電力牽引控制系統(tǒng)

列車電力傳動控制電力牽引控制系統(tǒng)第二章交-直流傳動控制牽引特性與電路分析第一節(jié)交-直流傳動控制第二節(jié)相控電力機車/EMU控制與牽引特性第三節(jié)相控電力機車基本技術特征第四節(jié)相控電力機車傳動系統(tǒng)電路分析第一節(jié)交－直流傳動控制一、列車控制基礎電力傳動系統(tǒng)由調節(jié)裝置和調節(jié)對象兩部分組成，調節(jié)裝置在系統(tǒng)中的作用是根據給定的控制指令，去控制調節(jié)對象，諸如牽引電動機、變流器、輔助電機等，所以調節(jié)裝置是一種信息處理裝置。調節(jié)裝置元件按其功能可分為三種，即檢測元件、控制元件和觸發(fā)系統(tǒng)元件，它們承擔著系統(tǒng)的測量、給定和移相控制等任務。在調節(jié)裝置中單元器件的工作可靠性和精度，在很大程度上決定著電傳動系統(tǒng)運行的可靠性和精確度。因為一個控制量不可能調節(jié)得比給定值或測量值更精確，單元組件自身的誤差是無法用任何調節(jié)器來校正的。（一）、閉環(huán)系統(tǒng)的基本組成列車電力牽引系統(tǒng)是以牽引電動機為控制對象，對其轉矩和轉速進行調節(jié)控制，以達到對列車速度和牽引力的控制。牽引電動機的電流、電壓值都很大，目前在相控調壓系統(tǒng)中，主要采用晶閘管元件構成的整流器，通過對整流器可控元件的導通角相位進行控制，改變輸出電壓，實現(xiàn)對牽引電動機的控制。（1、閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本原理電力牽引閉環(huán)控制系統(tǒng)基本組成如圖2.1所示。任何閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作原理都是基于“檢測偏差，糾正偏差”模式。閉環(huán)控制系統(tǒng)主要由給定單元、檢測單元、比較環(huán)節(jié)、調節(jié)控制器、可控變流器和被控對象等幾部分組成。給定單元提供司機控制命令的給定信號；檢測單元輸出是與被調節(jié)對象的實際值成正比例關系的檢測信號；比較環(huán)節(jié)將司控器給定信號與檢測到的被調量信號進行比較，得到一個偏差信號，作為調節(jié)控制器的輸入信號，由調節(jié)控制器產生對晶閘管整流器的控制信號，控制晶閘管的導通角，進而控制整流器的輸出電壓，即牽引電動機的輸入電壓，最終實現(xiàn)對被調量的控制。牽引電動機的被調量可以是轉速、電壓、電流、功率或勵磁電流等。調節(jié)控制器一般由電子調節(jié)器（比例調節(jié)器、比例積分調節(jié)器、數字式調節(jié)器）和晶閘管觸發(fā)器等組成。觸發(fā)器一般包括移相器和脈沖放大器。圖2.1電力牽引閉環(huán)控制系統(tǒng)基本組成根據被調量的多少，可分為單閉環(huán)控制系統(tǒng)和多閉環(huán)控制系統(tǒng)。在電力機車控制系統(tǒng)中，牽引電動機的控制一般采用轉速和電流的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，電流控制為內環(huán)，轉速控制為外環(huán)，其控制系統(tǒng)組成如圖2.2所示。采用此控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)牽引電動機的恒電流和恒轉速運轉，有助于提高列車的牽引性能。圖2.2轉速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)基本組成2、無靜差調節(jié)器在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，由于采用的調節(jié)器不同，控制系統(tǒng)的性能存在著很大的差異。若調節(jié)器采用比例（P）調節(jié)器，系統(tǒng)在穩(wěn)定時，反饋值與給定值之間存在著偏差，即產生一個相應的靜態(tài)誤差，這類控制系統(tǒng)稱為有靜差控制系統(tǒng)；若調節(jié)器中采用了積分（I）元件，則系統(tǒng)在穩(wěn)定時反饋值與給定值之間不存在偏差，可得到一個穩(wěn)定的輸出值，即系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差為零，這類控制系統(tǒng)稱為無靜差調節(jié)系統(tǒng)。但是需要注意的是，系統(tǒng)中引入積分調節(jié)器后，它的動態(tài)響應變慢了。為了克服積分調節(jié)器動態(tài)響應慢的缺陷，利用比例調節(jié)器動態(tài)響應迅速的特點，將比例調節(jié)器和積分調節(jié)器結合起來，形成比例積分（PI）調節(jié)器，使得輸出靜態(tài)準確，動態(tài)響應迅速。注意：采用積分調節(jié)器的系統(tǒng)也不是絕對的無靜差系統(tǒng)，穩(wěn)態(tài)時積分電容的作用相當于將運算放大器輸出和輸入之間的反饋回路隔斷，這時運算放大器的放大倍數就等于它的開環(huán)放大倍數，盡管其數值很大，但不是無窮大，它還是存在著一定的靜差，只是靜差非常小而已，在實際系統(tǒng)中可以認為是無靜差的調節(jié)系統(tǒng)。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，反饋檢測元件的精度對閉環(huán)控制系統(tǒng)的調節(jié)精度起著決定性的作用，高精度的控制系統(tǒng)必須要有高精度的檢測元件作為保證。（二）、檢測元件1.電流與電壓檢測傳感器交流電流和電壓可以采用交流互感器來測量。在相控調壓整流裝置中，輸入側的交流電流與輸出側的直流負載電流之間存在著一定的比例關系，故可以通過檢測交流側電流對直流側電流進行控制。將三臺交流電流互感器接成星形接法，通過三相橋式整流電路將其整流成直流，從精密電位器上取出所需的電壓，作為電流檢測信號，檢測電路如圖2.3所示。圖2.3交流電流檢測原理電路在恒電壓控制中，電壓檢測信號只能從直流側取得，直流側電壓的大小取決于控制角的大小。在直流側檢測電流和電壓要比交流側檢測困難一些。為了安全，需要將高壓回路與檢測回路完全隔離。在大功率相控整流裝置中，不采用分流器或電阻分壓方式來檢測直流電流或電壓。近年來制造出廠的機車一般都采用霍爾元件來檢測直流電壓和電流。

2.轉速傳感器轉速測量可分為模擬式和數字式兩種。模擬式主要是采用直流、交流測速發(fā)電機測速；數字式采用光電、電磁感應測速，又有接觸式與非接觸式之分。接觸式數字測速傳感器，其實就是一臺永磁式交流脈沖測速發(fā)電機，輸出信號為脈沖信號，如CZP-1，12P/r，100r/min輸出信號幅值大于4V/AC。

在高精度轉速控制系統(tǒng)中，目前主要采用非接觸式數字轉速傳感器，如TQG2磁電式傳感器。TQG2型轉速傳感器采用永磁式電磁感應原理，當被測鐵質齒輪的齒頂掃過傳感器端部時，設置在磁路上的線圈感應出電勢，經電子電路放大整形，輸出方波脈沖，通過檢測脈沖的數量達到測速之目的。被測鐵質齒輪應滿足如下基本要求：，齒頂與傳感器端頭間距1.2mm。

3.霍爾傳感器霍爾傳感器是利用半導體元件中的電磁效應（霍爾效應）而制成的。在一個半導體基片上的三個互相垂直面作用有三個物理量：控制電流、磁場密度和霍爾電壓，如圖2—2所示。當磁密的方向與霍爾元件平面垂直時，上述三個物理量之間的關系可表示為式中——霍爾元件的靈敏度（）。

----控制電流（）；(2.1)

----磁通密度（）。表示霍爾元件在單位磁感應強度和單位控制電流下的霍爾電勢大小，一般要求值越大越好。當控制電流或磁場密度改變方向時，霍爾電勢的極性也將發(fā)生改變。因此，霍爾元件傳感器可應用于檢測電流、電壓、功率和磁場，也可用于數字式轉速表和接近開關?；魻栯妱菀话阒挥袔资练?，需要經過比例放大器方可作為控制信號使用?；魻栐哂许憫俣瓤臁⒕€性度好、圖2.4霍爾效應原理結構簡單和無觸點等優(yōu)點，在自動控制系統(tǒng)中有比較廣泛的應用,特別是在國產準高速機車上有大量的應用,如TET磁平衡霍爾電流電壓傳感器模塊的應用，簡稱TET模塊。TET模塊是在引進瑞士LEM公司機車用電壓、電流傳感器制造技術的基礎上，經消化而國產化的一個產品。它采用霍爾效應，利用磁平衡補償原理，使霍爾元件始終處于檢測零磁通的工作狀態(tài)，通過霍爾元件實現(xiàn)對直流、交流和脈動電壓、電流的電隔離精確測量。磁平衡工作原理：

如圖2.5所示，原邊磁場作用于導磁體氣隙中的霍爾元件，在一定的控制電流下，其霍爾輸出電壓經放大器A進行電壓放大及互補三極管、功率放大后，輸出的補償電流經二次(補償)繞組產生與一次側相反的磁通，使霍爾元件輸出電壓逐漸減小，直到一、二次側磁通相等時，二次電流不再增加，這時霍爾元件起到了指示零磁通的作用，且有，或上述電流補償的過程是一個動態(tài)平衡過程。當原邊已有磁場而次邊磁場尚未形成時，霍爾元件檢測出的霍爾電壓經電壓、功率放大，通過二次線圈使逐漸上升，次邊產生的磁通抵消（補償）原邊的磁通，霍爾輸出電壓降低，上升減慢。當時，磁通為零，霍爾輸出電勢為零。由于二次繞組的緣故，還會再上升，這樣補償過量，霍爾輸出電壓改變極性，互補晶體管組成的功率放大輸出級使減小，如此反復在平衡電流附近振蕩，這樣的動態(tài)平衡建立時間為微秒級。二次電流正比于一次（被測）電流，采用霍爾元件、導磁體、放大電路和補償繞組構成了磁平衡霍爾傳感器。

電壓傳感器是將被測電壓信號通過電阻及原邊線圈轉變?yōu)樵叴艌?，再通過兩個霍爾元件、放大器及補償繞組（二次線圈）產生次邊磁場，平衡原邊磁場，達到檢測原邊電壓信號的目的。

800A以上電流傳感器，原邊磁場由被測直流電流產生，原邊只有一匝，再通過兩個霍爾元件及補償繞組（次邊線圈）產生次邊磁場，平衡原邊磁場，達到檢測原邊電流之目的。使用應注意：

防止鐵心因過磁化產生剩磁。二次繞組開路、電源斷開等，會導致鐵心過磁化產生剩磁，造成測量誤差。

電容、電感負載的補償。二次負載電阻中含有電感或電容成分時，將影響響應時間。

負載電阻應在限值以內。精密采樣電阻按說明書選擇。

減小外磁場干擾。一般在5-10cm距離內存在著一個兩倍于一次額定電流的導體產生的磁場干擾是可以忽略不計的。當有較強的磁場干擾時，應當改變安裝方向，盡量減小外磁場的影響；采用垂直于磁場的方向安裝；在模塊上加罩一個抗磁場的金屬屏蔽罩；選用帶雙霍爾元件或多霍爾元件的模塊。

盡量使被測信號的額定值與傳感器額定值一致。

小心輕放，以防機械損傷或電氣損傷。

4.光電耦合器光電耦合器是由發(fā)光二極管和光敏三極管密封于金屬或塑料殼內所組成，如圖2.6所示。發(fā)光二極管與普通二極管一樣，由一個PN結組成，具有單向導電性，當給PN結施以正向電壓后，注入的電子與空穴相復合時，以光的形式釋放出能量。光通量的大小與流過的電流成正比。光敏三極管其結構與普通NPN型三極管相似，當發(fā)光二極管的光照射光敏三極管的發(fā)射極時，在集電極產生電流，集電極光電流為基極電流的倍。b光電耦合器的優(yōu)點是結構簡單、響應快；能夠實現(xiàn)電路之間的隔離，提高電路的抗干擾能力。光電耦合器的隔離只能應用于控制系統(tǒng)低電壓的信息轉換。圖2.6光電耦合器電路

二、基本控制電路

1.反向放大器圖2.7所示為一反相放大器。圖中為輸入電阻，輸入信號通過接到運放的反相輸入端。為反饋電阻，輸出信號通過反饋到反相輸入端構成一閉環(huán)系統(tǒng)。假定電路在某一時刻處于穩(wěn)定狀態(tài)，輸出電壓是由輸入電壓的作用而獲得。由于同相輸入端接地，，根據運放輸入-輸出特性，要使輸出電壓處于線形范圍內，對于任意的輸入電壓必須應使，即，所圖2.7反相放大器以通常稱反相輸入端為“虛地”點。因此,當為正值時，則必須是負值去維持。同樣當為負值時，則必須是正值，即輸入信號與輸出信號極性總是相反的。同時由于運放的輸入阻抗很大（一般在以上），故可認為運放內部電流為零,,便可得到如下關系式中負號表示輸入電壓與輸出電壓極性相反。經整理可得到(2.2)(2.3)式中——反相輸入放大器的閉環(huán)放大倍數?？梢?反相放大器完成了反相比例運算，與成正比,即。若將其表示為一般數學表達式，則有式中——輸出量；

——放大器閉環(huán)放大倍數;——輸出量。當運放電路在直流條件下穩(wěn)定工作時，只要在輸入端產生一個偏差信號，就可使得變化朝相反方向進行。

反相放大器的放大倍數取決于反饋電阻與輸入電阻之比。當運放的放大倍數非常高時，運放閉環(huán)電路的特性主要取決于反饋回路的元件值，而與運放元件的本身性能無關。這一特性對設計者而言是非常重要的，因為設計時允許運放參數有較大差異，諸如開環(huán)放大倍數不同，這并不影響閉環(huán)特性。2.同相放大器

輸出信號與輸入信號同相位的放大器稱為同相放大器，數學表達式為。同相放大器電路如圖2.8所示。A圖2.8同相放大器當輸出電壓為時，在反相輸入端的反饋電壓為，當輸出電壓處于線性范圍內時，，因此可得式中——同相放大器的閉環(huán)放大倍數，。

(2.4)(2.5)3.差分放大器

差分放大器能進行減法運算，其數學表達式為，電路結構如圖所示。差分放大器它是由同相放大器和反相放大器組合而成。分析時只考慮每一個單獨輸入信號的作用，然后將各信號作用加以合并。假設輸入信號為零，則電路變成輸入信號為的反相放大器，其輸出信號為差分放大器

假設輸入信號為零，則電路變成輸入信號為的同相放大器，此時正相輸入端的電壓為

反相輸入端的反饋電壓為

當輸出電壓在線性范圍內時，。若令，其輸出信號為

當輸入信號、均不為零時，將上述兩放大器合并考慮可得到

4.積分器積分器是指輸出信號為輸入信號積分后的結果，其數學關系為。電路原理圖及輸入-輸出波形，如圖2.9a、b所示。（a）（b）圖2.9運放構成的反相積分器及輸出關系

只有當電容器兩端的電壓發(fā)生變化時才可有電流通過電容，故積分器輸出電壓變化的速率與輸入電壓呈正比，其輸入輸出關系應為式中——積分電路的時間常數。由于輸出電壓的變化率與輸入電壓反相，又稱為反相積分器。當輸入給以階躍變化時，輸出電壓的變化速率應為需要注意：當輸入電壓為零伏時，輸出電壓并不回到零伏，而是輸出電壓不再變化，輸出電壓的任何瞬間均取決于輸入電壓的過去狀態(tài)。(2.5)(2.6)

積分調節(jié)器具有延緩作用、積累作用和記憶作用。

延緩作用是指在輸入信號為階躍信號時，輸出信號不能突變，而是按照逐漸積分線形漸增，這種滯后特性就是積分器的延緩作用。

積累作用是指只要有輸入信號，即使很小，調節(jié)器就會工作進行積分運算，直至輸出值達到限制值為止。只有當輸入信號為零時，這種積累才會停止。這一特性在調節(jié)器中是非?？少F的，故將積分器用于控制系統(tǒng)，就能完全消除靜態(tài)偏差。記憶作用是指在積分過程中，若突然使輸入信號為零，則輸出始終保持在輸入信號改變前的那個瞬間的值。記憶作用可以理解為，輸入信號為零，輸出信號可以為任意數值，此值就是當輸入量為零時刻的輸出值。在自動控制系統(tǒng)中，也需要這種特性。積分器在列車司機操作控制系統(tǒng)中作為給定器。當列車起動時，對牽引電動機的電流變化進行限制，使牽引電動機電流按照預定的速度變化，這樣可使得司機的操作動作快慢與電流的變化速度無關，保證列車運行平穩(wěn)。若列車控制系統(tǒng)沒有積分給定環(huán)節(jié)，由于列車主電路的時間常數很小，牽引電動機電流的變化隨著司機操作動作的節(jié)奏而急劇變化，對列車平穩(wěn)、安全運行帶來嚴重影響。實際使用的積分給定環(huán)節(jié)是以積分電路為基礎，將司機操作給定信號通過放大器處理后，送給積分器產生參考指令值，作為控制信號去控制列車的運行。對控制信號的基本要求是：與司機操作快慢無關；上升、下降的速率不同，一般是上升快一些，下降適當慢一點，在接近額定值時要降低上升速率，這對牽引電動機的安全可靠運行有利。電力機車給定積分環(huán)節(jié)典型電路，可參閱6G、8K機車的積分給定器電路。如果適當變更電路結構，還可以構成其它形式的積分器，如差動積分器、求和積分器、比例積分器等。5.比例積分器（）在無靜差調節(jié)自動控制系統(tǒng)中，比例積分器的應用十分廣泛，常用作調節(jié)器。它相當于一個放大倍數可自動調節(jié)的放大器，動態(tài)時放大倍數很低，靜態(tài)時放大倍數很高（相當于無窮大）。比例積分器的典型電路如圖2.10所示，它是由高放大倍數直流運放和反饋電路組成。其輸入-輸出關系為(2.7)在運放輸入端，即相加點，輸入給定信號電壓和負反饋信號電壓兩者進行比較，其偏差量對反饋電容進行充、放電，對運放的輸出電壓進行調節(jié)。在偏差量作階躍變化時，運放輸出端電壓的變化如圖2.11所示。在、階躍瞬間，由于反饋電容兩端電壓不能突變，故在反饋電阻兩端產生階躍電壓，其大小為，隨著電容兩端電壓的建立，充放電電流將按指數規(guī)律衰減，直至消失。因此，運放輸出電壓，在處有躍變，而極性相反；在期間，輸出電壓呈直線變化。在處運算放大器輸出飽和電壓,并維持不變，其大小接近于運算放大器的電源電壓();在處輸入電壓突降為零，輸出電壓首先成比例突降，然后保持不變；在處作負向跳變，輸出電壓則先正向跳變，在期間直線增長，由于持續(xù)時間較短，故輸出信號電壓未達到飽和就開始下降。圖2.10比例積分器圖2.11比例積分器在階躍輸入時的輸出

根據以上分析可知，在的階躍作用下，輸出電壓開始按比例跳變，如果有跳變，此時反饋電阻起著按比例調節(jié)的作用，使系統(tǒng)的響應迅速。如果只有反饋電阻，而無反饋電容，則該系統(tǒng)為有差調節(jié)系統(tǒng)，誤差的大小取決于放大倍數。若采用了反饋電容，系統(tǒng)屬無靜差系統(tǒng)，因為只要輸入（給定）信號與反饋信號的大小不相等，就會有偏差電壓和電流出現(xiàn)，它將對反饋電容進行充放電，只要運放沒有飽和，其輸出電壓將有相應的變化。在給定值與反饋值大小相等時（因為是負反饋，符號相反），偏差電流才等于零，反饋電容兩端電壓保持穩(wěn)定不變，該電壓等于運放的穩(wěn)定輸出電壓。由此可見，調節(jié)反饋電阻和電容的大小，可改變調節(jié)器的響應速度，這可以影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和調節(jié)性能。設計一個合理的自動控制系統(tǒng)，必須要對反饋電阻和電容進行合理地選擇，一般是參照類似系統(tǒng)的參數，經過一定的理論分析與計算，估算出一個近似值，然后在實際調試中進行必要的修正。6.微分器

微分是積分的反運算，微分器是指輸出信號是輸入信號微分運算的結果，其數學表達式為其電路結構如圖a所示。微分電路和積分電路的區(qū)別在于將其中的電阻、電容位置互換。微分器的輸入-輸出關系如圖b所示。根據微分電路結構，因為，

微分放大器

所以可得到式中——積分時間常數。由公式可見，微分器的輸出電壓與輸入電壓的變化率成正比。微分電路可以檢測電壓的變化率，因此在自動控制系統(tǒng)中常采用微分負反饋電路以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在調節(jié)器中加入微分環(huán)節(jié)能增加調節(jié)過程的快速性.7.特性控制器特性控制器是完成機車牽引力控制和速度控制的一個復合控制單元。其作用是建立操作狀態(tài)（起動、牽引與制動）與起動/制動電流、速度之間的函數關系。起動時采用恒流控制，牽引或制動時采用準恒速控制，即所謂的恒流準恒速控制模式。恒流準恒速控制模式源于進口電力機車8K，通過引進我們已完全消化并接受了此控制模式，在國產電力機車中得到了大力推廣應用。

8K型電力機車采用單手柄特性控制器，順時針轉動為牽引工況，逆時針轉動為制動工況，均分為0～11級位，其控制函數為：牽引狀態(tài)

(km/h)制動狀態(tài)

牽引狀態(tài)特性控制器可由兩個同相運算放大器A1、A2和一個最小值選擇器組成，制動特性控制器由反相運算放大器A3、同相運算放大器A4和最大選擇器組成，如圖2.12所示。在牽引特性控制器中，運算放大器A1的同相端輸入牽引電流指令給定信號（正值）和機車速度反饋信號（負值），運算放大器A2的同相端只輸入牽引電流指令給定信號（正值）。制動特性控制器中，運算放大器A3的反相端接有制動電流給定信號和機車速度反饋信號（負值）；運算放大器A4同相端輸入最小制動電流限制信號，以避免車鉤沖擊，保證車鉤始終處于壓縮狀態(tài)。機車速度信號采用二選一模式，由來自不同轉軸的兩路信號綜合得出，牽引工況取兩速度中的最小值作為反饋信號，制動工況取兩路信號中的最大值作為反饋信號，這樣可有效消除因空轉、滑行造成的實際速度偏差，獲得真實的機車速度。對于運算放大器A1，采用線性疊加法可計算出其輸出電壓信號。設，，此時運算放大器同相輸入端電路可等效為圖2.13（a）所示。其同相端輸入電壓應為（2.10）式中——電流比例系數，。設，，此時運算放大器同相輸入端電路可等效為圖2.13（b）所示。其同相端輸入電壓應為（2.11）（a）（b）圖2.13兩信號同相輸入等效電路式中——速度比例系數，，式（2.11）中負表示負反饋。當、同時作用于A1同相端時，輸入信號將是兩個信號單獨作用的線性疊加，即（2.12）根據式（2.4）表示的同相運算放大器的輸出關系，A1的輸出電壓為（2.13）式中為電路電阻有關比例系數。對于不同的控制手柄級位，有相應的電流指令值給定值，是與機車速度無關的定值，它只與手柄級位有關，而則是與機車速度成正比例關系變化。因此，可得到不同控制手柄級位n下的一組準恒速控制關系（2.14）其中A、B為已知量，由電路電阻參數確定。對于運算放大器A2，同相端輸入端只有電流指令給定信號，經電阻分壓后加于同相輸入端，可計算出同相輸入信號、運算放大器輸出信號為

（2.15）

（2.16）式中，為常數，由電路電阻值決定；只與控制手柄級位對應的電流指令給定值成正比關系，與機車速度無關。因此，可得到不同手柄級位下的一組恒電流控制關系：（2.17）式中，C為已知量，由電路電阻參數確定。

由運算放大器A1、A2的輸出信號組成的牽引特性控制器經過最小選擇器，可獲得所需要的恒電流準恒速控制特性，即式（2.17）、式（2.14）的組合表達式，取計算結果最小者作為控制特性。

。

由運算放大器A3、A4組成的制動特性控制器，得到不同控制級位下的準恒速控制直線簇和最小制動電流限制水平線，并經最大選擇器選擇其中最大者作為控制特性。根據8K型電力機車所采用的電路參數，可以得到式（2.8）、式（2.9）所示的牽引工況、制動工況的特性控制函數。8.連續(xù)控制器為了提高電力牽引列車的功率因數，相控機車普遍采用多段整流橋組成的調壓電路。在調壓時，多段整流橋采用順序控制方式，從一段整流橋過渡到另一段整流橋，要求電壓、負載電流連續(xù)平滑變化，不許出現(xiàn)間斷，這一切需要由專用控制器即連續(xù)控制器來完成。9.函數發(fā)生器在電力傳動列車控制系統(tǒng)中，有時需要進行非線性控制，諸如機車的粘著控制、電力傳動內燃機車的恒功率控制等，都是非線性控制。如何建立一條較理想的控制函數曲線，就需要函數發(fā)生器來完成。在建立非線性控制曲線時，一般都是采用多段折線來近似擬合曲線。折線的段數越多，擬合曲線的精度越高，控制精度也高。第二節(jié)相控電力機車/EMU控制與牽引特性

晶閘管相控調壓是交-直流傳動電力機車的基本調壓方式，采用閉環(huán)控制調壓系統(tǒng)。根據控制要求的不同，可分為恒電壓控制、恒電流控制、恒速控制以及特性控制等控制方式。閉環(huán)控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣直接決定了機車牽引性能的優(yōu)劣，影響機車運行的技術經濟效果。因此，對閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)的分析與研究，有助于提高機車的控制性能、牽引性能，改善機車的經濟技術狀態(tài)，這也是機車控制系統(tǒng)的一項關鍵技術。一、相控電力機車的控制

1.整流電壓控制相控機車中，通過對晶閘管的相位控制和牽引繞組的投入數量，來改變整流電壓的大小，圖2-14表示的是一般相控整流電路的原理圖。若采用反饋控制，就可以構成自動調節(jié)系統(tǒng)。隨反饋信號的不同，就構成所謂恒流控制、恒壓控制、恒速控制。但這些只能在沒有達到滿電壓前才有可能，當達到全電壓后，電壓只能按整流器輸出的外特性變化。圖2.14電壓控制原理圖

2.恒流控制所謂恒流控制是指機車運行中，維持電動機電樞電流按某一指令值保持不變的控制。它常常用于機車起動加速過程。牽引電動機輸出軸上的轉矩為：通常電機鐵耗和機械損耗產生的阻轉矩約為額定轉矩的1.5%左右。對于串勵電機來說，電樞電流與主極磁通有一定的比例關系。所以當恒流控制時，機車的牽引力也是恒定的，牽引特性如圖2--16所示。相控機車在起動過程中，無一例外均采用恒流起動的方式。因為在起動過程中沒有牽引力的波動，所以平均起動牽引力大，可以最大限度的接近粘著限制。當機車一旦發(fā)生空轉時，恒流控制就不能抑制空轉，這是不利的一面。為了克服恒流控制而形成的持續(xù)空轉，這時必須由空轉保護裝置發(fā)出信號，終止恒流控制，甚至減載運行以恢復粘著。

3.恒壓控制所謂恒壓控制是指機車運行中，維持牽引電動機的端電壓不變，也就是維持整流電壓按某一指令值維持不變的控制，控制原理如圖2-17所示。恒壓控制時，其實質是用自動調節(jié)的辦法，補償了整流器內阻的電壓降。當電網電壓提高時，曲線1就向右移。低于網壓時，則曲線1向左移。如圖2--18中，曲線2是電機額定電壓下得到的牽引特性。當速度時，由于整流器的輸出電壓將高于電機額定電壓，因而只能運用于曲線2。反之當速度時，由于整流器的輸出電壓達不到電機的額定電壓，所以只能運用于曲線1。恒壓控制方式在日本的機車上運用得比較廣泛，因為恒壓控制有較硬的牽引特性，所以有較好的再粘著性能。

4.速度控制

速度控制是采用速度反饋，使機車的速度按一定規(guī)律變化的控制。通常使用的是準恒速控制。

恒速控制的原理如圖2--19所示，機車的速度信號可以從反映機車速度的任一環(huán)節(jié)取得，例如輪對，大、小齒輪，電機軸等。裝于輪對上的傳感器必須能耐受輪軌間的沖擊。恒速控制可通過電動機電壓的控制和磁場削弱(僅當采用無級磁削時)來達到。恒速控制的牽引特性如圖2--20中的虛線所示，它是一組平行于縱軸的直線，其值隨速度指令值變化。從牽引特性可知，只要速度有微小的變化，牽引力會產生很大的波動，這是不希望的。因而往往采用圖中實線的形式，速度和牽引力之間的關系可寫成：或者表示為電動機電樞電流與速度之間的關系：

電流與牽引力之間關系為式中----牽引電動機臺數；

----齒輪傳動比；(2.18)(2.19)----動輪直徑。只要人為地確定的斜率，就可確定牽引特性的傾斜程度。這時的牽引特性如圖2--20中的實線所示。對于不同的值，可以得到一組平行的直線，這種控制稱為準恒速控制。為實現(xiàn)這一控制，應該在速度反饋回路中插入一個反應式的函數發(fā)生器（檢測電流值，實時計算出速度的指令）。5.

特性控制特性控制是目前廣泛用于國產機車上的一種控制，首先用于引進的8K機車上。它是恒流控制和準恒速控制的結合，即機車牽引特性具有恒流起動和準恒速運行的雙重性能。例如8K機車，就有下列要求

(1)恒流曲線，對不同的級位，存在下面的函數關系：(A)

(2)準恒速曲線，根據級位和機車速度，函數關系式：(A)

對恒流曲線、準恒速曲線取最小值。對于第級，上述兩曲線的交點為，則當時，取恒流曲線的輸出值。當時，取準恒速曲線的輸出值，由此構成圖2--21曲線。根據恒流和準恒速關系就可得出8K機車牽引的控制特性。

SS3B型機車采用特性控制，其控制函數為二相控電力機車/EMU牽引特性機車牽引特性是指機車輪周牽引力與機車速度之間的關系，即。它是列車運行時牽引計算的依據。在設計中，計算牽引特性的同時，還必須計算機車的速度特性和機車的牽引力特性。對牽引特性影響較大的因素主要有：牽引電動機的特性、機車的控制方式以及整流器的外特性。

1.電力機車牽引特性的范圍電力機車的牽引特性由整流器、牽引電動機、機車的結

1--

粘著限制2--限制3--限制4--限制5--限制6--7--限制8--結構參數決定。相控機車的牽引特性受到諸多因素的限制，這些限制如圖2--23所示。

(1)粘著限制(曲線l)

機車的牽引力應該小于動輪與鋼軌之間由粘著條件所決定的極限粘著力，否則動輪將發(fā)生空轉。

(2)牽引電動機允許的最大電流限制(曲線2)

機車牽引力應小于牽引電動機在低速大電流換向時所能承受最大電流限制的牽引力。該電流大于牽引電動機的額定電流。對干線電力機車，一般為額定電流的1.2～1.4倍，個別達到1.6倍。對客運電力機車，由于其傳動裝置的傳動比較小，因而由牽引電動機電流限制計算所得的的牽引力也小，曲線2可能如圖2-23中的虛線所示，低于粘著限制之下。這時機車的牽引特性限制應是曲線，而不是曲線1。

(3)牽引電動機允許的最高電壓限制(曲線3)

因受換向器片間電壓和電位條件限制，牽引電動機有一個最高工作電壓。曲線3為最高端電壓，而且是滿磁場(固定分路)時，由牽引電動機特性計算所得的牽引特性。

(4)整流器輸出特性確定的最大電壓限制(曲線4)

在電力機車通用技術條件(GB3317-82)中規(guī)定：機車受電弓電壓額定值為25kV，并在20kV到29kV變化范圍內能正常工作。所以整流器輸出的最高電壓也隨受電弓處電壓的變化而變化。牽引電動機最高電壓限制曲線3比整流電壓最高電壓限制曲線4有更陡的特性，這是由整流器交流側的阻抗壓降和平波電抗器的電阻壓降所引起的。從圖2--23也可以看出，機車的牽引力越大，則牽引電機電流越大，上述壓降也越大，所以大電流時曲線4位于曲線3的下側。

(5)牽引電動機功率限制(曲線5)

當牽引電動機在曲線3工作時，電壓已達到最高允許值，電流則由列車的阻力而定。在曲線3的右側，牽引電動機的工作電壓不變，進入磁場削弱下工作。曲線5是由牽引電動機額定電壓和額定電流計算所得的牽引特性，顯然這是一條恒功率的限制曲線。因為由牽引電動機輸出傳遞至機車輪緣的功率為：式中—--牽引電動機數；—--牽引電動機額定電壓，V；

—--牽引電動機額定電流，A；

--—牽引電動機效率;—--牽引傳動裝置效率。

(6)最深磁場削弱限制(曲線6、8)

牽引電動機的換向受最深磁場削弱限制，最深磁場削弱系數由牽引電動機設計確定。圖中曲線6相當于電動機在最高端電壓、最深磁場削弱時的牽引特性。曲線8則相當于整流器最大輸出電壓、最深磁場削弱時的牽引特性。(8)機車構造速度的限制(曲線7)

機車的運行速度應小于由機車構造所決定的最大安全速度。由上可知，電力機車牽引特性的工作范圍應在如圖2--23所示粗實線決定的范圍內。

對相控機車，采用無級磁場削弱時，則可以工作于上述范圍中的任一點；對有級磁場削弱時，在滿磁場區(qū)可以工作于范圍內的任一點，而磁場削弱區(qū)則工作于曲線3、曲線6間的磁場削弱級曲線上。

2.牽引特性分析不同能源供給的機車，對牽引電動機的供電方式不同，其最大功率限制因素也不同，這必將導致機車在牽引特性上產生較大的差異。

內燃機車作為自備能源的機車，其功率及牽引能力主要受柴油機功率限制。柴油機始終工作在恒功率運行狀態(tài)，牽引發(fā)電機按照恒功率輸出供電，機車功率受牽引電動機功率的限制，其限制曲線應為牽引電動機功率限制曲線5向左上方的延伸，如圖2.23中虛線所示。電力機車/EMU為外接能源的動力系統(tǒng)，牽引電動機運行在恒電壓狀態(tài)下，其功率受整流器輸出電壓限制，在重負荷時將出現(xiàn)過載。由圖2—23可知，電力機車與內燃機車相比較，它們的牽引特性相差在陰影部分。電力機車在這一部分的功率大于額定功率，即在大負載下發(fā)揮了過載能力。在同一牽引力下，電力機車可以獲得更高的運行速度，相對而言，這也是電力機車的優(yōu)點。機車實際運行時，可工作于界限內的某一點。只有當司機控制手柄放在最高級位時加速或減速時，才能在限制曲線上運行。當司機將控制手柄置于某一級位，機車將按控制特性運行。第三節(jié)相控電力機車基本技術特征縱觀電力傳動技術的發(fā)展歷程，它隨著電力電子技術、計算機技術以及控制理論的發(fā)展而發(fā)展。電力機車技術的發(fā)展經歷了直-直流電力傳動、交-直流電力傳動、交-直-交流電力傳動三個大的發(fā)展階段，形成了四代產品。經過了從調壓開關與二極管組合的單拍全波整流有級調壓、調壓開關粗調和晶閘管相控微調相結合的級間平滑調壓、多段橋晶閘管相控無級調壓的交-直流傳動系統(tǒng)，發(fā)展到了變頻調速交流傳動。第一代至第三代產品均為交-直傳動方式，僅以調壓調速方式和單軸功率等級來區(qū)分，而第四代電力機車產品的基本特征是以電傳動方式來確定的。交流電傳動方式定為第四代產品標志，采用VVVF變頻調速方式。我國電力機車自1958年誕生至今，已走過了不平坦的50多年。在50多年的發(fā)展歷程中，它同國際上技術發(fā)展路徑相類似，但我國干線電力牽引沒有經過直流電力供電體系，直接進入了交-直流電力傳動體系。我國目前干線運用的電力機車仍主要是交-直流傳動機車，除少量第一代、第二代機車外，絕大多數為多段橋晶閘管相控無級調壓的第三代機車。第四代電力機車/EMU為交流傳動，集中了當今科技發(fā)展的最新成果，代表了現(xiàn)代牽引動力發(fā)展的方向，在我國還處于初步發(fā)展階段。一、國產相控電力機車發(fā)展歷程我國干線主型電力機車基本為第三代機車，采用多段橋晶閘管相控無級調壓。國產機車的發(fā)展歷程如表2.1所示。2.3.2主型直流傳動電力機車電路的基本特征我國相控電力機車經過20多年的發(fā)展，技術已相當成熟。經過長期應用和不斷改進，電力傳動系統(tǒng)功能已日臻完善，但由于設計權分散、貫徹標準不夠而形成了差別，離標準化、系列化、模塊化的要求尚有差距。主要表現(xiàn)在主電路功能相同的情況下，機車的主電路不能統(tǒng)一，主要設備、部件不通用，如主整流柜、高壓母線等，每型機車不一樣，即使半導體元件的模塊相同，也不能通用。這樣不利于機車總體和部件的模塊化、通用化，同時也給機車運用、廠修改造、配件維修等諸多環(huán)節(jié)帶來麻煩，增加了運營、維護成本。目前，我國仍在運營的干線交-直流傳動電力機車有11個型號，主電路的形式多達11種，其基本技術特點見表2.2。型號用途牽引主電路結構電氣制動電路牽引電動機磁削方式無功補償裝置勵磁方式電壓等級（V）SS4G貨運不等分三段半控橋相控調壓加饋電阻制動串勵1000三級磁削有SS4B貨運不等分三段半控橋相控調壓加饋電阻制動串勵1000三級磁削有SS6B貨運不等分三段半控橋相控調壓加饋電阻制動串勵1000三級磁削有SS3B貨運不等分三段半控橋相控調壓加饋電阻制動串勵1550三級磁削無SS7/SS7B貨運一段全控橋一段半控橋相控再生制動復勵1000無級磁削有SS7C貨運一段全控橋一段半控橋相控再生制動復勵1000無級磁削有SS8客運不等分三段半控橋相控調壓加饋電阻制動串勵1000無級磁削無SS9客運不等分三段半控橋相控調壓加饋電阻制動串勵1000無級磁削無SS9G客運不等分三段半控橋相控調壓加饋電阻制動串勵1000無級磁削無SS7D客運不等分三段半控橋相控調壓加饋電阻制動復勵1000無級磁削無SS7E客運不等分三段半控橋相控調壓加饋電阻制動復勵1000無級磁削無表2.2國產干線相控電力機車主要技術特點從表2.2可以看出，我國相控電力機車的技術平臺相似，但型雜量小的問題較為突出。各主機廠在技術開發(fā)上對成熟技術的繼承不足，業(yè)界同行之間互相封鎖、互相壓制，總是想在國內同行中標新立異，對成熟技術進行包裝與翻新，缺乏真正意義上的創(chuàng)新。缺乏合作，沒有集中有限的資源共同將市場做大、將產業(yè)做強，產生多贏的態(tài)勢，為創(chuàng)新而創(chuàng)新，片面追求技術指標的先進性，直接影響了電力機車技術水平的提升，使國產電力機車發(fā)展與國際先進水平差距拉大，最終以產品疑似、技術重復包裝翻新而結束了交-直流傳動階段。這一教訓值得深思，但愿在引進、吸收交流傳動技術的過程中，不僅要引進硬件技術，更要學習國際上知名電力機車制造商先進的設計、營銷理念，放眼世界市場。通過對主型干線交-直流傳動電力機車技術特點的分析可知，在主電路結構方面基本相同，只是由于制造廠家采用技術路線方面的差異而出現(xiàn)了一些不同?？傮w技術性能差別較小，但在機車運用數量、技術成熟度方面還存在差距?，F(xiàn)從整流調壓方式、牽引電動機勵磁方式、磁場削弱方式、電氣制動方式、無功補償裝置等方面，全面分析各相控調壓主型電力機車傳動系統(tǒng)，可發(fā)現(xiàn)在主電路結構方面存在著一些共同的特征。1.主電路的基本特征我國干線相控電力機車主電路存在著如下基本技術特征：①主電路的調壓方式均采用多段整流橋串聯(lián)形式，以三段不等分半控整流橋為主；②貨運機車幾乎都采用三級磁場削弱方式，客運機車全部采用無級磁場削弱方式；③電氣制動主要采用加饋電阻制動方式，唯有SS7/SS7B/SS7C采用再生制動方式；④貨運機車基本都設置了無功功率補償裝置，客運機車沒有設置功率補償裝置；⑤牽引電動機主要采用串勵方式，只有SS7系列采用復勵方式。根據相控電力機車傳動技術方面的共同特征，進行歸納、分類合并。按照客運機車和貨運機車來分，可分為兩個大類。由于脈流牽引電動機勵磁方式有串勵和復勵兩種，其性能各有優(yōu)缺點，形成了兩種電路形式。這樣，11種主型電力機車可分為兩類四個規(guī)格。具體情況見表2.3。表2.3國產相控電力機車主電路形式及特征用途牽引主電路電氣制動電路牽引電動機磁削方式無功補償裝置代表車型勵磁方式電壓等級（V）客運不等分三段半控橋相控調壓加饋電阻制動串勵1000無級磁削無SS8、SS9、SS9G客運不等分三段半控橋相控調壓加饋電阻制動復勵1000無級磁削無SS7D、SS7E貨運不等分三段半控橋相控調壓加饋電阻制動串勵1000三級磁削有SS4B、SS6B、SS3B貨運一段全控橋一段半控橋相控再生制動復勵1000無級磁削有SS7、SS7B、SS7C2.兩個技術平臺通過對主型干線電力機車傳動系統(tǒng)的分析，可清楚地看到，盡管車型很多，但總的可歸為兩個技術基本相似的平臺（株洲平臺、大同平臺），并且在逐步融合。株洲平臺以SS3B、SS4B、SS6B、SS8、SS9/SS9G為代表，技術成熟、保有量很大，技術發(fā)展具有一定的繼承性、連續(xù)性。無論從技術成熟度、開發(fā)能力，還是運營范圍都代表了我國電力機車的最高水平，引領了國內交-直流傳動電力機車發(fā)展的方向，其技術特征為：牽引主電路采用三段不等分半控橋順序控制的調壓電路，電氣制動基本采用加饋電阻制動，客運機車采用無級磁削，貨運機車采用三級有級磁削方式，牽引電動機勵磁采用串勵方式。大同平臺是以SS7～SS7E機車為代表，機車保有量、技術成熟度、開發(fā)能力及運營范圍都略遜于株洲平臺，技術的繼承性、連續(xù)性具有跨越式，但后期生產的機車采用了模塊化設計，走出了國內電力機車模塊化發(fā)展的第一步。其基本技術特征是牽引電動機采用他復勵方式，貨運機車采用再生制動、無級磁場削弱。其發(fā)展逐步在接近株洲平臺，特別是在客運機車方面。客運機車SS7E中除勵磁方式仍保留他復勵外，其余與株洲平臺技術特征相同。因此，株洲技術平臺代表了我國交-直流傳動電力機車的主流方向，對電力機車/EMU交-直流傳動系統(tǒng)的分析以此為樣本。第四節(jié)相控電力機車傳動系統(tǒng)電路分析根據國產相控電力機車的主要技術特征，SS3B、SS4B、SS6B、SS8、SS9G為同一技術平臺，代表了客貨運電力機車的技術水平，以此平臺為樣板，從主電路、輔助電路和控制電路三方面分別對電力機車的交-直流傳動系統(tǒng)進行分析。一、主電路主電路是電力機車完成能量轉換、產生牽引力與制動力的主體電路，是實現(xiàn)機車啟動、調速和制動這三個基本功能的電路?，F(xiàn)從整流調壓方式、供電方式、磁削方式和電阻制動方式幾方面進行分析。網側高壓電路整流調壓電路整流調壓過程供電方式加饋電阻制動磁場削弱主電路的保護電路電能計量電路1.網側高壓電路受電弓升起與接觸網線接觸后，將25kV、50Hz單相交流電通過主斷路器4QF、高壓電流互感器1HL引入主變壓器一次繞組A-X，經低壓電流互感器2HL后接至車體，再經接地裝置到車輪，通過鋼軌向變電所回流，形成高壓供電回路。2.整流調壓電路相控電力機車基本采用三段不等分半控整流橋順序控制的調壓方式，各主型電力機車的整流調壓方式相同，電路結構相似，在此以SS3B型電力機車為例進行分析。

SS3B型電力機車主電路（一臺轉向架）如圖2.24所示。對一臺整流器而言，主變壓器低壓側采用晶閘管不等分三段半控橋順序相控調壓。SS3B型電力機車主變壓器ZB的二次繞組由兩組對稱的繞組構成。每組繞組設計為兩段完全對稱的繞組（完整繞組），并將其中的一段繞組設計為中抽式結構，這樣可形成三段不對稱繞組，各段繞組的匝數比為2∶1∶1。網側25kV、50Hz的高壓電經主變壓器ZB降壓，在二次側各段完整繞組上輸出電壓為1071V。對于每組繞組，分別產生三段電壓，即1071V、535.5V、535.5V，經整流裝置（1ZGZ或2ZGZ）整流后，向1M～3M或4M～6M供電。第一段半控整流橋由T11、T12、D11、D12（或T21、T22、D21、D22）構成，稱為大橋（或四臂橋），其輸出電壓可達額定輸出電壓的一半；第二、三段半控橋分別由T13、T14、D13、D14（T23、T214、D23、D24）和T15、T16、D13、D14（T25、T26、D23、D24）組成，稱為小橋（或六臂橋），其輸出電壓分別可達到額定輸出電壓的1/4。3.整流調壓過程

不等分三段半控橋式調壓整流電路的升壓順序控制過程如下（以1ZGZ為例）：圖2.25三段不等分半控橋整流電路原理（1）第一段半控橋

第一段半控橋首先投入工作，調節(jié)T11、T12的導通角，由D13、D14提供續(xù)流通路，可以逐步提高輸出電壓至額定電壓的一半。其電流流向：在變壓器二次側電的正半波，給T11施加觸發(fā)脈沖信號，電流從a1端開始流經3HL、D11正端，到達直流電源正端1號母線處，通過平波電抗器1PK流向牽引電動機接觸器觸點的上端5號母線及1～3XC，分別向牽引電動機1M、2M、3M供電，流過電樞繞組、串勵繞組到達直流電源的負端3號母線，再經D13、D14、7號母線和晶閘管T11，到達變壓器二次繞組x1端，最終流向a1端形成一條完整的供電回路；在二次繞組電源的負半波，給T12施加觸發(fā)脈沖，電流從x1端開始經過T12到達直流電源的正端1號母線處，其后與正半波時相同，向牽引電動機供電直至D13、D14、7號母線和D12，到達變壓器二次繞組a1端，最終流向x1端形成一條完整的供電回路。當調節(jié)T11、T12完全導通后，輸出電壓達到額定電壓的一半，保持T11、T12處于全開放狀態(tài)。（2）第二段半控橋

待T11、T12全開放以后，第二段半控橋（小橋）開始投入工作，由繞組供電，控制觸發(fā)T13、T14并與第一段處于全開放的半控橋串聯(lián)，向牽引電動機供電。在變壓器二次繞組電壓的正半波，電流流向：a1—3HL—1號母線—1PK—5號母線—1～3XC—1～3M—整流器輸出負端3號母線—T13—b3-a3—5HL—7號線—T11—x1-a1，形成正半波供電回路；在變壓器二次側電壓的負半波，電流流向為：x1—T12—整流器正端1號母線—1PK—5號母線—1～3XC—1～3M—整流器輸出負端3號母線—D14—5HL—a3-b3—T14—7號線—D12—3HL—a1-x1，形成負半波供電回路。調節(jié)T13、T14直至完全導通。保持T11、T12和T13、T14全開放狀態(tài)，此時整流器輸出電壓達到額定電壓的3/4。（3）第三段半控橋

當T13、T14全開放后，可使第三段半控橋（小橋）投入工作，由繞組b3-x3供電。調節(jié)T15、T16，并與處于全開放狀態(tài)的第一、二段半控橋串聯(lián)，共同向牽引電動機供電。在變壓器二次繞組輸出電壓的正半波，電流流向：a1—3HL—1號母線—1PK—5號母線—1～3XC—1～3M—整流器輸出負端3號母線—T15—x3-a3—5HL—D13—7號線—T11—x1-a1，形成正半波供電回路；在變壓器二次繞組輸出電壓的負半波，電流流向：x1—T12—整流器正端1號母線—1PK—5號母線—1～3XC—1～3M—整流器輸出負端3號母線—D14—5HL—a3-x3—T16—7號線—D12—3HL—a1-x1，形成負半波供電回路。若T15、T16完全開放以后，整流器輸出電壓調節(jié)過程結束，此時總輸出電壓為三段半控橋全開放輸出電壓之和，最高電壓達到額定電壓。1ZGZ降壓順序控制與上述程序相反，從小橋到大橋，控制晶閘管導通角自全導通至關斷狀態(tài)，便依次完成整個不等分三段半控橋的降壓調節(jié)過程。三段不等分半控橋的調壓控制過程與輸出波形，如圖2.26所示。需注意：在接觸網允許工作的最低電壓下，當第三段半控橋完全開放時要能夠保證牽引電動機的額定電壓。在接觸網額定電壓下，第三段半控橋一般不會全開放，只在部分導通角下工作即可。圖2.26三段不等分半控橋控制方式與波形4.供電方式SS3B～SS9G型電力機車在牽引工況時，各轉向架的牽引電動機為并聯(lián)狀態(tài)，分別由相應的相控整流裝置集中供電，稱為轉向架獨立供電方式（或稱為架控供電式）。采用轉向架獨立供電方式，提高了機車的可靠性。5.加饋電阻制動SS3B型電力機車采用限流準恒速特性控制的加饋電阻制動。電阻制動時，牽引電動機需由串勵方式改為他勵發(fā)電機方式運行，并將六臺牽引電機的勵磁繞組串聯(lián)起來，由勵磁電源提供他勵電流。勵磁電源由主變壓器繞組a3-c3和半控整流橋T17、T18、D13、D14提供，整流橋輸入電壓198V（空載），通過控制T17、T18晶閘管導通角，實現(xiàn)對勵磁電流的平滑調節(jié)，調節(jié)范圍0～650A。圖2.27電阻制動工況電路原理圖在制動主回路中，各電機電樞繞組分別與對應的制動電阻（1～6ZR，3.54）串聯(lián)后，將各轉向架中三臺電機并聯(lián)，再與半控整流橋（大橋T11、T12、D11、D12（T21、T22、D21、D22）構成各自獨立的制動電路，將列車的慣性能量轉化為電能，通過制動電阻把電能轉化為熱能并排向大氣，達到減速或限速的目的。

當SS3B型電力機車制動限流進入低速區(qū)（v＜46km/h），勵磁電流已達到最大值550A（限制值），此后隨著機車速度的降低，發(fā)電機的感應電勢也在降低，制動電流及制動力也在減小，已無法維持制動電流不變。為了在低速區(qū)獲得最大制動力，改善低速區(qū)制動能力不足的問題，需要依靠半控整流橋（大橋）相控調壓，輸出直流電壓對制動電路實施電流加饋，使整流橋輸出加饋電壓與發(fā)電機輸出電勢保持反向同步變化，即發(fā)電機電勢減小多少，加饋電源電壓升高多少，以維持制動電流恒定、制動力恒定，實現(xiàn)加饋電阻制動。當列車速度達到19km/h時，半控整流橋晶閘管已完全開放，加饋制動功率達到最大值。在19km/h以下，制動電流不再保持恒定，制動力先按照最大勵磁電流限制線下降，再沿著整流橋輸出限制線下降，直到速度為0時仍保持加饋制動電流50A。圖2.28SS3B型電力機車加饋電阻制動特性曲線請注意：機車在50A的加饋制動電流作用下，會產生一定的反轉轉矩，故試驗時一定要確?？諝庵苿颖чl，以保證安全。制動過程中的能量關系可表示如下：6.磁場削弱在國產相控電力機車中，當整流器輸出電壓達到牽引電動機最高工作電壓時，調壓調速即告結束。為了進一步提高機車運行速度，需要對牽引電動機進行磁場削弱。磁場削弱有兩種電路，貨運電力機車一般采用并聯(lián)電阻的有級磁削，為三級磁削?？瓦\機車為了保證運行平穩(wěn)，一般采用無級磁削，連續(xù)平滑地調節(jié)磁場。磁場削弱是在牽引電動機端電壓達到最高時，擴大機車恒功率運行速度范圍的一種經濟調速方法，是調壓調速的補充。隨著磁削深度的增加，電動機的換向條件也在惡化，必須要注意在最深磁削條件下電動機的換向狀態(tài)，確保電動機可靠換向。（1）貨運機車并聯(lián)電阻有級磁削貨運電力機車采用三級電阻磁削電路。SS3B型電力機車磁削電路如圖2.29所示。為了降低牽引電動機主極繞組（串勵繞組）中的電流交變分量，改善其換向性能，在主極繞組的兩端，并聯(lián)一組阻值為0.4212的固定分流電阻1～6CXR，對主極磁場進行磁削，磁削系數為0.95，將主極中電流的交變分量限定在25%以內，保證牽引電動機可靠換向。當三段半控橋可控元件全導通或輸出電壓達到牽引電動機最高工作電壓時，方可進行磁削調速。此時整流器輸出母線1、3號線之間的電壓維持不變，牽引電動機電樞回路的連接保持不變，只在串勵繞組C1-C2（阻值0.015592，20C）兩端逐級并入磁削電阻。兩組電阻可產生三級磁削：

Ⅰ級磁削電阻11～61CXR，阻值為0.063，通過電空接觸器11～61CC閉合接入主極繞組，磁削系數為0.7。Ⅱ級磁削電阻12～62CXR，阻值為0.0271，通過12～62CC電空接觸器閉合并入主極繞組，磁削系數為0.54。Ⅲ級磁削通過11～61CC和12～62CC電空接觸器閉合同時并入，使磁削電阻11～61CXR與12～62CXR并聯(lián)，總阻值為0.0189（0.063//0.0271＝0.0189），磁削系數為0.45。（2）客運電力機車無級磁削客運電力機車對調速平穩(wěn)性要求較高，一般都采用無級磁場削弱。通過控制并聯(lián)在主極繞組上的一組晶閘管的導通角，就可以連續(xù)平滑地調節(jié)流過晶閘管的電流，即平滑地對主極電流進行分流，使其磁通平滑地改變，達到對牽引電動機主極磁場的連續(xù)平滑控制，實現(xiàn)無級調速。以SS9G型電力機車為例來討論無級磁削調速電路。SS9G型電力機車磁削電路（一臺轉向架）如圖2.30所示。在一臺轉向架中，三臺牽引電動機處于并聯(lián)工作狀態(tài)，由一套不等分三段半控橋式整流器供電，即架控供電方式。磁削電路由晶閘管T7～T12及二極管D5、D6組成，二極管D5、D6起隔離作用，將磁削電流與主極繞組電流隔離。磁削時，磁削電路與整流器串聯(lián)、同步工作，保證磁削電流的暢通與流向，為此每一臺電動機的磁削電路需要兩個晶閘管，在交流電源正、負半波時，分別負責其電流的流向與整流器一致。當整流器三段半控橋完全導通或輸出電壓達到規(guī)定值時，為了進一步提高電力機車恒功率運行速度，開始進行磁場削弱。在變壓器二次側電壓的正半波，給晶閘管T8、T10、T12施加觸發(fā)脈沖，控制其導通角，改變磁削系數；在變壓器二次測電壓的負半波，給晶閘管T7、T9、T11施加觸發(fā)脈沖，控制其導通角，改變磁削系數。通過不斷改變晶閘管的導通角，即可連續(xù)調節(jié)勵磁電流的大小，對勵磁繞組實施磁場削弱，直至最小磁削系數為止，從而達到磁削調速的目的。圖2.30SS9G型電力機車無級磁削電路原理圖7.主電路的保護電路相控電力機車的主電路具有完備的保護功能，主要設置有過電壓保護、過電流保護、接地保護等保護功能，以避免主電路的各設備發(fā)生損害。（1）過電壓保護電力機車/EMU在運行中承受的過電壓有外部過電壓和內部過電壓之分。外部過電壓是指來自機車/EMU外部的雷電，其電壓高達幾十萬伏以上，它通過接觸網線侵入機車車頂，稱為大氣過電壓。外部過電壓的保護，一般采用伏安特性非常理想的氧化鋅避雷器。避雷器安裝在車頂上，接在主斷路器觸頭與隔離開關之間，以防止外部大氣過電壓侵襲。當遭遇雷電侵襲時避雷器放電，相當于接觸網對地短路，通過鋼軌及回流母線，短路電流被送入變電所，將會引起牽引變電所開關跳閘，切斷接觸網供電以保護此區(qū)段中運行的所有電力機車。SS3B、SS4G、SS8、SS9型電力機車均采用Y10W-42/105TD型避雷器，標稱放電電流為10kA，額定電壓為42kV，殘壓≤105kV。內部過電壓是指電力機車/EMU車載電器設備工作時產生的電壓沖擊，如主斷路器的開閉、各種電氣開關的分合、整流器元件的換向等，都會危及電力機車電氣設備的安全運行。抑制內部過電壓，采用在主變壓器二次側各牽引繞組兩端跨接R-C吸收電路，可以有效地吸收過電壓。SS3B型電力機車R-C過電壓吸收電路參數：保護電阻1、2、3、4ZBR阻值為2.5，功率為1.2kW，吸收電容1、2、3、4ZBC容量為6F、1.5kV，可將二次側過電壓峰值抑制在6%以下。（2）過電流保護電力機車在運行中，主變壓器繞組匝間短路、硅整流元件支路擊穿、牽引電動機環(huán)火等故障時有發(fā)生，嚴重影響機車的安全運行，必須采取措施進行過電流保護?，F(xiàn)以SS3B型電力機車為例，討論過電流保護，電路如圖2.31所示。①網側過電流保護。對網側電路因短路、接地而產生的過電流，依靠電流繼電器YGJ及高壓電流互感器1LH（變比200/5）進行保護，電流繼電器的整定值為400A的正負百分之五。當電流達到整定值時，電流繼電器動作，相應電流為10A，YGJ動作吸合使主斷路器分閘。高壓電流互感器以上的車頂電路發(fā)生短路、接地時，電力機車自身不能保護，只有通過牽引變電所開關跳閘來進行保護。②變壓器二次側過電流保護。當主變壓器二次側電路發(fā)生短路、硅整流元件支路擊穿、整流器輸出端短路等故障時，通過電流互感器3、4、5、6LH（3000A/1A）與電子控制系統(tǒng)ZGZK實施保護。當二次側電流達到時，電子控制系統(tǒng)動作使主斷路器跳閘。③晶閘管元件過電流保護。對于主整流器中的晶閘管元件T13、T14、T23、T24、T17、T18，通過在其支路中串入快速熔斷器進行橋臂短路保護，快速熔斷器型號NGT3-630/1000V。④直流回路過電流保護。對牽引電動機回路可能發(fā)生的短路、環(huán)火、過載等故障，通過直流電流傳感器1～6ZLH進行檢測，由ZGZK實施保護。牽引時，過電流保護整定值為800A正負百分之五。當電流達到整定值時，保護系統(tǒng)動作使主斷路器跳閘。制動時，過電流保護整定值為450A正負百分之五。當電流達到整定值時，保護系統(tǒng)動作，通過勵磁中間繼電器LCZJ使勵磁接觸器LC斷開。制動時還需對勵磁電流進行過流保護，通過電流傳感器7ZLH檢測，由電子控制系統(tǒng)ZGZK來實施。整定值700A正負百分之五，通過LCZJ使LC斷開，切斷勵磁電路。（3）接地保護電力機車在運行中，由于振動、摩擦等原因可能造成電氣設備或導線絕緣破損，致使主電路發(fā)生接地故障。接地分為“死接地”和“活接地”兩種形式。若導電體直接與車體金屬部位接觸或絕緣性能不可再恢復，將視為“死接地”；若帶電導體通過空氣對地閃絡放電或通過絕緣物表面對地閃絡放電，稱為“活接地”。如接地故障出現(xiàn)兩點以上，將會導致短路故障而燒損設備和導線，因此，在出現(xiàn)一點接地時，必須采用接地保護裝置進行保護。