职业技术学校《电力机车控制》第二章 直流电力机车速度调节.docx

XXXX职业学院教案首页课题第二章直流电力机车速度调节授课时间授课对象授课学时教学目的1,掌握交直型整流涔机车相拄调压调速的原理：2、掌握机下上常用的疏场削弱方法：3、/解电压调节下、磁场削弱下的机车特性.教学重点掌握交直型整流器机车相控解压网速的原理教学难点掌握交直型整流器机车相控门压网速的原理电压调节下、磁场削弱下的机车特性。教学方法后发式，耳球文，多媒体演示，视频演示教学步骤及内容提要1,励思调节2、交点型整流器机车的相控调压1、具有直（脓流牵引电动机机车的调速（1）改变牵引电动机回路电BIR（2）改变牵引电动机的瑞电压UD（3）改变磁通量2、多段桥以序控制3、小结备注第二章直流电力机车速度调节电力机车作为电气化铁道的牵引动力，为充分发挥其功率,提高运输能力，要求机车的牵引力和速度均能在宽广的范围内均匀而经济地调节.一般情况下机车牵引列车的整个过程是由停车状态开始，经过起动加速再逐渐提高速度，直到机车工作在其自然特性上，此后司机根据列车运行图的要求及线路纵断面的变化随时进行速度调节。进站停车前进行制动，降低机车速度，直至最后停车.列车的整个运行过程，情况虽然很更杂，但概括起来，却只存在起动、调速、制动三种基本的运行状态。这三种基本运行状态实质都是速度的调节，只是起动和制动是调速的两种特殊形式而己.因此，电力机车速度调节是牵引列车运行时最为根本的任务之一，也是完成运输任务的主要手段之一。电力机车是以牵引电动机作为传动设备的，所以电力机车的调速本质上是牵引电动机的调速。不同种类的电力机乍、选用牵引电动机的种类不同，调速的方式就不同，而调速方式又会影响机车的牵引性能、功率因数。本章符分别讨论不同传动形式电力机车的调速问题，并重点讨论整流器电力机车的速度调节。通过本章的学习，应达到以下目标：I,掌握交直型整流器机车相控调压调速的原理：2,掌握机车上常用的磁场削弱方法；3、了解电压调节下、磁场削弱下的机车特性。第一节概述一、电力机车调速的基本要求电力机车无论采用何种调速方式，从运行安全的角度出发，下列基本要求都必须得到满足：I、宽广的调速范围。只有具备宽广的调速范围才能满足列车运行速度不断提高的需要:二、磁场削弱的方法根据式(20-1).磁场削弱的方法有两类:1 .改变励磁绕组匝数设变励磁绕组匝数，即聘牵引电动机励磁绕组分段，通过改变牵引电动机励磁绕组的有效瓯数，使流过牵引电动机电枢的电流只通过一部分励磁绕组(有效匝数)，来达到削弱磁场，此时磁场削弱系数B的表达式为：错误;未找到引用源.式中：Im=Ia牵引电动机电枢电流“错误!未找到引用源.一牵引电动机磁场削弱后励磁绕组匝数wm牵引电动机满磁场时物磁绕组匝数。由上式可以看出，采用励磁绕组分段进行磁场削弱时，磁场削弱系数B仅与分段绕组的匝数比有关，与电流值无关。通常直流电力机车利用牵引电动机物磁绕组分段法进行磁场削弱谢速。采用励磁绕组分段法的优点是磁场削弱系数精确，不足的是电机内部结构变得复杂。一般采用电机串一一并联转换法获得，但用此法获得的磁场削弱级数有限，并且要求各电机励磁绕组的电阻值精确,否则电机励磁绕组电阻值的微小差别，都将引起电机遨场削弱系数不,致。采用励磁绕组分段法磁场削弱的原理如图20-1图20-1物够族把分段法原理图2 .改变励磁绕组的电流改变励遨绕组的电流，也就是使牵引电动机电枢电流中的一部分流过牵引电动机的励磁绕组，从而完成磁场削弱。此时磁场削弱系数B的表达式为：幡误!未找到引用源.式中：1.r,牵引电动机磁场削弱后流过励瞄绕组的电流，I牵引电动机满磁场时流过励盛绕组的电流，即电枢电流。m改变励磁绕组电流的方法可仃以下儿种：(I)电阻分路法电阻分路法就是在励磁绕组的两端并联电阻对励磁电流进行分路，从而达到削弱磁场的目的，原理见图20-2所示。图2O2电见分路法通理满磁场时，接触器I未闭合，此时牵引电动机电枢电流Ia全部流过励能绕组，I1=Ia,其磁势为IaW:削弱磁场时，接触器1闭合，磁场削弱电阻R并联在励磁统组两端，对励磁绕组起分流作用。此时电枢电流被分为两路，路流过电阻R,的电流I”另一路流过励磁线组的电流1.,此时磁势为IW,Ia=I.+1.,磁场削弱系数B的表达式为：错误!未找到引用源.上式说明，B值的大小仅与两支路中电流的分配有关，而与电机励蹂绕组匝数无关。若设励磁绕组的电阻为R,因为1.R=I曲，且1.a=1.+k所以导出F式:错误:未找到引用源。<20-2)A(20-2)说明B值取决丁励磁绕组和分路电阻的电阻值.时确定的牵引电动机来说，励破绕组阻值为定值，因此，分路电阻值R邯J数值就决定了磁场削弱系数B的大小。要改变磁场削弱系数，只须改变分路电网的阳值即可。在实际的牵引电机电路中，励磁绕组的两端直接并联着一个不可调节的分路电阻R错误!未找到引用源,称为固定分路电阻，其作用与K错误:未找到引用源.不同，是为了改善牵引电动机的换向。电阻分路法因为励磁绕组结构筒单，磁削系数调节非常方便，同时附加电能损耗很小，调速后的效率不致降低，是一种经济的调速方法。因而在交流型电力机车上得到广泛地应用。应当指出，电阻分路法要求各电机的分路电阻值必须精确一致,否则会造成各电机的B值不一致，感场削弱程度不一致。同时应当特别注意的是，上述关于磁场削弱系数B的讨论是在电路稳定工作状态卜进行的，当电路处在过渡过程时，应充分考虑励磁绕组的电感值,例如，当网压波动时，如网压突然上升造成机车工作电流突增，使电机电枢电流增加，励磁绕组的自感电势相阻止流过绕组的电流增长，而分路电阻支路电感很小，故电机中增加的电流大部分从分路电阻R,中流过。这样主极磁场便不能很快加强，造成反电势不足，致使电枢电流过大，电机严IR过载，严玳时可能引起牵引电机环火。为了弥补电阻分路法削磁的不足，采用在分路电阻支路串入适当的电感线圈，使磁削时分路的电路性班与励磁绕组的属性致，便能顺利度过过渡过程。这种方法称为磁感应分路法。目前，SS,型电力机车就采用这种方法。无论采用励磁绕组分段法或电阻(磁感应)分路法诙削，通过改变励磁绕组的段数或改变分路电阻值，均可得到不同的削题系数，获得不同程度的削弱陂场，但是若磁场削弱时由满磁场一次过渡到最深度的削弱磁场，就会产生很大的电流冲击和牵引力冲击。因此，通常采用分级磁削。级数越多，磁场削弱时电流和牵引力的冲击越小：但是级数过多会造成控制线路比杂，附加设备增多，故般曲场削弱取三级左右。从充分利用机车粘若的角度看，即使分级蹂场削弱仍会造成负我电流的冲击，使机车特性不连续，给牵引电机运行带来不利影响，同时也影响机车粘着的充分利用。(2)品闸管分路法晶闸管分路法就是利用晶闸管元件的连续、实时、可控，对牵引电动机的励磁电流根据要求的B值进行旁路，从而达到削弱磁场的目的，此种方法也称无级磁场削弱法.利用晶闸管分路法可以使牵引电动机实现平滑无级的磁场削弱.法国的8K型、国产SSX型准高速电力机车均采用无级磁场削弱，原理见图203所示。图中变压器二次储绕组为&x：,整流电路TTDR、DR采用半控桥，分路品闸管为T3、T4,平波电抗器为1.,牵引电机M的励磁绕组为CG,电枢绕组为HA”固定分路电阻为降，其工作原理以交流电压一个周波为例，分析如下：图（八）为满磁场，半控桥满开放时工作情况。正半周文为高电位时，半控桥、Da、D：导通：负半周X：为高电位时，半控桥工、DoT舟通,分路晶闸管T3、T4均不参与工作，此时半控桥整流输出的电压全部施加在平波电抗器1.,电机的电枢绕组、励磁绕组和固定分路电阻RaI上。图（b）<c）为磁场削弱、半控桥满开放时工作情况。正半周a：为高电位时，见图（b）半控桥仍为“、D,、D：导通，分路晶闸管T,在31时刻触发，由于T,加有正向电压，其值等于励磁场绕组两端电压，故触发T,导通。而半控桥中的二图2(A8二段半控桥图20-9.段半柱桥波形图图20-8给出了二段半控桥整流电路.该整流电路中变压器二次侧绕组分成电压相等的两段Ub和cd,各自接有半控桥整流电路RM用IRa,两个半控桥相串联，其中由YDJVD,提供直流续流通道，两段半控桥顺序控制。第I段(低压阶段)，首先移相控制VT-控制角为明,则ab-RH投入工作，RM.VTt.VT1被封锁即控制角c½=n,D.D1提供电流通道，绕组Cd中没有电流流过。负载电流流过绕组ab、RURM,中的D,.D,。此阶段整流输出电压的平均值为：错误!未找到引用源.(Kan)(20-11)当产兀时，Ui=O当a产0时，I错误!未找到引用源.第11段维持K、TZ-开放即J=O,移相控制T八To则Cd-RM,投入工作,负载电流流过ab、RM|、RM八cd,此时整流电压波形如图20-9（八）,原边电流波形为图20-9(d)第H段整流输出电压的平均值为:错误!未找到弓I用源.(0<.<11)(20-12)根据功率因数、相位系数、波形畸变系数公式可以求出二段半控桥的PF、DF、A°图20-7曲线IV为半控二段桥的功率因数，可见采用二段桥功率因数已有显著的提高。从图20-9(d)1.的波形看，电流畸变也有所改善.6G型电力机车和国产的SsI型电力机车主电路均采用这种二段半控桥式整流电路。2 .三段不等分桥式推流电路图20TIi段不殍分桥分段调压波形图从对二段半控等分桥整流电路的分析可以看出，随着桥段数的增多，机车的功率因数将仃所提高，但是段数的增多，会使牵引变压器二次侧绕组的分段数相应增加，整流桥臂数、整流元件的数量增多.因此而使得机车主电路更杂，控制系统复杂。为此在实际应用中，一般采用多段不等分桥整流电路，但段数不多于4。图20-10所示为三段不等分桥。变用器二次侧绕组由二段a,x,、a族组成，其中段am接成中抽式半控桥，另一段a?x?接成一般半控桥整流电路，因中抽式绕组可看作两段绕组ab、b1.,故实际上变压落二次侧绕组是三段不等分，各段绕组的电压分配比例为1：1：2,UvVD,提供直流续流通道。三段不等分半控桥式调压整流电路的升压顺序控制如下：第I段：工作,大桥调压，晶闻管的控制角为“VTJVT“晶闸管封锁，即第II段桥晶闸管的控制角,和第11段桥晶闸管的控制角,均为n.负载电流流过azx?、VTVr2VDND,、PKsM.VD1VD.输出电压、电流、变压器绕组中电流的波形如图20-11（八）,整流输出电压的平均值为：错误!未找到引用源.<,<11)(20-13)第II段:维持、/满开放即a=0,ah7T仆MXVD,四臂小桥谢压，T；、或封锁即a3=n.负载电流流过&x?、VTiVT7VDVDx、PK4M、a4b4.VTjVT4Vft1YD,.此时输出电压、电潦及变压器绕组中电流波形如图20-11(b)。整潦输出电压平均值为:错误!未找到引用源。(0<as<11)(20-14)第川段：维持TJT,满开放即a尸0,as=O,b,x1T,D息调压桥调压，负载电流流过三段变压器绕组和三段半控桥。电压、电流波形如图20U(c)。此时整潦电压平均值为：错误!未找到引用源.(0<a1<11)(20-15)三段不等分桥的功率因数曲线见图207(V),它与二段桥相比功率因数较高,波形畸变也偏小了，基本是在09上卜.波动。此种整流调压方案被广泛地应用在整流落电力机车上。国产SSs、SS4xSS/100O等系列电力机车均采用此种调压方案。8K机车亦采用三段不等分桥，所不同的是8K机车调压整流的第一段柝为全控桥，但工作于类似半控状态，制动时可实施再生制动,移相蔺围n20°当aI=O时，顺序开放第二段桥.此时维持全控桥满开放，即相当于工作在不控桥状态。3 .四段经济桥式整潦电路四段经济桥的整流电路在结构上与三段不等分桥完全相同，只是采取的控制顺序与三段不等分桥不同,四段经济桥的控制顺序如下：仍以图20-10为例进行分析。第I段移相控制T,、T,控制角为a1b,-T,TtDJ),投入工作，而TJT2、T1.均封锁，仅U的段绕组有电流潦过，此时整流输出电压为:错误:未找到引用源.(O<,<11)<20-16)第H段维持TE满开放，控制、Tr.,控制角为a?,使b凶亦投入工作，T1T2仍被封锁,此时绕组Uh、b,x,均流过电流，DR提供直流通道，此时整流输出电压为：错误!未找到引用源.(0<a2<11)(20-17)第11段桥达到满开放时，通过逻辑控制招a,x：绕组上的负载全部转移到过X：段绕组上，即将第二段桥的满电压输出完全等值地转移到THDR上去。因为a,xca,x,匝数相等，只耍控制合理，就可以实现无电压电流冲击的平滑转移.一般选择在电压过零时刻，使晶闸管TM满开放，同时封锁TJ1.脉冲。这样，对牵引电机而言，可保证端电压值不变，此时整流输出电压值为：错误!未找到引用源.(20-18)第In段桥，维持IYr:满开放，再次控制T八1.，控制角为。"使ah再次投入工作，那么此时整流输出电压：错误！未找到引用源.(KaKJT)(20-19)维持T；T端开放，再次控制、入(控制角为。，)进入第IV段桥，b凶再次工作，总的整流输出电压为：错误!未找到引用源.(O<,<11)(20-20)表20T给出J'四段经济桥每段绕组及其整流输出的电压波形和四段经济桥的控制顺序。由表20-1可知，由于利用了中抽式半控桥，结果使三段不等分半控桥获得了四段等分桥的效果。这样就用较少的元件和绕组段数获得了较多的调压级数，从而降低了机车造价，故称中抽柝为经济桥，它因起着电压调节的作用，也叫移相桥。而另一半控桥的则起着存储电压的作用，称为开关桥.理想情况下，四段经济桥的功率因数如图20-7曲线V1.所示。分析图中曲线可以看出，电力机车采用四段半控桥己具有比较满意的功率因数。IOS->N+÷c=÷÷(=J><«>4.4上”1.-<C=H:田自Tr,r.w4.y.r.fr“r.rRtrr.三r.r1.HMar,.r.MM41r八r.F俄*校”方式<*r.-r>r.rt停表20-1四段经济桥波形及控JHIe序*四、功率因数补偿评价相控调压性能有二个重要指标，即功率因数和谐波干扰。采用相控调压的电力机车其功率因数较低，不仅降低了设备的利用率，而且谐波含员高，影响了电网的供电所附，对电网造成严重污染.随着机车单机功率的增加及大功率电力半导体器件在电力机车上应用的日益广泛，提高功率因数，减少谐波电流已成为一个重要课题。另外,电力部门和邮电部门都对用户的功率因数和谐波电流仃明确限制一般晶闸管相控机车的功率因数仅为0780.80,谐波电流为Ji>9.2A（等效干扰电流的最大位），远不能满足PF=O.9、=3.9、I=4.0的限制要求。品闸管相控机车的功率因数PF=Ncos科，DF主要取决于a、，根据DF曲线知其变化范围不大，其中主要是3次、5次谐波含量：.因此，改善晶闸管相控机车的功率因数和减少谐波电流的方法主要有：1 .采用多段桥如前所述这一方法能提高机车的功率因数和降低谐波分量，但段数过多会使变年潜抽头数增加，整流装置更杂，即使是多段桥，由于其电子控制增加从移相桥到开关桥逻辑转换的更杂性，在一定程度上会降低机车运行的可靠性0干线电力机车一般不超过四段，试验表明在额定工况下，半控四段桥的功率因数PF=O.80-0.85。2 .采用功率因数补偿器(PFC)ff1.2O-12/渡电路图2。13机车造浓密工作原理功率因数补偿装置兼作滤波器，简称PFC装置，般常用的形式有1.C、RC4R1.C,如图20-12所示，它跨接于机车主变压器二次侧绕组的两端，如图20T3（八）所示.其工作原理可用图2013(b)来说明：在理想情况下，由于整潦电路的作用，整流装置交流(W电流1.为方波，造成接触网中电流波形发生畸变，即产生高次谐波电流，从“表达式中我们知道，谐波电流主要是3、5.7次谐波含量.而整潦装置的负载一平波电抗器和牵引电动机均为感性负载，加之整流装坦本身的晶闸管相位控制()的作用，使电流1.的相位滞后于电网电压“，即也产生了一个感性无动电流，使机车功率数降低。加上功补装置后，就是把1.、R、C连接成某频率的谐振电路(一般在靠近三次或五次谐波频率处)。在基波网压的作用下对堪波呈容性，提供容性无功电流，减少相控整波机车滞后的负载电流，从而可以提高机车的功率因数：同时对3、5次谐波呈低限性，使绝大部分3次、5次谐波电流通过功补装置而被吸收掉，可以减少流向电网的3次或5次谐波电流，也减少了等效干扰电流。试验表明相控机车在装设一定容量的PFC之后，就勿需采用多段桥。机车加装了功率因数补偿装置以后，提高了机下的功率因数，降低了接触网和机车主变质罂的损耗，同时也减少了接触网对沿线通信线路的干扰，从而大大简化了机车主电路的结构。例如SSt1.型电力机车就采用了二段桥带PFC的主电路，引进的6K、8K型电力机车，当PFC全部投入工作时机车的功率因数PF>O.9.由于受机车重量与总体布理上的限制，于是提出在地面牵引变电所和接触网上设巴功率因数补偿装四，即车下补偿。试验表明车上、车下补偿各有效果，两者傅重不同。小结本章主要讲述了电力机车的速度调节。这是机车控制理论的JR要部分。一、具有直（脉）流牵引电机机车的调速方法电力机车调速方法有三种：一是串电阻调速、二是调压调速、三是磔场削弱调速。交直型电力机车均采用调压调速为主，磁场削弱调速为辅的调速方法。1、调压调速是谢速的主要手段。卜.表列出了各种调压方案的比较。2、磁场削弱调速作为调速的辅助手段，它是在U、=&、Ia（I，、丫八%条件下实施的。磁场削弱有电阻分路法的有级磁场削弱和晶闸管分路法的无级感削。学完本章后应掌握使用磁场削弱时的限制，会分析磁场削弱卜的机车特性。各种调压方案比较方窠说明优点装点变JE然调R育压«1«!压：时变Ik器绝缘要求充.有级调从而应用较少.ttSWf1.S：调在级数收多电M等极低地博察求低而广泛电用，ISMW*.功率因数高.牵引力有冲击.粘希利用里.需要转校电器.当被政较多时电路北杂.相控ItSfE相控询压（移相谓压）分为半控和全控两种.金控用于再生制动机车，电限制动机车俄泉川半控电路.电路简单.平沿调压，可实现无级调速，帖莉利M好.易实现机车自动控耨.任遽区功率囚数低.谢波分M高,对通讯T扰大.二、共同问题1、电流脉动整流电路的输出电压是一脉动电压，从而引起了电潦的脓动。脉动电流使牵引电机工作条件恶化。衡量脉动的大小用：电压脉动系数Ku、电流脉动系数Ki。在电传机车上减少电流脉动的措施是在牵引电机电路串联平波电抗器和在牵引电机励磁绕组两端并联固定分路电阻。目的可使Ki=O.25、0.30,2、电力机车的功率因数电力机率的功率因数，与交流恻电抗、交直流侧电流波形、基波电压电流相位之差有关机车功率因数在很大程度上取决于机车采用的整流电路的形式，不控整潦电路PF=0.9最高，全控整流电路和半控整流电路FT均与晶闸管的控制角有关。相控机车功率因数低的原因是变压淞绕组中电流畸变,它降低f供电设备的效率，影响了供电质量，同时谐波分量增加，对沿线通讯产生干扰.功率因数的改善:(1)无功功率的抑制措施一是增大波形畸变系数，尽量减小高次谐波电流；二是减小晶闸管触发角即减小基波电压与电流的相位差。但这些措施或因控制夏杂、电路豆杂、或因改善某一个址而不能兼顾机车的功率因数，因此干线电力机车上并未采用。电力机车采用多段桥顺序控制的方法来改善机车的功率因数和减小谐波电流。(2)无功功率的补偿措施主要是采用电力电容器或同步机组的方法。电力机车上采用在变压二次侧并联补偿渊的方法，补偿器由RC、R1.R1.C组成，补偿效果可使PQ0.9。考虑经济性可以采用车上补偿、车下补偿或车上、车下同时补偿。复习思考题1、试述机车的基本运行状态与实质。2、说明交直型整流罂电力机率有哪些调速方法，并比较它们的优缺点。3、什么是磁场削弱系数？说明磁场削弱系数的物理意义。4、磁削对机车特性有什么影响？5、机车在调速过程中实施磁削的条件是什么？6、简述电阳分路法.晶闸管分路法的原理及B的确定方法。7、为什么说机车实施磁削可以提高功率使其充分利用？8、交直型整流罂电力机车有几种调质方法？