第二十一章电力机车的电气制动 牵引与制动是一对矛盾。制动是调速的一种特殊形式。电传动机车一般有两套制动系统, 一是空气制动系统即机械制动系统,包括闸瓦制动和盘形制动。二是电气制动系统,包括电 阻制动和再生制动。本章将详细分析电气制动的基本原理,电气制动的稳定性,电气制动的 形式,电气制动的特性及其控制方式。学习本章应达到以下目的 1.会分析电阻制动和加馈电阻制动的原理 2.掌握电阻制动和加馈电阻制动电气线路构成 3.会分析电阻制动特性曲线 第一节概述 制动是机车运行的基本工作状态之一。当列车需要减速、停车或在长大下坡道上运行需 要限制列车的速度时,都必须采取制动措施,控制机车的运行速度。现代铁路运输的安全性, 在很大程度上取决于机车制动性能的好坏。随着铁路运输的发展,行车速度的不断提高,对 机车的制动性能也相应提出了更高的要求,以更好的保证列车高速运行时的安全性和可靠性。 1.电气制动的基本原理 电气制动是利用电机的可逆性原理。电力机车在牵引工况运行时,牵引电机做电动机运 行,将电网的电能转变为机械能,轴上输出牵引转矩以驱动列车运行。电力机车在电气制动 时,列车的惯性力带动牵引电动机,此时牵引电机将做发电机运行,将列车动能转变为电能, 输出制动电流的同时,在牵引电机轴上产生反向转矩并作用于轮对,形成制动力,使列车减 速或在下坡道上以一定速度运行。 2.电气制动的形式 根据电气制动时电能消耗的方式,电气制动分为电阻制动和再生制动二种形式,如果将 电气制动时产生的电能利用电阻使之转化为热能消耗掉,称之为电阻制动。如果将电气制动 时产生的电能重新反馈到电网加以利用,称之为再生制动 3.电气制动的优越性 (1)提高了列车行车的安全性。列车除机械制动系统外,由于配备了电气制动系统。因 而提高了列车运行的安全性。机械制动是靠闸瓦与车轮的机械磨擦来降低机车的运行速度, 而杋械摩擦系数随着温度升髙明显下降,因此机械制动的性能和效果随着列车速度、载重和 长度的提高而下降,且在高速时列车的机械制动呈现不稳定性,而电制动则相反,速度越高 制动效果越明显,而且与制动时间无关
第二十一章 电力机车的电气制动 牵引与制动是一对矛盾。制动是调速的一种特殊形式。电传动机车一般有两套制动系统， 一是空气制动系统即机械制动系统，包括闸瓦制动和盘形制动。二是电气制动系统，包括电 阻制动和再生制动。本章将详细分析电气制动的基本原理，电气制动的稳定性，电气制动的 形式，电气制动的特性及其控制方式。学习本章应达到以下目的： 1．会分析电阻制动和加馈电阻制动的原理； 2．掌握电阻制动和加馈电阻制动电气线路构成； 3．会分析电阻制动特性曲线。 第一节 概 述 制动是机车运行的基本工作状态之一。当列车需要减速、停车或在长大下坡道上运行需 要限制列车的速度时，都必须采取制动措施，控制机车的运行速度。现代铁路运输的安全性， 在很大程度上取决于机车制动性能的好坏。随着铁路运输的发展，行车速度的不断提高，对 机车的制动性能也相应提出了更高的要求，以更好的保证列车高速运行时的安全性和可靠性。 1．电气制动的基本原理 电气制动是利用电机的可逆性原理。电力机车在牵引工况运行时，牵引电机做电动机运 行，将电网的电能转变为机械能，轴上输出牵引转矩以驱动列车运行。电力机车在电气制动 时，列车的惯性力带动牵引电动机，此时牵引电机将做发电机运行，将列车动能转变为电能， 输出制动电流的同时，在牵引电机轴上产生反向转矩并作用于轮对，形成制动力，使列车减 速或在下坡道上以一定速度运行。 2．电气制动的形式 根据电气制动时电能消耗的方式，电气制动分为电阻制动和再生制动二种形式，如果将 电气制动时产生的电能利用电阻使之转化为热能消耗掉，称之为电阻制动。如果将电气制动 时产生的电能重新反馈到电网加以利用，称之为再生制动。 3．电气制动的优越性 （1）提高了列车行车的安全性。列车除机械制动系统外，由于配备了电气制动系统。因 而提高了列车运行的安全性。机械制动是靠闸瓦与车轮的机械磨擦来降低机车的运行速度， 而机械摩擦系数随着温度升高明显下降，因此机械制动的性能和效果随着列车速度、载重和 长度的提高而下降，且在高速时列车的机械制动呈现不稳定性，而电制动则相反，速度越高 制动效果越明显，而且与制动时间无关
(2)减少了闸瓦和车轮磨耗。机械制动时,接触表面温度很髙,闸瓦和轮缘的磨耗十分 严重,因为机械制动的磨耗主要取决于制动力的强度,高速时需制动强度大,磨耗就大,低 速时相反。所以髙速时用电制动,低速度时用机械制动可以大大地降低机车车辆轮轨的磨耗, 大量节约制动闸瓦 (3)提高了列车下坡运行速度。由于机械制动时需在每次排风制动后,充风缓解至少约 1分钟待风压恢复后才能进行下一次制动,造成下坡速度波动大,使列车的平均速度下降,而 电制动因其性能与制动时间无关,可使列车下坡速度提高8%,因而提高了运输能力。 4.机车采用电气制动时应满足的基本要求 (1)具有电气稳定性并保证必要的机械稳定性; (2)有广泛的调节范围,冲击力小 (3)机车由牵引状态转换为电气制动状态时应线路简单,操纵方便,有良好的制动性能 负载分配力求均匀。 5.稳定性概念 (1)机械稳定性:指机车牵引列车在正常运行中,不会由于偶然原因引起速度发生微量 变化而使列车的稳定运行遭到破坏。电气制动的机械稳定性是指当偶然原因使机车运行速度 增高(或降低)时,制动力应随之增大(降低),以保持原来的稳定运行状态。 以图21-为例对机械稳定性进行分析。设在电气制动工况下,机车在g点稳定运行,若现 有一偶然因素使速度V有一增量ΔV,对曲线1而言,由于其斜率为负,此时制动力Bg)Bg 使速度V进一步上升,因而是不稳定的。而对于曲线2,由于其斜率为正,此时制动力Bs Bg,迫使速度V降低,因而是稳定的,由此得出判定稳定性的条件 0 实际上电力机车无论是电阻制动或再生制动的制动特性在高速区,保持制动电流恒定的 条件下特性曲线的变化率妲>0,故电气制动在高速区具有机械稳定性。 (2)电气稳定性:指电传动机车在正常运行中,不会由于偶然因素,电流发生微量变化, 而使牵引电机的电平衡状态遭到破坏。电气制动的电气稳定性判别我们将在本章的第二节和 第五节详细分析
（2）减少了闸瓦和车轮磨耗。机械制动时，接触表面温度很高，闸瓦和轮缘的磨耗十分 严重，因为机械制动的磨耗主要取决于制动力的强度，高速时需制动强度大，磨耗就大，低 速时相反。所以高速时用电制动，低速度时用机械制动可以大大地降低机车车辆轮轨的磨耗， 大量节约制动闸瓦。 （3）提高了列车下坡运行速度。由于机械制动时需在每次排风制动后，充风缓解至少约 1分钟待风压恢复后才能进行下一次制动，造成下坡速度波动大，使列车的平均速度下降，而 电制动因其性能与制动时间无关，可使列车下坡速度提高8％，因而提高了运输能力。 4．机车采用电气制动时应满足的基本要求 （1）具有电气稳定性并保证必要的机械稳定性； （2）有广泛的调节范围，冲击力小； （3）机车由牵引状态转换为电气制动状态时应线路简单，操纵方便，有良好的制动性能， 负载分配力求均匀。 5．稳定性概念 （1）机械稳定性：指机车牵引列车在正常运行中，不会由于偶然原因引起速度发生微量 变化而使列车的稳定运行遭到破坏。电气制动的机械稳定性是指当偶然原因使机车运行速度 增高（或降低）时，制动力应随之增大（降低），以保持原来的稳定运行状态。 以图21-1为例对机械稳定性进行分析。设在电气制动工况下，机车在g点稳定运行，若现 有一偶然因素使速度V有一增量ΔV，对曲线1而言，由于其斜率为负，此时制动力Bg〉Bg’， 使速度V进一步上升，因而是不稳定的。而对于曲线2，由于其斜率为正，此时制动力Bg’〉 Bg，迫使速度V降低，因而是稳定的，由此得出判定稳定性的条件： 0 dV dB 实际上电力机车无论是电阻制动或再生制动的制动特性在高速区，保持制动电流恒定的 条件下特性曲线的变化率 0 dV dB ，故电气制动在高速区具有机械稳定性。 （2）电气稳定性：指电传动机车在正常运行中，不会由于偶然因素，电流发生微量变化， 而使牵引电机的电平衡状态遭到破坏。电气制动的电气稳定性判别我们将在本章的第二节和 第五节详细分析
21-1机械稳定性分析 第二节电阻制动 、串励牵引电机电阻制动 1.串励电机的自激发电过程 采用串励牵引电机的电力机车在进行电阻制动时,必须首先切断牵引电机电枢与电网的 联接,使电机电枢与制动电阻接成回路。其工作原理图如21-2 l l E MRB D (b) 牵引工况 制动工况 图中:n-一电机转速 d-一电机主极磁通 Ed-一电机电枢绕组中产生的感应电势 Ia--电机电枢电流(制动时为I制动电流) Rz--制动电阻 图21-2串励牵引电机电阻制动原理 由于串励发电机的激磁建立是依靠电机的剩磁,比较上图(a)、(b)知在牵引工 况和制动工况下,流过机车牵引电机电枢的电流方向是相反的,因此必须设法使电机激磁绕
图21-1 机械稳定性分析 第二节 电阻制动 一、串励牵引电机电阻制动 1．串励电机的自激发电过程 采用串励牵引电机的电力机车在进行电阻制动时，必须首先切断牵引电机电枢与电网的 联接，使电机电枢与制动电阻接成回路。其工作原理图如21-2。 图21-2 串励牵引电机电阻制动原理 由于串励发电机的激磁建立是依靠电机的剩磁，比较上图（a）、（b）知在牵引工 况和制动工况下，流过机车牵引电机电枢的电流方向是相反的，因此必须设法使电机激磁绕 牵引工况 制动工况 图中:ｎ－－电机转速 Φ－－电机主极磁通 Ｅｄ－－电机电枢绕组中产生的感应电势 Ｉａ－－电机电枢电流（制动时为ＩＺ 制动电流） ＲＺ－－制动电阻
组的磁势与剩磁方向相同,否则激磁便无法建立。通常采用改换励磁绕组的接法来实现,即 电机励磁绕组CD与电枢绕组AB的接法由ABCD改为ABDC接法,如图21-2所 串励发电机在它的自激过程中,制动回路电流Iz与发电机电势Ed关系为: Ed=CD=(R+∑R)+L (21-1) L尝=C-l(+∑R) (21-2) 式中:Rz-一制动电阻 ∑R一一发电机总电阻,包括电枢、附加极、主极绕组的电阻 L一一制动回路的电感。 ItR+工R1 图21-3串励电阻制动回路电势曲线 分析上式,由于列车运行时有很大的机械惯性,在电机自激的过程中,机车速度变化很 小,可视为常值。所以电机的电势将随制动电流Iz的增加而增长。若将制动回路内的电势与 电流的关系表示为曲线可用图21-3表示。图中曲线1表示发电机电势Ed=Cvp,直线2表示电 阻压降(R+∑R),两线之间的纵线段表示自感电势L尝,E为由剩磁所产生的旋转电势 由图可见,在Eo的作用下,制动开始的瞬间自感电势L为正值,使制动电流增长,电机 d 励磁加强。尽管在随后的过程中,Lz在变化,但总为正值,使电机励磁磁势不断加强。 直到曲线1与直线2的交点A,自感电势L4z=0,电流达到稳定状态,完成了电机的自激过 2.稳定性分析
组的磁势与剩磁方向相同，否则激磁便无法建立。通常采用改换励磁绕组的接法来实现，即 电机励磁绕组CD与电枢绕组AB的接法由ABCD改为ABDC接法，如图21-2所示。 串励发电机在它的自激过程中，制动回路电流IZ与发电机电势Ed关系为: ( ) dt dIz Ed = CvV = Iz Rz +R + L （21-1） L = CvV − Iz(Rz +R) dt dIz （21-2） 式中：RZ——制动电阻； ΣR——发电机总电阻，包括电枢、附加极、主极绕组的电阻； L——制动回路的电感。 图21-3 串励电阻制动回路电势曲线 分析上式，由于列车运行时有很大的机械惯性，在电机自激的过程中，机车速度变化很 小，可视为常值。所以电机的电势将随制动电流IZ的增加而增长。若将制动回路内的电势与 电流的关系表示为曲线可用图21-3表示。图中曲线1表示发电机电势Ed=CvV ，直线2表示电 阻压降 Iz(Rz +R) ，两线之间的纵线段表示自感电势 dt dIz L ，E0为由剩磁所产生的旋转电势。 由图可见，在E0的作用下，制动开始的瞬间自感电势 dt d L I Z 为正值，使制动电流增长，电机 励磁加强。尽管在随后的过程中， dt d L I Z 在变化，但总为正值，使电机励磁磁势不断加强。 直到曲线1与直线2的交点Ａ，自感电势 = 0 dt d L I Z ，电流达到稳定状态，完成了电机的自激过 程。 2．稳定性分析
电机达到稳定状态时,L4/z=0 此时 C1=2(R2+R) 制动电流为: l,=coy (21-3) R+2R 制动电阻为 RAy R (21-4) 由式(21-3)可知在一定的制动电阻Rz及一定的速度V下,电机只有一个工作状态,它是 由制动电阻的压降与电机外特性曲线所决定的(即二者的交点A)。如果由于某种外界原因 而偏离这一工作状态,它有自动恢复到原来稳定状态的趋势。比如在制动过程中,制动电流 有所增加,则电机电势C小于电阻压降1(R+R),“z0,迫使电流减小;当电 流减小时,电机电势CΦ大于电阻压降L2(R2+R,L212>0,使电流增大。因而,它 具有电气稳定性 根据上述对外部电气稳定性的分析,可以得出检验外部电气稳定性的数学判式为 在I2》2时 dlc I Ⅰ2(R2+2R (21-5) d l 说明在A点,电阻压降的斜率必须大于电机电势曲线的斜率,系统才具有外部电气稳定 性 3.调节方式 串励式电阻制动不需要额外的励磁电压,用改变制动电阻Rz的大小来调节制动电流和制 动力。在高压大电流情况下,制动电阻要求有许多抽头和相应的开关电器,造成线路复杂设 备增多,且制动力的调节是有级的,不利于机车平稳运行。同时制动电阻的取值应适当不宜
电机达到稳定状态时， = 0 dt d L I Z 此时： V (R R) CV I Z Z = + 制动电流为： R V R C I Z v Z + = (21-3) 制动电阻为: R V I C R Z V Z − = (21-4) 由式(21-3)可知在一定的制动电阻RZ及一定的速度Ｖ下，电机只有一个工作状态，它是 由制动电阻的压降与电机外特性曲线所决定的（即二者的交点Ａ）。如果由于某种外界原因 而偏离这一工作状态，它有自动恢复到原来稳定状态的趋势。比如在制动过程中，制动电流 有所增加，则电机电势 C V v 小于电阻压降 (R R) I Z Z + ， dt d L I Z <0，迫使电流减小；当电 流减小时，电机电势 C V v 大于电阻压降 (R R) I Z Z + ， dt d L I Z >0，使电流增大。因而，它 具有电气稳定性。 根据上述对外部电气稳定性的分析，可以得出检验外部电气稳定性的数学判式为： 在I z I ZA时 ( ) ( ) + I I R I C Z Z Z A Z V d d R d d V | | | （21-5） 说明在A点，电阻压降的斜率必须大于电机电势曲线的斜率，系统才具有外部电气稳定 性。 3．调节方式 串励式电阻制动不需要额外的励磁电压，用改变制动电阻RZ的大小来调节制动电流和制 动力。在高压大电流情况下，制动电阻要求有许多抽头和相应的开关电器，造成线路复杂设 备增多，且制动力的调节是有级的，不利于机车平稳运行。同时制动电阻的取值应适当不宜