浅析电力机车调速

电力机车调速 电力机车调速电力机车调速电力机车牵引列车运行中，根据运行条件对机车的运行速度进行控制和调节的技术.电力机 车调速的目的是充分发挥机车的功率，提高运抽能力， 完成运输任务。 列车在线路上由于线路状态、坡度、曲线和牵引重量不同，及遇有临时线路施工、进出站等需要急行或停车的情况，速度变化范围较大，要求电力机车具备良好的调速性能，以满足运行需要。 对调速的基本要求:在调速过程中不能中断主 电路供电，由一个速度级转换到另一速度级应平稳过渡，避免牵引力突变引起列车冲动。不因调速引起倾外能量损耗。调速方法应力求简便、可靠。 调速原理电力机车调速实质是牵引电动机(电力机车电机电器)的调速问题。电力机车是以牵引电动机通过齿轮等传动装置驱动机车运行的。电力机车中应用较多的是直流串励电动机(见直流电动机)，这种电动机有调速简单，调节范围广，起动力矩大等优点。直流串励电动机的转速公式为 U.一I.R. C巾 ，r/min 式中U.为牵引电动机端电压，V;1.为电枢电流，A;凡 为牵引电动机电路中总电阻，n;巾为励磁磁通，Wb， c.为电动机结构常数。 从公式可知，改变U.、凡以及巾，均可改变电动机的转速，达到调速目的。 分类电力机车的调速分为直流电力机车调速、 交流电力机车调速、交流一直流一交流传动系统变频调速。 直流电力机车调速又可分为变阻调速、变压调速、变磁调速(磁场削弱、斩波调速。前三种为有级调速，最后一种为无级平滑调速。 变阻调速:其基本工作原理是改变串接在牵引电动机电路中的电阻值以调节机车的速度. 按运行要求，改变可调电阻R的数值，即可改变牵引电动机的端电压，从而使机车的速度变化。变阻调速的值再进一步提速，可充分发挥高速运行时牵引电动机的功率。此时通过采用主极绕组上并联分路电阻(R、与 RZ并联)来减少牵引电动机 主极磁通必(一般称为磁场削弱)，从而使电机电流一部分流经分路电阻，减少励磁电流，即相应减少磁通。这种调速方法简单、方便.利用改变分路电阻值的方法，即可得到几个不同的磁场削弱强度.斩波调速:在直流接触网电压电源与直流牵引 电动机之间接人可控晶闸管直流斩波器，通过调节可 控晶闸管每一周期内导通时间(即改变导通比)，可以改变牵引电动机的端电压，从而调节机车的运行速度. 这种斩波调速方法，不仅损耗小而且可以无级平滑调 速。在地下铁道、动车及城市无执电车上广泛采用斩波 调速。(见斩波控制直流调速) 交流电力机车调速在交流电力机车中，以整流 器式电力机车用的最多。它由单相高压交流接触网供 电，经过机车的牵引变压器降压和整流装t整流后以 低压直流(实为脉流)形式供给直流牵引电动机.由于 这种电力机车上装有牵引变压器、整流器，可以采用多 种调压方式。这些调压方式既可用改变牵引变压器输出电压方法来调节牵引电动机的端电压，也可用直接改变整流装置的整流电压方法来调节牵引电动机的端 电压，以达到电力机车调速的目的。利用牵引变压器调 压方法进行机车调速的优点是:调压电路简单，调速范 围广，经济运行级多，调节方便，功率因数和效率比较 高。采用直接改变整流电压调速方法，即晶闸管相位控制调压，则可实现平滑无级调速，即每级均可长期运行，都是经济运行级。 (l)牵引变压器调压方法分为高压侧调压及低压 侧调压两种，使用较多的是低压侧调压。 1)高压侧调压:改变牵引变压器的高压侧绕组 (即一次绕组)抽头，调节其输出电压，从而达到机车 调速目的。高压侧调压的基本原理如图4所示。 变压器的基本关系式为 竺_丛.0._。坠 uZw:一一wz 式中WI为高压绕组匝数;WZ为低压绕组匝数;“，为牵 引变压器输入电压;uZ为牵引变压器输出电压。 若牵引变压器低压绕组匝数WZ不变时，改变高压 实质仍为调节牵引电动机的端电压。 图1变阻调速示意图 变阻调速方法简单、方便，将电阻分为几级，便可 得到几级调速，但在电阻上有能量损耗，不经济。它是 有级调速，难以实行平滑无级连续调节，故只用在直流 电力机车上，作为短时起动调节，不能长期运行。一般 在城市电车上普遍采用变阻调速，而干线大功率电力 机车上不采用变阻调速方法。 (2)变压调速:改变作用于牵引电动机上的电压来 调节机车的运行速度。这种调压方法，也称为电机的串 并联调压方法。在直流电力机车上，通常其牵引电动机 直接与接触网(见电气化铁路接触网)连接，中间无变 换装置，利用电机的串并联方法，改变牵引电动机端电 压，达到调节机车速度的目的(见图2)。如一台直流 电力机车装有4台牵引电动机，开始低速运行时采用 ;当台牵引电动机2台串联2组并联时，每台端电压为 U。后者比前者电压提高1倍.机车速度也提高1倍. 2“ 若4台电机并联，则牵引电动机的端电压为U，即为接触网电压，因电压又提高，故机车速度再提高1倍 改变牵引电动机端电压调压 (a)4台串联;(b)2台串联为一组，2组并联; (e)4台并联 这种变压调速方法，需改变牵引电动机的接线，并需相应的转换开关，线路较复杂，且为有级调速，调节级数少(23级)，但调速时无电能损耗，比较经济， 一般在直流电力机车上采用，并可与其他调节方法联合使用。 (3)变磁调速:通过改变励磁即改变牵引电动机的主极励磁磁通来改变电机转速的方法，一般在电力机车运行时，当其速度达到额定低压侧绕组匝数n2;，则可改变牵引变压器输出电压uZ。在机车起动时，将高压侧绕组W:的全部匝数 C串入接触网，以便得到最小输出电压.此时A点 与接触网电位相同.在调压过程中，需逐步减少匝数 W:，来提高低压侧翰出电压。输出电压达到最大值时， N点电位和仍与接触网电位相同，而此时A点为接触网电位的几倍! 为此，要求变压器的绕组绝缘水平大大提高，设计制造 更复杂.实际上高压侧调压的牵引变压器是一台高压 自辆变压器与一台一般双绕组变压器的组合，除有高、 低压绕组外，还有一个调压绕组(直接与接触网连接)， 三个绕组共同拐合在一个铁芯柱上。在机车起动之前 A、T两点重合，此时高压绕组Ll的两端电压为零，低 压绕组LZ的两端也无摘出电压。然后A点向上移动， 商压绕组Ll上电压逐渐升高，低压绕组LZ感应相应 的输出电压“2，经整流后供给牵引电动机。调压绕组 有若干个绕组抽头，通过高压调压开关将高压绕组A 点与调压绕组的相应抽头连接，有几个抽头便可得到 几级调压。抽头多，调压级也增多。高压侧调压是有级 调压，增加调压级数，以及有调压绕组的存在，都将使 变压器的结构复杂、设计容量增加，在机车低速运行 时，其效率及功率因数降低。 高压侧调压的优点是:调压过程中转换电流较小 (一般为几百安)，开关电器抽头的引线尺寸小、重量 轻、调压级数较多(30级左右)，对合理选择牵引电动 机端电压有利。 2)低压侧调压:改变牵引变压器低压绕组匝数，达 到调节供给牵引电动机的电压，控制机车速度的目的。 低压侧调压的优点:牵引变压器的容量较小，对调压开 关(为转换变压器低压侧绕组抽头用)的绝缘水平要求 较低，机车低速运行时的效率及功率因数较高。其缺点 为:由于牵引变压器低压侧电流比较大(数千安)，所 以要求调压开关转换电流比较大，低压绕组匝数比较 小，设计安排调压用的抽头有一定限制，这一点不如高 压侧调压方便。为得到较多的调压级数，采用一些特殊 的调压线路。例如，中间抽头式(简称中抽式)调压电 路将低压侧绕组每相再分为基本绕组与有几个抽头的 可调绕组，利用调压开关的绕组转换开关，将两部分绕 组进行正接或反接，调节牵引变压器的输出电压，可得 到较多的调压级数。按规定程序调节，可使愉出电压逐 级升高，在最高调压级时，输出电压达最大值(为基本 绕组与可调绕组电压之和)，反方向调节电压则输出电 压下降。这种中间抽头式调压电路在调压过程中，在奇 数级时正负半周中两相绕组的输出电压相等，而偶数 级时输出电压不等.不对称调压只有在两组绕组翰出 电压相等时的电压级上，才可长期运行。 在调压过程中，为了使调压级间转换时负载电流 不致中断(不中断牵引电动机电路电流)，同时牵引变 压器绕组又不发生局部短路，要在高压侧调压电路中， 设里有级间转换用的过渡电阻，在低压侧调压电路中 设置有级间转换用硅二极管(也称过渡硅机组)或过波 电抗器。 在整流式电力机车上，采用中抽式整流电路低压 侧调压时，一般采用有过渡硅机组的低压侧绕组、正反 接的不对称调压方式。中国韶山1型(551型)电力机 车即用此调压方式，韶山1型机车低压侧调压 及其绕组正反向连接原理 (a)中点抽头线路;(b)反接中抽线路; (c)正接中抽线路 牵引变压器低压侧调压方式的基本调压原理也适 用于桥式整流电路的电力机车。 (2)晶闸管相位控制调压(简称相控调压):利用 反并联连接的晶闸管接人交流侧进行反并联控制.或 与二极管组成混合桥路或者全控桥路，利用相位控制 直接进行相控调压，省略了调压开关，减少了主电路的 开关电器，使机车主电路简化。为了减少高次谐波电 流，在机车牵引变压器二次侧可用多分段绕组，在直流 侧采用纵向连接，全控桥时作为逆变器可进行再生制 动，晶闸管相控调压可实现无级平滑调压。 相控调压也称移相调压，它是通过控制晶闸管整 流装置的导通相角，直接调节整流电压的调压方法。在 相控调压时，牵引变压器低压侧输出电压“2维持不 变，而晶闸管整流装置起着整流与调压的双重作用。 最简单的相控调压线路是用一个半控桥式整流电 路对牵引电动机供电，但这种电路功率因数很低，对通 信干扰大，很少采用。在晶闸管整流器式电力机车上多 用两段半控桥调压电路，见图6。 交流一直流一交流传动系统变频调速20世纪7。 年代电力电子技术迅速发展，出现体积小、功率大、 效率高、性能好的静止变频装置，为发展交流传动系 统采用异步牵引电动机(或同步电动机)创造了有利条 件。 图6两段半控桥调压原理及电压波形 (a)原理图;(b)整流电压波形 该电路的牵引变压器低压侧有两段绕组，每段向 一个半控桥供电，两个半控桥串联对牵引电动机供电。 调压过程分为两阶段。第一阶段半控桥UI工作，UZ 中的V7、VS不工作，通过UZ中的V石、V6与电动机 组成回路。当Vl、VZ逐渐导通时，对应于一定的控制 角a:，牵引电动机得到相应的电压，若逐渐减少控制 角al，则整流电压逐渐升高。UI全开通后，整流电压 平均值升至0.SUd。(Ud。为a。时空载电压平均值)， 此时第一阶段调压结束。然后在Ul桥全开通基础上， 投人UZ桥工作，继续提高整流电压，V7、VS开通，牵 引电动机电压也相应提高，直到UZ桥全开通时，整流 电压平均值达到Ud。，则整个调压过程完毕。控制角a 的调节范围为180。一0o，实际上由于换相过程中有重 叠角y存在，所以a的调节范围为18护2扩，最小允 许到150. 两段半控桥调压比一段半控桥虽然整流电压脉动 量有所下降，机车功率因数有所提高，但为进一步提高 机车功率因数，晶闸管整流器式机车采用多段桥顺序 相控调压方式(如四段桥等)，见图7，过多分段将使 牵引变压器和机车主电路结构复杂化。 晶闸管相控调压的优点是:为无级平滑调速，充分 利用翻着，可发挥机车最大牵引力及平稳操作，不需转 换机车主电路，不用专门调压装置，通过控制电路改变 晶闸管整流器的导通控制角a，即可调压。利用体积 小、重量轻的多功能集成电路组成的相控调压装置，运 行可靠、维修方便、寿命长。其缺点是:功率因数较低， 在控制角a较大，且低速运行时更为严重，对通信线路 有千扰。 图7四段桥相控调压示意图 在交流电力牵引中，无论交流一直流一交流系统或 交流一交流系统，其共同特点是由工频单相交流电源供 电，而机车牵引电动机采用三相异步电动机(或同步电 动机)，为了解决牵引网供电(工频单相交流)与机车 用电(可调频率的三相交流)之间的矛盾，在机车主电 路内需有变频装置。 静止变频器的变频方式有两种:有直流中间环 节的间接变频(又称交流一直流一交流变频)，它与交流 一直流一交流传动系统相匹配;无直流中间环节的直 接变频(又称交流一交流变频)，与交流一交流传动系统 相匹配。交流一直流一交流变频是将固定频率的单相交 流，经整流装置变为直流，再由逆变器(变频器)将直 流逆变为频率可调的三相交流，供给三相异步牵引电 动机。交流一交流直接变频是将单相固定频率，用变频 器直接变为可调频率的三相交流，供给牵引电动机。 交流一直流一交流电力机车传动系统变频调速方 法，根据不同要求、不同控制方法可分为转差控制、矢 量控制、直接力矩控制三种调速方法。 (1)转差控制法:是通过直接或间接的方法控制 异步电动机气隙磁通，再通过控制转子的转差颇率来 得到所需的转矩特性。由于直接测量气隙磁通在实际 中较为困难，一般都是用控制定子电压或电流来控制 励磁电流，若励磁电流恒定则气隙磁通恒定。 图8为转差控制示意图。在起动及低频区段，定子 .151. 电压与颇率之比保持常数，电机磁通恒定，转差恒定， 即电动机电流恒定，则得到电动机的恒力矩运行。当定子电压二1与定子频率成比例关系调速时，利用电动机转差控制 则可得到恒功率调速特性。在高速运行时，也可在维持 。恒定的条件下调节f，获得弱磁场调速，以充分扩 参考坐标系。 在交流一直流一交流变频调速系统中，电源侧变流 器采用四象限控制，故称为四象限变流器，亦称脉冲整 流器。利用脉宽调制方法(或称PWM)，即斩波方法 将逆变器输出电压调制为若干个电压脉冲，改变这些 电压的方波数量和宽度及其分布规律，即可得到不同 数值的电压翰出，从而得到平清的调压.该方法可以保 持中间直流环节电压稳定，使电网电流与电压同相，功 率因数保持为1;电网电流波形接近正弦波，高次谐波 含量少。这种脉宽调制方法，简化了主电路，调节速度 快，系统的动态性能好，在较高频率调制时，可以得到 高质量的输出电压波形，使电力机车在牵引运行和再 生制动时都能得到理想的调速效果，并可抑制低次谐 波，提高牵引电动机低速运行的稳定性，扩大了调速范 围。当然这种控制方法对于组成变流器元件的晶闸管、 八一拓一人大恒功率调速范围。 在转差控制时，被控制的量叫 是定子电压有效值、定子颇率以 及转差频率，这些都是具有平均T 值概念的t，这种平均值意义的 控制方式，不能得到快速响应.另 外，虽然转差控制既可控制磁通， 又可控制抽出转矩，但由于它们 都与转差有关，无法实现磁通与 转矩的单独控制。 把艘特坐标双 全侠成 肺止生标爪 2.向3. 的种换 C们日心et 3口n.el .相环 (2)矢t控制法:亦称磁场定向控制，是将电机电 流分解为磁场电流和力矩电流两个分童，分别加以调 节。这种控制方法需进行坐标变换和矢量计算，控制电 路较为复杂。有三种不同的磁场定向方法:转子磁场定 向、气晾磁场定向、定子磁场定向。为了使异步电动机 的变氛调速系统能得到象1流电动机那样的控制灵活 性和良好的动态控制性能，可以采用矢童控制法。 (3)直接力矩控制:在直流电机中，转矩可用T一 尺乙I.表示。式中1.为电枢电流，用于产生转矩的电流 分t;If为励磁电流。1.与I.互不影响。在交流电机中， 利用坐标变换方法，首先将三相轴系变换为两相静止 轴系(d一q坐标系统)，然后再将d一q坐标系统转换 为相应的同步旋转参考坐标系。于是交流电机的转矩 也可用尸K瓜你确定，其中几为定子电流力矩分 t，心为定子电流的磁通分t，用以产生气隙磁通。这 样交流电机的转矩方程与直流电机相似，参数几与心 互不影响且能独立变化，达到分别控制要求。 图9为力矩控制示愈图，其中叭与创:分别为磁 通给定与侧盆(间接的)信号.T与尹分别为转矩给 定与反该值，锁相环产生信号。料t和sin峡t，用以把 控制参盆从d一q旋转参考坐标系变换为相应的静止 图9力矩控制示意图 二极管等的技术性能要求较高，控制线路也比较复杂. 四象限控制系统示意图见图10。 电力机车控制 电力机车控制electric locomotive control作为开关桥，翻:作为调节桥，进行平滑级间调压过渡， 其中8级相控调压桥，可提供良好的调压效果和较高 的功率因数，并可减少牵引力的冲动，有利于钻着利 用。 相控调压控制韶山4型电力机车采用四段不对 称半控桥相控调压。牵引时可实现恒流或恒压闭环控 制，电阻制动时，控制励磁电流，可实现恒速制动。控 制系统设有防空转、防滑行及最大电流等保护装置。司 机主控制器上有调速手轮及辅助手轮，用于调速及给 定电流限定值，可以选定三种控制牵引力或速度方式: 恒压限流(辅助手轮在3z位)可适应重载起动; 恒流限压(调速手轮在32位)可适应调车或单机运行; 主、辅手轮同步动作，用于限流、限压，快旋转相当 于重载，慢旋转相当于轻载，由司机控制。电阻制动时 用主轮调速，励磁电流被限定为最大值，辅轮不调节。 若用辅轮控制励磁电流，则主轮不调节。制动力分为 n级，二级制动电阻切换，按照车速自动实现。 交流一!流一交流电力机车的控制作为交流一直 流一交流电力机车的牵引电动机一般多采用异步牵引 电动机，其调速控制则用变颇调速。因为异步电动机的 同步转速与摘人电流的频率成正比，所以改变供电电 薄颇率可以改变转子的旋转速率.一般笼型感应电动 机的转子电流系由定子感应产生，定子电流中既有建 立磁场的无功分t，又有产生转矩的有功分量。它们之 间与电机电压、颇率及转速有紧密的藕合关系。为了控 制异步电动机的转矩和转速，必须对其定子的电压与 叔率进行有效控制.从而有效地控制其磁场及电流即 电机的电磁转矩。而异步电动机的控制方法可以分为 转差控制、磁场矢t控制及直接转矩控制. 转差控制是最先采用的控制方法，根据异步电 机的德态理论，利用实测的异步电机的转速频率fr与 给定的转差了之和，作为电机逆变器的翰出频率fs， 在调速过程中保持电机逆变器的电压u，与频率f.之 比为常数(u./f.一常数)，调节了即可调节电机的转 矩。在低频段适当提高u.以补偿定子电阻产生的压降。 转差控制电路简单，但动态响应较慢，其转矩受转子电 阻影响较大。 磁场矢t控制以异步电动机的动态微分方程为 依据，利用矢t变换与运算，以转子磁通的空间旋转矢 t为坐标，将定子电流解辆为与磁场及转矩相对应的 分t，分别加以控制，可获得良好的动态特性。它受转 子电阻形响小，不需高精度的测速，但需大量的矢量运 算，控制系统要求高，主电路元件要有较高的开关频 率。 直接转矩控制控制电机逆变器，使异步电动机 定子磁通空间矢量，按照预定的轨迹运行。根据定子的 统。在此系统中通过反馈回路的检测机构将被控对象 的被调节参数送回并与给定值比较，然后将其差值输 人控制机构对被控参数进行再调整，形成闭环自动控 制系统，见图2. 控创对旅 图2闭环自动控制系统 闭环自动控制系统的给定值可以是牵引力、速度 或功率，比较器将给定值与检测值的比较差值士份，传 给调节器处理，按一定的函数关系，将调节变量传给执 行机构。 双闭环自动控制系统电力机车是一个惯性很大 的系统，为了得到准确、稳定、响应快的调节效果，常 用双闭环自动控制系统(见图3)。该系统以速度调节 为主调环节(外环)，电流(牵引力)为辅调环节(内 环)。外环实现司机指令的调节，内环实现执行环节的 控制，外环的输出作为内环指令。图3中v:、vf为速度 给定与反馈量;I:、I，为电流给定与反馈量;a为整流 桥(执行单元)的电压控制角;Ud为整流电压。这种 闭环调节系统对于机车调速，有良好的静态和动态调 节特性。 图3双闭环控制系统 !流、交流电力机车的控侧分起动控制、调压控 制和相控调压控制。 起动控制控制电力机车起动是机车基础工况之 一，也是考核司机操作水平的一项基本指标。机车的起 动是控制速度由零逐渐上升到运行速度的加速过程， 也是一种速度调节. 起动要求:一般按直流电力机车和交流电力机车 两大类考虑。对起动的基本要求是快速平稳起动，且起 动过程中能量损耗小。电力机车起动受线路钻着条件 和牵引电动机换向条件的限制。随着电力机车牵引电 动机的不断发展和完善，完全可以保证在猫着条件允 许范围内具有良好的换向，所以电力机车的起动实质 上仅受线路粘着条件的限制。增大起动电流(即牵引 力)虽能缩短起动过程，但起动电流不宜过大，如果超 出猫着条件允许，破坏了轮轨之间的猫着，机车则发生 空转，反而降低牵引力。 电力机车理想的起动控制方式是无级平滑起动， 保持起动电流恒值，即所谓恒流起动。其优点是可保持 起动电流和起动牵引力不变，使猫着条件一直维持在 最佳状态，发挥大的起动牵引力，缩短起动过程，并可 平稳起动，没有机械冲击。晶闸管整流器电力机车可以 实现无级平滑起动。 起动方式有以下几种。 (1)直流电力机车的变阻起动。直流电力机车在起 动时，牵引电动机的电枢回路中串有起动电阻，起动过 程中根据设计要求，逐级切除起动电阻，当起动电阻全 部切除时，起动过程结束。起动电阻是按短时发热条件设计的，不能在电枢电路内长时间使用。这种变阻起动方法，一般用于直流电力机车上。变阻起动在起动过程 中有能耗损失，不能平滑无级调节，属有级调节，已逐 渐被晶闸管直流斩波器所取代。 (2)降压起动。这种起动方式能降低牵引电动机的 端电压，限制其起动电流。因牵引电动机在起动初始转 速很小，起动电流很大，所以机车起动时需降低牵引电 动机的端电压。交流电力机车可利用车上牵引变压器 的调压开关改变整流装置的交流电压，以降低牵引电 动机上的直流电压。交流电力机车(尤其整流器式电力 机车)广泛采用这种降压起动方法。另外，晶闸管相控 调压起动也属于降压起动的一种形式。 调压控制韶山3型交流电力机车采用由硅整流 器与调压开关及相控桥级间调压装置组成的硅整流器 8级晶闸管级间调压控制。机车牵引变压器低压绕组 有5段，通过调压开关的10个触头与一个半控桥和一 个二极管整流桥组成相当于8级相控桥调压系统(见 图4)。在第一级时，触点1、2闭合，相控桥投人调压， 在第1、第2级转换期间，先闭合1、2、3触点，由二 极管取代半控桥，随后触点2断开，触点4闭合，细， 图4韶山3型电力机车调压控制 d一onllJ一ehe kongzh- 电力机车控制(electrie locomotive eontrol) 用电力机车的操作与控制装t，控制电力机车的主 电路及其辅助电路的电机、电器(见电力机车电机电 器)，便之按照规定的程序动作，并发挥机车的牵引、制 动能力，控制列车的运行状态，安全、经济、可靠地完 成运抽任务。 分类可分为人工控制即手动控制(也称司机驾 驶)及自动控制两种，还可分为有级(非连续)控制和 无级(连续)控制两种。 人工控制由司机操纵控制器、有关控制开关、接 触器、继电器、电控阀、电子控制装置等完成机车的前 进、后退、加速、减速、起动、停车等作业。 自动控制由司机选定指令信号后，通过机车各 种电气自动控制装里，实现机车各种技术性能的控制， 如恒转矩起动、恒功率运行、恒速控制、防滑行、空转、 再生制动以及故障自动监测等。 一般在机车运行速度较低的情况下(低于12。 km/h)可由司机手动控制;但在高速运行时(高于200 km/h)，凭借司机的视力及听力来不及反应和监视，必 须由自动控制装置控制列车运行。在自动控制