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：  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，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。  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:  （21-1）   （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=，直线2表示电阻压降，两线之间的纵线段表示自感电势，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，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，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， 此时：  制动电流为：  (21-3) 制动电阻为:   (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，则电机电势小于电阻压降，<0，迫使电流减小；当电流减小时，电机电势大于电阻压降，>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  （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过大，否则会使电机不能自激。当多台电机并联共用一个制动电阻时，还会出现不稳定状态。所以在整流器电力机车上使用电阻制动时，一般不用串励式电阻制动，而采用它励式电阻制动，即用改变励磁电流的方式来调节机车的制动电流和制动力，实现对机车运行速度的控制。 二、他励牵引电机电阻制动 采用它励电机电阻制动时，首先切断牵引电机电枢与电网的连接，使电枢绕组与制动电阻接成回路，而电机原串励绕组则由另外电源供电，电机作它励发电机运行，其工作原理图21-4所示。 1．电气稳定性分析 当它励电阻制动的励磁电流一定时，图21-4所示电枢电路的电压平衡方程式为：  当自感电势时，表示电机的一种稳定工作状态，如图21-5中A点所示。图中曲线2为他励发电机负载特性曲线。曲线1为机车速度某值时他励发电机的电势特性曲线，如果电机电流IZ 因扰动而有偏移时，它具有自动恢复到原来稳定状态的趋势。如制动电流IZ 增大，电机电势〈 ，<0，使电流减小；当IZ减小时，>0，使电流增大。因而能自动恢复到稳定状态工作点Ａ点。所以，它励电阻制动具有电气稳定性。  图21-4它励电阻制动原理电路 图21-5它励电阻制动回路电势曲线 图中：RZ——制动电阻； IZ——电机制动电流； Ed——电机发电电势。 2．制动特性及控制方式 电力机车在电气制动时的各种工作特性称为制动特性。它包括制动时反映机车速度V与制动电流IZ关系的速度特性V=f（IZ）；制动力Ｂ与制动电流IZ关系的制动力特性B=f（IZ），制动力B与机车速度V关系的制动特性B=f（V）。下面具体分析它励电阻制动的各种工作特性。 （1）速度特性V=f（IZ） 当它励电阻制动进入稳定工作状态时，电压平衡方程式为，由此得出机车电阻制动时的速度性为：  （km/h） （21-6） 在上式中由于电阻制动电枢回路的电阻∑R、制动电阻RZ、机车常数Cv均为定值，若不考虑电机电枢反应的影响，固定的励磁电流下（即主极磁通量Φ固定），机车速度与制动电流呈正比关系。对应于不同Φ值（即不同的励磁电流），各有一条速度特性曲线，由于励磁电流的调节是连续的，因而机车的速度特性是一个面特性。需调节机车速度时，可调节它励磁绕组的励磁电流，各励磁电流下的速度特性曲线如图所示，其中IL4<IL3<IL2<IL1 。  图21-6电阻制动速度特性曲线 （2）制动力特性B=f（IZ） 制动力特性是指轮周制动力与电机制动电流的关系。我们将电机的电磁转矩（反转矩）换算为机车轮周制动力B，则有：  （KN） (21-7) 由式（21-7）可知，轮周制动力B正比于CeΦ与IZ的乘积。若不计电机的电枢反应，当励磁电流一定时（Φ为定值），制动力B与电枢电流IZ之间也是成正比关系。对应于不同的励磁电流各有一条过原点的直线，制动力特性曲线如图21-7所示，其中IL4 >IL3 >IL2 >IL1。 需调节制动力时，可通过调节它励绕组的励磁电流来实现。由图21-7曲线可知，当制动电流一定时，励磁电流越大，机车制动力就越大。也可以在一定的励磁电流下通过调节制动电流来实现，且制动电流越大，制动力越大。  图21-7 电阻制动力特性曲线 （3）制动特性B=f（V） 由电阻制动的速度特性公式（21-6）和制动力特性公式（21-7）可以求出机车电阻制动时机车制动力与机车速度的关系式为：  （KN） （21-8） 下面我们分析（3-8）式，由上式知，对于某一固定的励磁电流（即Φ值固定），制动力与速度成正比关系，并且IL（即Φ值）越大，特性曲线越陡，如图21-8所示，图中IL4 >IL3 >IL2 >IL1。说明它励电阻制动具有机械稳定性，即随着机车速度的增加其电制动力也增加。从图21-8所示曲线我们还可以得到这样的认识：保持励磁电流为常量时，机车速度越低实行电阻制动时其制动力越小，因此电阻制动一般不用于机车制停。 如果制动电流Iz保持为一常量，此时机车制动力──速度的特性变为：  （KN） （21-9） 由（21-9）式可知，在IZ=C情况下，机车电制动力与机车速度成反比关系，特性曲线为一双曲线，且IL3 >IL2 >IL1。另外当制动电流保持恒定时，制动力在很宽的范围内随速度的升高而降低，因而不具有机械稳定性。  图21-8电阻制动特性曲线 （4）控制方式 它励电阻制动控制方式有三种，即恒磁通控制、恒电流控制、恒速控制。 恒磁通控制是指它励电机的励磁电流固定，制动力的调节靠调节制动电阻的大小来进行，这种控制方式因有级、调节不连续，电路复杂，在现代电力机车上不单独使用，而仅作为一种弥补手段，在低速区制动力明显不足时，为扩大机车制动力短接一部分制动电阻进行制动分级。 恒电流控制是指保持制动电流不变，制动力调节靠调节它励电流实现，机车特性呈恒功率曲线。此种方式能充分利用机车的制动功率，但机械稳定性差，使工作特性使用范围受限。相控机车在低速区一般采用此种控制方式。 恒速控制是指随着外界加速力的变化相应调节它励电机的励磁电流，使机车在制动时保持恒定速度。例如机车在长大下坡道上运行时，欲使机车在某一速度恒速运行，司机给定机车速度为某恒定值，若机车速度高于给定值，则可加大励磁电流使机车制动力增加，迫使机车速度下降；若机车速度低于给定值时，可减小励磁电流使机车制动力减小，机车速度又自动上升。如此根据机车速度的变化情况，不断调节励磁电流，使其制动力自动与加速力相平衡，保持机车以给定的速度恒速下坡。图21-9所示为恒速制动特性曲线，图中每条近似垂直的直线，为每一给定速度值时的制动特性曲线。显然，恒速制动是一种较为理想的制动特性，对稳定列车下坡速度，提高列车平均速度都十分有利。采用它励电阻制动的相控机车通过对励磁电流的调节可以做到平滑连续，且调节功率小，易于实现自动控制。 3．电阻制动的工作范围 列车在制动时，由于受牵引电机、机车本身、制动电阻等多种因素的限制，只允许在一定范围内使用电阻制动。其限制如下： （1）最大励磁电流限制──曲线①ILmax。若超过此限制则励磁绕组发热会烧损绕组，另一方面磁路饱和，磁通增加有限，调节效果不明显。 （2）粘着力限制──曲线②Bψmax。若机车制动力大于此限制会造成滑行。应当说明根据牵规规定，计算制动时的粘着系数ψjT 应比牵引时粘着系数低20％，因此，此制动粘着力限制小于牵引粘着力限制。 （3）最大制动电流限制──曲线③IZmax。此值取决于电机电枢绕组的运行温升，一般不超过牵引工况时的持续电流，但因受机车通风条件，制动电阻功率限制，此值根据制动电阻的允许发热而定。电力机车的制动功率为了充分发挥其制动效果，一般等于或小于机车的小时功率，该限制亦表示最大制动功率限制。 （4）牵引电机安全换向限制──曲线④。牵引电机安全换向取决于电抗电势er，因 er〈VIZ ，要维持er在允许值内，必须随着机车速度的提高，相应地减小制动电流。否则牵引电机主极磁通畸变严重，可能导致换向器发生火花加剧甚至环火。 （5）机车构造速度限制──曲线⑤。它受机车机械运行部分强度的限制，实际在线路复杂的区段它可能受到线路允许速度的限制。 以上制动范围OABCDE所限定的面积等于平均制动功率，即正比于。在制动的过程中若能按曲线⑤→①这五条包络线来调节制动力，即可获得电阻制动的最佳效果。SS8型电力机车采用微机控制实现了电阻制动按包络线进行最大制动力调节。   图21-9 恒速制动特性 图21-10 它励电阻制动的限制线  图21-11 SS3型电力机车电阻制动特性曲线 三、电阻制动之不足及克服方法 电阻制动除前述的优越性以外，因为电阻制动时控制电路比较简单，制动力调节十分方便，因而易于实现制动力的自动控制，使电阻制动的性能得以充分发挥，但是电阻制动的最大缺点，从特性曲线上看是低速时制动力直线下降，制动效果不明显。目前一般采用二种方法加以克服。 1．分级电阻制动 利用改变制动电阻阻值来改变制动特性，即将制动电阻分成若干级。低速时由于发电机电势随机车速度（电机转速）的降低而正比的降低，对于一定的制动电阻，制动电流亦正比减小，因而不能维持一定制动力时所需的电流，若将制动电阻短接（减小）一部分，则尽管由于机车速度的降低使发电机电势下降了，但由于制动电阻减小了，制动电流仍能保持较大的值，以维持低速时有较大的制动力。例如国产SS3型电力机车制动电阻RZ 分成1.0052和0.60两级。低速时制动力扩大近1倍。图21-11所示为SS3型电力机车的制动特性，图中虚线表示“低速制动”时的制动特性。 2．加馈电阻制动 又称“补足”电阻制动，电阻制动在低速时由于制动电流减小而制动力下降。为了维持制动电流不变，克服机车制动力在低速区减小的状况，在制动回路外接附加制动电源来补足。图21-12所示为相控机车加馈电阻制动原理，根据原理图21-12（b）电压平衡回路方程式为：  所以制动电流为：  （21-10） 因需要根据实际制动电流及时补足发电机电势减少部分，故要求附加制动电源连续可调。一般相控机车上不另设加馈电源，而是使用牵引时整流调压电路在制动工况作为加馈电源如图21-12（a）所示。  图21-12 加馈电阻制动原理 根据图21-12（a）电路，公式（21-11）又可改写为：  （A） （21-11） 只需调节半控整流电路中晶闸管的移相角α，即可调节加馈电源输出，及时补足制动电流之减小，使制动电流维持不变。显然加馈电阻制动要消耗部分电网能量。图21-11所示阴影部分面积代表加馈电阻制动外加电源的平均功率。据计算维持低速时制动力Ｂ等于常数，使列车制停时所需要的外加功率。几乎与机车额定功率相等。 从理论上讲，加馈电阻制动可使机车制停。而实际上由于牵引电机整流器不允许静止不动长时间流过额定电流，以防整流器过热而烧损。故在机车速度低于一定值时，就切除加馈制动，改用空气制动使机车停车。国产SS3B、SS4G、SS8型电力机车均采用此种加馈电阻制动。 小 结 在第二十章的基础上，本章讨论了机车速度调节的特殊问题──电气制动。分析了电气制动的工作原理，机车特性，制动力的调节方式。 电气制动的基本工作原理是利用电机的可逆性原理，把牵引工况下的串励电动机转换成电制动工况的它励发电机，产生制动转矩从而限制机车速度。根据如何消耗发电机所产生的电能划分出二种电气制动方式，即电阻制动和再生制动。 电阻制动是目前电力机上普遍采用的一种控制方式。其电路结构简单，只需将串励电动机车的励磁绕组与电枢绕组分离，电枢绕组并接制动电阻，励磁绕组单独接励磁电源即可。电阻制动易于实现自动控制，可以实现恒磁通、恒速、恒流控制。尤其恒速控制对机车通过长大坡道，提高机车平均速度等有良好的经济意义。恒流控制可以充分利用机车的制动功率。为了克服低速电阻制动之不足采用分级电阻制动和加馈电阻制动。 复习思考题 1、电力机车电气制动的基本原理是什么？ 2、电力机车电气制动有几种形式？ 3、电气制动与空气制动相比有哪些显著的优越性？ 4、何谓电阻制动？ 5、为什么串励电机不适合在制动工况运行？ 6、绘出它励电阻制动原理图，已知IZ、n方向，写出IZ的表达式，并标出图中Ed、Ia、Me方向。 7、加馈电阻制动实施的条件是什么？使用加馈电阻制动能否制停？为什么？ 8、根据题6绘出的原理图，绘出加馈电阻制动原理图。写出IZ的表达式，并标出图中Ej、Ia、Me方向。 9、分析串励电阻制动的电气稳定性。 10、它励电阻制动的调节方式有几种？ 11、它励电阻制动为什么不用于机车制停？ 12、何谓电力机车的电气制动特性，它包括哪些工作特性？ 13、何谓恒速控制？分析它对于利用机车制动功率有何意义？ 14、绘图说明电阻制动工作特性的限界条件。