電力機車電氣制動技術分析202X匯報人：AiPPT匯報時間：202XCONTENTS電阻制動原理與應用再生制動原理與應用交-直-交型電力機車再生制動電力機車電氣制動技術的發(fā)展趨勢Part電阻制動原理與應用01串勵電機電阻制動利用電機的可逆性原理，將列車動能轉變?yōu)殡娔?，通過制動電阻耗散。在牽引工況時，牽引電機將電能轉變?yōu)闄C械能；而在電阻制動工況時，牽引電機吸收列車的動能作發(fā)電機運轉，所產生的電能消耗在制動電阻上，同時產生與機車運行方向相反的制動力，對列車實施制動。串勵電機電阻制動不需要額外的勵磁電壓，用改變制動電阻Rz的大小來調節(jié)制動電流和制動力。但在高壓大電流情況下，制動電阻要求有許多抽頭和相應的開關電器，造成線路復雜，設備增多，且調節(jié)是有級的。同時制動電阻不能取值過大，否則會使電機不能自激。當多臺電機并聯共用一個制動電阻時，還會出現不穩(wěn)定狀態(tài)。串勵電機電阻制動它勵電機電阻制動時，機車在某一速度下從牽引工況迅速過渡到電阻制動工況時，主電路必須進行轉換，即：切斷牽引電動機電源，各牽引電動機電樞回路中分別接入制動電阻RZ，將各牽引電動機的勵磁繞組串聯后與勵磁電源連接，勵磁電源是半控整流電路，一般由主變壓器的輔助繞組供電。制動電流????=????????，由于這時的電流方向與牽引狀態(tài)下的電流方向反向，因此其轉矩與電機的轉速方向相反，形成制動轉矩。這樣，可以在較大范圍內，均勻地調節(jié)制動力，便于控制機車的運行速度。它勵電阻制動的控制方式有三種，即恒磁通控制、恒電流控制、恒速控制。恒磁通控制是指它勵電機的勵磁電流固定，制動力的調節(jié)靠調節(jié)制動電阻的大小來進行。對于某一固定的勵磁電流（即Φ數值恒定），制動力與速度成正比關系，并且IL越大，特性曲線越陡。恒電流控制是指保持制動電流不變，制動力調節(jié)靠調節(jié)它勵電流實現。在Iz＝C情況下，機車電制動力與機車速度成反比關系，特性曲線為一雙曲線。恒速控制是指隨著外界加速力的變化相應調節(jié)它勵電機的勵磁電流，使機車在制動時保持速度恒定不變。它勵電機電阻制動電阻制動技術相對簡單，但制動的能量沒有得到有效的利用。電阻制動的最大缺點，從特性曲線上看是低速時制動力直線下降，制動效果不明顯。目前一般采用二種方法加以克服。分級電阻制動是利用改變制動電阻阻值來改變制動特性，即將制動電阻分成兩級或三級。低速時由于發(fā)電機電勢隨速度的降低而正比的降低，對于一定的制動電阻，制動電流亦正比減小，因而不能維持一定制動力時所需電流，若將制動電阻短接（減?。┮徊糠?，則盡管由于機車速度的降低使發(fā)電機電勢下降了，但由于制動電阻減小了，制動電流仍能保持較大的值，以維持低速時有較大的制動力。加饋電阻制動又稱“補足”電阻制動，電阻制動在低速時由于制動電流減小而制動力下降。為了維持制動電流不變，克服機車制動力在低速區(qū)減小的狀況，在制動回路外接附加制動電源來補足。根據原理圖寫出回路方程式，所以制動電流因需要根據實際制動電流及時補足減少部分，故要求附加制動電源連續(xù)可調。一般相控機車上不另設加饋電源，而是使用牽引時的整流調壓電路在制動工況作為加饋電源。電阻制動的局限性電阻制動基本原理恒磁通控制是指它勵電機的勵磁電流固定，制動力的調節(jié)靠調節(jié)制動電阻的大小來進行。對于某一固定的勵磁電流（即Φ數值恒定），制動力與速度成正比關系，并且IL越大，特性曲線越陡。這種控制方式因有級、電路復雜，在現代電力機車上不單獨使用，而是作為一種彌補手段，在低速區(qū)制動力明顯不足時，為提高機車制動力短接一部分制動電阻進行制動分級。01恒磁通控制恒電流控制是指保持制動電流不變，制動力調節(jié)靠調節(jié)它勵電流實現。在Iz＝C情況下，機車電制動力與機車速度成反比關系，特性曲線為一雙曲線。另外當制動電流保持恒定時，制動力在很寬的范圍內隨速度的升高而降低，機械穩(wěn)定性差，使工作特性使用范圍受限。相控機車在高速區(qū)一般采用此種控制方式。02恒電流控制恒速控制是指隨著外界加速力的變化相應調節(jié)它勵電機的勵磁電流，使機車在制動時保持速度恒定不變。例如機車在長大下坡道上運行時，給定機車速度為某恒定值，若機車速度因加速力增大而超過給定值時，則加大勵磁電流使機車制動力增加，迫使機車速度下降；當機車速度低于給定值時，減小勵磁電流使機車制動力減小，機車速度又自動上升。如此根據機車速度的變化趨勢，不斷調節(jié)勵磁電流，使其制動力自動與加速力相平衡，保持機車以給定的速度恒速下坡。圖4-1-4所示為恒速制動特性曲線，圖中每條近似垂直的直線，為每一給定速度值時的制動特性曲線。顯然，恒速制動是一種較為理想的制動特性，對穩(wěn)定列車下坡速度，提高列車平均速度都十分有利。采用它勵電阻制動的相控機車通過對勵磁電流的調節(jié)可以做到平滑連續(xù)，且調節(jié)功率小，易于實現自動控制。03恒速控制電阻制動的控制方式Part再生制動原理與應用02再生制動是將制動所產生的電能回饋到接觸網，供給區(qū)段內其他電力機車用電，或者再經牽引變電所回送到一次電力系統(tǒng)中去。從能量的綜合利用來說，再生制動是一種比較理想的制動方式，但技術要求較高。交-直型整流器式電力機車上采用晶閘管整流電路把電網的交流電變換成電機可用的直流電，同樣，利用晶閘管也可以把直流電變換成交流電，這種電路稱之為逆變電路。電力機車的再生制動就是將制動時電機所產生的直流電能回送到交流電網中，因此再生制動的關鍵問題就是有源逆變問題。有源逆變電路的交流側已由電網建立起了正弦交流電，因此逆變電路只是把直流電源的能量饋送到交流電網中去。在現代整流器電力機車上多數采用它勵系統(tǒng)，即將牽引工況下作串勵電動機運行的電路，通過轉換開關在電氣制動工況下轉接成它勵的發(fā)電機電路。這種勵磁方式不但能保證外部電氣穩(wěn)定性，同時也能保證并聯發(fā)電機之間的內部電氣穩(wěn)定性。圖4-2-1是理想單相全控橋式整流器電路。若設變壓器二次側的交流電壓為???2=√2???2cosωt，則在晶閘管移相角為α時，整流電壓平均值Ud為：??????=2√2?????2?????????=0.9???2??????????。即全控橋整流電路的平均電壓是空載整流電壓和移相角α的余弦的乘積。交-直型電力機車再生制動在整流電路中，如果晶閘管觸發(fā)電路出現故障，使觸發(fā)脈沖消失或者移相超出允許的移相范圍，其后果是沒有輸出電壓。而在逆變電路中若晶閘管觸發(fā)脈沖丟失或移相角（逆變角）超出允許范圍，發(fā)電機電勢就與變壓器電勢串聯疊加而造成嚴重的短路，這種現象稱之為逆變顛覆，逆變顛覆將產生非常大的短路電流。此外，電力機車實施再生制動時，若受電弓脫離接觸網導線，交流電壓消失，此時發(fā)電機電勢將經變壓器二次側繞組及導通的晶閘管元件而發(fā)生失壓短路。無論是疊加短路還是失壓短路，其結果都將引起逆變顛覆（再生顛覆），短路電流將燒損電氣設備，因此再生制動必須對晶閘管及其觸發(fā)電路提出很高的要求。同時為防止失壓短路，要求機車雙弓運行。逆變顛覆及防范再生制動時，制動電流????=?????|?????|????+∑??=???????????|0.9???2????????????|????+∑??。從公式可見，要調節(jié)制動電阻????，可采用調節(jié)磁通?，即勵磁電流，或者調節(jié)逆變器電壓??????，即調節(jié)控制角???的方法來實現。再生制動在整個調節(jié)過程中，大致可分三個階段。調節(jié)勵磁電流IL。機車在高速時進行再生制動，為了提高功率因數，可維持逆變器電壓Udα為最大，且基本為恒定。通過調節(jié)勵磁電流來調節(jié)制動電流，隨著機車運行速度ν的下降，相應增加勵磁電流，直至額定值為止。勵磁電流最小值受電機安全換向限制。勵磁調節(jié)的優(yōu)點是調節(jié)功率小，調節(jié)平滑，缺點是機車速度的下限受到磁飽和的限制，高速時受電機安全換向的限制。制動力受制動功率的限制，隨著機車速度增加，制動力要相應減小。調節(jié)逆變器電壓Ud。在勵磁電流調節(jié)到額定值之后維持常數不變，調節(jié)控制角a，改變逆變器電壓Ud。減小Ud可維持制動電流為常數，維持制動力不變，直到Ud＝0為止。一般采用不對稱觸發(fā)方式，α范圍為0～(π?β)。加饋電阻制動。此種工況下逆變器變?yōu)檎鞴r運行，電壓Ud改變極性，此時制動電流由發(fā)電機電勢和整流電壓共同產生，可保持低速時制動力不變。調節(jié)過程及方式再生制動基本原理再生制動工作范圍再生制動時，由于受牽引電機、機車本身、再生系統(tǒng)穩(wěn)定工作等因素的限制，只允許在一定范圍內使用，再生制動的工作范圍如圖4-2-4所示。①－－最大勵磁電流限制線，即電機最大主磁通限制線；②－－黏著條件限制線；③－－最大電樞電流限制線；④－－安全換向限制線；⑤－－最大構造速度限制線。故機車再生制動時的工作范圍在上述五條限制線限定的范圍內。再生制動的特點再生制動時回饋的電能可供其他電力機車牽引使用，因此是一種更具有經濟效益的電氣制動方式。再生制動具有調速范圍大，防滑性能好，減少了閘瓦與車輪磨耗。再生制動的控制系統(tǒng)較為復雜。由于再生制動時系統(tǒng)的穩(wěn)定性差，制動力的調節(jié)一般有兩種方法，既可以通過調節(jié)電機的它勵電流來實現，也可通過調節(jié)逆變器的電壓來進行。因此控制復雜且精確度要求高，同時為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在制動電路中增設附加的穩(wěn)定電阻Rw，以限制制動電流的變化。再生制動的機車必須采用全控橋。因此機車功率因數低，諧波含量高，同時對觸發(fā)系統(tǒng)可靠性要求高。再生制動的上述缺點限制了其應用的范圍，但是隨著電力電子技術的發(fā)展，再生制動的不足已得到改善。例如通過加裝濾波器、采用多段橋不對稱控制等都較好地改善了機車的功率因數。SS7型電力機車再生制動SS7型電力機車采用再生制動方式，將機車制動時產生的部分有功電能通過有源逆變裝置反饋給電網。再生制動調節(jié)過程大致可分為三個階段，SS7型電力機車再生制動特性曲線如圖4-2-5所示。調節(jié)勵磁電流?????。機車在高速區(qū)，為了得到較高的功率因數，維持最大的逆變電壓??????（負值）；這區(qū)域靠改變勵磁電流來調節(jié)制動電流?????（如圖4-2-5中BC段所示）。隨著機車速度下降，相應增加勵磁電流，直到最大值250A。勵磁電流最小值受到牽引電動機高速換向限制，機車速度大于80km/h，按?????=0.14?????控制，隨著機車速度增加，制動力要相應減少。調節(jié)逆變電壓??????。在勵磁電流調到最大值250A時，維持勵磁不變，調節(jié)控制角??改變逆變電壓??????、減小|??????|來維持制動電流760A不變，即制動力不變（如圖4-2-5中AB段），直到??????=0為止。加饋制動。低于A點（18km/h）的速度區(qū)域，??????=0，仍不能維持制動電流?????=760??，此時??????改變極性（從逆變的負值變?yōu)檎担兞髌鲃t變?yōu)檎鞴r運行；整流電壓??????和牽引電機電勢??疊加，維持制動電流不變。此時發(fā)電機和電網共同提供電能消耗在穩(wěn)定電阻上，以維持機車制動力不變（如圖4-2-5中AA′段）。SS7型機車在0～10km/h區(qū)域有一條制動電流控制線，速度為零時，停止加饋制動，制動力為零。再生制動的特性與應用Part交-直-交型電力機車再生制動03為了解決交一直傳動電力機車采用相控整流器進行再生制動時出現的一系列問題，目前交流傳動電力機車的網側變流器大多采用四象限脈沖整流器。其工作原理如圖4-3-3所示。四象限脈沖整流器是一個脈寬調制變流器，通過控制調制比的相位、幅值及載波頻率，它不僅能很方便進行整流（牽引工況）和逆變（再生工況）兩種狀態(tài)的轉變，而且能使網側電流接近正弦波形，其基波電流????1與網側電壓同相?????（整流）或反相（逆變），使功率因數接近于1，諧波電流含量大大減少。在牽引工況，四象限脈沖整流器交流側的網側電壓?????和網側電流????在第Ⅰ或第Ⅲ象限，即?????與????同極性，四象限脈沖整流器處于整流狀態(tài)，電能從整流器的交流側傳送到直流側；在再生制動工況，四象限脈沖整流器交流側的網側電壓?????和網側電流????在第Ⅱ或第Ⅳ象限，即?????與????極性相反，四象限脈沖整流器處于逆變狀態(tài)，電能從整流器的直流側傳送到交流側。四象限脈沖整流器交流傳動機車一般采用異步牽引電動機，與直流電機一樣，異步電機運行也是可逆的，它既可工作于電動機狀態(tài)來實施牽引，又可工作于發(fā)電機狀態(tài)來實施電氣制動。我們也可以用電機的機械特性曲線來說明交流異步電動機的電氣制動原理。如圖4-3-1所示，在定子頻率為????時，電動機工作在特性曲線第1象限的A點，這時電機輸出正轉矩為牽引狀態(tài)。如果降低定子供電頻率為????′（????′<????），由于車輛慣性，電機轉速不能發(fā)生突變，電機工作點轉移到第4象限以曲線上的B點。在這個象限中電機進入發(fā)電狀態(tài)，電磁轉矩為負值，并在負載轉矩作用下沿以曲線減速。這就是異步電動機的制動工況，若不斷地按照某種規(guī)律降低定子供電頻率，即可獲得預定的制動特性。另外一種情況也可以使交流異步電動機進入電氣制動狀態(tài)。電機運行中由于外力作用迫使轉子加速，電機工作點A沿著定子供電頻率????特性曲線進入第4象限（例如達到C點），這時電機的轉速??1′>??1，電磁轉矩為負，電機為發(fā)電制動狀態(tài)。于是我們也可以這樣來說明交流異步電動機電氣制動的原理：當交流異步電動機的轉子轉速大于定子磁場轉速時，s為負值，這時電動機輸出負轉矩，即阻力矩。由于相對速度的方向倒轉，轉子電流和轉子電勢的方向也已倒轉，這時定子電流??1中的有功分量??1???與???1相反，即電網提供的有功功率為負值，也就是說由電機向電網輸出一有功功率。但是異步電動機這時仍然從電源吸取無功功率，即吸取無功感性電流，也就是異步電動機的勵磁電流。因此這時異步電動機的一些基本公式仍然適用。由此可見，交流異步電動機的電氣制動也是利用電機的機械特性，實現交流異步電動機妁可逆運行。交流異步電動機的工作狀態(tài)轉換平穩(wěn)，且狀態(tài)過渡方便。交流異步電動機的電氣制動交流傳動機車的電機采用三相異步電機，相同速度下發(fā)電機電勢要高于直流電機，轉換效率及經濟性明顯好于直流傳動電力機車，根據制動能量的吸收方式，交流傳動機車的電氣制動也分為電阻制動和再生制動。交流傳動內燃機車只能采用電阻制動，交流傳動的電力機車一般采用再生制動。我們已經知道，交-直型電力機車在進行電氣制動時，對直流牽引電動機要通過觸點電器進行復雜的電路轉換，由串勵電動機狀態(tài)轉變?yōu)樗麆畎l(fā)電機狀態(tài)。而在交-直-交型電力機車上，異步電機由電動機狀態(tài)進入發(fā)電機狀態(tài)是很容易的，不需要復雜的觸點電路轉換，而是通過牽引逆變器控制轉差頻率???2(???2=???1????)即可實現兩種工作狀態(tài)的轉換。當機車由牽引工況轉換為電制動工況時，通過降低牽引電機定子的供電頻率???1，使???1<???，即???2<0時，異步電機就處于發(fā)電機狀態(tài)，三相定子繞組切割旋轉磁場產生三相交流電，經逆變器整流成直流電送入中間直流環(huán)節(jié)。此時轉子繞組中的感應電勢反向，電流也反向，使電機轉矩反向成為制動轉矩。對制動轉矩和轉速的控制仍然是通過牽引逆變器直接進行的，從而實現機車制動特性的控制。由于異步機產生的是三相交流電，因此反饋的能量遠大于直流傳動機車的電能。交-直-交型電力機車再生制動原理交-直-交型電力機車再生制動原理HXD3型電力機車制動控制HXD3型電力機車的制動控制采用了恒制動力、準恒速特性控制方式，司機控制器調速手柄在制動模式下級位設定為12級，級間能夠進行平滑調節(jié)，每級速度變化△??＝10km/h。25t軸重時，制動力限制及制動特性控制函數關系見式（4-3-1）。式中???——機車輪緣制動力；??——機車速度（km/h）；??—一司機控制器手柄級位。式（4-3-1）中前三項為機車的制動力限制曲線，當機車速度小于等于65km/h時，機車最大制動力限制為400KN；司控器手柄級位為1時，機車電制動力進入低速限制區(qū)，機車速度從15km/h按B=36.4??145.6限制線性下降，當機車速度小于4km/h時，機車將無制動力輸出；當機車速度大于65km/h時，機車最大制動力按曲線B=26000/??進行限制，此區(qū)段為機車功率限制區(qū)。式（4-3-1）中最后一項為制動特性控制函數，機車制動力在上述限制曲線范圍內按B=36.4??-364（N1）函數關系進行控制，制動力隨著速度的下降線性下降，但制動力不得為負值。25t軸重時制動力限制及制動特性控制曲線如圖4-3-4所示。HXD3型電力機車制動特性曲線HXD3型電力機車的制動特性曲線反映了其在不同速度和司控器手柄級位下的制動力限制和控制情況。通過精確的控制函數和限制曲線，確保了機車在各種運行條件下的安全制動。這種制動控制方式不僅提高了機車的運行效率，還增強了制動過程的穩(wěn)定性和可靠性。HXD3型電力機車電制動特性Part電力機車電氣制動技術的發(fā)展趨勢04制動系統(tǒng)智能化隨著科技的不斷進步，電力機車制動系統(tǒng)正朝著智能化方向發(fā)展。通過引入先進的傳感器技術、微處理器控制以及自動診斷系統(tǒng)，制動系統(tǒng)能夠實時監(jiān)測機車的運行狀態(tài)，自動調整制動力，確保制動過程的精確性和安全性。例如，利用車輪速度傳感器、加速度傳感器等收集機車的運行數據，微處理器根據這些數據和預設的制動策略，精確計算出所需的制動力，并通過執(zhí)行機構進行實時調整。同時，自動診斷系統(tǒng)能夠及時發(fā)現制動系統(tǒng)中的故障隱患，提前預警并進行相應的處理，大大提高了制動系統(tǒng)的可靠性和維護效率。制動系統(tǒng)的輕量化設計為了提高電力機車的運行效率和降低運營成本，制動系統(tǒng)的輕量化設計也受到了越來越多的關注。采用高強度、輕量化的材料制造制動部件，如制動盤、制動夾鉗等，不僅可以減輕機車的自重，提高運行速度和牽引性能，還可以降低制動系統(tǒng)的慣性，提高制動響應速度。同時，輕量化設計還可以減少制動部件的磨損，延長其使用壽命，降低維護成本。在能源日益緊張和環(huán)保要求日益嚴格的背景下，制動能量回收與再利用技術成為了電力機車電氣制動領域的重要發(fā)展方向。再生制動技術已經得到了廣泛應用，但仍有進一步優(yōu)化和提升的空間。例如，通過改進逆變器的控制策略和提高能量轉換效率，可以進一步提高再生制動時回饋到電網的電能質量，減少能量損