第二十章 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，情况虽然很复杂，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
已。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。
不同种类的电力机车、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。本章将分别讨论不同
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。
知识点提示
1、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：
?1、宽广的调速范围；
?2、冲击力小，牵引力变化连续；
?3、调速经济；
?4、运行可靠，控制简单，操作方便。
二, 电力机车的调速方式
1、具有直（脉）流牵引电动机机车的调速
直直型和交直型电力机车均采用直（脉）
流牵引电动机做牵引动力。根据机车速度
计算公式知机车的调速方案应有下列几种：
（ 1）改变牵引电动机回路电阻 R
（ 2）改变牵引电动机的端电压 UＤ
（ 3）改变磁通量 Φ
第二节 励磁调节
所谓励磁调节，就是通过调节流过牵引电
动机的励磁电流，从而改变牵引电动机主
极磁通的方法进行调速，亦称磁场削弱调
速。磁场削弱的目是扩大机车的运行范围，
充分利用机车功率。本节主要讨论磁场削
弱系数的概念，磁场削弱方法以及磁场削
弱时机车特性。
一, 磁场削弱系数
磁场削弱系数用 β表示, 磁场削弱系数定义如
下：在同一牵引电动机电枢电流下, 磁场
削弱后 （ 削弱磁场 ） 牵引电动机主极磁势
与磁场削弱前 （ 满磁场 ） 牵引电动机主极
磁势之比 。
其表达式为：
( % )
)(
)
IW
IW
m
?
? ??
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
2.改变励磁绕组的电流
改变励磁绕组电流的方法可有以下几种：
(1)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 。
（ 2）晶闸管分路法
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 β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
SS8型准高速电力机车均采用无级磁场削弱，
三, 磁场削弱下的机车特性及其应用
电力机车在牵引电动机额定电压和满磁场
时的机车特性我们在第一章已经做过介绍。
牵引电动机实施磁场削弱后机车的基本特
性与满磁场时不同，下面就用作图法具体
分析削弱后机车的基本特性。
1.削弱磁场时的机车速度特性
2．削弱磁场时的机车牵引力特性
3．削弱磁场时的机车牵引特性
4．特性曲线的应用
当牵引电动机由满磁场级位运行转换为磁场削
弱级运行，这个过程是很短暂的，此时机车由于
巨大的惯性速度还来不及变化，因此磁场削弱后
电机的反电势减小，电枢电流增加，机车的输出
功率和牵引力均有所提高。这时若列车运行阻力
不变，则机车牵引力不变，机车速度便可提高，
故在平道运行实施磁场削弱可提高运行速度。若
在上坡道实施磁场削弱，则机车可增大牵引力而
保持牵引速度不变，即有所谓恒速爬坡。因此，
使用磁场削弱法调节机车速度，不仅可以提高机
车的运行速度，机车功率也将发挥得更加充分，
而且磁场削弱得越深，机车功率提高得越多。
整流器电力机车上装设有牵引变压器，利用改变
牵引变压器输出电压的方法来调节牵引电动机的
端电压，也可以实现机车的速度调节。改变变压
器输出电压，既可以在变压器的低压侧进行，也
可以在变压器的高压侧进行，即有所谓的低压侧
调压和高压侧调压两种方法。高压侧调压是保持
变压器低压绕组（二次侧）匝数不变，利用改变
高压绕组（一次侧）匝数来调节变压器输出电压
的方法，因为这种调压方式对电器设备的绝缘要
求高、设备复杂、调压有级，现代电力机车上已
不用此种调压方法。低压侧调压具有线路简单、
调压方便、速度调节范围广、经济运行级多和效
率高等优点，因而在整流器电力机车上得到了一
定应用。
第三节 交直型整流器机车的相控调压
交直型整流器电力机车采用单相的整流装置。
本节将首先讨论多段整流桥顺序控制工作原理及
参数计算，简单介绍机车功率因数及其补偿问题。
一, 多段桥顺序控制
为了改善机车的功率因数, 降低谐波干扰, 机车
上广泛应用了多段整流桥顺序控制, 即把整流桥
的段数增加到ｎ段, ｎ愈大, 则效果愈好 。 下面
就分别介绍理想情况下半控二段桥, 三段不等分
桥, 四段经济桥的工作原理 。
1．二段半控桥式整流电路 二段半控桥波形图
2．三段不等分桥式整
流电路
三段不等分桥分段调压
波形图
随着桥段数的增多，机车的功率因数将
有所提高，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
得机车主电路复杂，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。变压器二次侧绕组由二段
a4x4,a2x2组成，其中一段 a4x4接成中抽
式半控桥，另一段 a2x2接成一般半控桥整
流电路，因中抽式绕组可看作两段绕组
a4b4,b4x4，故实际上变压器二次侧绕组
是三段不等分，各段绕组的电压分配比例
为 1,1,2。 VD1~VD4提供直流续流通道。
3．四段经济桥式整流电路
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 T3、
T4控制角为 α1,a4b4- T3T4D3D4投入工作，而
T1~T2, T5~T6 均封锁，仅 a4x4段绕组有电流流
过。
第 Ⅱ 段维持 T3T4满开放，控制 T5,T6，控制角
为 α2，使 b4x4亦投入工作,T1~T2仍被封锁，此
时绕组 a4b4,b4x4均流过电流,D1D2提供直流
通道。
第 Ⅱ 段桥达到满开放时，通过逻辑控制将
a4x4绕组上的负载全部转移到 a2x2段绕组
上，即将第二段桥的满电压输出完全等值
地转移到 a2x2- T1T2 D1D2上去。因为
a2x2,a4x4匝数相等，只要控制合理，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 T1T2满
开放，同时封锁 T3~T6脉冲。这样，对牵引
电机而言，可保证端电压值不变 。
*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，而且谐波含量高，影响了电网的
供电质量，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
率因数和谐波电流有明确限制。一般晶闸
管相控机车的功率因数仅为 0.78～ 0.80，谐
波电流为Ｊ pmax 〉 9.2Ａ（等效干扰电流
的最大值），远不能满足 PF＝ 0.9,I(3) ＝
3.9,I(5) ＝ 4.0的限制要求。
晶闸管相控机车的功率因数 PF＝ λcosψ1，
DF主要取决于 α,λ，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，但段数过多会使变压器
抽头数增加，整流装置复杂，即使是多段
桥，由于其电子控制增加从移相桥到开关
桥逻辑转换的复杂性，在一定程度上会降
低机车运行的可靠性。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＝ 0.80～ 0.85。
2．采用功率因数补偿器（ PFC）
功率因数补偿装置兼作滤波器，简称 PFC装置，一
般常用的形式有 LC,RC,RLC，它跨接于机车
主变压器二次侧绕组的两端，加上功补装置后，
就是把 L,R,C连接成某一频率的谐振电路（一
般在靠近三次或五次谐波频率处）。在基波网压
的作用下对基波呈容性，提供容性无功电流，减
少相控整流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次谐波呈低阻性，
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，提高了机车的功率
因数，降低了接触网和机车主变压器的损
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 SS6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〉
0.9。由于受机车重量与总体布置上的限制，
于是提出在地面牵引变电所和接触网上设
置功率因数补偿装置，即车下补偿。试验
表明车上、车下补偿各有效果，两者侧重
不同。
小 结
本章主要讲述了电力机车的速度调节。这
是机车控制理论的重要部分。
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、三是磁场削弱调速。
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、调压调速是调速的主要手段。下表列出
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 UN=UD,Ia〈 IN, V〈 V构条件下实施
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磁削。学完本章
后应掌握使用磁场削弱时的限制，会分析
磁场削弱下的机车特性。
复习思考题
?1、试述机车的基本运行状态与实质。
?2、说明交直型整流器电力机车有哪些调速
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、简述电阻分路法、晶闸管分路法的原理
及 β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？
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，情况虽然很复杂，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
已。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。
不同种类的电力机车、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。本章将分别讨论不同
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。
知识点提示
1、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：
?1、宽广的调速范围；
?2、冲击力小，牵引力变化连续；
?3、调速经济；
?4、运行可靠，控制简单，操作方便。
二, 电力机车的调速方式
1、具有直（脉）流牵引电动机机车的调速
直直型和交直型电力机车均采用直（脉）
流牵引电动机做牵引动力。根据机车速度
计算公式知机车的调速方案应有下列几种：
（ 1）改变牵引电动机回路电阻 R
（ 2）改变牵引电动机的端电压 UＤ
（ 3）改变磁通量 Φ
第二节 励磁调节
所谓励磁调节，就是通过调节流过牵引电
动机的励磁电流，从而改变牵引电动机主
极磁通的方法进行调速，亦称磁场削弱调
速。磁场削弱的目是扩大机车的运行范围，
充分利用机车功率。本节主要讨论磁场削
弱系数的概念，磁场削弱方法以及磁场削
弱时机车特性。
一, 磁场削弱系数
磁场削弱系数用 β表示, 磁场削弱系数定义如
下：在同一牵引电动机电枢电流下, 磁场
削弱后 （ 削弱磁场 ） 牵引电动机主极磁势
与磁场削弱前 （ 满磁场 ） 牵引电动机主极
磁势之比 。
其表达式为：
( % )
)(
)
IW
IW
m
?
? ??
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
2.改变励磁绕组的电流
改变励磁绕组电流的方法可有以下几种：
(1)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 。
（ 2）晶闸管分路法
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 β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
SS8型准高速电力机车均采用无级磁场削弱，
三, 磁场削弱下的机车特性及其应用
电力机车在牵引电动机额定电压和满磁场
时的机车特性我们在第一章已经做过介绍。
牵引电动机实施磁场削弱后机车的基本特
性与满磁场时不同，下面就用作图法具体
分析削弱后机车的基本特性。
1.削弱磁场时的机车速度特性
2．削弱磁场时的机车牵引力特性
3．削弱磁场时的机车牵引特性
4．特性曲线的应用
当牵引电动机由满磁场级位运行转换为磁场削
弱级运行，这个过程是很短暂的，此时机车由于
巨大的惯性速度还来不及变化，因此磁场削弱后
电机的反电势减小，电枢电流增加，机车的输出
功率和牵引力均有所提高。这时若列车运行阻力
不变，则机车牵引力不变，机车速度便可提高，
故在平道运行实施磁场削弱可提高运行速度。若
在上坡道实施磁场削弱，则机车可增大牵引力而
保持牵引速度不变，即有所谓恒速爬坡。因此，
使用磁场削弱法调节机车速度，不仅可以提高机
车的运行速度，机车功率也将发挥得更加充分，
而且磁场削弱得越深，机车功率提高得越多。
整流器电力机车上装设有牵引变压器，利用改变
牵引变压器输出电压的方法来调节牵引电动机的
端电压，也可以实现机车的速度调节。改变变压
器输出电压，既可以在变压器的低压侧进行，也
可以在变压器的高压侧进行，即有所谓的低压侧
调压和高压侧调压两种方法。高压侧调压是保持
变压器低压绕组（二次侧）匝数不变，利用改变
高压绕组（一次侧）匝数来调节变压器输出电压
的方法，因为这种调压方式对电器设备的绝缘要
求高、设备复杂、调压有级，现代电力机车上已
不用此种调压方法。低压侧调压具有线路简单、
调压方便、速度调节范围广、经济运行级多和效
率高等优点，因而在整流器电力机车上得到了一
定应用。
第三节 交直型整流器机车的相控调压
交直型整流器电力机车采用单相的整流装置。
本节将首先讨论多段整流桥顺序控制工作原理及
参数计算，简单介绍机车功率因数及其补偿问题。
一, 多段桥顺序控制
为了改善机车的功率因数, 降低谐波干扰, 机车
上广泛应用了多段整流桥顺序控制, 即把整流桥
的段数增加到ｎ段, ｎ愈大, 则效果愈好 。 下面
就分别介绍理想情况下半控二段桥, 三段不等分
桥, 四段经济桥的工作原理 。
1．二段半控桥式整流电路 二段半控桥波形图
2．三段不等分桥式整
流电路
三段不等分桥分段调压
波形图
随着桥段数的增多，机车的功率因数将
有所提高，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
得机车主电路复杂，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。变压器二次侧绕组由二段
a4x4,a2x2组成，其中一段 a4x4接成中抽
式半控桥，另一段 a2x2接成一般半控桥整
流电路，因中抽式绕组可看作两段绕组
a4b4,b4x4，故实际上变压器二次侧绕组
是三段不等分，各段绕组的电压分配比例
为 1,1,2。 VD1~VD4提供直流续流通道。
3．四段经济桥式整流电路
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 T3、
T4控制角为 α1,a4b4- T3T4D3D4投入工作，而
T1~T2, T5~T6 均封锁，仅 a4x4段绕组有电流流
过。
第 Ⅱ 段维持 T3T4满开放，控制 T5,T6，控制角
为 α2，使 b4x4亦投入工作,T1~T2仍被封锁，此
时绕组 a4b4,b4x4均流过电流,D1D2提供直流
通道。
第 Ⅱ 段桥达到满开放时，通过逻辑控制将
a4x4绕组上的负载全部转移到 a2x2段绕组
上，即将第二段桥的满电压输出完全等值
地转移到 a2x2- T1T2 D1D2上去。因为
a2x2,a4x4匝数相等，只要控制合理，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 T1T2满
开放，同时封锁 T3~T6脉冲。这样，对牵引
电机而言，可保证端电压值不变 。
*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，而且谐波含量高，影响了电网的
供电质量，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
率因数和谐波电流有明确限制。一般晶闸
管相控机车的功率因数仅为 0.78～ 0.80，谐
波电流为Ｊ pmax 〉 9.2Ａ（等效干扰电流
的最大值），远不能满足 PF＝ 0.9,I(3) ＝
3.9,I(5) ＝ 4.0的限制要求。
晶闸管相控机车的功率因数 PF＝ λcosψ1，
DF主要取决于 α,λ，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，但段数过多会使变压器
抽头数增加，整流装置复杂，即使是多段
桥，由于其电子控制增加从移相桥到开关
桥逻辑转换的复杂性，在一定程度上会降
低机车运行的可靠性。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＝ 0.80～ 0.85。
2．采用功率因数补偿器（ PFC）
功率因数补偿装置兼作滤波器，简称 PFC装置，一
般常用的形式有 LC,RC,RLC，它跨接于机车
主变压器二次侧绕组的两端，加上功补装置后，
就是把 L,R,C连接成某一频率的谐振电路（一
般在靠近三次或五次谐波频率处）。在基波网压
的作用下对基波呈容性，提供容性无功电流，减
少相控整流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次谐波呈低阻性，
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，提高了机车的功率
因数，降低了接触网和机车主变压器的损
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 SS6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〉
0.9。由于受机车重量与总体布置上的限制，
于是提出在地面牵引变电所和接触网上设
置功率因数补偿装置，即车下补偿。试验
表明车上、车下补偿各有效果，两者侧重
不同。
小 结
本章主要讲述了电力机车的速度调节。这
是机车控制理论的重要部分。
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、三是磁场削弱调速。
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、调压调速是调速的主要手段。下表列出
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 UN=UD,Ia〈 IN, V〈 V构条件下实施
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磁削。学完本章
后应掌握使用磁场削弱时的限制，会分析
磁场削弱下的机车特性。
复习思考题
?1、试述机车的基本运行状态与实质。
?2、说明交直型整流器电力机车有哪些调速
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、简述电阻分路法、晶闸管分路法的原理
及 β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？
