交直型整流器式電力機(jī)車進(jìn)行再生制動(dòng)時(shí)，牽引電動(dòng)機(jī)作直流發(fā)電機(jī)工作，并且將電能饋送回接觸網(wǎng)，此時(shí)電力機(jī)車相當(dāng)于一個(gè)移動(dòng)的發(fā)電站。

　　一、再生制動(dòng)穩(wěn)定性分析

　　再生制動(dòng)時(shí)應(yīng)保證電氣穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性，而保證外部電氣穩(wěn)定性是實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)的首要條件。因?yàn)檎髌麟娏C(jī)車再生制動(dòng)時(shí)，牽引電機(jī)是通過變流裝置間接地與接觸網(wǎng)聯(lián)接，其外部電路有可能發(fā)生變化，因此再生系統(tǒng)必須首先保證其外部電氣穩(wěn)定性，否則便無法實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)。

　　圖3-16　整流器電力機(jī)車再生制動(dòng)原理圖

　　圖3-16為整流器電力機(jī)車再生制動(dòng)原理圖。假設(shè)再生制動(dòng)時(shí)牽引電機(jī)M為串勵(lì)發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)，其外特性為：

　　(3-16)

　　逆變裝置N的外特性為Ud=f(Iz)。實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)時(shí)應(yīng)滿足：

　　(3-17)

　　圖3-17作出了逆變裝置的外特性和串勵(lì)發(fā)電機(jī)的外特性曲線，兩曲線交于(a、b)兩點(diǎn)。在a點(diǎn)上是不能保證再生制動(dòng)穩(wěn)定工作的，因?yàn)樵赼點(diǎn)進(jìn)行再生制動(dòng)時(shí)，若由于某種原因使制動(dòng)電流Iz瞬間增大時(shí)，UD>Ud，在電路自感電勢(shì)的作用下，使電流繼續(xù)增大直到b點(diǎn)。若因外界擾動(dòng)使Iz減小時(shí)，Ud>UD，結(jié)果使電流Iz不斷減小，而在b點(diǎn)情況正好相反。因此，在b點(diǎn)串勵(lì)再生制動(dòng)具有外部電氣穩(wěn)定性。

　　圖3-17　再生制動(dòng)時(shí)電壓曲線

　　上述分析說明，發(fā)電機(jī)外特性的斜率必須小于逆變裝置外特性的斜率，才能保證再生制動(dòng)穩(wěn)定工作。串勵(lì)發(fā)電機(jī)雖有穩(wěn)定工作點(diǎn)b，但因此點(diǎn)的電流過大，已超出了電機(jī)的許可工作范圍，因而再生制動(dòng)時(shí)串勵(lì)電機(jī)不適用。并勵(lì)、他勵(lì)、差復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)的外特性具有下垂的外特性，因此只要保證發(fā)電機(jī)下降的外特性隨制動(dòng)電流增加時(shí)其斜率小于逆變裝置外特性的斜率，便都具有外部電氣穩(wěn)定性。所以為獲得再生發(fā)電機(jī)下降的外特性，串勵(lì)牽引電機(jī)在再生制動(dòng)時(shí)必須改變勵(lì)磁方式。在現(xiàn)代整流器電力機(jī)車上多數(shù)采用他勵(lì)系統(tǒng)，即將牽引工況下作串勵(lì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的電路，通過轉(zhuǎn)換開關(guān)在電氣制動(dòng)工況下轉(zhuǎn)接成它勵(lì)的發(fā)電機(jī)電路。這種勵(lì)磁方式不但能保證外部電氣穩(wěn)定性，同時(shí)也能保證并聯(lián)再生發(fā)電機(jī)之間的內(nèi)部電氣穩(wěn)定性。

　　二、再生制動(dòng)特性及限制

　　整流器式電力機(jī)車再生制動(dòng)時(shí)，其變流器工作在逆變工況。因?yàn)檎髋c逆變工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換對(duì)變流器來說只是控制角α的改變，電路完全相同，因此逆變器的外特性Ud=f(Iz)與整流器外特性Ud=f(Id)將有同樣的結(jié)論。

　　再生制動(dòng)時(shí)，發(fā)電機(jī)回路的電勢(shì)平衡，即：

　　(3-18)

　　式中 ∑R--電樞回路總電阻。

　　故再生制動(dòng)時(shí)，機(jī)車的速度特性為：

　　(3-19)

　　再生制動(dòng)電流為：

　　(3-20)

　　因?yàn)殡姌谢芈冯娮柚?sum;R值很小，在機(jī)車速度稍有變化時(shí)，會(huì)引起制動(dòng)電流Iz的較大變化。同時(shí)，由于制動(dòng)電流Iz對(duì)電網(wǎng)電壓的變化也很敏感，加之各電機(jī)電樞電阻的差異，所以會(huì)使各電機(jī)負(fù)載的不均勻程度增加，因此再生制動(dòng)時(shí)在各電機(jī)回路中串接一穩(wěn)定電阻Rw(見圖3-16)。穩(wěn)定電阻一方面可使并聯(lián)工作的各電機(jī)間負(fù)載分配均勻，即起到均衡電阻的作用，另一方面能使發(fā)電機(jī)再生時(shí)具有差勵(lì)磁特性，以保證其電氣穩(wěn)定性。加入穩(wěn)定電阻Rw后，式(3-19)、式(3-20)變?yōu)椋?/p>

　　(3-21)

　　再生制動(dòng)電流為：

　　(3-22)

　　穩(wěn)定電阻Rw的大小，直接影響負(fù)載分配的均衡和電氣穩(wěn)定性。Rw值越大，電機(jī)的外特性曲線越陡，電氣穩(wěn)定性越好，抗網(wǎng)壓波動(dòng)能力越強(qiáng)，各電機(jī)間負(fù)載分配愈均衡。但是Rw也不宜過大，因?yàn)檫^大的Rw將增加能耗，降低機(jī)車再生制動(dòng)力。因此穩(wěn)定電阻的取值應(yīng)從制動(dòng)效率和穩(wěn)定性兩方面考慮。8K型電力機(jī)車Rw=0.45Ω，消耗1/3制動(dòng)功率。

　　圖3-18　再生制動(dòng)時(shí)機(jī)車速度特性

　　由式(3-21)可知，當(dāng)再生發(fā)電機(jī)的磁通Φ為常量時(shí)，機(jī)車速度特性曲線V=f(Iz)為一直線。即機(jī)車速度越高，其再生制動(dòng)電流Iz愈大。同時(shí)，機(jī)車速度與它勵(lì)電流成反比，欲在一定再生制動(dòng)電流下維持再生系統(tǒng)穩(wěn)定工作，在機(jī)車速度下降時(shí)，必須加強(qiáng)電機(jī)的勵(lì)磁。再生電流越小，電機(jī)的勵(lì)磁越強(qiáng)，則機(jī)車的速度越低。由于電機(jī)磁通受最大勵(lì)磁電流的限制，因此再生制動(dòng)時(shí)機(jī)車的運(yùn)行速度必有一個(gè)下限速度Vmin。當(dāng)機(jī)車速度V

　　(3-23)

　　式中 Φmax--電機(jī)主極最大磁通量。

　　再生制動(dòng)時(shí)，機(jī)車的速度特性曲線如圖3-18所示，圖中IL3>IL2>IL1。

　　在再生制動(dòng)狀態(tài)下，電機(jī)的電樞電流與牽引時(shí)同向，但由于其磁通方向(即勵(lì)磁電流)反向，故電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩此時(shí)為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，制動(dòng)力特性為：

　　(3-24)

　　由上式(3-24)可知，當(dāng)電機(jī)勵(lì)磁一定時(shí)，制動(dòng)力特性B=f(Iz)為直線，如圖3-19所示。圖中IL1>IL2>IL3。

　　圖3-19　再生制動(dòng)時(shí)機(jī)車制動(dòng)力特性

　　再生制動(dòng)時(shí)，機(jī)車的制動(dòng)力--速度特性可由式(3-22)、式(3-24)求出為：

　　(3-25)

　　由上式可知，機(jī)車制動(dòng)特性B=f(V)當(dāng)中為定值時(shí)也為一直線，如圖3-20所示。圖中IL1>IL2>IL3。

　　再生制動(dòng)時(shí)，機(jī)車特性的限界為：1--最大勵(lì)磁電流限制線;2--粘著條件限制線; 3--最大電樞電流限制線;4--安全換向限制線;5--最大速度限制線。故機(jī)車再生制動(dòng)時(shí)的工作范圍在上述五條限制線限定的范圍內(nèi)，如圖3-20所示。

　　圖3-20　再生制動(dòng)機(jī)車制動(dòng)特性及限界

　　三、調(diào)節(jié)過程及調(diào)節(jié)方式

　　從公式(3-22)和式(3-20)可見，欲調(diào)節(jié)制動(dòng)電流Iz，可采用調(diào)節(jié)它勵(lì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流 IL或者逆變器電壓Udα即控制角α的方法來實(shí)現(xiàn)。再生制動(dòng)在整個(gè)調(diào)節(jié)過程中，大致可分三個(gè)階段如圖3-21所示。

　　圖3-21　再生制動(dòng)三個(gè)區(qū)域的特性

　　(1)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流IL。機(jī)車在高速時(shí)進(jìn)行再生制動(dòng)，為了提高功率因數(shù)，可維持逆變器電壓Udα為最大，且基本為恒定。通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流來調(diào)節(jié)制動(dòng)電流，如圖3-21中BC段，隨著機(jī)車運(yùn)行速度V的下降，相應(yīng)增加勵(lì)磁電流，直至額定值為止。勵(lì)磁電流最小值受電機(jī)安全換向限制。勵(lì)磁調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)節(jié)功率小，調(diào)節(jié)平滑，缺點(diǎn)是機(jī)車速度的下限受到磁飽和的限制，高速時(shí)受電機(jī)安全換向的限制。制動(dòng)力受制動(dòng)功率的限制，隨著機(jī)車速度增加，制動(dòng)力要相應(yīng)減小。

　　(2)調(diào)節(jié)逆變器電壓Udα。在勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)到額定值之后維持常數(shù)不變，調(diào)節(jié)控制角a，改變逆變器電壓Udα。減小Udα可維持制動(dòng)電流為常數(shù)，維持制動(dòng)力不變，如圖3-21中AB段所示，直到Uda=0為止。一般采用不對(duì)稱觸發(fā)方式，α范圍為0～(π-β)。

　　(3)加饋電阻制動(dòng)。此種工況下逆變器變?yōu)檎鞴r運(yùn)行，電壓Udα改變極性，由式(3-22)知此時(shí)制動(dòng)電流由發(fā)電機(jī)電勢(shì)和整流電壓共同產(chǎn)生，可保持低速時(shí)制動(dòng)力不變，如圖3-21中B'A虛線所示。如前所述OA的斜率取決于制動(dòng)電阻的大小，制動(dòng)電阻越小，斜率越大，A點(diǎn)速度越低。該電阻值一般小于電阻制動(dòng)機(jī)車的制動(dòng)電阻。

　　上述三個(gè)階段中，前兩個(gè)階段為再生制動(dòng)工況，機(jī)車的功率因數(shù)取決于再生制動(dòng)的控制方式，目前常用的有以下兩種控制方式：

　　(1)維持逆變角β=C。根據(jù)式(3-15)，逆變角β=α+δ，一般取δ=10°～20°。換向重疊角γ由式(2-46)可知其大小隨制動(dòng)電流Id、回路電抗和電壓而變化。固定逆變角β控制方式必須考慮最不利的情況，即Izmax、Xcmax、Udmin，由此計(jì)算出γ可達(dá)40°～50°。例如6K型電力機(jī)車采用逆變角β=55°的控制方式。此種方式機(jī)車功率因數(shù)較低，回饋能量小。

　　(2)維持裕度角δ=C。選取足夠的裕度角δ使其為恒值，則β=γ+δ將隨著γ的變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)。γ減小，β亦減小，功率因數(shù)會(huì)有所提高。但此種控制方式需要精確地檢測(cè)出γ的大小。例如8K型電力機(jī)車采用δ=18°～22°。

　　四、再生制動(dòng)的特點(diǎn)

　　(1)再生制動(dòng)時(shí)回饋的電能可供其他電力機(jī)車牽引使用，因此是一種更具有經(jīng)濟(jì)效益的電氣制動(dòng)方式。

　　(2)再生制動(dòng)具有調(diào)速范圍大，防滑性能好，減少了閘瓦與車輪磨耗。

　　(3)再生制動(dòng)的控制系統(tǒng)較為復(fù)雜。由于再生制動(dòng)時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性差，制動(dòng)力的調(diào)節(jié)一般有兩種方法，既可以通過調(diào)節(jié)電機(jī)的它勵(lì)電流來實(shí)現(xiàn)，也可通過調(diào)節(jié)逆變器的電壓來進(jìn)行。因此控制復(fù)雜且精確度要求高，同時(shí)為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在制動(dòng)電路中增設(shè)附加的穩(wěn)定電阻Rw，以限制制動(dòng)電流的變化。

　　(4)再生制動(dòng)的機(jī)車必須采用全控橋。因此機(jī)車功率因數(shù)低，諧波含量高，同時(shí)對(duì)觸發(fā)系統(tǒng)可靠性要求高。

　　再生制動(dòng)的上述缺點(diǎn)限制了其應(yīng)用的范圍，但是隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，再生制動(dòng)的不足已得到改善。例如通過加裝濾波器、采用多段橋不對(duì)稱控制等都較好地改善了機(jī)車的功率因數(shù)。