電力牽引控制系統(tǒng)

列車(chē)電力傳動(dòng)控制電力牽引控制系統(tǒng)第二章交-直流傳動(dòng)控制牽引特性與電路分析第一節(jié)交-直流傳動(dòng)控制第二節(jié)相控電力機(jī)車(chē)/EMU控制與牽引特性第三節(jié)相控電力機(jī)車(chē)基本技術(shù)特征第四節(jié)相控電力機(jī)車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)電路分析第一節(jié)交－直流傳動(dòng)控制一、列車(chē)控制基礎(chǔ)電力傳動(dòng)系統(tǒng)由調(diào)節(jié)裝置和調(diào)節(jié)對(duì)象兩部分組成，調(diào)節(jié)裝置在系統(tǒng)中的作用是根據(jù)給定的控制指令，去控制調(diào)節(jié)對(duì)象，諸如牽引電動(dòng)機(jī)、變流器、輔助電機(jī)等，所以調(diào)節(jié)裝置是一種信息處理裝置。調(diào)節(jié)裝置元件按其功能可分為三種，即檢測(cè)元件、控制元件和觸發(fā)系統(tǒng)元件，它們承擔(dān)著系統(tǒng)的測(cè)量、給定和移相控制等任務(wù)。在調(diào)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(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和精確度。因?yàn)橐粋€(gè)控制量不可能調(diào)節(jié)得比給定值或測(cè)量值更精確，單元組件自身的誤差是無(wú)法用任何調(diào)節(jié)器來(lái)校正的。（一）、閉環(huán)系統(tǒng)的基本組成列車(chē)電力牽引系統(tǒng)是以牽引電動(dòng)機(jī)為控制對(duì)象，對(duì)其轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，以達(dá)到對(duì)列車(chē)速度和牽引力的控制。牽引電動(dòng)機(jī)的電流、電壓值都很大，目前在相控調(diào)壓系統(tǒng)中，主要采用晶閘管元件構(gòu)成的整流器，通過(guò)對(duì)整流器可控元件的導(dǎo)通角相位進(jìn)行控制，改變輸出電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)牽引電動(dòng)機(jī)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(cè)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(cè)單元、比較環(huán)節(jié)、調(diào)節(jié)控制器、可控變流器和被控對(duì)象等幾部分組成。給定單元提供司機(jī)控制命令的給定信號(hào)；檢測(cè)單元輸出是與被調(diào)節(jié)對(duì)象的實(shí)際值成正比例關(guān)系的檢測(cè)信號(hào)；比較環(huán)節(jié)將司控器給定信號(hào)與檢測(cè)到的被調(diào)量信號(hào)進(jìn)行比較，得到一個(gè)偏差信號(hào)，作為調(diào)節(jié)控制器的輸入信號(hào)，由調(diào)節(jié)控制器產(chǎn)生對(duì)晶閘管整流器的控制信號(hào)，控制晶閘管的導(dǎo)通角，進(jìn)而控制整流器的輸出電壓，即牽引電動(dòng)機(jī)的輸入電壓，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)被調(diào)量的控制。牽引電動(dòng)機(jī)的被調(diào)量可以是轉(zhuǎn)速、電壓、電流、功率或勵(lì)磁電流等。調(diào)節(jié)控制器一般由電子調(diào)節(jié)器（比例調(diào)節(jié)器、比例積分調(diào)節(jié)器、數(shù)字式調(diào)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(jù)被調(diào)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(jī)車(chē)控制系統(tǒng)中，牽引電動(dòng)機(jī)的控制一般采用轉(zhuǎn)速和電流的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，電流控制為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)牽引電動(dòng)機(jī)的恒電流和恒轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，有助于提高列車(chē)的牽引性能。圖2.2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)基本組成2、無(wú)靜差調(diào)節(jié)器在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，由于采用的調(diào)節(jié)器不同，控制系統(tǒng)的性能存在著很大的差異。若調(diào)節(jié)器采用比例（P）調(diào)節(jié)器，系統(tǒng)在穩(wěn)定時(shí)，反饋值與給定值之間存在著偏差，即產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)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(diào)節(jié)器中采用了積分（I）元件，則系統(tǒng)在穩(wěn)定時(shí)反饋值與給定值之間不存在偏差，可得到一個(gè)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(wú)靜差調(diào)節(jié)系統(tǒng)。但是需要注意的是，系統(tǒng)中引入積分調(diào)節(jié)器后，它的動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢了。為了克服積分調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢的缺陷，利用比例調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速的特點(diǎn)，將比例調(diào)節(jié)器和積分調(diào)節(jié)器結(jié)合起來(lái)，形成比例積分（PI）調(diào)節(jié)器，使得輸出靜態(tài)準(zhǔn)確，動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速。注意：采用積分調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)也不是絕對(duì)的無(wú)靜差系統(tǒng)，穩(wěn)態(tài)時(shí)積分電容的作用相當(dāng)于將運(yùn)算放大器輸出和輸入之間的反饋回路隔斷，這時(shí)運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)就等于它的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)，盡管其數(shù)值很大，但不是無(wú)窮大，它還是存在著一定的靜差，只是靜差非常小而已，在實(shí)際系統(tǒng)中可以認(rèn)為是無(wú)靜差的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，反饋檢測(cè)元件的精度對(duì)閉環(huán)控制系統(tǒng)的調(diào)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(cè)元件作為保證。（二）、檢測(cè)元件1.電流與電壓檢測(cè)傳感器交流電流和電壓可以采用交流互感器來(lái)測(cè)量。在相控調(diào)壓整流裝置中，輸入側(cè)的交流電流與輸出側(cè)的直流負(fù)載電流之間存在著一定的比例關(guān)系，故可以通過(guò)檢測(cè)交流側(cè)電流對(duì)直流側(cè)電流進(jìn)行控制。將三臺(tái)交流電流互感器接成星形接法，通過(guò)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(cè)信號(hào)，檢測(cè)電路如圖2.3所示。圖2.3交流電流檢測(cè)原理電路在恒電壓控制中，電壓檢測(cè)信號(hào)只能從直流側(cè)取得，直流側(cè)電壓的大小取決于控制角的大小。在直流側(cè)檢測(cè)電流和電壓要比交流側(cè)檢測(cè)困難一些。為了安全，需要將高壓回路與檢測(cè)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(lái)檢測(cè)直流電流或電壓。近年來(lái)制造出廠的機(jī)車(chē)一般都采用霍爾元件來(lái)檢測(cè)直流電壓和電流。

2.轉(zhuǎn)速傳感器轉(zhuǎn)速測(cè)量可分為模擬式和數(shù)字式兩種。模擬式主要是采用直流、交流測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速；數(shù)字式采用光電、電磁感應(yīng)測(cè)速，又有接觸式與非接觸式之分。接觸式數(shù)字測(cè)速傳感器，其實(shí)就是一臺(tái)永磁式交流脈沖測(cè)速發(fā)電機(jī)，輸出信號(hào)為脈沖信號(hào)，如CZP-1，12P/r，100r/min輸出信號(hào)幅值大于4V/AC。

在高精度轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中，目前主要采用非接觸式數(shù)字轉(zhuǎn)速傳感器，如TQG2磁電式傳感器。TQG2型轉(zhuǎn)速傳感器采用永磁式電磁感應(yīng)原理，當(dāng)被測(cè)鐵質(zhì)齒輪的齒頂掃過(guò)傳感器端部時(shí)，設(shè)置在磁路上的線圈感應(yīng)出電勢(shì)，經(jīng)電子電路放大整形，輸出方波脈沖，通過(guò)檢測(cè)脈沖的數(shù)量達(dá)到測(cè)速之目的。被測(cè)鐵質(zhì)齒輪應(yīng)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(dǎo)體元件中的電磁效應(yīng)（霍爾效應(yīng)）而制成的。在一個(gè)半導(dǎo)體基片上的三個(gè)互相垂直面作用有三個(gè)物理量：控制電流、磁場(chǎng)密度和霍爾電壓，如圖2—2所示。當(dāng)磁密的方向與霍爾元件平面垂直時(shí)，上述三個(gè)物理量之間的關(guān)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(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流下的霍爾電勢(shì)大小，一般要求值越大越好。當(dāng)控制電流或磁場(chǎng)密度改變方向時(shí)，霍爾電勢(shì)的極性也將發(fā)生改變。因此，霍爾元件傳感器可應(yīng)用于檢測(cè)電流、電壓、功率和磁場(chǎng)，也可用于數(shù)字式轉(zhuǎn)速表和接近開(kāi)關(guān)?；魻栯妱?shì)一般只有幾十毫伏，需要經(jīng)過(guò)比例放大器方可作為控制信號(hào)使用。霍爾元件具有響應(yīng)速度快、線性度好、圖2.4霍爾效應(yīng)原理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和無(wú)觸點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中有比較廣泛的應(yīng)用,特別是在國(guó)產(chǎn)準(zhǔn)高速機(jī)車(chē)上有大量的應(yīng)用,如TET磁平衡霍爾電流電壓傳感器模塊的應(yīng)用，簡(jiǎn)稱TET模塊。TET模塊是在引進(jìn)瑞士LEM公司機(jī)車(chē)用電壓、電流傳感器制造技術(shù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)消化而國(guó)產(chǎn)化的一個(gè)產(chǎn)品。它采用霍爾效應(yīng)，利用磁平衡補(bǔ)償原理，使霍爾元件始終處于檢測(cè)零磁通的工作狀態(tài)，通過(guò)霍爾元件實(shí)現(xiàn)對(duì)直流、交流和脈動(dòng)電壓、電流的電隔離精確測(cè)量。磁平衡工作原理：

如圖2.5所示，原邊磁場(chǎng)作用于導(dǎo)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(jīng)放大器A進(jìn)行電壓放大及互補(bǔ)三極管、功率放大后，輸出的補(bǔ)償電流經(jīng)二次(補(bǔ)償)繞組產(chǎn)生與一次側(cè)相反的磁通，使霍爾元件輸出電壓逐漸減小，直到一、二次側(cè)磁通相等時(shí)，二次電流不再增加，這時(shí)霍爾元件起到了指示零磁通的作用，且有，或上述電流補(bǔ)償?shù)倪^(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程。當(dāng)原邊已有磁場(chǎng)而次邊磁場(chǎng)尚未形成時(shí)，霍爾元件檢測(cè)出的霍爾電壓經(jīng)電壓、功率放大，通過(guò)二次線圈使逐漸上升，次邊產(chǎn)生的磁通抵消（補(bǔ)償）原邊的磁通，霍爾輸出電壓降低，上升減慢。當(dāng)時(shí)，磁通為零，霍爾輸出電勢(shì)為零。由于二次繞組的緣故，還會(huì)再上升，這樣補(bǔ)償過(guò)量，霍爾輸出電壓改變極性，互補(bǔ)晶體管組成的功率放大輸出級(jí)使減小，如此反復(fù)在平衡電流附近振蕩，這樣的動(dòng)態(tài)平衡建立時(shí)間為微秒級(jí)。二次電流正比于一次（被測(cè)）電流，采用霍爾元件、導(dǎo)磁體、放大電路和補(bǔ)償繞組構(gòu)成了磁平衡霍爾傳感器。

電壓傳感器是將被測(cè)電壓信號(hào)通過(guò)電阻及原邊線圈轉(zhuǎn)變?yōu)樵叴艌?chǎng)，再通過(guò)兩個(gè)霍爾元件、放大器及補(bǔ)償繞組（二次線圈）產(chǎn)生次邊磁場(chǎng)，平衡原邊磁場(chǎng)，達(dá)到檢測(cè)原邊電壓信號(hào)的目的。

800A以上電流傳感器，原邊磁場(chǎng)由被測(cè)直流電流產(chǎn)生，原邊只有一匝，再通過(guò)兩個(gè)霍爾元件及補(bǔ)償繞組（次邊線圈）產(chǎn)生次邊磁場(chǎng)，平衡原邊磁場(chǎng)，達(dá)到檢測(cè)原邊電流之目的。使用應(yīng)注意：

防止鐵心因過(guò)磁化產(chǎn)生剩磁。二次繞組開(kāi)路、電源斷開(kāi)等，會(huì)導(dǎo)致鐵心過(guò)磁化產(chǎn)生剩磁，造成測(cè)量誤差。

電容、電感負(fù)載的補(bǔ)償。二次負(fù)載電阻中含有電感或電容成分時(shí)，將影響響應(yīng)時(shí)間。

負(fù)載電阻應(yīng)在限值以內(nèi)。精密采樣電阻按說(shuō)明書(shū)選擇。

減小外磁場(chǎng)干擾。一般在5-10cm距離內(nèi)存在著一個(gè)兩倍于一次額定電流的導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場(chǎng)干擾是可以忽略不計(jì)的。當(dāng)有較強(qiáng)的磁場(chǎng)干擾時(shí)，應(yīng)當(dāng)改變安裝方向，盡量減小外磁場(chǎng)的影響；采用垂直于磁場(chǎng)的方向安裝；在模塊上加罩一個(gè)抗磁場(chǎng)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(cè)信號(hào)的額定值與傳感器額定值一致。

小心輕放，以防機(jī)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(nèi)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(gè)PN結(jié)組成，具有單向?qū)щ娦?，?dāng)給PN結(jié)施以正向電壓后，注入的電子與空穴相復(fù)合時(shí)，以光的形式釋放出能量。光通量的大小與流過(guò)的電流成正比。光敏三極管其結(jié)構(gòu)與普通NPN型三極管相似，當(dāng)發(fā)光二極管的光照射光敏三極管的發(fā)射極時(shí)，在集電極產(chǎn)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(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)快；能夠?qū)崿F(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(yīng)用于控制系統(tǒng)低電壓的信息轉(zhuǎn)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(hào)通過(guò)接到運(yùn)放的反相輸入端。為反饋電阻，輸出信號(hào)通過(guò)反饋到反相輸入端構(gòu)成一閉環(huán)系統(tǒng)。假定電路在某一時(shí)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(jù)運(yùn)放輸入-輸出特性，要使輸出電壓處于線形范圍內(nèi)，對(duì)于任意的輸入電壓必須應(yīng)使，即，所圖2.7反相放大器以通常稱反相輸入端為“虛地”點(diǎn)。因此,當(dāng)為正值時(shí)，則必須是負(fù)值去維持。同樣當(dāng)為負(fù)值時(shí)，則必須是正值，即輸入信號(hào)與輸出信號(hào)極性總是相反的。同時(shí)由于運(yùn)放的輸入阻抗很大（一般在以上），故可認(rèn)為運(yùn)放內(nèi)部電流為零,,便可得到如下關(guān)系式中負(fù)號(hào)表示輸入電壓與輸出電壓極性相反。經(jīng)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(shù)?？梢?jiàn),反相放大器完成了反相比例運(yùn)算，與成正比,即。若將其表示為一般數(shù)學(xué)表達(dá)式，則有式中——輸出量；

——放大器閉環(huán)放大倍數(shù);——輸出量。當(dāng)運(yùn)放電路在直流條件下穩(wěn)定工作時(shí)，只要在輸入端產(chǎn)生一個(gè)偏差信號(hào)，就可使得變化朝相反方向進(jìn)行。

反相放大器的放大倍數(shù)取決于反饋電阻與輸入電阻之比。當(dāng)運(yùn)放的放大倍數(shù)非常高時(shí)，運(yùn)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(yùn)放元件的本身性能無(wú)關(guān)。這一特性對(duì)設(shè)計(jì)者而言是非常重要的，因?yàn)樵O(shè)計(jì)時(shí)允許運(yùn)放參數(shù)有較大差異，諸如開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)不同，這并不影響閉環(huán)特性。2.同相放大器

輸出信號(hào)與輸入信號(hào)同相位的放大器稱為同相放大器，數(shù)學(xué)表達(dá)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(dāng)輸出電壓為時(shí)，在反相輸入端的反饋電壓為，當(dāng)輸出電壓處于線性范圍內(nèi)時(shí)，，因此可得式中——同相放大器的閉環(huán)放大倍數(shù)，。

(2.4)(2.5)3.差分放大器

差分放大器能進(jìn)行減法運(yùn)算，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為，電路結(jié)構(gòu)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(shí)只考慮每一個(gè)單獨(dú)輸入信號(hào)的作用，然后將各信號(hào)作用加以合并。假設(shè)輸入信號(hào)為零，則電路變成輸入信號(hào)為的反相放大器，其輸出信號(hào)為差分放大器

假設(shè)輸入信號(hào)為零，則電路變成輸入信號(hào)為的同相放大器，此時(shí)正相輸入端的電壓為

反相輸入端的反饋電壓為

當(dāng)輸出電壓在線性范圍內(nèi)時(shí)，。若令，其輸出信號(hào)為

當(dāng)輸入信號(hào)、均不為零時(shí)，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(hào)為輸入信號(hào)積分后的結(jié)果，其數(shù)學(xué)關(guān)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(yùn)放構(gòu)成的反相積分器及輸出關(guān)系

只有當(dāng)電容器兩端的電壓發(fā)生變化時(shí)才可有電流通過(guò)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(guān)系應(yīng)為式中——積分電路的時(shí)間常數(shù)。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(dāng)輸入給以階躍變化時(shí)，輸出電壓的變化速率應(yīng)為需要注意：當(dāng)輸入電壓為零伏時(shí)，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(guò)去狀態(tài)。(2.5)(2.6)

積分調(diào)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(hào)為階躍信號(hào)時(shí)，輸出信號(hào)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(hào)，即使很小，調(diào)節(jié)器就會(huì)工作進(jìn)行積分運(yùn)算，直至輸出值達(dá)到限制值為止。只有當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí)，這種積累才會(huì)停止。這一特性在調(diào)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(guò)程中，若突然使輸入信號(hào)為零，則輸出始終保持在輸入信號(hào)改變前的那個(gè)瞬間的值。記憶作用可以理解為，輸入信號(hào)為零，輸出信號(hào)可以為任意數(shù)值，此值就是當(dāng)輸入量為零時(shí)刻的輸出值。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，也需要這種特性。積分器在列車(chē)司機(jī)操作控制系統(tǒng)中作為給定器。當(dāng)列車(chē)起動(dòng)時(shí)，對(duì)牽引電動(dòng)機(jī)的電流變化進(jìn)行限制，使?fàn)恳妱?dòng)機(jī)電流按照預(yù)定的速度變化，這樣可使得司機(jī)的操作動(dòng)作快慢與電流的變化速度無(wú)關(guān)，保證列車(chē)運(yùn)行平穩(wěn)。若列車(chē)控制系統(tǒng)沒(méi)有積分給定環(huán)節(jié)，由于列車(chē)主電路的時(shí)間常數(shù)很小，牽引電動(dòng)機(jī)電流的變化隨著司機(jī)操作動(dòng)作的節(jié)奏而急劇變化，對(duì)列車(chē)平穩(wěn)、安全運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重影響。實(shí)際使用的積分給定環(huán)節(jié)是以積分電路為基礎(chǔ)，將司機(jī)操作給定信號(hào)通過(guò)放大器處理后，送給積分器產(chǎn)生參考指令值，作為控制信號(hào)去控制列車(chē)的運(yùn)行。對(duì)控制信號(hào)的基本要求是：與司機(jī)操作快慢無(wú)關(guān)；上升、下降的速率不同，一般是上升快一些，下降適當(dāng)慢一點(diǎn)，在接近額定值時(shí)要降低上升速率，這對(duì)牽引電動(dòng)機(jī)的安全可靠運(yùn)行有利。電力機(jī)車(chē)給定積分環(huán)節(jié)典型電路，可參閱6G、8K機(jī)車(chē)的積分給定器電路。如果適當(dāng)變更電路結(jié)構(gòu)，還可以構(gòu)成其它形式的積分器，如差動(dòng)積分器、求和積分器、比例積分器等。5.比例積分器（）在無(wú)靜差調(diào)節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，比例積分器的應(yīng)用十分廣泛，常用作調(diào)節(jié)器。它相當(dāng)于一個(gè)放大倍數(shù)可自動(dòng)調(diào)節(jié)的放大器，動(dòng)態(tài)時(shí)放大倍數(shù)很低，靜態(tài)時(shí)放大倍數(shù)很高（相當(dāng)于無(wú)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(shù)直流運(yùn)放和反饋電路組成。其輸入-輸出關(guān)系為(2.7)在運(yùn)放輸入端，即相加點(diǎn)，輸入給定信號(hào)電壓和負(fù)反饋信號(hào)電壓兩者進(jìn)行比較，其偏差量對(duì)反饋電容進(jìn)行充、放電，對(duì)運(yùn)放的輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。在偏差量作階躍變化時(shí)，運(yùn)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(chǎn)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(shù)規(guī)律衰減，直至消失。因此，運(yùn)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(yùn)算放大器輸出飽和電壓,并維持不變，其大小接近于運(yùn)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(fù)向跳變，輸出電壓則先正向跳變，在期間直線增長(zhǎng)，由于持續(xù)時(shí)間較短，故輸出信號(hào)電壓未達(dá)到飽和就開(kāi)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(shí)的輸出

根據(jù)以上分析可知，在的階躍作用下，輸出電壓開(kāi)始按比例跳變，如果有跳變，此時(shí)反饋電阻起著按比例調(diào)節(jié)的作用，使系統(tǒng)的響應(yīng)迅速。如果只有反饋電阻，而無(wú)反饋電容，則該系統(tǒng)為有差調(diào)節(jié)系統(tǒng)，誤差的大小取決于放大倍數(shù)。若采用了反饋電容，系統(tǒng)屬無(wú)靜差系統(tǒng)，因?yàn)橹灰斎耄ńo定）信號(hào)與反饋信號(hào)的大小不相等，就會(huì)有偏差電壓和電流出現(xiàn)，它將對(duì)反饋電容進(jìn)行充放電，只要運(yùn)放沒(méi)有飽和，其輸出電壓將有相應(yīng)的變化。在給定值與反饋值大小相等時(shí)（因?yàn)槭秦?fù)反饋，符號(hào)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(yùn)放的穩(wěn)定輸出電壓。由此可見(jiàn)，調(diào)節(jié)反饋電阻和電容的大小，可改變調(diào)節(jié)器的響應(yīng)速度，這可以影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)性能。設(shè)計(jì)一個(gè)合理的自動(dòng)控制系統(tǒng)，必須要對(duì)反饋電阻和電容進(jìn)行合理地選擇，一般是參照類似系統(tǒng)的參數(shù)，經(jīng)過(guò)一定的理論分析與計(jì)算，估算出一個(gè)近似值，然后在實(shí)際調(diào)試中進(jìn)行必要的修正。6.微分器

微分是積分的反運(yùn)算，微分器是指輸出信號(hào)是輸入信號(hào)微分運(yùn)算的結(jié)果，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為其電路結(jié)構(gòu)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(guān)系如圖b所示。根據(jù)微分電路結(jié)構(gòu)，因?yàn)椋?/p>

微分放大器

所以可得到式中——積分時(shí)間常數(shù)。由公式可見(jiàn)，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(cè)電壓的變化率，因此在自動(dòng)控制系統(tǒng)中常采用微分負(fù)反饋電路以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在調(diào)節(jié)器中加入微分環(huán)節(jié)能增加調(diào)節(jié)過(guò)程的快速性.7.特性控制器特性控制器是完成機(jī)車(chē)牽引力控制和速度控制的一個(gè)復(fù)合控制單元。其作用是建立操作狀態(tài)（起動(dòng)、牽引與制動(dòng)）與起動(dòng)/制動(dòng)電流、速度之間的函數(shù)關(guān)系。起動(dòng)時(shí)采用恒流控制，牽引或制動(dòng)時(shí)采用準(zhǔn)恒速控制，即所謂的恒流準(zhǔn)恒速控制模式。恒流準(zhǔn)恒速控制模式源于進(jìn)口電力機(jī)車(chē)8K，通過(guò)引進(jìn)我們已完全消化并接受了此控制模式，在國(guó)產(chǎn)電力機(jī)車(chē)中得到了大力推廣應(yīng)用。

8K型電力機(jī)車(chē)采用單手柄特性控制器，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為牽引工況，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為制動(dòng)工況，均分為0～11級(jí)位，其控制函數(shù)為：牽引狀態(tài)

(km/h)制動(dòng)狀態(tài)

牽引狀態(tài)特性控制器可由兩個(gè)同相運(yùn)算放大器A1、A2和一個(gè)最小值選擇器組成，制動(dòng)特性控制器由反相運(yùn)算放大器A3、同相運(yùn)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(yùn)算放大器A1的同相端輸入牽引電流指令給定信號(hào)（正值）和機(jī)車(chē)速度反饋信號(hào)（負(fù)值），運(yùn)算放大器A2的同相端只輸入牽引電流指令給定信號(hào)（正值）。制動(dòng)特性控制器中，運(yùn)算放大器A3的反相端接有制動(dòng)電流給定信號(hào)和機(jī)車(chē)速度反饋信號(hào)（負(fù)值）；運(yùn)算放大器A4同相端輸入最小制動(dòng)電流限制信號(hào)，以避免車(chē)鉤沖擊，保證車(chē)鉤始終處于壓縮狀態(tài)。機(jī)車(chē)速度信號(hào)采用二選一模式，由來(lái)自不同轉(zhuǎn)軸的兩路信號(hào)綜合得出，牽引工況取兩速度中的最小值作為反饋信號(hào)，制動(dòng)工況取兩路信號(hào)中的最大值作為反饋信號(hào)，這樣可有效消除因空轉(zhuǎn)、滑行造成的實(shí)際速度偏差，獲得真實(shí)的機(jī)車(chē)速度。對(duì)于運(yùn)算放大器A1，采用線性疊加法可計(jì)算出其輸出電壓信號(hào)。設(shè)，，此時(shí)運(yùn)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(yīng)為（2.10）式中——電流比例系數(shù)，。設(shè)，，此時(shí)運(yùn)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(yīng)為（2.11）（a）（b）圖2.13兩信號(hào)同相輸入等效電路式中——速度比例系數(shù)，，式（2.11）中負(fù)表示負(fù)反饋。當(dāng)、同時(shí)作用于A1同相端時(shí)，輸入信號(hào)將是兩個(gè)信號(hào)單獨(dú)作用的線性疊加，即（2.12）根據(jù)式（2.4）表示的同相運(yùn)算放大器的輸出關(guān)系，A1的輸出電壓為（2.13）式中為電路電阻有關(guān)比例系數(shù)。對(duì)于不同的控制手柄級(jí)位，有相應(yīng)的電流指令值給定值，是與機(jī)車(chē)速度無(wú)關(guān)的定值，它只與手柄級(jí)位有關(guān)，而則是與機(jī)車(chē)速度成正比例關(guān)系變化。因此，可得到不同控制手柄級(jí)位n下的一組準(zhǔn)恒速控制關(guān)系（2.14）其中A、B為已知量，由電路電阻參數(shù)確定。對(duì)于運(yùn)算放大器A2，同相端輸入端只有電流指令給定信號(hào)，經(jīng)電阻分壓后加于同相輸入端，可計(jì)算出同相輸入信號(hào)、運(yùn)算放大器輸出信號(hào)為

（2.15）

（2.16）式中，為常數(shù)，由電路電阻值決定；只與控制手柄級(jí)位對(duì)應(yīng)的電流指令給定值成正比關(guān)系，與機(jī)車(chē)速度無(wú)關(guān)。因此，可得到不同手柄級(jí)位下的一組恒電流控制關(guān)系：（2.17）式中，C為已知量，由電路電阻參數(shù)確定。

由運(yùn)算放大器A1、A2的輸出信號(hào)組成的牽引特性控制器經(jīng)過(guò)最小選擇器，可獲得所需要的恒電流準(zhǔn)恒速控制特性，即式（2.17）、式（2.14）的組合表達(dá)式，取計(jì)算結(jié)果最小者作為控制特性。

。

由運(yùn)算放大器A3、A4組成的制動(dòng)特性控制器，得到不同控制級(jí)位下的準(zhǔn)恒速控制直線簇和最小制動(dòng)電流限制水平線，并經(jīng)最大選擇器選擇其中最大者作為控制特性。根據(jù)8K型電力機(jī)車(chē)所采用的電路參數(shù)，可以得到式（2.8）、式（2.9）所示的牽引工況、制動(dòng)工況的特性控制函數(shù)。8.連續(xù)控制器為了提高電力牽引列車(chē)的功率因數(shù)，相控機(jī)車(chē)普遍采用多段整流橋組成的調(diào)壓電路。在調(diào)壓時(shí)，多段整流橋采用順序控制方式，從一段整流橋過(guò)渡到另一段整流橋，要求電壓、負(fù)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(lái)完成。9.函數(shù)發(fā)生器在電力傳動(dòng)列車(chē)控制系統(tǒng)中，有時(shí)需要進(jìn)行非線性控制，諸如機(jī)車(chē)的粘著控制、電力傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車(chē)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(shù)曲線，就需要函數(shù)發(fā)生器來(lái)完成。在建立非線性控制曲線時(shí)，一般都是采用多段折線來(lái)近似擬合曲線。折線的段數(shù)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(jī)車(chē)/EMU控制與牽引特性

晶閘管相控調(diào)壓是交-直流傳動(dòng)電力機(jī)車(chē)的基本調(diào)壓方式，采用閉環(huán)控制調(diào)壓系統(tǒng)。根據(jù)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(jī)車(chē)牽引性能的優(yōu)劣，影響機(jī)車(chē)運(yùn)行的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。因此，對(duì)閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的分析與研究，有助于提高機(jī)車(chē)的控制性能、牽引性能，改善機(jī)車(chē)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)狀態(tài)，這也是機(jī)車(chē)控制系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。一、相控電力機(jī)車(chē)的控制

1.整流電壓控制相控機(jī)車(chē)中，通過(guò)對(duì)晶閘管的相位控制和牽引繞組的投入數(shù)量，來(lái)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(gòu)成自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。隨反饋信號(hào)的不同，就構(gòu)成所謂恒流控制、恒壓控制、恒速控制。但這些只能在沒(méi)有達(dá)到滿電壓前才有可能，當(dāng)達(dá)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(jī)車(chē)運(yùn)行中，維持電動(dòng)機(jī)電樞電流按某一指令值保持不變的控制。它常常用于機(jī)車(chē)起動(dòng)加速過(guò)程。牽引電動(dòng)機(jī)輸出軸上的轉(zhuǎn)矩為：通常電機(jī)鐵耗和機(jī)械損耗產(chǎn)生的阻轉(zhuǎn)矩約為額定轉(zhuǎn)矩的1.5%左右。對(duì)于串勵(lì)電機(jī)來(lái)說(shuō)，電樞電流與主極磁通有一定的比例關(guān)系。所以當(dāng)恒流控制時(shí)，機(jī)車(chē)的牽引力也是恒定的，牽引特性如圖2--16所示。相控機(jī)車(chē)在起動(dòng)過(guò)程中，無(wú)一例外均采用恒流起動(dòng)的方式。因?yàn)樵谄饎?dòng)過(guò)程中沒(méi)有牽引力的波動(dòng)，所以平均起動(dòng)牽引力大，可以最大限度的接近粘著限制。當(dāng)機(jī)車(chē)一旦發(fā)生空轉(zhuǎn)時(shí)，恒流控制就不能抑制空轉(zhuǎn)，這是不利的一面。為了克服恒流控制而形成的持續(xù)空轉(zhuǎn)，這時(shí)必須由空轉(zhuǎn)保護(hù)裝置發(fā)出信號(hào)，終止恒流控制，甚至減載運(yùn)行以恢復(fù)粘著。

3.恒壓控制所謂恒壓控制是指機(jī)車(chē)運(yùn)行中，維持牽引電動(dòng)機(jī)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(shí)，其實(shí)質(zhì)是用自動(dòng)調(diào)節(jié)的辦法，補(bǔ)償了整流器內(nèi)阻的電壓降。當(dāng)電網(wǎng)電壓提高時(shí)，曲線1就向右移。低于網(wǎng)壓時(shí)，則曲線1向左移。如圖2--18中，曲線2是電機(jī)額定電壓下得到的牽引特性。當(dāng)速度時(shí)，由于整流器的輸出電壓將高于電機(jī)額定電壓，因而只能運(yùn)用于曲線2。反之當(dāng)速度時(shí)，由于整流器的輸出電壓達(dá)不到電機(jī)的額定電壓，所以只能運(yùn)用于曲線1。恒壓控制方式在日本的機(jī)車(chē)上運(yùn)用得比較廣泛，因?yàn)楹銐嚎刂朴休^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(jī)車(chē)的速度按一定規(guī)律變化的控制。通常使用的是準(zhǔn)恒速控制。

恒速控制的原理如圖2--19所示，機(jī)車(chē)的速度信號(hào)可以從反映機(jī)車(chē)速度的任一環(huán)節(jié)取得，例如輪對(duì)，大、小齒輪，電機(jī)軸等。裝于輪對(duì)上的傳感器必須能耐受輪軌間的沖擊。恒速控制可通過(guò)電動(dòng)機(jī)電壓的控制和磁場(chǎng)削弱(僅當(dāng)采用無(wú)級(jí)磁削時(shí))來(lái)達(dá)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(huì)產(chǎn)生很大的波動(dòng)，這是不希望的。因而往往采用圖中實(shí)線的形式，速度和牽引力之間的關(guān)系可寫(xiě)成：或者表示為電動(dòng)機(jī)電樞電流與速度之間的關(guān)系：

電流與牽引力之間關(guān)系為式中----牽引電動(dòng)機(jī)臺(tái)數(shù)；

----齒輪傳動(dòng)比；(2.18)(2.19)----動(dòng)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(shí)的牽引特性如圖2--20中的實(shí)線所示。對(duì)于不同的值，可以得到一組平行的直線，這種控制稱為準(zhǔn)恒速控制。為實(shí)現(xiàn)這一控制，應(yīng)該在速度反饋回路中插入一個(gè)反應(yīng)式的函數(shù)發(fā)生器（檢測(cè)電流值，實(shí)時(shí)計(jì)算出速度的指令）。5.

特性控制特性控制是目前廣泛用于國(guó)產(chǎn)機(jī)車(chē)上的一種控制，首先用于引進(jìn)的8K機(jī)車(chē)上。它是恒流控制和準(zhǔn)恒速控制的結(jié)合，即機(jī)車(chē)牽引特性具有恒流起動(dòng)和準(zhǔn)恒速運(yùn)行的雙重性能。例如8K機(jī)車(chē)，就有下列要求

(1)恒流曲線，對(duì)不同的級(jí)位，存在下面的函數(shù)關(guān)系：(A)

(2)準(zhǔn)恒速曲線，根據(jù)級(jí)位和機(jī)車(chē)速度，函數(shù)關(guān)系式：(A)

對(duì)恒流曲線、準(zhǔn)恒速曲線取最小值。對(duì)于第級(jí)，上述兩曲線的交點(diǎn)為，則當(dāng)時(shí)，取恒流曲線的輸出值。當(dāng)時(shí)，取準(zhǔn)恒速曲線的輸出值，由此構(gòu)成圖2--21曲線。根據(jù)恒流和準(zhǔn)恒速關(guān)系就可得出8K機(jī)車(chē)牽引的控制特性。

SS3B型機(jī)車(chē)采用特性控制，其控制函數(shù)為二相控電力機(jī)車(chē)/EMU牽引特性機(jī)車(chē)牽引特性是指機(jī)車(chē)輪周牽引力與機(jī)車(chē)速度之間的關(guān)系，即。它是列車(chē)運(yùn)行時(shí)牽引計(jì)算的依據(jù)。在設(shè)計(jì)中，計(jì)算牽引特性的同時(shí)，還必須計(jì)算機(jī)車(chē)的速度特性和機(jī)車(chē)的牽引力特性。對(duì)牽引特性影響較大的因素主要有：牽引電動(dòng)機(jī)的特性、機(jī)車(chē)的控制方式以及整流器的外特性。

1.電力機(jī)車(chē)牽引特性的范圍電力機(jī)車(chē)的牽引特性由整流器、牽引電動(dòng)機(jī)、機(jī)車(chē)的結(jié)

1--

粘著限制2--限制3--限制4--限制5--限制6--7--限制8--結(jié)構(gòu)參數(shù)決定。相控機(jī)車(chē)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(jī)車(chē)的牽引力應(yīng)該小于動(dòng)輪與鋼軌之間由粘著條件所決定的極限粘著力，否則動(dòng)輪將發(fā)生空轉(zhuǎn)。

(2)牽引電動(dòng)機(jī)允許的最大電流限制(曲線2)

機(jī)車(chē)牽引力應(yīng)小于牽引電動(dòng)機(jī)在低速大電流換向時(shí)所能承受最大電流限制的牽引力。該電流大于牽引電動(dòng)機(jī)的額定電流。對(duì)干線電力機(jī)車(chē)，一般為額定電流的1.2～1.4倍，個(gè)別達(dá)到1.6倍。對(duì)客運(yùn)電力機(jī)車(chē)，由于其傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)比較小，因而由牽引電動(dòng)機(jī)電流限制計(jì)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(shí)機(jī)車(chē)的牽引特性限制應(yīng)是曲線，而不是曲線1。

(3)牽引電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)有一個(gè)最高工作電壓。曲線3為最高端電壓，而且是滿磁場(chǎng)(固定分路)時(shí)，由牽引電動(dòng)機(jī)特性計(jì)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(jī)車(chē)通用技術(shù)條件(GB3317-82)中規(guī)定：機(jī)車(chē)受電弓電壓額定值為25kV，并在20kV到29kV變化范圍內(nèi)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(dòng)機(jī)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(cè)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(jī)車(chē)的牽引力越大，則牽引電機(jī)電流越大，上述壓降也越大，所以大電流時(shí)曲線4位于曲線3的下側(cè)。

(5)牽引電動(dòng)機(jī)功率限制(曲線5)

當(dāng)牽引電動(dòng)機(jī)在曲線3工作時(shí)，電壓已達(dá)到最高允許值，電流則由列車(chē)的阻力而定。在曲線3的右側(cè)，牽引電動(dòng)機(jī)的工作電壓不變，進(jìn)入磁場(chǎng)削弱下工作。曲線5是由牽引電動(dòng)機(jī)額定電壓和額定電流計(jì)算所得的牽引特性，顯然這是一條恒功率的限制曲線。因?yàn)橛蔂恳妱?dòng)機(jī)輸出傳遞至機(jī)車(chē)輪緣的功率為：式中—--牽引電動(dòng)機(jī)數(shù)；—--牽引電動(dòng)機(jī)額定電壓，V；

—--牽引電動(dòng)機(jī)額定電流，A；

--—牽引電動(dòng)機(jī)效率;—--牽引傳動(dòng)裝置效率。

(6)最深磁場(chǎng)削弱限制(曲線6、8)

牽引電動(dòng)機(jī)的換向受最深磁場(chǎng)削弱限制，最深磁場(chǎng)削弱系數(shù)由牽引電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)確定。圖中曲線6相當(dāng)于電動(dòng)機(jī)在最高端電壓、最深磁場(chǎng)削弱時(shí)的牽引特性。曲線8則相當(dāng)于整流器最大輸出電壓、最深磁場(chǎng)削弱時(shí)的牽引特性。(8)機(jī)車(chē)構(gòu)造速度的限制(曲線7)

機(jī)車(chē)的運(yùn)行速度應(yīng)小于由機(jī)車(chē)構(gòu)造所決定的最大安全速度。由上可知，電力機(jī)車(chē)牽引特性的工作范圍應(yīng)在如圖2--23所示粗實(shí)線決定的范圍內(nèi)。

對(duì)相控機(jī)車(chē)，采用無(wú)級(jí)磁場(chǎng)削弱時(shí)，則可以工作于上述范圍中的任一點(diǎn)；對(duì)有級(jí)磁場(chǎng)削弱時(shí)，在滿磁場(chǎng)區(qū)可以工作于范圍內(nèi)的任一點(diǎn)，而磁場(chǎng)削弱區(qū)則工作于曲線3、曲線6間的磁場(chǎng)削弱級(jí)曲線上。

2.牽引特性分析不同能源供給的機(jī)車(chē)，對(duì)牽引電動(dòng)機(jī)的供電方式不同，其最大功率限制因素也不同，這必將導(dǎo)致機(jī)車(chē)在牽引特性上產(chǎn)生較大的差異。

內(nèi)燃機(jī)車(chē)作為自備能源的機(jī)車(chē)，其功率及牽引能力主要受柴油機(jī)功率限制。柴油機(jī)始終工作在恒功率運(yùn)行狀態(tài)，牽引發(fā)電機(jī)按照恒功率輸出供電，機(jī)車(chē)功率受牽引電動(dòng)機(jī)功率的限制，其限制曲線應(yīng)為牽引電動(dòng)機(jī)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(jī)車(chē)/EMU為外接能源的動(dòng)力系統(tǒng)，牽引電動(dòng)機(jī)運(yùn)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(fù)荷時(shí)將出現(xiàn)過(guò)載。由圖2—23可知，電力機(jī)車(chē)與內(nèi)燃機(jī)車(chē)相比較，它們的牽引特性相差在陰影部分。電力機(jī)車(chē)在這一部分的功率大于額定功率，即在大負(fù)載下發(fā)揮了過(guò)載能力。在同一牽引力下，電力機(jī)車(chē)可以獲得更高的運(yùn)行速度，相對(duì)而言，這也是電力機(jī)車(chē)的優(yōu)點(diǎn)。機(jī)車(chē)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，可工作于界限內(nèi)的某一點(diǎn)。只有當(dāng)司機(jī)控制手柄放在最高級(jí)位時(shí)加速或減速時(shí)，才能在限制曲線上運(yùn)行。當(dāng)司機(jī)將控制手柄置于某一級(jí)位，機(jī)車(chē)將按控制特性運(yùn)行。第三節(jié)相控電力機(jī)車(chē)基本技術(shù)特征縱觀電力傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展歷程，它隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及控制理論的發(fā)展而發(fā)展。電力機(jī)車(chē)技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了直-直流電力傳動(dòng)、交-直流電力傳動(dòng)、交-直-交流電力傳動(dòng)三個(gè)大的發(fā)展階段，形成了四代產(chǎn)品。經(jīng)過(guò)了從調(diào)壓開(kāi)關(guān)與二極管組合的單拍全波整流有級(jí)調(diào)壓、調(diào)壓開(kāi)關(guān)粗調(diào)和晶閘管相控微調(diào)相結(jié)合的級(jí)間平滑調(diào)壓、多段橋晶閘管相控?zé)o級(jí)調(diào)壓的交-直流傳動(dòng)系統(tǒng)，發(fā)展到了變頻調(diào)速交流傳動(dòng)。第一代至第三代產(chǎn)品均為交-直傳動(dòng)方式，僅以調(diào)壓調(diào)速方式和單軸功率等級(jí)來(lái)區(qū)分，而第四代電力機(jī)車(chē)產(chǎn)品的基本特征是以電傳動(dòng)方式來(lái)確定的。交流電傳動(dòng)方式定為第四代產(chǎn)品標(biāo)志，采用VVVF變頻調(diào)速方式。我國(guó)電力機(jī)車(chē)自1958年誕生至今，已走過(guò)了不平坦的50多年。在50多年的發(fā)展歷程中，它同國(guó)際上技術(shù)發(fā)展路徑相類似，但我國(guó)干線電力牽引沒(méi)有經(jīng)過(guò)直流電力供電體系，直接進(jìn)入了交-直流電力傳動(dòng)體系。我國(guó)目前干線運(yùn)用的電力機(jī)車(chē)仍主要是交-直流傳動(dòng)機(jī)車(chē)，除少量第一代、第二代機(jī)車(chē)外，絕大多數(shù)為多段橋晶閘管相控?zé)o級(jí)調(diào)壓的第三代機(jī)車(chē)。第四代電力機(jī)車(chē)/EMU為交流傳動(dòng)，集中了當(dāng)今科技發(fā)展的最新成果，代表了現(xiàn)代牽引動(dòng)力發(fā)展的方向，在我國(guó)還處于初步發(fā)展階段。一、國(guó)產(chǎn)相控電力機(jī)車(chē)發(fā)展歷程我國(guó)干線主型電力機(jī)車(chē)基本為第三代機(jī)車(chē)，采用多段橋晶閘管相控?zé)o級(jí)調(diào)壓。國(guó)產(chǎn)機(jī)車(chē)的發(fā)展歷程如表2.1所示。2.3.2主型直流傳動(dòng)電力機(jī)車(chē)電路的基本特征我國(guó)相控電力機(jī)車(chē)經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，技術(shù)已相當(dāng)成熟。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期應(yīng)用和不斷改進(jìn)，電力傳動(dòng)系統(tǒng)功能已日臻完善，但由于設(shè)計(jì)權(quán)分散、貫徹標(biāo)準(zhǔn)不夠而形成了差別，離標(biāo)準(zhǔn)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(jī)車(chē)的主電路不能統(tǒng)一，主要設(shè)備、部件不通用，如主整流柜、高壓母線等，每型機(jī)車(chē)不一樣，即使半導(dǎo)體元件的模塊相同，也不能通用。這樣不利于機(jī)車(chē)總體和部件的模塊化、通用化，同時(shí)也給機(jī)車(chē)運(yùn)用、廠修改造、配件維修等諸多環(huán)節(jié)帶來(lái)麻煩，增加了運(yùn)營(yíng)、維護(hù)成本。目前，我國(guó)仍在運(yùn)營(yíng)的干線交-直流傳動(dòng)電力機(jī)車(chē)有11個(gè)型號(hào)，主電路的形式多達(dá)11種，其基本技術(shù)特點(diǎn)見(jiàn)表2.2。型號(hào)用途牽引主電路結(jié)構(gòu)電氣制動(dòng)電路牽引電動(dòng)機(jī)磁削方式無(wú)功補(bǔ)償裝置勵(lì)磁方式電壓等級(jí)（V）SS4G貨運(yùn)不等分三段半控橋相控調(diào)壓加饋電阻制動(dòng)串勵(lì)1000三級(jí)磁削有SS4B貨運(yùn)不等分三段半控橋相控調(diào)壓加饋電阻制動(dòng)串勵(lì)1000三級(jí)磁削有SS6B貨運(yùn)不等分三段半控橋相控調(diào)壓加饋電阻制動(dòng)串勵(lì)1000三級(jí)磁削有SS3B貨運(yùn)不等分三段半控橋相控調(diào)壓加饋電阻制動(dòng)串勵(lì)1550三級(jí)磁削無(wú)SS7/SS7B貨運(yùn)一段全控橋一段半控橋相控再生制動(dòng)復(fù)勵(lì)1000無(wú)級(jí)磁削有SS7C貨運(yùn)一段全控橋一段半控橋相控再生制動(dòng)復(fù)勵(lì)1000無(wú)級(jí)磁削有SS8客運(yùn)不等分三段半控橋相控調(diào)壓加饋電阻制動(dòng)串勵(lì)1000無(wú)級(jí)磁削無(wú)SS9客運(yùn)不等分三段半控橋相控調(diào)壓加饋電阻制動(dòng)串勵(lì)1000無(wú)級(jí)磁削無(wú)SS9G客運(yùn)不等分三段半控橋相控調(diào)壓加饋電阻制動(dòng)串勵(lì)1000無(wú)級(jí)磁削無(wú)SS7D客運(yùn)不等分三段半控橋相控調(diào)壓加饋電阻制動(dòng)復(fù)勵(lì)1000無(wú)級(jí)磁削無(wú)SS7E客運(yùn)不等分三段半控橋相控調(diào)壓加饋電阻制動(dòng)復(fù)勵(lì)1000無(wú)級(jí)磁削無(wú)表2.2國(guó)產(chǎn)干線相控電力機(jī)車(chē)主要技術(shù)特點(diǎn)從表2.2可以看出，我國(guó)相控電力機(jī)車(chē)的技術(shù)平臺(tái)相似，但型雜量小的問(wèn)題較為突出。各主機(jī)廠在技術(shù)開(kāi)發(fā)上對(duì)成熟技術(shù)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(guó)內(nèi)同行中標(biāo)新立異，對(duì)成熟技術(shù)進(jìn)行包裝與翻新，缺乏真正意義上的創(chuàng)新。缺乏合作，沒(méi)有集中有限的資源共同將市場(chǎng)做大、將產(chǎn)業(yè)做強(qiáng)，產(chǎn)生多贏的態(tài)勢(shì)，為創(chuàng)新而創(chuàng)新，片面追求技術(shù)指標(biāo)的先進(jìn)性，直接影響了電力機(jī)車(chē)技術(shù)水平的提升，使國(guó)產(chǎn)電力機(jī)車(chē)發(fā)展與國(guó)際先進(jìn)水平差距拉大，最終以產(chǎn)品疑似、技術(shù)重復(fù)包裝翻新而結(jié)束了交-直流傳動(dòng)階段。這一教訓(xùn)值得深思，但愿在引進(jìn)、吸收交流傳動(dòng)技術(shù)的過(guò)程中，不僅要引進(jìn)硬件技術(shù)，更要學(xué)習(xí)國(guó)際上知名電力機(jī)車(chē)制造商先進(jìn)的設(shè)計(jì)、營(yíng)銷理念，放眼世界市場(chǎng)。通過(guò)對(duì)主型干線交-直流傳動(dòng)電力機(jī)車(chē)技術(shù)特點(diǎn)的分析可知，在主電路結(jié)構(gòu)方面基本相同，只是由于制造廠家采用技術(shù)路線方面的差異而出現(xiàn)了一些不同。總體技術(shù)性能差別較小，但在機(jī)車(chē)運(yùn)用數(shù)量、技術(shù)成熟度方面還存在差距?，F(xiàn)從整流調(diào)壓方式、牽引電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁方式、磁場(chǎng)削弱方式、電氣制動(dòng)方式、無(wú)功補(bǔ)償裝置等方面，全面分析各相控調(diào)壓主型電力機(jī)車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)，可發(fā)現(xiàn)在主電路結(jié)構(gòu)方面存在著一些共同的特征。1.主電路的基本特征我國(guó)干線相控電力機(jī)車(chē)主電路存在著如下基本技術(shù)特征：①主電路的調(diào)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?yàn)橹?；②貨運(yùn)機(jī)車(chē)幾乎都采用三級(jí)磁場(chǎng)削弱方式，客運(yùn)機(jī)車(chē)全部采用無(wú)級(jí)磁場(chǎng)削弱方式；③電氣制動(dòng)主要采用加饋電阻制動(dòng)方式，唯有SS7/SS7B/SS7C采用再生制動(dòng)方式；④貨運(yùn)機(jī)車(chē)基本都設(shè)置了無(wú)功功率補(bǔ)償裝置，客運(yùn)機(jī)車(chē)沒(méi)有設(shè)置功率補(bǔ)償裝置；⑤牽引電動(dòng)機(jī)主要采用串勵(lì)方式，只有SS7系列采用復(fù)勵(lì)方式。根據(jù)相控電力機(jī)車(chē)傳動(dòng)技術(shù)方面的共同特征，進(jìn)行歸納、分類合并。按照客運(yùn)機(jī)車(chē)和貨運(yùn)機(jī)車(chē)來(lái)分，可分為兩個(gè)大類。由于脈流牽引電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁方式有串勵(lì)和復(fù)勵(lì)兩種，其性能各有優(yōu)缺點(diǎn)，形成了兩種電路形式。這樣，11種主型電力機(jī)車(chē)可分為兩類四個(gè)規(guī)格。具體情況見(jiàn)表2.3。表2.3國(guó)產(chǎn)相控電力機(jī)車(chē)主電路形式及特征用途牽引主電路電氣制動(dòng)電路牽引電動(dòng)機(jī)磁削方式無(wú)功補(bǔ)償裝置代表車(chē)型勵(lì)磁方式電壓等級(jí)（V）客運(yùn)不等分三段半控橋相控調(diào)壓加饋電阻制動(dòng)串勵(lì)1000無(wú)級(jí)磁削無(wú)SS8、SS9、SS9G客運(yùn)不等分三段半控橋相控調(diào)壓加饋電阻制動(dòng)復(fù)勵(lì)1000無(wú)級(jí)磁削無(wú)SS7D、SS7E貨運(yùn)不等分三段半控橋相控調(diào)壓加饋電阻制動(dòng)串勵(lì)1000三級(jí)磁削有SS4B、SS6B、SS3B貨運(yùn)一段全控橋一段半控橋相控再生制動(dòng)復(fù)勵(lì)1000無(wú)級(jí)磁削有SS7、SS7B、SS7C2.兩個(gè)技術(shù)平臺(tái)通過(guò)對(duì)主型干線電力機(jī)車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)的分析，可清楚地看到，盡管車(chē)型很多，但總的可歸為兩個(gè)技術(shù)基本相似的平臺(tái)（株洲平臺(tái)、大同平臺(tái)），并且在逐步融合。株洲平臺(tái)以SS3B、SS4B、SS6B、SS8、SS9/SS9G為代表，技術(shù)成熟、保有量很大，技術(shù)發(fā)展具有一定的繼承性、連續(xù)性。無(wú)論從技術(shù)成熟度、開(kāi)發(fā)能力，還是運(yùn)營(yíng)范圍都代表了我國(guó)電力機(jī)車(chē)的最高水平，引領(lǐng)了國(guó)內(nèi)交-直流傳動(dòng)電力機(jī)車(chē)發(fā)展的方向，其技術(shù)特征為：牽引主電路采用三段不等分半控橋順序控制的調(diào)壓電路，電氣制動(dòng)基本采用加饋電阻制動(dòng)，客運(yùn)機(jī)車(chē)采用無(wú)級(jí)磁削，貨運(yùn)機(jī)車(chē)采用三級(jí)有級(jí)磁削方式，牽引電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁采用串勵(lì)方式。大同平臺(tái)是以SS7～SS7E機(jī)車(chē)為代表，機(jī)車(chē)保有量、技術(shù)成熟度、開(kāi)發(fā)能力及運(yùn)營(yíng)范圍都略遜于株洲平臺(tái)，技術(shù)的繼承性、連續(xù)性具有跨越式，但后期生產(chǎn)的機(jī)車(chē)采用了模塊化設(shè)計(jì)，走出了國(guó)內(nèi)電力機(jī)車(chē)模塊化發(fā)展的第一步。其基本技術(shù)特征是牽引電動(dòng)機(jī)采用他復(fù)勵(lì)方式，貨運(yùn)機(jī)車(chē)采用再生制動(dòng)、無(wú)級(jí)磁場(chǎng)削弱。其發(fā)展逐步在接近株洲平臺(tái)，特別是在客運(yùn)機(jī)車(chē)方面?？瓦\(yùn)機(jī)車(chē)SS7E中除勵(lì)磁方式仍保留他復(fù)勵(lì)外，其余與株洲平臺(tái)技術(shù)特征相同。因此，株洲技術(shù)平臺(tái)代表了我國(guó)交-直流傳動(dòng)電力機(jī)車(chē)的主流方向，對(duì)電力機(jī)車(chē)/EMU交-直流傳動(dòng)系統(tǒng)的分析以此為樣本。第四節(jié)相控電力機(jī)車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)電路分析根據(jù)國(guó)產(chǎn)相控電力機(jī)車(chē)的主要技術(shù)特征，SS3B、SS4B、SS6B、SS8、SS9G為同一技術(shù)平臺(tái)，代表了客貨運(yùn)電力機(jī)車(chē)的技術(shù)水平，以此平臺(tái)為樣板，從主電路、輔助電路和控制電路三方面分別對(duì)電力機(jī)車(chē)的交-直流傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行分析。一、主電路主電路是電力機(jī)車(chē)完成能量轉(zhuǎn)換、產(chǎn)生牽引力與制動(dòng)力的主體電路，是實(shí)現(xiàn)機(jī)車(chē)啟動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)這三個(gè)基本功能的電路。現(xiàn)從整流調(diào)壓方式、供電方式、磁削方式和電阻制動(dòng)方式幾方面進(jìn)行分析。網(wǎng)側(cè)高壓電路整流調(diào)壓電路整流調(diào)壓過(guò)程供電方式加饋電阻制動(dòng)磁場(chǎng)削弱主電路的保護(hù)電路電能計(jì)量電路1.網(wǎng)側(cè)高壓電路受電弓升起與接觸網(wǎng)線接觸后，將25kV、50Hz單相交流電通過(guò)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(jīng)低壓電流互感器2HL后接至車(chē)體，再經(jīng)接地裝置到車(chē)輪，通過(guò)鋼軌向變電所回流，形成高壓供電回路。2.整流調(diào)壓電路相控電力機(jī)車(chē)基本采用三段不等分半控整流橋順序控制的調(diào)壓方式，各主型電力機(jī)車(chē)的整流調(diào)壓方式相同，電路結(jié)構(gòu)相似，在此以SS3B型電力機(jī)車(chē)為例進(jìn)行分析。

SS3B型電力機(jī)車(chē)主電路（一臺(tái)轉(zhuǎn)向架）如圖2.24所示。對(duì)一臺(tái)整流器而言，主變壓器低壓側(cè)采用晶閘管不等分三段半控橋順序相控調(diào)壓。SS3B型電力機(jī)車(chē)主變壓器ZB的二次繞組由兩組對(duì)稱的繞組構(gòu)成。每組繞組設(shè)計(jì)為兩段完全對(duì)稱的繞組（完整繞組），并將其中的一段繞組設(shè)計(jì)為中抽式結(jié)構(gòu)，這樣可形成三段不對(duì)稱繞組，各段繞組的匝數(shù)比為2∶1∶1。網(wǎng)側(cè)25kV、50Hz的高壓電經(jīng)主變壓器ZB降壓，在二次側(cè)各段完整繞組上輸出電壓為1071V。對(duì)于每組繞組，分別產(chǎn)生三段電壓，即1071V、535.5V、535.5V，經(jīng)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(gòu)成，稱為大橋（或四臂橋），其輸出電壓可達(dá)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(dá)到額定輸出電壓的1/4。3.整流調(diào)壓過(guò)程

不等分三段半控橋式調(diào)壓整流電路的升壓順序控制過(guò)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(diào)節(jié)T11、T12的導(dǎo)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(cè)電的正半波，給T11施加觸發(fā)脈沖信號(hào)，電流從a1端開(kāi)始流經(jīng)3HL、D11正端，到達(dá)直流電源正端1號(hào)母線處，通過(guò)平波電抗器1PK流向牽引電動(dòng)機(jī)接觸器觸點(diǎn)的上端5號(hào)母線及1～3XC，分別向牽引電動(dòng)機(jī)1M、2M、3M供電，流過(guò)電樞繞組、串勵(lì)繞組到達(dá)直流電源的負(fù)端3號(hào)母線，再經(jīng)D13、D14、7號(hào)母線和晶閘管T11，到達(dá)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(fù)半波，給T12施加觸發(fā)脈沖，電流從x1端開(kāi)始經(jīng)過(guò)T12到達(dá)直流電源的正端1號(hào)母線處，其后與正半波時(shí)相同，向牽引電動(dòng)機(jī)供電直至D13、D14、7號(hào)母線和D12，到達(dá)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(dāng)調(diào)節(jié)T11、T12完全導(dǎo)通后，輸出電壓達(dá)到額定電壓的一半，保持T11、T12處于全開(kāi)放狀態(tài)。（2）第二段半控橋

待T11、T12全開(kāi)放以后，第二段半控橋（小橋）開(kāi)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(kāi)放的半控橋串聯(lián)，向牽引電動(dòng)機(jī)供電。在變壓器二次繞組電壓的正半波，電流流向：a1—3HL—1號(hào)母線—1PK—5號(hào)母線—1～3XC—1～3M—整流器輸出負(fù)端3號(hào)母線—T13—b3-a3—5HL—7號(hào)線—T11—x1-a1，形成正半波供電回路；在變壓器二次側(cè)電壓的負(fù)半波，電流流向?yàn)椋簒1—T12—整流器正端1號(hào)母線—1PK—5號(hào)母線—1～3XC—1～3M—整流器輸出負(fù)端3號(hào)母線—D14—5HL—a3-b3—T14—7號(hào)線—D12—3HL—a1-x1，形成負(fù)半波供電回路。調(diào)節(jié)T13、T14直至完全導(dǎo)通。保持T11、T12和T13、T14全開(kāi)放狀態(tài)，此時(shí)整流器輸出電壓達(dá)到額定電壓的3/4。（3）第三段半控橋

當(dāng)T13、T14全開(kāi)放后，可使第三段半控橋（小橋）投入工作，由繞組b3-x3供電。調(diào)節(jié)T15、T16，并與處于全開(kāi)放狀態(tài)的第一、二段半控橋串聯(lián)，共同向牽引電動(dòng)機(jī)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(hào)母線—1PK—5號(hào)母線—1～3XC—1～3M—整流器輸出負(fù)端3號(hào)母線—T15—x3-a3—5HL—D13—7號(hào)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(fù)半波，電流流向：x1—T12—整流器正端1號(hào)母線—1PK—5號(hào)母線—1～3XC—1～3M—整流器輸出負(fù)端3號(hào)母線—D14—5HL—a3-x3—T16—7號(hào)線—D12—3HL—a1-x1，形成負(fù)半波供電回路。若T15、T16完全開(kāi)放以后，整流器輸出電壓調(diào)節(jié)過(guò)程結(jié)束，此時(shí)總輸出電壓為三段半控橋全開(kāi)放輸出電壓之和，最高電壓達(dá)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(dǎo)通角自全導(dǎo)通至關(guān)斷狀態(tài)，便依次完成整個(gè)不等分三段半控橋的降壓調(diào)節(jié)過(guò)程。三段不等分半控橋的調(diào)壓控制過(guò)程與輸出波形，如圖2.26所示。需注意：在接觸網(wǎng)允許工作的最低電壓下，當(dāng)?shù)谌伟肟貥蛲耆_(kāi)放時(shí)要能夠保證牽引電動(dòng)機(jī)的額定電壓。在接觸網(wǎng)額定電壓下，第三段半控橋一般不會(huì)全開(kāi)放，只在部分導(dǎo)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(jī)車(chē)在牽引工況時(shí)，各轉(zhuǎn)向架的牽引電動(dòng)機(jī)為并聯(lián)狀態(tài)，分別由相應(yīng)的相控整流裝置集中供電，稱為轉(zhuǎn)向架獨(dú)立供電方式（或稱為架控供電式）。采用轉(zhuǎn)向架獨(dú)立供電方式，提高了機(jī)車(chē)的可靠性。5.加饋電阻制動(dòng)SS3B型電力機(jī)車(chē)采用限流準(zhǔn)恒速特性控制的加饋電阻制動(dòng)。電阻制動(dòng)時(shí)，牽引電動(dòng)機(jī)需由串勵(lì)方式改為他勵(lì)發(fā)電機(jī)方式運(yùn)行，并將六臺(tái)牽引電機(jī)的勵(lì)磁繞組串聯(lián)起來(lái)，由勵(lì)磁電源提供他勵(lì)電流。勵(lì)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(guò)控制T17、T18晶閘管導(dǎo)通角，實(shí)現(xiàn)對(duì)勵(lì)磁電流的平滑調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍0～650A。圖2.27電阻制動(dòng)工況電路原理圖在制動(dòng)主回路中，各電機(jī)電樞繞組分別與對(duì)應(yīng)的制動(dòng)電阻（1～6ZR，3.54）串聯(lián)后，將各轉(zhuǎn)向架中三臺(tái)電機(jī)并聯(lián)，再與半控整流橋（大橋T11、T12、D11、D12（T21、T22、D21、D22）構(gòu)成各自獨(dú)立的制動(dòng)電路，將列車(chē)的慣性能量轉(zhuǎn)化為電能，通過(guò)制動(dòng)電阻把電能轉(zhuǎn)化為熱能并排向大氣，達(dá)到減速或限速的目的。

當(dāng)SS3B型電力機(jī)車(chē)制動(dòng)限流進(jìn)入低速區(qū)（v＜46km/h），勵(lì)磁電流已達(dá)到最大值550A（限制值），此后隨著機(jī)車(chē)速度的降低，發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電勢(shì)也在降低，制動(dòng)電流及制動(dòng)力也在減小，已無(wú)法維持制動(dòng)電流不變。為了在低速區(qū)獲得最大制動(dòng)力，改善低速區(qū)制動(dòng)能力不足的問(wèn)題，需要依靠半控整流橋（大橋）相控調(diào)壓，輸出直流電壓對(duì)制動(dòng)電路實(shí)施電流加饋，使整流橋輸出加饋電壓與發(fā)電機(jī)輸出電勢(shì)保持反向同步變化，即發(fā)電機(jī)電勢(shì)減小多少，加饋電源電壓升高多少，以維持制動(dòng)電流恒定、制動(dòng)力恒定，實(shí)現(xiàn)加饋電阻制動(dòng)。當(dāng)列車(chē)速度達(dá)到19km/h時(shí)，半控整流橋晶閘管已完全開(kāi)放，加饋制動(dòng)功率達(dá)到最大值。在19km/h以下，制動(dòng)電流不再保持恒定，制動(dòng)力先按照最大勵(lì)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(shí)仍保持加饋制動(dòng)電流50A。圖2.28SS3B型電力機(jī)車(chē)加饋電阻制動(dòng)特性曲線請(qǐng)注意：機(jī)車(chē)在50A的加饋制動(dòng)電流作用下，會(huì)產(chǎn)生一定的反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，故試驗(yàn)時(shí)一定要確?？諝庵苿?dòng)抱閘，以保證安全。制動(dòng)過(guò)程中的能量關(guān)系可表示如下：6.磁場(chǎng)削弱在國(guó)產(chǎn)相控電力機(jī)車(chē)中，當(dāng)整流器輸出電壓達(dá)到牽引電動(dòng)機(jī)最高工作電壓時(shí)，調(diào)壓調(diào)速即告結(jié)束。為了進(jìn)一步提高機(jī)車(chē)運(yùn)行速度，需要對(duì)牽引電動(dòng)機(jī)進(jìn)行磁場(chǎng)削弱。磁場(chǎng)削弱有兩種電路，貨運(yùn)電力機(jī)車(chē)一般采用并聯(lián)電阻的有級(jí)磁削，為三級(jí)磁削。客運(yùn)機(jī)車(chē)為了保證運(yùn)行平穩(wěn)，一般采用無(wú)級(jí)磁削，連續(xù)平滑地調(diào)節(jié)磁場(chǎng)。磁場(chǎng)削弱是在牽引電動(dòng)機(jī)端電壓達(dá)到最高時(shí)，擴(kuò)大機(jī)車(chē)恒功率運(yùn)行速度范圍的一種經(jīng)濟(jì)調(diào)速方法，是調(diào)壓調(diào)速的補(bǔ)充。隨著磁削深度的增加，電動(dòng)機(jī)的換向條件也在惡化，必須要注意在最深磁削條件下電動(dòng)機(jī)的換向狀態(tài)，確保電動(dòng)機(jī)可靠換向。（1）貨運(yùn)機(jī)車(chē)并聯(lián)電阻有級(jí)磁削貨運(yùn)電力機(jī)車(chē)采用三級(jí)電阻磁削電路。SS3B型電力機(jī)車(chē)磁削電路如圖2.29所示。為了降低牽引電動(dòng)機(jī)主極繞組（串勵(lì)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(duì)主極磁場(chǎng)進(jìn)行磁削，磁削系數(shù)為0.95，將主極中電流的交變分量限定在25%以內(nèi)，保證牽引電動(dòng)機(jī)可靠換向。當(dāng)三段半控橋可控元件全導(dǎo)通或輸出電壓達(dá)到牽引電動(dòng)機(jī)最高工作電壓時(shí)，方可進(jìn)行磁削調(diào)速。此時(shí)整流器輸出母線1、3號(hào)線之間的電壓維持不變，牽引電動(dòng)機(jī)電樞回路的連接保持不變，只在串勵(lì)繞組C1-C2（阻值0.015592，20C）兩端逐級(jí)并入磁削電阻。兩組電阻可產(chǎn)生三級(jí)磁削：

Ⅰ級(jí)磁削電阻11～61CXR，阻值為0.063，通過(guò)電空接觸器11～61CC閉合接入主極繞組，磁削系數(shù)為0.7。Ⅱ級(jí)磁削電阻12～62CXR，阻值為0.0271，通過(guò)12～62CC電空接觸器閉合并入主極繞組，磁削系數(shù)為0.54。Ⅲ級(jí)磁削通過(guò)11～61CC和12～62CC電空接觸器閉合同時(shí)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(shù)為0.45。（2）客運(yùn)電力機(jī)車(chē)無(wú)級(jí)磁削客運(yùn)電力機(jī)車(chē)對(duì)調(diào)速平穩(wěn)性要求較高，一般都采用無(wú)級(jí)磁場(chǎng)削弱。通過(guò)控制并聯(lián)在主極繞組上的一組晶閘管的導(dǎo)通角，就可以連續(xù)平滑地調(diào)節(jié)流過(guò)晶閘管的電流，即平滑地對(duì)主極電流進(jìn)行分流，使其磁通平滑地改變，達(dá)到對(duì)牽引電動(dòng)機(jī)主極磁場(chǎng)的連續(xù)平滑控制，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。以SS9G型電力機(jī)車(chē)為例來(lái)討論無(wú)級(jí)磁削調(diào)速電路。SS9G型電力機(jī)車(chē)磁削電路（一臺(tái)轉(zhuǎn)向架）如圖2.30所示。在一臺(tái)轉(zhuǎn)向架中，三臺(tái)牽引電動(dòng)機(jī)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(shí)，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(tái)電動(dòng)機(jī)的磁削電路需要兩個(gè)晶閘管，在交流電源正、負(fù)半波時(shí)，分別負(fù)責(zé)其電流的流向與整流器一致。當(dāng)整流器三段半控橋完全導(dǎo)通或輸出電壓達(dá)到規(guī)定值時(shí)，為了進(jìn)一步提高電力機(jī)車(chē)恒功率運(yùn)行速度，開(kāi)始進(jìn)行磁場(chǎng)削弱。在變壓器二次側(cè)電壓的正半波，給晶閘管T8、T10、T12施加觸發(fā)脈沖，控制其導(dǎo)通角，改變磁削系數(shù)；在變壓器二次測(cè)電壓的負(fù)半波，給晶閘管T7、T9、T11施加觸發(fā)脈沖，控制其導(dǎo)通角，改變磁削系數(shù)。通過(guò)不斷改變晶閘管的導(dǎo)通角，即可連續(xù)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的大小，對(duì)勵(lì)磁繞組實(shí)施磁場(chǎng)削弱，直至最小磁削系數(shù)為止，從而達(dá)到磁削調(diào)速的目的。圖2.30SS9G型電力機(jī)車(chē)無(wú)級(jí)磁削電路原理圖7.主電路的保護(hù)電路相控電力機(jī)車(chē)的主電路具有完備的保護(hù)功能，主要設(shè)置有過(guò)電壓保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)、接地保護(hù)等保護(hù)功能，以避免主電路的各設(shè)備發(fā)生損害。（1）過(guò)電壓保護(hù)電力機(jī)車(chē)/EMU在運(yùn)行中承受的過(guò)電壓有外部過(guò)電壓和內(nèi)部過(guò)電壓之分。外部過(guò)電壓是指來(lái)自機(jī)車(chē)/EMU外部的雷電，其電壓高達(dá)幾十萬(wàn)伏以上，它通過(guò)接觸網(wǎng)線侵入機(jī)車(chē)車(chē)頂，稱為大氣過(guò)電壓。外部過(guò)電壓的保護(hù)，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(chē)頂上，接在主斷路器觸頭與隔離開(kāi)關(guān)之間，以防止外部大氣過(guò)電壓侵襲。當(dāng)遭遇雷電侵襲時(shí)避雷器放電，相當(dāng)于接觸網(wǎng)對(duì)地短路，通過(guò)鋼軌及回流母線，短路電流被送入變電所，將會(huì)引起牽引變電所開(kāi)關(guān)跳閘，切斷接觸網(wǎng)供電以保護(hù)此區(qū)段中運(yùn)行的所有電力機(jī)車(chē)。SS3B、SS4G、SS8、SS9型電力機(jī)車(chē)均采用Y10W-42/105TD型避雷器，標(biāo)稱放電電流為10kA，額定電壓為42kV，殘壓≤105kV。內(nèi)部過(guò)電壓是指電力機(jī)車(chē)/EMU車(chē)載電器設(shè)備工作時(shí)產(chǎn)生的電壓沖擊，如主斷路器的開(kāi)閉、各種電氣開(kāi)關(guān)的分合、整流器元件的換向等，都會(huì)危及電力機(jī)車(chē)電氣設(shè)備的安全運(yùn)行。抑制內(nèi)部過(guò)電壓，采用在主變壓器二次側(cè)各牽引繞組兩端跨接R-C吸收電路，可以有效地吸收過(guò)電壓。SS3B型電力機(jī)車(chē)R-C過(guò)電壓吸收電路參數(shù)：保護(hù)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(cè)過(guò)電壓峰值抑制在6%以下。（2）過(guò)電流保護(hù)電力機(jī)車(chē)在運(yùn)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(dòng)機(jī)環(huán)火等故障時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響機(jī)車(chē)的安全運(yùn)行，必須采取措施進(jìn)行過(guò)電流保護(hù)?，F(xiàn)以SS3B型電力機(jī)車(chē)為例，討論過(guò)電流保護(hù)，電路如圖2.31所示。①網(wǎng)側(cè)過(guò)電流保護(hù)。對(duì)網(wǎng)側(cè)電路因短路、接地而產(chǎn)生的過(guò)電流，依靠電流繼電器YGJ及高壓電流互感器1LH（變比200/5）進(jìn)行保護(hù)，電流繼電器的整定值為400A的正負(fù)百分之五。當(dāng)電流達(dá)到整定值時(shí)，電流繼電器動(dòng)作，相應(yīng)電流為10A，YGJ動(dòng)作吸合使主斷路器分閘。高壓電流互感器以上的車(chē)頂電路發(fā)生短路、接地時(shí)，電力機(jī)車(chē)自身不能保護(hù)，只有通過(guò)牽引變電所開(kāi)關(guān)跳閘來(lái)進(jìn)行保護(hù)。②變壓器二次側(cè)過(guò)電流保護(hù)。當(dāng)主變壓器二次側(cè)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(shí)，通過(guò)電流互感器3、4、5、6LH（3000A/1A）與電子控制系統(tǒng)ZGZK實(shí)施保護(hù)。當(dāng)二次側(cè)電流達(dá)到時(shí)，電子控制系統(tǒng)動(dòng)作使主斷路器跳閘。③晶閘管元件過(guò)電流保護(hù)。對(duì)于主整流器中的晶閘管元件T13、T14、T23、T24、T17、T18，通過(guò)在其支路中串入快速熔斷器進(jìn)行橋臂短路保護(hù)，快速熔斷器型號(hào)NGT3-630/1000V。④直流回路過(guò)電流保護(hù)。對(duì)牽引電動(dòng)機(jī)回路可能發(fā)生的短路、環(huán)火、過(guò)載等故障，通過(guò)直流電流傳感器1～6ZLH進(jìn)行檢測(cè)，由ZGZK實(shí)施保護(hù)。牽引時(shí)，過(guò)電流保護(hù)整定值為800A正負(fù)百分之五。當(dāng)電流達(dá)到整定值時(shí)，保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作使主斷路器跳閘。制動(dòng)時(shí)，過(guò)電流保護(hù)整定值為450A正負(fù)百分之五。當(dāng)電流達(dá)到整定值時(shí)，保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作，通過(guò)勵(lì)磁中間繼電器LCZJ使勵(lì)磁接觸器LC斷開(kāi)。制動(dòng)時(shí)還需對(duì)勵(lì)磁電流進(jìn)行過(guò)流保護(hù)，通過(guò)電流傳感器7ZLH檢測(cè)，由電子控制系統(tǒng)ZGZK來(lái)實(shí)施。整定值700A正負(fù)百分之五，通過(guò)LCZJ使LC斷開(kāi)，切斷勵(lì)磁電路。（3）接地保護(hù)電力機(jī)車(chē)在運(yùn)行中，由于振動(dòng)、摩擦等原因可能造成電氣設(shè)備或?qū)Ь€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(dǎo)電體直接與車(chē)體金屬部位接觸或絕緣性能不可再恢復(fù)，將視為“死接地”；若帶電導(dǎo)體通過(guò)空氣對(duì)地閃絡(luò)放電或通過(guò)絕緣物表面對(duì)地閃絡(luò)放電，稱為“活接地”。如接地故障出現(xiàn)兩點(diǎn)以上，將會(huì)導(dǎo)致短路故障而燒損設(shè)備和導(dǎo)線，因此，在出現(xiàn)一點(diǎn)接地時(shí)，必須采用接地保護(hù)裝置進(jìn)行保護(hù)。