電動(dòng)機(jī)供電。 調(diào)壓過(guò)程分為 兩階段。第一階段半控橋 UI工作，UZ中的V7、VS不工作，通過(guò)UZ中的V石、V6與電 動(dòng)機(jī)組成回路。當(dāng)VI、VZ逐漸導(dǎo)通時(shí)，對(duì)應(yīng)于一定的控制角a:，牽引電動(dòng)機(jī)得到相應(yīng)的電壓，若逐漸減少控制 角al，則整流電壓逐漸升高。 UI全開(kāi)通后，整流電壓 平均值升至 O.SUd。（Ud。為a。時(shí)空載電壓平均值），此時(shí)第一階段調(diào)壓結(jié)束。然后在

16、UI橋全開(kāi)通基 礎(chǔ)上， 投人 UZ 橋工作，繼續(xù)提高整流電壓， V7、 VS 開(kāi)通，牽 引電動(dòng)機(jī)電壓也相應(yīng)提高， 直到UZ橋全開(kāi)通時(shí)，整流 電壓平均值達(dá)到 Ud。，則整個(gè)調(diào)壓過(guò)程完畢?？刂平莂的調(diào)節(jié)范圍為180。一 00，實(shí)際上由于換相過(guò)程中有重 疊角y存在，所以a的調(diào)節(jié)范圍為18護(hù)2 擴(kuò)，最小允 許到 150. 兩段半控橋調(diào)壓比一段半控橋雖然整流電壓脈動(dòng) 量有所下降，機(jī)車(chē) 功率因數(shù)有所提高，但為進(jìn)一步提高 機(jī)車(chē)功率因數(shù)，晶閘管整流器式機(jī)車(chē)采用多段橋順序 相控調(diào)壓方式 （如四段橋等 ），見(jiàn)圖 7，過(guò)多分段將使 牽引變壓器和機(jī)車(chē)主電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。 晶閘管相控調(diào)壓的優(yōu)點(diǎn)是 :為無(wú)級(jí)平滑調(diào)速，充分

17、利用翻著，可發(fā)揮機(jī)車(chē)最大牽引力及平穩(wěn) 操作， 不需轉(zhuǎn) 換機(jī)車(chē)主電路， 不用專(zhuān)門(mén)調(diào)壓裝置， 通過(guò)控制電路改變 晶閘管整流器的導(dǎo)通 控制角a,即可調(diào)壓。禾U用體積 小、重量輕的多功能集成電路組成的相控調(diào)壓裝置，運(yùn)行可靠、維修方便、壽命長(zhǎng)。其缺點(diǎn)是 :功率因數(shù)較低， 在控制角 a 較大，且低速運(yùn)行時(shí)更為 嚴(yán)重，對(duì)通信線路 有千擾。 圖 7 四段橋相控調(diào)壓示意圖 在交流電力牽引中，無(wú)論交流一 直流一交流系統(tǒng)或 交流一交流系統(tǒng)， 其共同特點(diǎn)是由工頻單相交流電源供電，而機(jī)車(chē)牽引電動(dòng)機(jī)采用三相異步電動(dòng)機(jī) （或同步電 動(dòng)機(jī)），為了解決牽引網(wǎng)供電 （工頻單相交流 ）與機(jī)車(chē) 用電 （可調(diào)頻率的三相交流 ）之間的矛

18、盾，在機(jī)車(chē)主電 路內(nèi)需有變頻裝置。靜止變頻器的變頻方式有兩種 : 有直流中間環(huán) 節(jié)的間接變頻 （又稱(chēng)交流一直流一交流變頻 ），它與交流 一直 流一交流傳動(dòng)系統(tǒng)相匹配；無(wú)直流中間環(huán)節(jié)的直接變頻（又稱(chēng)交流一交流變頻），與交流一交流傳動(dòng)系統(tǒng) 相匹配。 交流一直流一交流變頻是將固定頻率的單相交 流，經(jīng)整流裝置變?yōu)?直流，再由逆變器 （變頻器 ）將直 流逆變?yōu)轭l率可調(diào)的三相交流， 供給三相異步牽引電 動(dòng)機(jī)。 交流一交流直接變頻是將單相固定頻率，用變頻 器直接變?yōu)榭烧{(diào)頻率的三相交流，供給牽 引電動(dòng)機(jī)。 交流一直流一交流電力機(jī)車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)變頻調(diào)速方 法，根據(jù)不同要求、 不同控制 方法可分為轉(zhuǎn)差控制、矢 量控制

19、、直接力矩控制三種調(diào)速方法。 （1）轉(zhuǎn)差控制法 :是通過(guò)直 接或間接的方法控制 異步電動(dòng)機(jī)氣隙磁通， 再通過(guò)控制轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差頗率來(lái) 得到所需的轉(zhuǎn)矩 特性。由于直接測(cè)量氣隙磁通在實(shí)際 中較為困難，一般都是用控制定子電壓或電流來(lái)控制 勵(lì)磁電流， 若勵(lì)磁電流恒定則氣隙磁通恒定。 圖 8 為轉(zhuǎn)差控制示意圖。 在起動(dòng)及低頻區(qū)段， 定子 .151. 電壓與頗率之比保持常數(shù)，電機(jī)磁通恒定，轉(zhuǎn)差恒定，即電動(dòng)機(jī)電流恒定，則得到電動(dòng)機(jī)的恒力矩運(yùn)行。 當(dāng)定子電壓二 1 與定子頻率成比例關(guān)系調(diào)速時(shí)， 利用電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差 控制 則可得到恒功率調(diào)速特性。在高速運(yùn)行時(shí)，也可在維持。恒定的條件下調(diào)節(jié) f,獲得弱磁場(chǎng)調(diào)速， 以充分?jǐn)U

20、 參考坐標(biāo)系。 在交流一直流一交流變頻調(diào)速系統(tǒng)中， 電源側(cè)變流 器采用四象限控制,故稱(chēng)為四象限變流器,亦稱(chēng)脈沖整流器。利用脈寬調(diào)制方法（或稱(chēng)PWM） ,即斬波方法 將逆變器輸出電壓調(diào)制為若干個(gè)電壓脈沖,改變這些 電壓的方波數(shù)量 和寬度及其分布規(guī)律,即可得到不同 數(shù)值的電壓翰出,從而得到平清的調(diào)壓 .該方法可以保 持中間直流環(huán)節(jié)電壓穩(wěn)定,使電網(wǎng)電流與電壓同相,功率因數(shù)保持為 1；電網(wǎng)電流波形接近正弦波,高次諧波 含量少。這種脈寬調(diào)制方法,簡(jiǎn)化了主電路,調(diào)節(jié)速度 快,系統(tǒng)的動(dòng)態(tài) 性能好,在較高頻率調(diào)制時(shí),可以得到 高質(zhì)量的輸出電壓波形,使電力機(jī)車(chē)在牽引運(yùn)行和 再 生制動(dòng)時(shí)都能得到理想的調(diào)速效果,

21、并可抑制低次諧 波,提高牽引電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行的穩(wěn) 定性, 擴(kuò)大了調(diào)速范 圍。當(dāng)然這種控制方法對(duì)于組成變流器元件的晶閘管、 八一拓一人大 恒功率調(diào)速范圍。 在轉(zhuǎn)差控制時(shí),被控制的量叫 是定子電壓有效值、定子頗率以 及轉(zhuǎn)差 頻率，這些都是具有平均 T 值概念的t，這種平均值意義的控制方式，不能得到快速響應(yīng).另 外,雖然轉(zhuǎn)差控制既可控制磁通,又可控制抽出轉(zhuǎn)矩,但由于它們 都與轉(zhuǎn)差有關(guān),無(wú)法實(shí)現(xiàn)磁通與 轉(zhuǎn)矩的單獨(dú)控制。 把艘特坐標(biāo)雙 全俠成 肺止生標(biāo)爪 2.向 3. 的種換 C 們?nèi)招?et 3 口 n.el .相環(huán) （2）矢 t 控制法 :亦稱(chēng)磁場(chǎng)定向控制,是將電機(jī)電流分解為磁場(chǎng)電流和力矩電流兩個(gè)分童

22、, 分別加以調(diào) 節(jié)。這種控制方法需進(jìn)行坐標(biāo)變換和矢量計(jì)算, 控制電 路 較為復(fù)雜。有三種不同的磁場(chǎng)定向方法:轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定 向、氣晾磁場(chǎng)定向、定子磁場(chǎng)定向。為了使異步電動(dòng)機(jī) 的變氛調(diào)速系統(tǒng)能得到象 1 流電動(dòng)機(jī)那樣的控制靈活 性和良好的動(dòng)態(tài)控 制性能，可以采用矢童控制法。（3）直接力矩控制：在直流電機(jī)中，轉(zhuǎn)矩可用 T 一尺乙I.表示。式中1為電樞電流，用于產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分t;If為勵(lì)磁電流。1與I.互不影響。在交流電機(jī)中, 利用坐標(biāo)變換方法,首先將三相軸系變換為兩相靜止 軸系 （d 一 q 坐標(biāo)系統(tǒng) ）,然 后再將 d 一 q 坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換 為相應(yīng)的同步旋轉(zhuǎn)參考坐標(biāo)系。 于是交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩 也可用

23、尸 K 瓜你確定，其中幾為定子電流力矩分t，心為定子電流的磁通分 t，用以產(chǎn)生氣隙磁通。這 樣交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程與直流電機(jī)相似, 參數(shù)幾與心 互不影響且能獨(dú)立變化, 達(dá)到分別 控制要求。 圖 9 為力矩控制示愈圖，其中叭與創(chuàng) ：分別為磁 通給定與側(cè)盆 （間接的 ）信號(hào) .T 與尹分別為轉(zhuǎn)矩給 定與反該值，鎖相環(huán)產(chǎn)生信號(hào)。料t和sin峽t，用以把 控制參盆從d 一 q 旋轉(zhuǎn)參考坐標(biāo)系變換為相應(yīng)的靜止 圖 9 力矩控制示意圖 二極管等的技術(shù)性能要求較 高，控制線路也比較復(fù)雜 . 四象限控制系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖 10。電力機(jī)車(chē)控制電力機(jī)車(chē)控制electric locomotive control作為開(kāi)關(guān)橋

24、，翻 :作為調(diào)節(jié)橋，進(jìn)行平滑級(jí)間調(diào)壓過(guò)渡，其中 8 級(jí)相控調(diào)壓橋，可提供良好的調(diào)壓效果和較高 的功率因數(shù)，并可減少牽引力的沖動(dòng)，有利于鉆著利 用。 相控調(diào)壓控 制韶山 4 型電力機(jī)車(chē)采用四段不對(duì) 稱(chēng)半控橋相控調(diào)壓。牽引時(shí)可實(shí)現(xiàn)恒流或恒壓閉環(huán)控 制，電阻制動(dòng)時(shí)，控制勵(lì)磁電流，可實(shí)現(xiàn)恒速制動(dòng)?？?制系統(tǒng)設(shè)有防空轉(zhuǎn)、防滑行及最大 電流等保護(hù)裝置。司 機(jī)主控制器上有調(diào)速手輪及輔助手輪，用于調(diào)速及給 定電流限定值， 可以選定三種控制牽引力或速度方式：恒壓限流（輔助手輪在3z位）可適應(yīng)重載起動(dòng)；恒流限壓（調(diào)速手輪在32位）可適應(yīng)調(diào)車(chē)或單機(jī)運(yùn)行；主、輔手輪同步動(dòng)作，用于限流、限壓， 快旋轉(zhuǎn)相當(dāng) 于重載， 慢

25、旋轉(zhuǎn)相當(dāng)于輕載， 由司機(jī)控制。電阻制動(dòng)時(shí) 用主輪調(diào)速，勵(lì)磁電流 被限定為最大值， 輔輪不調(diào)節(jié)。 若用輔輪控制勵(lì)磁電流， 則主輪不調(diào)節(jié)。 制動(dòng)力分為 n 級(jí)， 二級(jí)制動(dòng)電阻切換， 按照車(chē)速自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。 交流一 !流一交流電力機(jī)車(chē)的控制作為交流一直流一交流電力機(jī)車(chē)的牽引電動(dòng)機(jī)一般多采用異步牽引電動(dòng)機(jī)，其調(diào)速控制則用變頗調(diào)速。因?yàn)楫惒诫妱?dòng)機(jī)的 同步轉(zhuǎn)速與摘人電流的頻率成正比， 所以改變供電電 薄頗率可以改變轉(zhuǎn)子 的旋轉(zhuǎn)速率 .一般籠型感應(yīng)電動(dòng) 機(jī)的轉(zhuǎn)子電流系由定子感應(yīng)產(chǎn)生，定子電流中既有建立磁場(chǎng)的無(wú)功分 t ，又有產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的有功分量。 它們之 間與電機(jī)電壓、 頗率及轉(zhuǎn)速有緊密的藕合 關(guān)系。為了控 制異

26、步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，必須對(duì)其定子的電壓與叔率進(jìn)行有效控制 .從而有效地控制其磁場(chǎng)及電流即 電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。 而異步電動(dòng)機(jī)的控制方法可以分為 轉(zhuǎn)差控 制、磁場(chǎng)矢 t 控制及直接轉(zhuǎn)矩控制 . 轉(zhuǎn)差控制是最先采用的控制方法， 根據(jù)異步電 機(jī)的德態(tài) 理論，利用實(shí)測(cè)的異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速頻率fr與 給定的轉(zhuǎn)差了之和，作為電機(jī)逆變器的翰出頻率fs,在調(diào)速過(guò)程中保持電機(jī)逆變器的電壓u，與頻率f.之 比為常數(shù)（u./f. 常數(shù)），調(diào)節(jié) 了即可調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn) 矩。在低頻段適當(dāng)提高 u以補(bǔ)償定子電阻產(chǎn)生的壓降。轉(zhuǎn)差控制電路簡(jiǎn)單,但動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢,其轉(zhuǎn)矩受轉(zhuǎn)子電 阻影響較大。 磁場(chǎng)矢 t 控制以異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng) 態(tài)微分方程為

27、 依據(jù),利用矢 t 變換與運(yùn)算,以轉(zhuǎn)子磁通的空間旋轉(zhuǎn)矢 t 為坐標(biāo),將定子電 流解輛為與磁場(chǎng)及轉(zhuǎn)矩相對(duì)應(yīng)的分t，分別加以控制，可獲得良好的動(dòng)態(tài)特性。它受轉(zhuǎn) 子電阻形響小,不需高精度的測(cè)速,但需大量的矢量運(yùn) 算,控制系統(tǒng)要求高,主電路元件要有較高的開(kāi)關(guān)頻 率。 直接轉(zhuǎn)矩控制控制電機(jī)逆變器，使異步電動(dòng)機(jī) 定子磁通空間矢量， 按照預(yù)定的軌跡運(yùn)行。 根據(jù)定子的 統(tǒng)。在此系統(tǒng)中通過(guò)反饋回路的檢測(cè)機(jī)構(gòu)將被控對(duì)象 的 被調(diào)節(jié)參數(shù)送回并與給定值比較，然后將其差值輸人控制機(jī)構(gòu)對(duì)被控參數(shù)進(jìn)行再調(diào)整，形成閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，見(jiàn)圖2. |1|控創(chuàng)對(duì)旅丨 1 圖2閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng) 閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)的給定值可以是牽引力、速

28、度 或功率，比較器將給定值與檢測(cè)值的比較差值士份， 傳 給調(diào)節(jié)器處理，按一定的 函數(shù)關(guān)系，將調(diào)節(jié)變量傳給執(zhí) 行機(jī)構(gòu)。 雙閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)電力機(jī)車(chē)是一個(gè)慣性很大 的 系統(tǒng)，為了得到準(zhǔn)確、穩(wěn)定、響應(yīng)快的調(diào)節(jié)效果，常 用雙閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng) （見(jiàn)圖 3）。該系 統(tǒng)以速度調(diào)節(jié) 為主調(diào)環(huán)節(jié) （外環(huán)），電流（牽引力 ）為輔調(diào)環(huán)節(jié) （內(nèi) 環(huán)）。外環(huán)實(shí)現(xiàn)司機(jī)指令的調(diào) 節(jié)，內(nèi)環(huán)實(shí)現(xiàn)執(zhí)行環(huán)節(jié)的 控制，外環(huán)的輸出作為內(nèi)環(huán)指令。圖 3 中 v:、vf 為速度 給定與 反饋量；1:、丨，為電流給定與反饋量;a為整流 橋（執(zhí)行單元）的電壓控制角；Ud為整流電壓。 這種 閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)于機(jī)車(chē)調(diào)速， 有良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)調(diào) 節(jié)特

29、性。 圖 3 雙閉環(huán)控制系統(tǒng) ! 流、交流電力機(jī)車(chē)的控側(cè)分起動(dòng)控制、 調(diào)壓控 制和相控調(diào)壓控制。 起動(dòng)控制控制電力機(jī)車(chē) 起動(dòng)是機(jī)車(chē)基礎(chǔ)工況之 一，也是考核司機(jī)操作水平的一項(xiàng)基本指標(biāo)。機(jī)車(chē)的起 動(dòng)是控制速度由零逐漸上升到運(yùn)行速度的加速過(guò)程， 也是一種速度調(diào)節(jié) . 起動(dòng)要求 :一般按直流電力機(jī) 車(chē)和交流電力機(jī)車(chē) 兩大類(lèi)考慮。 對(duì)起動(dòng)的基本要求是快速平穩(wěn)起動(dòng)，且起 動(dòng)過(guò)程中能量損耗小。電力機(jī)車(chē)起動(dòng)受線路鉆著條件 和牽引電動(dòng)機(jī)換向條件的限制。隨著電力機(jī)車(chē)牽引電 動(dòng)機(jī)的不斷發(fā)展和完善，完全可以保證在貓著條件允 許范圍內(nèi)具有良好的換向，所以電力 機(jī)車(chē)的起動(dòng)實(shí)質(zhì) 上僅受線路粘著條件的限制。增大起動(dòng)電流 （即

30、牽引 力）雖能縮短起動(dòng)過(guò) 程，但起動(dòng)電流不宜過(guò)大， 如果超 出貓著條件允許， 破壞了輪軌之間的貓著， 機(jī)車(chē)則發(fā)生 空 轉(zhuǎn)，反而降低牽引力。 電力機(jī)車(chē)?yán)硐氲钠饎?dòng)控制方式是無(wú)級(jí)平滑起動(dòng)，保持起動(dòng)電流恒值，即所謂恒流起動(dòng)。 其優(yōu)點(diǎn)是可保持 起動(dòng)電流和起動(dòng)牽引力不變， 使貓著條件一直維持在 最 佳狀態(tài)，發(fā)揮大的起動(dòng)牽引力，縮短起動(dòng)過(guò)程，并可 平穩(wěn)起動(dòng)，沒(méi)有機(jī)械沖擊。晶閘管整 流器電力機(jī)車(chē)可以 實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)平滑起動(dòng)。 起動(dòng)方式有以下幾種。（1）直流電力機(jī)車(chē)的變阻起動(dòng)。直流電力機(jī)車(chē)在起 動(dòng)時(shí)， 牽引電動(dòng)機(jī)的電樞回路中串有起動(dòng)電阻， 起動(dòng)過(guò) 程中根據(jù)設(shè) 計(jì)要求，逐級(jí)切除起動(dòng)電阻，當(dāng)起動(dòng)電阻全 部切除時(shí)，起動(dòng)過(guò)程

31、結(jié)束。起動(dòng)電阻是按短時(shí) 發(fā)熱條件設(shè)計(jì)的， 不能在電樞電路內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間使用。 這種變阻起動(dòng)方法， 一般用于直流電力機(jī) 車(chē)上。 變阻起動(dòng)在起動(dòng)過(guò)程 中有能耗損失，不能平滑無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，屬有級(jí)調(diào)節(jié)，已逐 漸被晶 閘管直流斬波器所取代。（2）降壓起動(dòng)。這種起動(dòng)方式能降低牽引電動(dòng)機(jī)的端電壓，限制其起動(dòng)電流。因牽引電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)初始轉(zhuǎn) 速很小，起動(dòng)電流很大，所以機(jī)車(chē)起動(dòng)時(shí)需降低 牽引電 動(dòng)機(jī)的端電壓。 交流電力機(jī)車(chē)可利用車(chē)上牽引變壓器 的調(diào)壓開(kāi)關(guān)改變整流裝置的交 流電壓，以降低牽引電 動(dòng)機(jī)上的直流電壓。交流電力機(jī)車(chē) （尤其整流器式電力 機(jī)車(chē)）廣泛采 用這種降壓起動(dòng)方法。 另外， 晶閘管相控 調(diào)壓起動(dòng)也屬于降壓起動(dòng)的

32、一種形式。 調(diào)壓控制 韶山 3 型交流電力機(jī)車(chē)采用由硅整流 器與調(diào)壓開(kāi)關(guān)及相控橋級(jí)間調(diào)壓裝置組成的硅整流器 8級(jí)晶閘管級(jí)間調(diào)壓控制。機(jī)車(chē)牽引變壓器低壓繞組 有 5段，通過(guò)調(diào)壓開(kāi)關(guān)的 10個(gè)觸頭與 一個(gè)半控橋和一 個(gè)二極管整流橋組成相當(dāng)于 8 級(jí)相控橋調(diào)壓系統(tǒng) （見(jiàn) 圖 4）。在第一級(jí)時(shí)， 觸點(diǎn) 1、 2閉合，相控橋投人調(diào)壓， 在第 1、第 2級(jí)轉(zhuǎn)換期間，先閉合 1、 2、 3觸點(diǎn)，由二 極管取代半控橋，隨后觸點(diǎn) 2斷開(kāi)， 觸點(diǎn) 4閉合， 細(xì)， 圖 4韶山 3型電力機(jī)車(chē)調(diào)壓控制 d 一 onllJ 一 ehe kongzh- 電力機(jī)車(chē)控制 （electrie locomotive eontrol

33、） 用電力機(jī)車(chē)的操作與控制 裝t，控制電力機(jī)車(chē)的主 電路及其輔助電路的電機(jī)、電器 （見(jiàn)電力機(jī)車(chē)電機(jī)電 器），便之按 照規(guī)定的程序動(dòng)作，并發(fā)揮機(jī)車(chē)的牽引、制 動(dòng)能力，控制列車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)，安全、經(jīng)濟(jì)、 可靠地完 成運(yùn)抽任務(wù)。 分類(lèi)可分為人工控制即手動(dòng)控制 （也稱(chēng)司機(jī)駕 駛）及自動(dòng)控制兩種， 還可分為有級(jí) （非連續(xù)）控制和 無(wú)級(jí) （連續(xù)）控制兩種。 人工控制由司機(jī)操縱控制器、有關(guān)控 制開(kāi)關(guān)、 接 觸器、 繼電器、 電控閥、 電子控制裝置等完成機(jī)車(chē)的前 進(jìn)、后退、 加速、 減速、起動(dòng)、停車(chē)等作業(yè)。 自動(dòng)控制由司機(jī)選定指令信號(hào)后，通過(guò)機(jī)車(chē)各 種電氣自動(dòng)控制裝里， 實(shí)現(xiàn)機(jī)車(chē)各種技術(shù)性能的控制， 如恒轉(zhuǎn)矩起動(dòng)、 恒功率運(yùn)行、 恒速控制、防滑行、 空轉(zhuǎn)、 再 生制動(dòng)以及故障自動(dòng)監(jiān)測(cè)等。 一般在機(jī)車(chē)運(yùn)行速度較低的情況下 （低于 12。 km/h） 可由司機(jī) 手動(dòng)控制 ;但在高速運(yùn)行時(shí) （高于 200 km/h） ，憑借司機(jī)的視力及聽(tīng)力來(lái)不及反應(yīng)