-电力牵引特性(课堂PPT).ppt

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,第二章 电力牵引特性,2.1,电力牵引直流传动特性,2.2,电力牵引交流牵引特性,2.3,电力牵引的调速特性,2.4,电力牵引的起动特性,2.1,电力牵引直流传动特性,牵引特性,：指机车起动、运行时,牵引力与速度的关系,。（交、直）,牵引：电机将电能机械能，从而驱动电力机车及列车运行,分析,：,电机,的牵引特性,机车,牵引特性,一、直流牵引电动机特性,电机学知：并励电机,“,硬特性,”,（转矩变，,n,变化小）,，串励电机,“,软特性,”,（转矩变，,n,变化大）,，并励更适于电力牵引。,1,、运行性能,必须具有电气、机械稳定性,。,2.1,电力牵引直流传动特性,（,1,）机械稳定性,特性曲线,1,（串励电动机）、特性曲线,2,（并励电动机）均负斜率，而列车基本阻力曲线,W,0,=f,（,V,）正斜率。,可见：,串、并励电动机均机械稳定,（,按式（,1-7,）判断）,。,图,2-1,串、并励电动机机械特性,（,2,）电气稳定性,U,D,=,常量（直线）、电机 曲线,（图,2-2,中,1,为串励，,2,为并励）,。,串励电动机,U,曲线斜率均正，按式（,1-12,）判断,稳定,。,2.1,电力牵引直流传动特性,并励,电动机,U,曲线在,I,D,较小,（,B,附近）时斜率为正,稳定,；而,I,D,较大,（,C,点附近）时斜率为负,不稳定,，则,C,点是不稳定的点。,可见,：,串励有机械、电气稳定性,，比并励更,适于电牵引,。,2,、电动机间负载分配的影响,图,2-2,直流电动机,U,曲线,机车各牵引电机特性有异、各动轮直径有异电机间负载分配不均。,（,1,）机车动轮直径相同而电机特性有差异,机车速度,V,一定，轮径同转速同，特性差异转矩,M,、电流,I,D,不同。,2.1,电力牵引直流传动特性,串励,电机特性差异（,2-3,（,a,）图）引起的负载（,M,、,I,D,）,分配不均,比并励式电动机（,2-3,（,b,）图）,小,。,(a),串励,(b),并励,图,2-3,直流电动机特性不同时的负载分配,动车动轮直径相同而电机特性有差异时，,串励电机优于并励电机,。,可见,：,2.1,电力牵引直流传动特性,（,2,）机车电机特性相同而动轮直径有差异,机车速度,V,一定，特性同、轮径不同转速不同转矩,M,、电流,I,D,不同。,特性相同，在相同转速差下,串励,电机（,2-4,（,a,）图）的负载（,M,、,I,D,）,分配不均,比并励电机（,2-4,（,b,）图）,小,。,(a),串励,(b,）并励,图,2-4,轮径不同时直流电动机的负载分配,2.1,电力牵引直流传动特性,3,、电压波动对电机工作的影响,网压波动,（如机车通过两变电所供电交界处的电压突变）,，而,速度未变,I,D,、,F,冲击,。,（导致电机工作条件恶化和列车运行中的冲击）,电机端压,U,1,，对应曲线,n,（,U,1,）；变化,U,2,，对应,n,（,U,2,）。因电压波动,时间很短,，,励磁电流来不及跟随变化,，可视,转矩特性,为,同一条曲线,。,串励电机,I,D,、,F,冲击小,（,2-5,（,a,）图）,，并励电机的,I,D,、,F,冲击大,（,2-5,（,b,）图）,。,（因为串励电动机具有软特性）,(a),串励,(b),并励,图,2-5,直流电动机电压波动时电流和牵引力的变化,2.1,电力牵引直流传动特性,浅析,：,（,1,）,串励,电机的,I,D,、,M,取决于外部负载，若运行阻力不变，,冲击后将复原,；而,并励,电机，若波动使电压磁场，,I,D,将大于电压未降低前的值（,不能复原,）。,（,2,）,串励,的励磁绕组与电枢串，电流增长速度相同，因涡流影响，磁通增长慢于电枢电流增长，但,电流冲击小,；,并励,的励磁时间常数大于电枢时间常数，励磁电流增长远慢于电枢电流增长，电枢反电势来不及增加，则开始阶段电枢,电流冲击较大,。,故,串励电机受电压波动影响小,。,2.1,电力牵引直流传动特性,4,、防空转性能,（,1,最大粘着特性，,2,滑动摩擦，,3,并励特性，,4,串励特性）,电机工作点,A,，速度,V,0,。,偶因破坏粘着,，曲线,1,降到,1,，相应,2,降到,2,；,V,0,下，,F,D,超过粘着,1,限制发生滑动。,图,2-6,电机特性与空转的关系,牵引力沿,3,下降，滑动摩擦力沿,2,变化，当达,B,点时相等，,滑动,速度上升到,V,3,；其后，滑动摩擦力大于牵引力，速度稳在,V,3,；原因消失，又,恢复,到原工作点,A,。,软特性，一旦粘着破坏，电机特性,4,在,2,之上，牵引力大于滑动摩擦力，,滑动,速度不断增加而,形成空转,。,并励电机,：,串励电机,：,2.1,电力牵引直流传动特性,故,：,串励防空转不及并励电动机,，且,多台串联运行,时，一台空转，其反电势随转速的增加而增加,空转加剧,。,二、电力牵引恒压牵引特性,直流电动机转速（转分）（,2-1,）,转矩 （,m,）（,2-2,）,式中，,C,M,为结构决定的常数，,M,为铁耗与机械损耗引起的转矩损失。,（,2-1,）（,1-6,）有,（,h,）（,2-3,）,式中，常数,2.1,电力牵引直流传动特性,（,2-2,）（,1-5,）有 （）（,2-4,）,式中，为常数，而电机铁耗、机械损耗和齿轮传动损耗造成的牵引力损失,（相对,F,小，一般计算忽略不计）,。,故,U,D,一定，将,D,=f(I,D,),代入（,2-3,）,V=f(I,D,),、代入（,2-4,）,F=(I,D,),，再,消掉,I,D,恒电压下,牵引特性曲线,F=f(V),。,注,：每个,U,D,对应一条牵引特性曲线。,（如,SS,1,型电力机车牵引变压器次边多段抽头经整流可提供,33,个,U,D,值，故有,33,条牵引特性曲线）,2.2,电力牵引交流牵引特性,一、交流牵引电动机特性,1,、电动机间负载分配的影响,电力牵引通常是每辆动车由,一台逆变器供电，多台异步电机并联运行,。例如,CRH2,动车组采用,4MM,1INV,方式，就是由一逆变器拖动四台异步电机并联运行。,多台异步电机并联运行要注意以下问题：,（,1,）动车,动轮直径相同而电机特性有差异,因异步电机,硬特性,，若,电机特性略有差异,，就会,引起电机负载分配不匀,。见图,2-7,所示。,特性,影响最大的因素是转子的电阻,，应选择电阻分散性小、温度变化率小、截面尺寸均匀的材料用作电机转子导体。见图,2-8,所示。,2.2,电力牵引交流牵引特性,图,2-7,电机特性差异引起负载分配不均,图,2-8,电机转子电阻的影响,2.2,电力牵引交流牵引特性,牵引工况,：轮径大（转速偏低）的负载偏大，轮径小（转速偏高）的负载偏小，见图,2-9,所示。,制动工况,：（与牵引相反）轮径大的负载偏小，轮径小的负载偏大，见图,2-9,所示。,（,2,）电机特性相同而动轮轮径不同,图,2-9,动轮轮径差异引起电机负载分配不匀,2.2,电力牵引交流牵引特性,（,3,）负载分配不匀的程度与电机额定转差率有关,额定转差率越小,，,负载分配不匀越严重,，即使轮径差不大，也有较大的牵引力差。,额定转差率大又,对电机,的,效率,、,温升,和动车,性能不利,。,【,设电机以,s,转差率运转，轮径差为,a,，则,轮径大的电机转速低,，将以（,s+a,）转差率运行，其,转矩,和,电流都,比规定值,增加,。其增加的比例为：,(s+a)/s】,图,2-10,电机额定转差率的影响,2.2,电力牵引交流牵引特性,表,2-1,电机额定转差率的影响,2.2,电力牵引交流牵引特性,2,、变频运行方式,电力机车三相交流,异步,牵引,电动机,工作在,变频,运行状态。,优点,：可在低频下起动，改善转子功率因数，增大起动单位电流和转矩。,（通常，起动电流为额定电流两倍亦可获重载下的良好性能）,异步电动机感应电势 （,2-5,）,式中，,C,为电势常数，,f,1,为电源频率，,m,为气隙磁通（或,1,）。,（,1,）恒磁通（,E,1,/f,1,）运行方式,由式（,2-5,）知，,“,E,1,f,1,”,恒定气隙,磁通恒定,，从而,转矩恒定,。,（因为转矩,M,m,）,2.2,电力牵引交流牵引特性,优点,：在不同的,f,1,下有,M,m,恒定,，,适于恒转矩变速拖动,。,注意,：磁通应恒定在接近饱和状态，以使电机铁磁材料得到充分利用。,（,2,）恒,“,电压频率,”,（,U,1,f,1,）比运行,一般，定子绕组漏抗可忽略，有,E,1,U,1,，则,由式（,2-5,）知，,“,U,1,f,1,”,比恒定,m,恒定，从而,转矩恒定,。,优点,：只需逆变器提供线性的,“,U,1,f,1,”,输出特性，,控制上易于实现,。,注意,：低频性能较差。,（,f,1,太定子漏阻抗不能略，恒,“,U,1,/f,1,”,控制将使定子电流急剧磁通变转矩迅速,）,2.2,电力牵引交流牵引特性,（,3,）恒电流运行方式,转差频率,f,2,恒定,，恒,“,E,1,/f,1,”,（,m,恒定,）,则,定子,I,1,恒定,。,又（转矩分析）,M,仅取决于,I,1,和,f,2,，与,f,1,无关。,恒,I,1,（及,f,2,）运行，从而,转矩恒定,（与,f,1,无关）。,优点,：恒,I,1,，无过分电流波动，可控硅装置的容量利用充分，逆变器设计更经济。,3,、运行性能,异步电机应具有机械、电气稳定性。,（,1,）机械稳定性,异步电动机机械特性曲线的斜率为负，列车基本阻力曲线,W,0,=f,（,V,）斜率为正。,依式（,1-7,），,机械,上是,稳定,的。,图,2-11,异步电动机机械特性,2.2,电力牵引交流牵引特性,（,2,）电气稳定性,分析知：异步电机的,电气,是,稳定,（电机电压与电流、频率、调节方式有关分析较复杂，从略）,。,4,、电压波动对电动机工作的影响,异步电机对瞬时过压、过流不敏感,，因此电网电压的波动对电动机工作的,影响不大,。,5,、防空转性能,由图,2-11,知，,异步电机机械特性较硬,类似直流并励电动机,防空转性能良好,。,2.2,电力牵引交流牵引特性,二、电力牵引交流牵引特性,（一）牵引特性,牵引特性,F=f(V),（即机械特性）、电气特性,U=f(V),，有两个运行调节区。（见图,2-12,）,1,、起动加速区,曲线,1,2,：,恒,M,起动加速,（,V,线性增加）,起动时，随,V,电机输出,功率,，起动终了的,V,（曲线上,2,）决定于供馈能源所允许的长期功率。起动时电机,恒,M,运行,，随着,V,的提高电机端电压,U,上升,到曲线上点,5,。,图,2-12,异步传动机车电气机械特性,2.2,电力牵引交流牵引特性,2,、恒功率调速区,F=f(V),曲线,2,4,段,：,恒功率调速,（,U=f(V),曲线恒定）,因受网压或电机功率或逆变器输出电压所限，电机端压达最高后一般不再变。则高速区，,U,不变,，随,f,1,产生,削磁,效果,F,。,注意,：在最高速区可特意将逆变器输出电压提高到曲线的,7,，使功率接近于额定功率。这是相对于直流牵引传动的显著优点。,（直流电机削磁受换向条件限制，带补偿绕组电机最高速时才有可能发出近,80%,的长时功率；而异步牵引则无此限制，且在高速时能发挥长时功率。）,2.2,电力牵引交流牵引特性,（二）异步电动机特性调节,因机车不断变速，而列车惯性大，使电机,f,1,与电机实际旋转频率相差过多，即超出临界转差率范围而导致不稳定运行。因此，采用,快速响应闭环系统,，直接控制电机,I,1,和转差频率,f,2,。,1,、异步电动机变频控制理论基础,交流电机感应电势,（,2-6,）,式中，,E,1,定子相电势，,C,电机的电势常数。,对于异步电动机,2.2,电力牵引交流牵引特性,等效电路,简化,（图中标,R,，后便退到用,r,）,由简化图可得：（,2-7,）,其功率为：,(2-8),转矩为：,(2-9),式中，,p,极对数，,m,定子相数，、为每相归算到定子的转子电阻和漏电感，,s,为转差率。,（图中标,R,）,2.2,电力牵引交流牵引特性,浅析,：,（,1,）恒,U,1,、恒,f,1,正弦供电异步电机机械特性,对（,2-9,）分子分母同乘,s,后，,当,s,很小,，,s,0,，可近似为 （,2-10,）,即转矩,M,正比于,转差率,s,，,线性,；,当,s,接近,1,时,忽略分母,r,2,项有,（,2-11,）,即转矩,M,反比于,转差率,s,，,双曲线,；,当,s,在两段之间,时，直线逐渐过渡到双曲线。,（,2,）基频（,f,1N,）以下电压频率协调控制的机械特性,恒,U,1,/f,1,控制,由式（,2-10,）可得,(2-12),2.2,电力牵引交流牵引特性,可见,：基频以下恒,U,1,/f,1,控制，同一,M,，,s,1,基本不变，则,n=s,1,也基本不变，即机械特性平行移动，类似直流他励电机调速，但最大转矩减小。另，亦有线性区、双曲线区（分析略）。,按,dM/ds=0,可求出,s,值，再代入式（,2-9,）可得：,(2-13),M,Max,随,f,1,减小而减小,，,需要补偿,U,1,来提高转矩,。,恒,E,1,/f,1,控制,（即,恒,m,控制）,由等效电路可得,(2-14),则转矩,(2-15),2.2,电力牵引交流牵引特性,当,s,很小时，,s,0,，,(2-16),转矩,M,正比于,转差率,s,，,线性,；（,近似,）,当,s,接近,1,时，忽略分母,r,2,项,(2-17),即转矩,M,反比于,转差率,s,，,双曲线,；二者间逐渐过渡。,可见类似恒,U,1,恒,f,1,控制，但,线性范围更宽,。,按前述方法求最大转矩，在,(2-18),有最大转矩,(2-19),注,：最大转矩恒定，,稳态性能优于,U,1,/f,1,控制,，这也是,E,1,/f,1,控制补偿定子压降所追求的目的。,恒,E,2,/f,1,控制,进一步提高，转子漏抗压降可忽略，则 （,2-20,）,E,2,为转子全磁通感应电势（满足,4.44,公式），消耗在,r,2,/s,上。,2.2,电力牵引交流牵引特性,转矩为 （,2-21,）,转矩,完全,是一条直线，稳态性能最好,。,E,1,对应气隙磁通幅值,m,，,E,2,对应转子磁通幅值,2,，,恒,E,2,/f,1,正是矢量控制遵循的原则,。,综上：,恒,U,1,/f,1,控制,最易实现,，但低速带,负载能力有限,，需对定子电压进行,补偿,，适于一般调速；,恒,E,1,/f,1,控制,，可达恒磁通，改善了低速性能，线性范围较宽，但机械特性仍非线性，产生转矩能力受限；,恒,E,2,/f,1,控制,，可得,直流他励电机样的线性特性,，较,理想,，动态,恒定,2,是矢量控制要实现的目标,。,2.2,电力牵引交流牵引特性,（,3,）基频（,F,1N,),以上恒压变频的机械特性,基频,f,1N,以上，,U,1,额定不变，转矩为,(2-22),最大转矩为,(2-23),可见，,f,1,M,max,。,即：基频以上,U,1,额定，,f,1,转速,n,，,1,势必,，导致,最大转矩减小,，可认为输出功率基本不变，属,弱磁通功率调速,。,注意,：,上述为正弦供电，,若含谐波,，机械特性扭曲，,机械损耗增加,。,异步电机调速有,两个独立调制量,。,2.2,电力牵引交流牵引特性,2,、恒转矩特性（起动）,（,1,）恒磁通、恒,f,2,即可恒转矩,前述,恒,E,1,/f,1,控制、恒,E,2,/f,1,控制,都能实现恒转矩控制，特别是后者是完全的线性。,M,与,f,1,无关，仅由,f,2,决定，,f,2,一定,M,恒定,；对于,不同,f,2,M,为一组与横轴平行的直线,。（见图,2-13,（,a),（,2,）最大恒转矩,解,dM/df,2,=0,，可得转子,临界转差频率,f,2,（同式（,2-18,）（,2-24,）,注意,:,鼠笼异步电机的,f,m,为结构决定的常数,；,在,f,2,=f,m,处有最大转矩,M,m,（见（,2-19,）式）。,2.2,电力牵引交流牵引特性,恒转矩特性,:,在整个范围内发出最大转矩,M,m,，满足机车以不变的牵引力起动的要求（图,2-12,中曲线的,1,2,）。（通常，机车起动阶段要求电动机发出,1.5,2,倍的额定转矩）,(a)(b),图,2-13,恒转矩特性调节,（,3,）恒转矩时的定子电流,I,1,恒,m,，近似,E,1,f,1,（线性）；恒,2,，完全,E,2,f,1,（线性）。,频率较高时，定子,r,1,可略，近似有,U,1,f,1,（线性）；,频率较低时,r,1,不可略，,U,1,相对,有所提高,。,2.2,电力牵引交流牵引特性,定子,I,1,与,f,1,无关,（公式略）,即保持,恒定不变,。,（曲线见图,2-13,（,b,）所示）,3,、恒功率特性（运行）,恒转矩运行，随,VU,1,到最大值（图,2-12,曲线上,5,点）,对应频率,f,1N,叫,基准频率,（或,额定频率,），其后维持,U,1,不变进入恒功率运行,（,U,1,/,f,1,不再恒定）,。,f,1,f,1N,，高速电机的,s,很小，相对于,/s,可忽略,r,1,、,x,1,、,x,2,，,则,U,1,E,1,、电流,，由（,2-8,）式得,转矩,（,2-25,）,同时，按,dM/ds=0,解得,s,m,方法可解得,最大转矩 （,2-26,）,2.2,电力牵引交流牵引特性,（,1,）,U,1,不变，恒转差率,S,（,f,2,/f,1,),调节,U,1,不变，,f,2,与,f,1,按比例变化,。由式（,2-26,）知，,M,m,1/f,1,；而由式（,2-25,）知,M1/f,1,(,图,2-14,（,a,）,),。,工作点选择,：在,最高转速,（即,f,1max,）时保证有,最小允许过载能力,（即最小转矩裕度）处，则较低速时有较大的过载能力，保证电机在全部调速范围内稳定运行。,电机被低速状态所决定，,电机设计尺寸较大,。,(a),(b),图,2-14 U,1,为常数的恒功率特性调节,2.2,电力牵引交流牵引特性,定子电流,I,1,：保持,U,1,不变，,I,1,近似为常数（与,f,1,无关）。,（见图,2-14,（,b,）。,I,1,为激磁与转子归算电流的矢量和，主要是后者（公式略）,（,2,）,f,2,不变，恒,U,1,/f,1,调节,f,2,不变，而,U,1,2,与,f,1,按比例变化,。,由式（,2-25,）、（,2-26,）知，,M,m,与,M,都反比于,f,1,，呈双曲线形状（图,2-15,（,a,）。,(a)(b),图,2-15,不变的恒功率特性调节,2.2,电力牵引交流牵引特性,工作点选择,：在,最低转速,时有,最小允许的过载能力,处，则高速时也有适度的转矩裕度，使电机整个调速范围内稳定运行。,充分利用了电机功率，,电机设计尺寸较小,。,定子电流,I,1,：,U,1,保持正比于 变化,，分析知,I,1,反比于 变化,（,图,2-15,（,b,）,。,注意,：,第一种,有较大的电机设计尺寸，但在恒,U,1,、,I,1,下工作，可控硅装置容量得到充分利用，逆变器有较小的设计尺寸，故称之为,最大电动机最小逆变器方案,；,第二种,有较小的电机设计尺寸，但逆变器需满足,U,1max,、,I,1max,要求，尽管二者不会同时出现，但逆变器的设计容量为二者的乘积，则逆变器有较大的设计尺寸，故称之为,最小电动机最大逆变器方案,。（交流传动一般用前者）,2.3,电力牵引的调速特性,电力牵引的起动、调速、制动三种基本运行状态，实质都是调速，只是起动、制动为调速的特殊形式而已。,基本要求,：调速范围宽、平稳性好、经济及简单、方便、可靠。,一、直流传动机车调速,调电力牵引机车速度就是调电动机的转速。,（一）直流串励电动机的调速方法,式（,2-1,）给出了直流串励电机的转速特性。调电机转速的方法：调端压、回路电阻、主极磁通。,1,、改变电机端电压,U,D,（,1,）,直流网压,多台牵引电机,串、并联,来改变端压。无能耗，但属,有级调速,（,2,3,级），且电机间,连线复杂,，一般,不用,。,2.3,电力牵引的调速特性,斩波,器,调压,。能耗小，,无级调速,，现代直流电力机车（如早期城市,地铁,）上采用。,（,2,）,“,交,-,直,”,电力机车,改变主,变压器,输出电压,调压,。,有级调速,（级数多），在,早期的,SS,1,电力机车上采用。,可控硅整流调压,。,无级,调速，,SS,电力机车广为采用。,2,、改变电机回路电阻,R,电机回路中串电阻来调速。电阻,损耗,，,效率降低,；电阻,分段,调，造成牵引力,冲击,。电力机车,不采用,。,3,、改变电机主极磁通,D,即调主极磁势，,主磁极,绕组,并电阻分流,，即削弱磁场。分流电阻值小，能耗小，也不笨重，故广为应用。,2.3,电力牵引的调速特性,（二）恒压磁场削弱调速,电机额压（电流未达额值）下削磁调速、改变转矩特性，是高速区调速并提高功率及转矩的有效方法。,1,、磁场削弱系数,励磁削弱的程度，用,表示 （,2-27,）,式中，为削磁后的主极磁势，为削磁前的主极磁势。,注,：磁路不饱和时可用磁通代替磁势。,2,、磁场削弱方法,（,1,）改变励磁绕组匝数,励磁绕组分段抽头，电枢电流流过全绕组为全磁场，,2.3,电力牵引的调速特性,流过部分绕组为削磁。（,2,-28,）,式中，,W,为全励磁绕组匝数，为削磁后绕组匝数，,I,D,为电机电枢电流。,优点,：,精确,（匝数比）；,缺点,：电机,结构复杂,，削磁,级数有限,（,2,3,级）；一次过渡到最深削磁，有很大的电流冲击和牵引力,冲击,。（直流电力机车不采用）,（,2,）改变励磁电流,励磁绕组固定，改变励磁电流，削磁系数为,（,2,-29,）,式中，为削磁后的励磁电流。,2.3,电力牵引的调速特性,电阻分流法,励磁绕组并电阻分流。由图示电路可得,式中，,R,L,为励磁绕组电阻，,R,为分流电阻。代入式（,2-29,）得,（,2,-,30,）,图,2-16,电阻分流削弱磁场,优点,：励磁绕组,结构简单,，削磁,调节方便,，能耗小。,注意,：,、实际中，,并,固定分流电阻,R,0,，以,改善,电机,换向,。,、,同机车,各牵引,电机,的分流电阻一致、,一致,、削磁一致。,2.3,电力牵引的调速特性,、,为稳定工作状态,下所得，,过度状态,时应充分,考虑,励磁绕组的,电感作用,。,例如,，,网压,波动突增,I,D,突增,，而,励磁,绕组（电感）电流,不突增,，则突增的大部分经分流电阻流过，造成电机的,反电势不足,，,加速,电枢,电流增加,而严重过载，甚至会,引起电机环火,。因此，在分流支路串入适当电感，即,磁感应分流法,，如我国,SS,3,型机车。,另,：削磁一次性过深，电流、牵引力冲击，故常用,分级削磁,。考虑控制的复杂及附加设备多少，,一般为三级,。如,SS,1,机车，接,R,1,时,1,=70,，接,R,2,时,2,=54,，,R,2,、,R,1,均接时,3,=45,。,可控硅分流法,对励磁利用,可控硅分流,，为,无级削磁,。如引进西欧,8K,和国产,SS,8,、,SS,9,型准高速电力机车。,2.3,电力牵引的调速特性,3,、恒压削磁的转速特性,电机转速特性 （,2-31,）,削磁后的转速特性 （,2,-,32,）,削磁瞬间,，必有 。,又 全磁场励磁,I,D,，削磁后励磁,I,=I,D,即有,I,D,=I,D,转速不变，削磁后电枢电流,I,D,比全磁场电枢电流,I,D,大（,1/,）倍。,图,2-17,恒压削磁的转速特性,故,削磁,后,的,转速特性,曲线,在全磁场基础上,水平右平移（,1/,）,即可，如图,2-17,示。,2.3,电力牵引的调速特性,4,、恒压削磁的转矩特性,忽略转矩损耗,M,，削磁前后 、，则依式（,2-2,）可得,（,2-33,）,代入推得的削磁时的 ，有,（,2-34,）,故,削磁,后的,转矩特性,曲线,，在全磁场转矩特性曲线基础上,横、纵坐标值同乘（,1/,）倍,即可，如图,2-18,所示。,图,2-18,恒压削磁的转矩特性,2.3,电力牵引的调速特性,注意,：,（,1,）,恒压削磁,，瞬间,n,不变电机反电势,EI,D,M,机车,P,和,F,机车,V,。因此，,“,交,-,直,”,电力牵引普遍采用削磁来提高机车的,P,和,V,。,（,2,）,高速大电流,下,过分削磁,，会使电抗电势超过允许值，且主极磁场严重扭曲，换向器片间电位分布不均，,易产生火花甚至环火,。所以,有削磁限,min,，对脉流牵引电机,min,不小于,0.35,0.4,。,2.3,电力牵引的调速特性,（三）调电压调速,由式（,2-1,）可知，直流电动机的转速,n,D,与,U,D,有关，,改变,U,D,可调速,。,1,、有级调压调速,改变牵引变压器次边绕组抽头,来实现。,（如早期的,SS,1,机车，转换开关将基本绕组与调压绕组反接或正接，实现,0,33,级调压，低压级用于起动，高压级用于运行中的调速）,2,、无级调压调速,改变,整流器的,控制角,来实现。,（,“,交,-,直机,”,车广为应用,),优点,：可,避免,调速过程中的电流冲击及牵引力的,冲击,，充分利用机车粘着重量；,简化,机车,主电路,。,2.3,电力牵引的调速特性,缺点,：机车的,功率系数不高,，电网谐波,干扰大,，低电压级位时尤为突出。,（现代机车采用半控多段桥来改善）,二、交流传动调速,1,、交流异步电动机的调速方法,（,1,）改变电机的端电压,（电机学知）异步电动机近似有,MU,。,外部负载转矩不变，端压,U,变转矩,M,变,n,变，从而调速。,特点,：,优点,：简单、造价低。,缺点,：电压低，最大转矩降低，,可调范围不宽,；同时，,调压过程中转差功率以发热形式消耗在转子电阻中，,效率较低,；,可控硅调压,的电压、电流,畸变严重,。,2.3,电力牵引的调速特性,应用,：适于,100kw,以下，,城轨电牵不用,。,（,2,）改变电机的极对数,异步电动机同步转速为,：,（,3-29,）,改变电机极对数,p,可调电机转速,特点：,优点,：较硬的机械特性，稳定性良好；无转差损耗，效率高。,缺点,：通常改变,多段定子绕组,来改变,p,，电机,构造复杂,；,有级调速,，级数级少；改变,p,时,需切断电源,。,应用,：适于不需无级调速的生产机械，如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、水泵等，,城轨不用,。,2.3,电力牵引的调速特性,（,3,）转子绕组串电阻调速,绕线式,异步电动机，转子绕组经滑环每相,串入外部电阻,变阻调速,（串入电阻大速度低）。,特点,：电阻,耗能，效率低,；,有级,调速；机械,特性,较,软,。,应用,：城轨,电牵不用,。,（,4,）串级调速,绕线式,异步电动机转子回路中,串入,可调节的,附加电势,来改变电机的转差实现调速。,特点,：转差功率被串入的附加电势所吸收，多用可控硅串级调速将将其反馈电网，但功率因数偏低，谐波影响较大,。,应用,：适于风机、水泵及轧钢机、矿井提升机、挤压机等，,城轨电牵不用,。,2.3,电力牵引的调速特性,（,5,）变频调速,改变电机供电频率,f,1,调速（运行及起动）。通过逆变器实现,VVVF,。,特点,：效率高，调速中没有附加损耗；调速范围大，特性硬，精度高；便于倒转和再生制动；特别是具有很高的精确度、灵敏度和稳定性。技术复杂，造价高，维护检修困难。,应用,：,城轨电牵,。（大铁路,“,交,-,直,-,交,”,系统）,2,、恒转矩和恒功率变频调速,（,1,）恒转矩变频调速（基频以下）,起动加速时，恒磁通（即,E,1,/f,1,不变）、恒,E,2,/f,1,、恒,U,1,/f,1,调节，通过,调,节电机电源的,U,1,、,f,1,来实现。,2.3,电力牵引的调速特性,注意,：,起动时,n,很低,f,1,、,U,1,都很低，定子电阻影响不能略，须,适当增加,U,1,。,起动要求转矩比额值大,1.5,2,倍，而异步电机可达,2,2.5,倍，故,转矩控制在最大值,70,并保持不变,。,起动时电机过载，虽铁耗较小，也,不可长期运行,。,（机车起动应尽可能使牵引力接近粘着牵引力，而,粘着牵引力随机车速度增加稍有下降,，,但大致可以认为是一个恒值,）,（,2,）恒功率变频调速,运行,阶段需,恒功率变频调速,。,有两种，恒功率,恒压变频调速,与,恒功率变压变频调速,（见前述）。,2.4,电力牵引的起动特性,电力牵引起动过程，是克服列车静止阻力并加速，最终运行在机车的自然特性上。,一、对起动的要求,据,铁路技术管理规程,的规定，基本要求：,起动稳,、,加速快,，,防,止列车,冲击,和,断钩,。,起动快,，,t,起,V,平均,，铁路运输意义大。要求,I,起,大以产生较大,F,起。,起动平稳,，内部,电气,设备免受电流冲击，机车和列车免受,机械冲击,。要求尽量减少,I,起,和,F,起,的摆动。,直流传动机车，,I,起,和,F,起,过大，会使电机安全换向遭破坏；或使牵引力超出线路粘着条件，轮对发生空转，结果反而丧失牵引力。,2.4,电力牵引的起动特性,二、直流传动机车的起动,（一）起动方式及限制,起动时静止，电机反电势为零，则,I,起,大，产生电流和机械冲击，故须适当的起动方法。,1,、变阻起动,电机回路中串电阻起动，以,I,起,。属有级起动，且耗能不经济，,电力机车不用,。,2.,降压起动,降低电机端压起动，原理同调速。,变压器,次级,调压,，,有级,。如,SS,1,机车。,2.4,电力牵引的起动特性,可控硅调压,（,“,直,-,直,”,为斩波、,“,交,-,直,”,为整流）,，,无级,。,（可使起动电流沿粘着限制条件平滑变化，从而使机车起动平稳，并使,F,起,满足粘着条件下维持较大值。但机车的功率系数非常低，整流电流脉动增加）,3,、起动电流和牵引力的限制,起动牵引力,：起动时轮对发生,空转前,所能发挥的,最大牵引力,，用,F,Q,表示。受线路粘着条件的限制，应满足,（,kN,）,（,2-36,）,式中，,P,N,为机车粘着重量（,t,），为机车牵引粘着系数。,粘着系数,随,线路,、,轨面,、,起动方式,等因素变化，是一个范围值。故机车的粘着限制曲线并非一条，而是一个限制带。,2.4,电力牵引的起动特性,起动电流,：起动牵引力对应的牵引电机最大电枢电流。要求，小于最大允许温升电流。,（二）分级起动品质与恒流起动,1,、分级起动品质,有级,调速增量,I,、,F,摆动,。摆动使,F,平均,，平稳性。,对,U,、,I,限制，定,I,变,U,，变压器制造困难，故一般,定,U,变,I,，如,SS,1,型机车,。,有级调速机车起动时牵引力、电流、加速度的,摆动系数,2.4,电力牵引的起动特性,三个系数反映机车的,起动品质,。,（系数越小其平均值越大，摆动范围越小，机车的起动品质越好，即机车起动既快又平稳。）,2,、恒流起动,起动的,级数越多,，,摆动越小,，电流越接近于一恒定值。级数足够多，可使,K,F,、,K,I,、,K,a,为零,，电流基本趋于一恒定值，实现,恒流起动,。,3,、牵引控制方式,机车特性适于牵引，要求起动性能好,（,K,F,、,K,I,、,K,a,尽可能小，最大限度地利用机车的粘着条件）,、调速范围宽、防空转性能好。,可控硅整流调速，易于机车运行方式的控制（恒流、恒速、特性三种控制）。,2.4,电力牵引的起动特性,（,1,）恒流控制,恒流控制,：机车起动时维持电流恒定,（接近粘着限制线的电流值，如,SS,3B,型机车）,。,司机控制器给定级位电机电枢电流给定值，恒流控制系统据指令自动调节可控硅触发角，使电流达指令值要求。,恒流起动控制特性曲线见图,2-19,曲线,1,。,特点,：,I,起,大，,F,起,大,，起动加速快，,t,起,短；,但,一旦空转将加剧,空转,（空转，电机按特性电流减小，控制恒电流就必增加电压（电流），使转速进一步上升）,。因此，,恒流控制的再粘着能力差,。,图,2-19,各种控制特性曲线比较,2.4,电力牵引的起动特性,（,2,）恒速控制,恒流起动结束后转入,恒速,运行。,特点,：恒速控制使机车具有,硬特性,，空转时牵引力能迅速下降，,利于,实现,再粘着,，,防空转,，如图,2-19,曲线,2,所示。,但,恒速控制特性过于陡，阻力变时，,牵引力波动很大,，车钩受冲击力大，严重时会,断钩,。,（,3,）特性控制,特性控制,：,恒流起动,，再,按,理想,牵引,特性,曲线,运行,。,理想牵引特性曲线,：介于机车,自然特性,曲线,与恒速特性,曲线,之,间,的斜线，如图,2-19,曲线,3,所示,（曲线,4,是机车自然特性曲线）,。,2.4,电力牵引的起动特性,注意,：,特性控制综合了恒流控制与恒速控制二者优点,，,如图中,ABC,曲线,。,SS,3B,、,SS,4,改,、,SS,8,型等机车采用了特性控制。如,SS,4,改,，司机控制器牵引调速控制手轮有,1,10,级，就有,10,条特性控制曲线族。,三、交流传动机车的起动,以最大转矩恒转矩起动，这是交流传动电力牵引的一大优点。,（参见前述）,