一、串勵(lì)牽引電機(jī)電阻制動(dòng)

　　(一)串勵(lì)電機(jī)的自激發(fā)電過(guò)程

　　采用串勵(lì)牽引電機(jī)的電力機(jī)車在進(jìn)行電阻制動(dòng)時(shí)，機(jī)車必須首先切斷牽引電機(jī)電樞與電網(wǎng)的聯(lián)接，使電機(jī)電樞與制動(dòng)電阻接成回路，其工作原理圖如圖3-2所示。

　　由于串勵(lì)發(fā)電機(jī)的激磁建立是依靠電機(jī)的剩磁。比較圖3-2(a)、(b)可知，在牽引工況和制動(dòng)工況時(shí)，通過(guò)牽引電機(jī)電樞的電流方向相反，因此必須設(shè)法使電機(jī)勵(lì)磁繞組的磁勢(shì)與剩磁方向相同，通常采用改換勵(lì)磁繞組的接法來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖3-2所示。

　　圖3-2　串勵(lì)牽引電機(jī)電阻制動(dòng)原理

　　(a)牽引工況　　　(b)制動(dòng)工況

　　圖中n――電機(jī)轉(zhuǎn)速;Φ――電機(jī)主極磁通;Rz――制動(dòng)電阻;

　　Ed――電機(jī)電樞繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì);

　　Ia――電機(jī)電樞電流(制動(dòng)時(shí)為Iz制動(dòng)電流)。

　　串勵(lì)發(fā)電機(jī)在它的自激過(guò)程中，制動(dòng)回路電流Iz與發(fā)電機(jī)電勢(shì)Ed的關(guān)系為：

　　(3-1)

　　或

　　(3-2)

　　式中 Rz--制動(dòng)電阻;

　　∑R--發(fā)電機(jī)總電阻，包括電樞、換向極、主極繞組的電阻;

　　L--制動(dòng)回路的電感。

　　由于列車運(yùn)行時(shí)有很大的機(jī)械慣性，在電機(jī)自激的過(guò)程中，機(jī)車速度變化很小，可視為常值。所以電機(jī)的電勢(shì)將隨它的電流Iz而增長(zhǎng)。此時(shí)，制動(dòng)回路內(nèi)的電勢(shì)與電流的關(guān)系可用圖3-3表示。圖中曲線1表示發(fā)電機(jī)電勢(shì)Ed=CVΦV，直線2表示電阻壓降Iz(Rz+∑R)，兩線之間的縱線段表示自感電勢(shì)，E0為由剩磁所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)電勢(shì)。由圖可以看出，在E0的作用下，制動(dòng)開(kāi)始的瞬間，自感電勢(shì)為正值，使制動(dòng)電流增長(zhǎng)，電機(jī)勵(lì)磁加強(qiáng)。盡管在隨后的過(guò)程中，自感電勢(shì)在變化，但總為正值，使電機(jī)勵(lì)磁磁勢(shì)不斷加強(qiáng)。直到曲線1與直線2的交點(diǎn)A，自感電勢(shì)=0，電流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，完成了電機(jī)的自激過(guò)程。

　　圖3-3　串勵(lì)電阻制動(dòng)回路電勢(shì)曲線

　　(二)穩(wěn)定性分析

　　電機(jī)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)：=0

　　此時(shí)：

　　制動(dòng)電流為：

　　(3-3)

　　制動(dòng)電阻為;

　　(3-4)

　　在一定的制動(dòng)電阻Rz及一定的速度V下，電機(jī)只有一個(gè)工作狀態(tài)，它是由制動(dòng)電阻的壓降與電機(jī)外特性曲線所決定的(即二者的交點(diǎn)A)。如果由于某種外界原因而偏離這一工作狀態(tài)，它有自動(dòng)恢復(fù)到原來(lái)穩(wěn)定狀態(tài)的趨勢(shì)。比如在制動(dòng)過(guò)程中，制動(dòng)電流有所增加，則電機(jī)電勢(shì)CVΦV小于電阻壓降Iz(Rz+∑R)，即<0，迫使電流減小;當(dāng)電流減小時(shí)，電機(jī)電勢(shì)CVΦV大于電阻壓降Iz(Rz+∑R)，則>0，使電流增大。因而，它具有電氣穩(wěn)定性。

　　根據(jù)上述對(duì)外部電氣穩(wěn)定性分析，可得出檢驗(yàn)外部電氣穩(wěn)定性的數(shù)學(xué)判別式為：

　　(3-5)

　　即在A點(diǎn)，電阻壓降的斜率必須大于電機(jī)電勢(shì)曲線的斜率。

　　(三)調(diào)壓方式

　　串勵(lì)式電阻制動(dòng)不需要額外的勵(lì)磁電壓，用改變制動(dòng)電阻RZ的大小來(lái)調(diào)節(jié)制動(dòng)電流和制動(dòng)力。在高壓大電流情況下，制動(dòng)電阻要求有許多抽頭和相應(yīng)的開(kāi)關(guān)電器，造成線路復(fù)雜，設(shè)備增多，且調(diào)節(jié)是有級(jí)的。同時(shí)制動(dòng)電阻不能取值過(guò)大，否則會(huì)使電機(jī)不能自激。當(dāng)多臺(tái)電機(jī)并聯(lián)共用一個(gè)制動(dòng)電阻時(shí)，還會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)。所以在整流器電力機(jī)車上使用電阻制動(dòng)時(shí)，一般不采用串勵(lì)式電阻制動(dòng)，而采用它勵(lì)式電阻制動(dòng)，用改變勵(lì)磁電流的方式來(lái)調(diào)節(jié)機(jī)車的制動(dòng)電流和制動(dòng)力，以控制機(jī)車的運(yùn)行速度。

　　二、它勵(lì)牽引電機(jī)電阻制動(dòng)

　　采用它勵(lì)電機(jī)電阻制動(dòng)時(shí)，首先切斷牽引電機(jī)電樞與電網(wǎng)的連接，使電樞繞組與制動(dòng)電阻接成回路，而電機(jī)原來(lái)的串勵(lì)繞組由另外電源供電，電機(jī)作它勵(lì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行，其工作原理圖如圖3-4所示。

　　(一)電氣穩(wěn)定性分析

　　當(dāng)它勵(lì)電阻制動(dòng)的勵(lì)磁電流一定時(shí)，圖3-4所示電樞回路的電壓平衡方程式為：

　　圖3-4　它勵(lì)電阻制動(dòng)原理電路

　　當(dāng)自感電勢(shì)=0時(shí)，表示電機(jī)的一種穩(wěn)定工作狀態(tài)，如圖3-5中A點(diǎn)所示。圖中曲線2為它勵(lì)發(fā)電機(jī)負(fù)載特性曲線。曲線l為機(jī)車速度某值時(shí)它勵(lì)發(fā)電機(jī)的電勢(shì)特性曲線，如果電機(jī)電流Iz因擾動(dòng)而有偏移時(shí)，它具有自動(dòng)恢復(fù)到原來(lái)穩(wěn)定狀態(tài)的趨勢(shì)。如制動(dòng)電流Iz增大，，<0 ，使電流減小;當(dāng)Iz減小時(shí)，>0 ，使電流增大，因而能自動(dòng)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)工作點(diǎn)A。所以，它勵(lì)電阻制動(dòng)具有電氣穩(wěn)定性。

　　圖3-5　它勵(lì)電阻制動(dòng)回路電勢(shì)曲線

　　圖中：Rz--制動(dòng)電阻;

　　Iz--電機(jī)制動(dòng)電流;

　　Ed--電機(jī)發(fā)電電勢(shì)。

　　(二)制動(dòng)特性及控制方式

　　電力機(jī)車在電氣制動(dòng)時(shí)的各種工作特性稱為制動(dòng)特性。它包括制動(dòng)時(shí)反映機(jī)車速度V與制動(dòng)電流Iz關(guān)系的速度特性V=f(Iz);制動(dòng)力B與制動(dòng)電流Iz關(guān)系的制動(dòng)力特性B=f(Iz)，以及制動(dòng)力B與機(jī)車速度V關(guān)系的制動(dòng)特性B=f(V)。下面具體分析它勵(lì)電阻制動(dòng)的各種工作特性。

　　1.速度特性Vf=f(Iz)

　　當(dāng)它勵(lì)電阻制動(dòng)進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)，CVΦV=Iz(Rz十∑R)，所以機(jī)車電阻制動(dòng)時(shí)的速度特性為：

　　(3-6)

　　由于電阻制動(dòng)電樞回路的電阻∑R，制動(dòng)電阻Rz，機(jī)車常數(shù)CV均為定值，故在固定的勵(lì)磁電流下(即主極磁通量固定)，若不考慮電機(jī)電樞反應(yīng)的影響，機(jī)車速度與制動(dòng)電流成正比關(guān)系。對(duì)應(yīng)于不同Φ值(即不同的勵(lì)磁電流)，各有一條速度特性曲線，由于勵(lì)磁電流的調(diào)節(jié)是連續(xù)的，因而機(jī)車的特性是一個(gè)面特性，需調(diào)節(jié)機(jī)車速度時(shí)，可調(diào)節(jié)它勵(lì)磁繞組的勵(lì)磁電流，各勵(lì)磁電流下的速度特性曲線如圖3-6所示，其中IL1>IL2>IL3>IL4。

　　圖3-6　電阻制動(dòng)速度特性曲線

　　2.制動(dòng)力特性B=f(Iz)

　　在不考慮電機(jī)及齒輪傳動(dòng)裝置的損耗時(shí)，將電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩?fù)Q算為機(jī)車制動(dòng)力B，則有：

　　(3-7)

　　若考慮上述損耗，并用ΔF表示這些損耗的總和，由于這些損耗總是阻礙電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的，因而在制動(dòng)時(shí)，它們應(yīng)是制動(dòng)力的一部分，這時(shí)

　　(3-8)

　　由式(3-7)可知，不計(jì)損耗及電機(jī)電樞反應(yīng)，當(dāng)勵(lì)磁電流一定時(shí)(Φ為定值)，制動(dòng)力B與電樞電流Iz之間也是成正比關(guān)系。對(duì)應(yīng)于不同的勵(lì)磁電流各有一條過(guò)原點(diǎn)的直線，制動(dòng)力特性曲線如圖3-7所示，其中IL4>IL3>IL2>IL1。

　　圖3-7　電阻制動(dòng)的制動(dòng)力特性曲線

　　需調(diào)節(jié)制動(dòng)力時(shí)，可通過(guò)調(diào)節(jié)它勵(lì)繞組的勵(lì)磁電流來(lái)實(shí)現(xiàn)，由圖3-7曲線可知，制動(dòng)電流一定時(shí)，勵(lì)磁電流越大，機(jī)車制動(dòng)力越大;也可以在一定的勵(lì)磁電流下通過(guò)調(diào)節(jié)制動(dòng)電流來(lái)實(shí)現(xiàn)，且制動(dòng)電流越大，制動(dòng)力越大。

　　3.制動(dòng)特性B=f(V)

　　由電阻制動(dòng)的速度特性和制動(dòng)力特性公式可以求出機(jī)車電阻制動(dòng)時(shí)機(jī)車制動(dòng)力與機(jī)車速度的公式：

　　(3-9)

　　由上式可知，對(duì)于某一固定的勵(lì)磁電流(即Φ數(shù)值恒定)，制動(dòng)力與速度成正比關(guān)系，并且IL越大，特性曲線越陡，如圖3-8所示，圖中IL4>IL3>IL2>IL1。這就是說(shuō)它勵(lì)電阻制動(dòng)具有機(jī)械穩(wěn)定性，即隨著機(jī)車速度的增加其電制動(dòng)力也增加。由圖3-8我們還可以得到這樣的認(rèn)識(shí)：保持勵(lì)磁電流為常量時(shí)，在低速下實(shí)行電阻制動(dòng)，制動(dòng)力較小，因此電阻制動(dòng)一般不能用于機(jī)車制停。

　　圖3-8　電阻制動(dòng)的制動(dòng)特性曲線

　　如果制動(dòng)電流保持為一常量，此時(shí)機(jī)車制動(dòng)力--速度特性為.

　　(3-10)

　　由式(3-10)可知，在Iz=C情況下，機(jī)車電制動(dòng)力與機(jī)車速度成反比關(guān)系，特性曲線為一雙曲線，如圖3-8所示，圖中Iz3>Iz2>Iz1。另外當(dāng)制動(dòng)電流保持恒定時(shí)，制動(dòng)力在很寬的范圍內(nèi)隨速度的升高而降低，因而不具有機(jī)械穩(wěn)定性。

　　4.控制方式

　　它勵(lì)電阻制動(dòng)的控制方式有三種，即恒磁通控制、恒電流控制、恒速控制。

　　恒磁通控制是指它勵(lì)電機(jī)的勵(lì)磁電流固定，制動(dòng)力的調(diào)節(jié)靠調(diào)節(jié)制動(dòng)電阻的大小來(lái)進(jìn)行，這種控制方式因有級(jí)、電路復(fù)雜，在現(xiàn)代電力機(jī)車上不單獨(dú)使用，而是作為一種彌補(bǔ)手段，在低速區(qū)制動(dòng)力明顯不足時(shí)，為提高機(jī)車制動(dòng)力短接一部分制動(dòng)電阻進(jìn)行制動(dòng)分級(jí)。

　　恒電流控制是指保持制動(dòng)電流不變，制動(dòng)力調(diào)節(jié)靠調(diào)節(jié)它勵(lì)電流實(shí)現(xiàn)，機(jī)車特性呈恒功率曲線。此種方式能充分利用機(jī)車的制動(dòng)功率，但機(jī)械穩(wěn)定性差，使工作特性使用范圍受限。相控機(jī)車在低速區(qū)一般采用此種控制方式。

　　圖3-9　恒速制動(dòng)特性

　　恒速控制是指隨著外界加速力的變化相應(yīng)調(diào)節(jié)它勵(lì)電機(jī)的勵(lì)磁電流，使機(jī)車在制動(dòng)時(shí)保持速度恒定不變。例如機(jī)車在長(zhǎng)大下坡道上運(yùn)行時(shí)，給定機(jī)車速度為某恒定值，若機(jī)車速度因加速力增大而超過(guò)給定值時(shí)，則加大勵(lì)磁電流使機(jī)車制動(dòng)力增加，迫使機(jī)車速度下降;當(dāng)機(jī)車速度低于給定值時(shí)，減小勵(lì)磁電流使機(jī)車制動(dòng)力減小，機(jī)車速度又自動(dòng)上升。如此根據(jù)機(jī)車速度的變化趨勢(shì)，不斷調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，使其制動(dòng)力自動(dòng)與加速力相平衡，保持機(jī)車以給定的速度恒速下坡。圖3-9所示為恒速制動(dòng)特性曲線，圖中每條近似垂直的直線，為每一給定速度值時(shí)的制動(dòng)特性曲線。顯然，恒速制動(dòng)是一種較為理想的制動(dòng)特性，對(duì)穩(wěn)定列車下坡速度，提高列車平均速度都十分有利。采用它勵(lì)電阻制動(dòng)的相控機(jī)車通過(guò)對(duì)勵(lì)磁電流的調(diào)節(jié)可以做到平滑連續(xù)，且調(diào)節(jié)功率小，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

　　(三)電阻制動(dòng)的工作范圍

　　列車在制動(dòng)時(shí)，由于受牽引電機(jī)、機(jī)車本身、制動(dòng)電阻等因素的限制，只允許在一定范圍內(nèi)使用電阻制動(dòng)，見(jiàn)圖3-10。

　　圖3-10　它勵(lì)電阻制動(dòng)的限制線

　　(1)最大勵(lì)磁電流限制--曲線①ILmax。若超過(guò)此限制則勵(lì)磁繞組發(fā)熱會(huì)燒損繞組，另一方面磁路飽和，磁通增加有限，效果不明顯。

　　(2)粘著力限制--曲線②Bψmax。若機(jī)車制動(dòng)力大于此限制會(huì)造成滑行。應(yīng)當(dāng)說(shuō)明根據(jù)牽規(guī)規(guī)定，計(jì)算制動(dòng)時(shí)的粘著系數(shù)ψjT應(yīng)比牽引時(shí)低20%，因此，此粘著力限制小于牽引粘著力限制。

　　(3)最大制動(dòng)電流限制--曲線③Izmax。此值取決于電機(jī)電樞繞組的運(yùn)行溫升，一般不超過(guò)牽引工況時(shí)的持續(xù)電流，但因受機(jī)車通風(fēng)條件、制動(dòng)電阻功率限制，此值根據(jù)制動(dòng)電阻的允許發(fā)熱而定。電力機(jī)車的制動(dòng)功率為了充分發(fā)揮制動(dòng)效果，一般等于或小于機(jī)車小時(shí)功率，該限制亦表示最大制動(dòng)功率限制。

　　(4)牽引電機(jī)安全換向限制--曲線④。牽引電機(jī)安全換向取決于電抗電勢(shì)er∝VIz，表示要維持er在一定允許值時(shí)，必須隨著機(jī)車速度的提高，相應(yīng)地減小制動(dòng)電流。否則主極磁通畸變嚴(yán)重，可能發(fā)生火花甚至環(huán)火。

　　(5)機(jī)車構(gòu)造速度限制--曲線⑤。它受機(jī)車機(jī)械運(yùn)行部分強(qiáng)度的限制，實(shí)際在線路復(fù)雜的區(qū)段它可能受到線路允許速度的限制。

　　以上制動(dòng)范圍OABCDE所限定的面積等于平均制動(dòng)功率，即正比于BV。在制動(dòng)的過(guò)程中，著能按曲線⑤→①這五條包絡(luò)線來(lái)調(diào)節(jié)制動(dòng)力，即可獲得電阻制動(dòng)的最佳效果。SS8型電力機(jī)車即采用微機(jī)控制實(shí)現(xiàn)了電阻制動(dòng)按包絡(luò)線進(jìn)行最大制動(dòng)力的調(diào)節(jié)。

　　四、電阻制動(dòng)的不足及克服方法

　　電阻制動(dòng)除前述的優(yōu)越性以外，因?yàn)殡娮柚苿?dòng)時(shí)控制電路比較簡(jiǎn)單，制動(dòng)力調(diào)節(jié)十分方便，因而易于實(shí)現(xiàn)制動(dòng)力的自動(dòng)控制，使電阻制動(dòng)的性能得以充分發(fā)揮，但是電阻制動(dòng)的最大缺點(diǎn)，從特性曲線上看是低速時(shí)制動(dòng)力直線下降，制動(dòng)效果不明顯。目前一般采用二種方法加以克服。

　　圖3-11　SS3型電力機(jī)車電阻制動(dòng)特性曲線

　　(1)分級(jí)電阻制動(dòng)。利用改變制動(dòng)電阻阻值來(lái)改變制動(dòng)特性，即將制動(dòng)電阻分成兩級(jí)。低速時(shí)由于發(fā)電機(jī)電勢(shì)隨速度的降低而正比的降低，對(duì)于一定的制動(dòng)電阻，制動(dòng)電流亦正比減小，因而不能維持一定制動(dòng)力時(shí)所需電流，若將制動(dòng)電阻短接(減小)一部分，則盡管由于機(jī)車速度的降低使發(fā)電機(jī)電勢(shì)下降了，但由于制動(dòng)電阻減小了，制動(dòng)電流仍能保持較大的值，以維持低速時(shí)有較大的制動(dòng)力。例如國(guó)產(chǎn)SS3型電力機(jī)車制動(dòng)電阻分成1.0052Ω和0.60Ω兩級(jí)，稱為半電阻制動(dòng)。圖3-11所示為SS3型電力機(jī)車的制動(dòng)特性，圖中虛線表示“低速制動(dòng)”時(shí)的制動(dòng)特性。

　　(2)加饋電阻制動(dòng)。又稱“補(bǔ)足”電阻制動(dòng)，電阻制動(dòng)在低速時(shí)由于制動(dòng)電流減小而制動(dòng)力下降。為了維持制動(dòng)電流不變，克服機(jī)車制動(dòng)力在低速區(qū)減小的狀況，在制動(dòng)回路外接附加制動(dòng)電源來(lái)補(bǔ)足。圖3-12所示為相控機(jī)車加饋電阻制動(dòng)原理，根據(jù)原理圖3-12(b)寫(xiě)出回路方程式為：

　　(3-11)

　　所以制動(dòng)電流

　　(3-12)

　　因需要根據(jù)實(shí)際制動(dòng)電流及時(shí)補(bǔ)足減少部分，故要求附加制動(dòng)電源連續(xù)可調(diào)。 一般相控機(jī)車上不另設(shè)加饋電源，而是使用牽引時(shí)的整流調(diào)壓電路在制動(dòng)工況作為加饋電源，如圖3-12(a)所示。

　　圖3-12　加饋電阻制動(dòng)原理

　　根據(jù)圖3-12(a)電路，公式(3-12)又可改寫(xiě)為：

　　(3-13)

　　只需調(diào)節(jié)半控整流電路中晶閘管的移相角α，即可調(diào)節(jié)加饋電源輸出，及時(shí)補(bǔ)足制動(dòng)電流的減小部分，使制動(dòng)電流維持不變。顯然加饋電阻制動(dòng)要消耗額外電能。圖3-11所示陰影部分的面積代表采用加饋電阻制動(dòng)，維持低速時(shí)制動(dòng)力B等于常數(shù)，使列車制動(dòng)停車時(shí)所需要外加的功率。

　　從理論上講，加饋電阻制動(dòng)可使機(jī)車制停。而實(shí)際上由于牽引電機(jī)整流器不允許靜止不動(dòng)長(zhǎng)時(shí)間流過(guò)額定電流，以防整流器過(guò)熱而燒損。故在機(jī)車速度低于一定值時(shí)，將切除加饋制動(dòng)，改用空氣制動(dòng)使機(jī)車停車。國(guó)產(chǎn)SS3B，SS4G，SS8等機(jī)車均采用此種電阻制動(dòng)方式。