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1、第三章电力牵引制动特性3.1概述3.2电力牵引电阻制动3.3电力牵引再生制动3.1概述列车运行中，下坡限速、弯道或进站减速、到站停车或线路上临时停车等，均由制动来实现。制动要求：安全（制停、下长大坡的限速等）、可靠。制动方式:按能量转移（转：能量转化；移：将转化后的能量消耗掉）方式分：（分类方式有多种）摩擦制动：通过摩擦制动，将列车动能转化为热能消散。如压缩空气驱动的闸瓦制动、轮盘制动（后者优，动车组常用）。电阻制动：通过电机将列车动能转化为电能再由电阻转化为热能风冷来制动。（交直机车常用）再生制动：通过电机将列车动能转化为电能回馈电网来制动。（经济，直流、交流传动均用，尤其是交流传动）3.1
2、概述磁轨制动：通过电磁吸力使摩擦板紧压钢轨滑动摩擦，将列车动能转化为热能消散于大气来制动。特点：不受轮轨粘着力限制，可在粘着力外再获一制动力。应用：配合其他制动产生较大制动力；紧急制动，可满足动车组对制动距离的要求。轨道涡流制动：类似磁轨制动，但电磁铁距轨几毫米，钢轨感应涡流，从而产生电磁吸力来制动。（动能电能热能）旋转涡流制动：类似轨道涡流制动，但是装在车轴的金属盘感应涡流。应用：日本新干线100系、300系、700系。翼板制动：通过车体伸出翼板增加空气阻力来制动（增加34倍）。（处于试验中）（注：电力机车常用电制动、空气制动，故本章学习电制动）3.1概述CRH1转向架轮盘制动3.1概述3.
3、1概述3.1概述复合制动技术3.1概述一、电气制动的基本原理利用电机的可逆原理，制动时牵引电机作发电机，列车惯性力带动电机发电，将列车动能转换为电能。电机输出制动电流，电机轴上的反转矩作用于机车动轮形成制动力。二、电气制动的形式电阻制动：制动产生的电能由电阻转化为热能消耗掉。再生制动：制动产生的电能重新反馈到供电电网加以利用。节约电能，经济。3.1概述三、电气制动的优越性1、提升列车行车的安全摩擦制动：靠闸瓦与车轮的机械摩擦来减速。摩擦系数随温升而下降，则制动的效能随列车速度、载重、长度的提高而下降，高速时呈不稳定性。电气制动：速度越高制动效果越明显，且与制动时间无关。2、减少闸瓦与车轮的摩擦
4、机械制动摩擦严重，速度越高，制动强度大，摩擦大；低速则相反。高速时电气制动，低速时机械制动（动车组为轮盘制动）。3.1概述3、提高列车下坡运行的速度摩擦制动：每次排风制动后约需一分钟的缓解，待风压恢复后才能再次制动，造成下坡速度波动大，使列车平均速度下降。电气制动：制动性能与制动时间无关，可使列车下坡速度提高8%，因而提高运输能力。四、电制动的基本要求电气制动的基本要求：v机械稳定性即偶然因素使速度v制动力BV，从而保持原稳定运行状态。3.1概述v电气稳定性在一定速度v，瞬时电流扰动，电气系统能自动恢复到原平衡状态。v各台电动机制动力应力求相等电机制动时的负载分配尽可能均匀，若客观原因暂时分配
5、不均，则在客观原因消失后能自动恢复均匀分配。v外界条件暂时变化（如网压波动、粘着条件变化以及人为调节制动力等），无过大的电流冲击和制动力冲击。v制动性能良好，工作可靠，所增加的电气设备体积小、重量轻、线路简单、操作简单、易于检修。3.2电力牵引电阻制动电阻制动一般常用于直流传动。直流传动电机的电枢串制动电阻，而励磁分串励、他励两种。他励电阻制动：电路如图（a）所示，调励磁电流即调制动电流和制动力，实现对机车运行速度的控制。（电力机车常用）串励电阻制动：电路如图（b）所示，励磁绕组反向与电枢串，再与制动电阻RZ形成回路。调RZ可调制动电流和制动力。注意：RZ多抽头，需开关电器，线路复杂，设备多；
6、有级制动，不利平稳运行；RZ不宜过大，否则会电机不能自激；多台电机并联共用一个RZ时，会出现不稳定状态（电力机车各电机各自有RZ）。(a)(b)图3-1电阻制动原理图3.2电力牵引电阻制动一、他励式电阻制动的稳定性1、机械稳定性简析：图3-2为他励电阻制动特性曲线，a点稳定运行，若偶然因素有V运行到b点，因制动力BbBa，从而迫使V降回到a点；反之，则相反。结论：他励式电阻制动机械稳定性条件（3-1）图3-2电阻制动的机械稳定性实际中，在高速区、制动电流恒定条件下，有（3-1）式成立，故高速区具有机械稳定性。3.2电力牵引电阻制动2、电气稳定性（1）电压方程式他励电阻制动电枢回路（见前图）电压
7、平衡方程式为（3-2）图3-3他励电阻制动回路电势曲线式中，EZ为电机发电电势，Z为他励磁通，R为电机总电阻（主要是电枢的），L为制动回路的电感（制动电流稳定时不起作用）。（2）回路电势曲线图3-3中，曲线1为某速度时的电势特性曲线EZ=CVZV，曲线2为负载特性曲线IZ(RZ+R)，二者间纵线段表示自感电势L(dIZdt)。3.2电力牵引电阻制动（3）简析电机在A点稳定工作，L(dIZdt)=0；若扰动有IZ增大时，有，即L(dIZdt)0，则IZ减少回到A点；若IZ减少时，有L(dIZdt)0，则IZ增大回到A点。故他励电阻制动具有电气稳定性。二、他励式电阻制动的特性制动特性，指电力机车电
8、气制动时的各种工作特性，包括速度特性V=f(IZ)、制动力特性B=f(IZ)、制动特性B=f(V)。1、速度特性V=f(IZ)稳定工作状态时自感电势为零，则式（3-2）变为（3-3）3.2电力牵引电阻制动则电阻制动的速度特性为（h）（3-4）式中，RZ、R、CV均为定值。特性曲线如图3-4，可见：（1）忽略电枢反应，励磁IL一定（即Z定）时，有VIZ，线性（2）一个IL值（Z值）对应一条制动速度特性直线；IL连续调，则形成特性面。图中IL1IL2IL3（3）调他励电流，可调制动速度。图中，制动电流IZ一定，IL越小V越高；反之则相反。图3-4电阻制动速度特性曲线3.2电力牵引电阻制动2、制动力
9、特性B=f(IZ)他励电阻制动时，若IZ方向不变，则IL要反向；反之则相反。则电机的电磁转矩就为制动转矩(3-5)又机车的轮周制动力B与N台牵引电机制动转矩MZ的关系为(3-6)故制动力特性为（）(3-7)图3-5电阻制动力特性曲线3.2电力牵引电阻制动制动力特性曲线如图3-5所示，可见：（1）不计电枢反应，励磁IL一定（Z定），有BIZ，线性。（2）一个IL值（Z值）对应一条制动力特性直线；励磁电流连续调，则形成特性面。图中IL1IL2IL3。（3）调制动电流或励磁电流都可调制动力。IZ一定，IL越大B越大；IL一定，IZ越大B越大。3、制动特性B=f(V)（1）形式一将式（3-4）的IZ式
10、（3-7），可得制动特性（）（3-8）3.2电力牵引电阻制动制动特性曲线如图3-6所示，可见：（1）IL一定（即Z定），BV，线性；IL越大，特性曲线越陡，图中IL1IL2IL3。（2）IL一定时，VB，说明他励电阻制动具有机械稳定性（与前述一致）；V越低B越小，故电阻制动不用于机车的制停。（2）形式二图3-6电阻制动特性曲线将式（3-3）的Z式（3-7），可得制动特性的另一形式（）（3-9）3.2电力牵引电阻制动制动特性曲线如图3-6所示，可见：（1）IZ一定，B1V（反比），特性曲线为双曲线。图中IZ1IZ2IZ3。（2)IZ一定，在很宽范围内B随V的升高而降低，不具有机械稳定性。三、他励
11、式电阻制动的控制方式上述分析可知，他励电阻制动有三种控制方式：恒磁通、恒电流、恒速度控制。1、恒磁通控制励磁IL恒定（Z恒定），调RZ来调IZ大小，从而调B（依式（3-7）。3.2电力牵引电阻制动特点：有级调节，电路复杂。应用：仅作补充手段，即低速区制动力不足时短接部分RZ使B。（如SS3、SS4）2、恒电流控制恒IZ制动，调IL来调B（依式（3-7）。特点：机车特性呈恒功率曲线，能充分利用机车的制动功率，但机械稳定性差。应用：相控机车低速区采用。3、恒速度控制恒速V，调IL来调B（依式（3-8）。特点：改变制动力B来抗衡外界加速力实现机车恒速。（调节功率小，易实现自动控制）3.2电力牵引电阻
12、制动应用：下长大坡道，不断调节IL使B与加速力平衡，保持机车以给定速度恒速下坡。四、他励式电阻制动的界限因受机车本身、牵引电机、制动电阻等多因素限制，只允许一定范围内使用电阻制动。1、最大励磁电流限制受励磁绕组允许温升限制。图3-7他励式电阻制动界限图3-7中，曲线1是最大IL对应的制动特性曲线，其右方允许，而左方易发热烧毁励磁绕组，且磁路饱和调节效果不明显。3.2电力牵引电阻制动2、粘着限制受制动打滑的粘着限制。图中曲线2是粘着限制曲线。据“牵规”，制动粘着系数应比牵引粘着系数低20。3、最大制动电流限制受电枢绕组允许温升限制，并受RZ允许发热条件（允许功率、通风散热条件）限制。以最大IZ代
13、入式（3-9），可得图中曲线3，它表示制动电流的限界。4、换向条件限制现代机车牵引电机有补偿绕组，安全换向主要受电抗电势限制。3.2电力牵引电阻制动高速制动电流大，电抗电势会超允许值。特别是IL较小时，Z畸变严重，可能发生火花甚至环火。图中曲线4表示了换向条件允许的界限。因电抗电势正比于VIZ，则VIZ。5、电力机车最高速度限制即机车的构造速度，受机车机械运行部分强度限制（还可能受线路允许速度的限制）。图中的曲线5表示了最高速度限制。五、电阻制动的不足与克服电阻制动优点：除前述外，还有控制电路简单、制动力调节方便、易于实现自动化。3.2电力牵引电阻制动缺点：低速区制动力下降快，制动效果差。解决
14、办法：1、分级电阻制动由式（3-2）知，他励发电机IL不变，VEZ（RZ一定时）IZB。减小RZ，虽VEZ，仍能保持IZ维持B。如SS3，RZ分1.0052和0.6两级，低速时为0.6，B扩大近一倍。2、加馈电阻制动（“补足”电势电阻制动）低速，制动回路外接附加电源，以“补足”低速的低EZ造成的低IZ，保证足够的IZ，获得足够的B。3.2电力牵引电阻制动相控机车加馈电阻制动原理电路，回路电压方程式为（3-10）则制动电流IZ为（3-11）图3-8加馈电阻制动原理实际中，制动电流需连续可调以及时“补足”。相控机车，用牵引整流调压电路作制动加馈电源，如图示。注意：（1）据计算，维持低速B恒定，制停
15、列车所需外加电源功率几乎与机车额定功率相等。（2）理论上可制停机车，但实际中电机静止，整流子长时间流过额定电流易过热而烧坏。故速度低于一定值时，改用空气制动来制停机车。SS3B、SS4改、SS8及SS9机车均如此。3.3电力牵引再生制动直流传动、交流传动的电力牵引均可用再生制动，但交流传动应用普遍，且优先采用再生制动。一、“交-直”牵引再生制动（一）再生制动的稳定性1、机械稳定性分析可知，再生制动的制动特性B=f(V)满足式（3-1），故具有制动的机械稳定性。2、电气稳定性“交-直”牵引，再生制动时牵引电机通过变流装置间接与接触网联接，则电机的外部电路须首先保证电气稳定。3.3电力牵引再生制动
16、（1）串励电机的电气稳定性“交-直”牵引再生制动原理电路（图示）与牵引时相同，但变流器（全控桥）为逆变状态。设再生制动时电机为串励发电机状态，外部特性UD=f(IZ)为（3-12）式中，EZ为电机电势，R主要为电枢电阻（图中未画出）。逆变器N的外特性Ud=f(IZ)，实现再生制动时应满足图3-9相控机车再生制动原理（3-13）或（3-14）式中，L主要为电抗器的电感。3.3电力牵引再生制动图3-10为特性曲线，电机UD与逆变器Ud交于a、b两点。分析：a点不稳定而b点稳定。（a点：某种原因使IZ（左移），有UdUD，据式（3-14）知L(dIZdt)0，则IZ继续减小远离a点；反之，IZUDUd，L(dIZdt)0，IZ继续增大远离a点。b点：刚好相反，但b点IZ值太大。）可见，再生制动稳定工作的条件为（3-15）图3-10电机、逆变器电压曲线若Ud稳
