1、电力传动与控制电力传动与控制列车电力传动控制列车电力传动控制列车电力传动与控制列车电力传动与控制交交-直流传动系统直流传动系统(EL/EMU)2022-8-11第第1章章 交交-直流电力传动系统直流电力传动系统 1.1 电力传动系统的组成电力传动系统的组成 1.2 交交-直流传动电力机车直流传动电力机车/EMU速度调节速度调节 1.3 交交-直流传动电力机车直流传动电力机车/EMU的调压方式的调压方式 1.4 电力机车电力机车/EMU的起动与动力制动的起动与动力制动 1.5 相控调压电力机车功率因数的改善相控调压电力机车功率因数的改善电力传动与控制电力传动与控制 交-直流传动系统是指机车或动车
2、组采用交流电源供电经变流器变换为直流电，供给直流牵引电动机驱动机车或动车组运行的传动系统，是直流传动系统的主要传动方式。由于交流电源供给方式不同，有外接电源与自备电源之别，相应的牵引动力装置有电力机车与内燃机车之区别。在直流传动系统中，电力传动内燃机车经历了直-直流传动、交-直流传动两个阶段。直-直流传动机车因技术原因已被淘汰，交-直流传动机车/动车组技术成熟、性能可靠，保有量很大，仍在许多国家、地区作为主型机车继续服役。对于直流传动电力机车/EMU，没有经过直-直流传动阶段，只经历了交-直流传动阶段。由于采用整流调压电路结构、形式不同，先后经历了调压开关与二极管组合的有级调压、2022-8-
3、13电力传动与控制电力传动与控制调压开关与晶闸管结合的级间平滑调压和相控无级调压。调压开关与二极管组合的有级调压方式，由于调压开关结构复杂、输出电压不连续等原因，早已被淘汰。调压开关与晶闸管结合的级间平滑调压是介于有级调压与无级调压方式之间的一种过渡调压方式，应用较少，国产电力机车中只有SS3型电力机车采用此电路。晶闸管相控平滑调压作为交-直流传动电力机车/EMU的主要调压方式，技术成熟、运行可靠,仍有大量的相控电力机车/EMU在应用。国产电力机车SS3B SS9G，日本新干线100、200、400系动车组均为相控调压。纵观电力牵引控制技术的发展历程，它随着电力电子技术、计算机技术以及控制理论
4、的发展而发展。西方发达国家早在20世纪90年代已经停止了直流传动机车的制造，全面进2022-8-14电力传动与控制电力传动与控制入交流传动时代，新造机车/动车组全部采用交流传动系统,其交流传动机车、动车组的应用已很成熟。我国目前在线运我国目前在线运用的机车绝大多数属于交用的机车绝大多数属于交-直流传动机车直流传动机车。交流传动机车、动车组在我国还处于起步发展阶段。我国曾研发了个别车型的交流传动机车，但由于受关键技术、成本等因素制约，只在机车型谱里占了一个位置，没有形成批量。当前正在引进的和谐系列机车、动车组均采用交流传动系统，这将确定了我国牵引动力的发展方向，必然是走交流传动之路。直流电力传动
5、技术(机车)的发展概略为：2022-8-15电力传动与控制电力传动与控制在应用相控)相控平滑调压(晶闸管已淘汰晶闸管)压开关相控级间平滑调压(调已淘汰二极管)关单拍全波整流(调压开直流传动-交未采用直流传动-直电力机车在应用直流传动-交已淘汰直流传动-直内燃机车直流传动 本章主要介绍电力机车、EMU的直流传动系统，围绕基本组成、牵引与制动等主要方面，进行系统分析。2022-8-161.1 1.1 电力牵引传动系统的组成电力牵引传动系统的组成 电力牵引系统是由牵引供电部分和牵引动力装置两大部分组成，包括从牵引变电所到列车受电弓在内的供电部分和牵引动力装置的传动系统。牵引动力装置主要指电力机车、电
6、动车组（EMU）。电力牵引系统组成如图1-1所示。一般习惯上以车载受电弓为分界点，受电弓以上为供电部分，包括接触网线、牵引变电所等；受电弓及以下为牵引动力装置部分。这里只讨论牵引动力装置的传动系统，即从受电弓、高压电器、牵引变压器、牵引变流器到牵引电动机的主电路部分。交-直流传动的电力机车及EMU的工作原理如图1-2所示。牵引变电所将来自于国家电网的高压三相交流电，经变压器降压变换成25kV，并以单相形式供给接触网。通过受电弓等高压电器，将接触网上 25kV/50Hz 单相交流电导入机车内牵引变压器一次绕组，电流流过一次侧绕组，经车体接地装置与钢轨、回流线联结，与牵引变电所形成高压供电回路。同
7、时经牵引变压器的降压作用，在二次侧绕组上产生牵引及辅助系统所需交流电压，向牵引整流器供电，通过整流器将单相交流电变换为直流（脉流），为直流牵引电动机提供电能。直流牵引电动机将电能转换为机械能，产生转矩驱动轮对旋转，在轮轨间产生牵引力，驱动机车运行。电力机车/EMU的电力传动系统电气线路按其作用，可分为主电路、控制电路和辅助电路三大部分。主电路是由受电弓、主断路器、高压电流互感器、主变压器、牵引变流装置、牵引电动机、平波电抗器、制动电阻及其相联接的电气设备组成，是机车产生牵引力和制动力的主体电路，它应满足机车起动、调速及制动三个基本工作状态的要求。辅助电路主要由提供三相交流电的劈相装置和各种辅助
8、机械拖动电动机等组成。劈相装置将单相交流电变换为三相交流电，供给各辅助机械拖动电动机。它是保证主电路发挥功率和实现牵引性能所必需的电路。控制电路就是执行司机的控制命令或意图，完成对主电路、辅助电路的间接控制的低压电路。它由各种主令电器及控制模块组成。起动、调速及制动是列车运行的基本规律，它们是通过电力机车/EMU主电路、控制电路和辅助电路共同作用实现的。为了充分发挥机车/EMU的功率，实现多拉快跑，就要求机车/EMU不仅能在不同的线路和载荷条件下改变牵引力，而且还要求在相同的牵引力下得到不同的速度。由此可见，电力机车/EMU主电路必须保证牵引电动机的转矩和转速都可作独立的调节，而且要有宽广的调
9、节范围。起动、调速及制动起动、调速及制动是列车运行的基本规律，它与主电路结构、牵引电动机的配置与供电方式、调速方式、动力制动方式都有着密切关系。电力传动与控制电力传动与控制1.2 1.2 交交-直流传动电力机车直流传动电力机车/EMU速度调节速度调节 电力机车/EMU主电路是高电压、大电流的大功率动力回路。通过主电路的功率传递，将变电所的电能转变成适用于列车牵引所需要的牵引力。由于主电路的结构不同、调压方式不同，会在很大程度上决定着机车/EMU的基本性能。电力机车/EMU性能的好坏，技术上的难易程度，投资的多少，以及它运行费用的高低和可靠性等重要技术经济指标，均与主电路的设计密切相关。交-直流
10、传动电力机车/EMU速度的调节，是通过对直流(脉流)牵引电动机转速的调节来实现的，因此，电力机车/EMU的调速问题归根到底就是对牵引电动机如何调速的问题。2022-8-112电力传动与控制电力传动与控制 机车调速是指人为地改变牵引电动机的工作参数人为地改变牵引电动机的工作参数使其转速发生改变的运行过程，它有别于外部扰动（电压变化、线路基本状态变化等）引起地转速变化。机车对调速系统的基本要求：调速平滑且牵引力连续变化，尽量减小冲击；调速范围要能够满足牵引要求，尽可能大一些；调速的经济性指标要高，调速系统运行要求可靠。2022-8-113电力传动与控制电力传动与控制1.2.1 1.2.1 直流牵引
11、电动机的工作特性直流牵引电动机的工作特性 为了便于进行调速分析，在此将直流牵引电动机的励磁方式及工作特性作一简单回顾。1.1.直流牵引电机的励磁方式直流牵引电机的励磁方式 直流牵引电动机在结构上与普通直流电动机基本相同。直流电机的性能取决于励磁绕组的供电方式即励磁方式，不同励磁方式的电机，性能差异很大。按励磁方式的不同可分为：他励、并励、串励、复励。他励、并励、串励、复励都可用以直流电动机，对于直流发电机只能采用他励、并励和复励，不允许采用串励方式。直流牵引电动机一般采用串励方式，只有个别系统中采用串励为主的他复励方式。2022-8-114 (1)直流他励电动机 他励直流电动机是一种励磁绕组C
12、1-C2与电枢绕组S1-H2无电路联接关系，由其它直流电源对励磁绕组供电的直流电动机，如图1-3a所示。励磁绕组又称他励绕组，其主磁场与电枢电流无关，励磁电流 仅取决于他励电源的电动势和励磁电fI路的总电阻，而不受电枢端电压的影响。永磁直流电机也可看作是他励直流电机。(2)直流并励电动机 并励电动机的励磁绕组C1-C2与电枢绕组S1-H2相并联，励磁电压始终等于电枢电压，Uf=Ua、If+Ia=I,如图1-3b所示。(3)直流串励电动机 串励电机的励磁绕组与电枢绕组串联，如图13c所示。它的励磁电流就是电枢电流，即 。励磁绕组又称串励绕组。串励绕组电流较大，因此要求串励绕组应具有较小的电阻。为
13、此，所用导线要求粗且匝数较小，但由于流过的电流较大，故磁极仍能产生较大的磁通。(4)他复励直流电机afII这种电机的主磁极上有两个励磁绕组，一个同电枢绕组串联（称为串励绕组C1-C2），另一个同电枢绕组无连接关系(称为他励绕组C3-C4)，如图13d所示。他复励电动机的特性总是介于串励、他励电机特性之间。作为牵引电动机主要以串励成分为主，它保持了串励和他励方式的优点，克服了缺点与不足，可以灵活地获得优异的工作特性。牵引电机根据列车的运行状态(即牵引与制动状态)，工作在电动机工况和发电机工况。电动机工况采用串励方式，将电能转换为机械能，为列车产生牵引动力；发电机工况采用他励方式，将吸收列车惯性能
14、量，将其转化为电能，对列车产生制动力。电力传动与控制电力传动与控制 2 2.直流牵引电动机的工作特性直流牵引电动机的工作特性 工作特性是指当电源电压及励磁电流不作人为调节时，电动机的转速 、电磁转矩 随电枢电流 的变化关系。(1)(1)速率特性速率特性 由公式 及 可得出：对于他励（并励）电动机，若不计电枢反应影响，则有：)(aIfn nemTaInCEeaaaaRIEUCaInn0式中,为理想空载转速；为特性曲线的斜率。显然，他励(并励)电动机其速率特性是一条斜率为的直线，斜率的大小取决于电枢回路的总电阻值。e0CUn eaCR2022-8-118电力传动与控制电力传动与控制 对于串励电动机
15、，由于 ，即气隙主磁通随电枢电流而变化。若不考虑磁路饱和的影响，afIKfaII fesaafeaesaeeaaKCRRIKCUICRRCUCRIUn1式中 电枢回路总电阻，其中 串励绕组的电阻。由此可看出，串励电动机的速率特性是一条等边双曲线软特性。当负载电流 增加时，其转速随负载的增加而迅速下降。当负载很小时，主磁通亦很小,使其转速极aRsaaRRRsRaI(1-1)2022-8-119电力传动与控制电力传动与控制高,将产生“飞车”现象，后果十分危险。因此,串励电动机不允许空载运行和轻载运行。在选择传动方式时不允许采用皮带传动或链条传动等间歇传动方式。(2)2)转矩特性转矩特性 串励电动机
16、若不考虑磁路饱和的影响，则有 即转矩特性是一条关于电枢电流的二次方函数。当磁路完全饱和以后，。此时电磁转矩与电枢电流成正比。所以，串励电动机其电磁转矩与电枢电流之间的关系总是大于一次方而小于二次方，即 。也就是)(aemIfTafIK2afTaTemIKCICTaTaTemICICTC,21,aemIT2022-8-120说，在相同条件下，串励电动机的起动、过载能力都大于其它电动机。串励电动机的工作特性如图14所示。(3)机械特性机械特性 串励电动机的机械特性是指 时，。从电动机的电压方程可知：)(emTfn NUU)(emTfn 电力传动与控制电力传动与控制aSafesaaesaaaIRRn
17、KCRRInCRRIEU)()()(式中 （不考虑磁路的饱和）。于是电磁转矩表示为afIK2safefT2afTaTemRRnKCUKCIKCICT）（由此可解出）（saemfTfeRRUTKCKCn1(1-2)2022-8-122电力传动与控制电力传动与控制 串励电动机的机械特性也是一条软特性，随着电磁转矩的增加，电动机的转速迅速下降，即 。1.2.2 1.2.2 牵引电动机特性分析牵引电动机特性分析 串励电动机由于具有“软特性”，因此与他励电动机相比，在相同的负载变化时，串励电动机可有更大的转速和转矩变化。在内燃机车电力传动装置中，牵引电动机由恒功率电源供电，可使牵引电动机在电源电压较小变
18、化时具有较大的转速和转矩变化，故调速容易，调速范围广，可见串励电动机更适合机车牵引。在电传动机车上，一般总有几台牵引电动机同时并联运行，由于电动机的特性不可能完全一致，或者电动机驱动的emTn12022-8-123动轮直径不完全相等，因此，这些都将使各电动机之间的负载分配不均匀。当两台并联运行的电动机转速相同时，由于性能的差异电力传动与控制电力传动与控制而导致负载电流分配出现不均匀，此时牵引电动机之间的负载分配关系如图16所示。对于串励电动机而言，由于具有软特性，这种负载分配的不均匀性远较他励电动机小得多，可防止个别电动机在运行时发生严重过载现象。在牵引电动机独立传动的情况下，当机车起动或爬坡
19、时，经常发生动轮和钢轨之间因粘着条件的破坏而使动轮空转的现象，在这种情况下，串励电动机的软特性不利于粘着条件的恢复。而他励电动机的硬特性却有利于防止动轮空转，因为在出现空转时他励电动机电枢电流和转矩随着转速的微小增加而急剧下降，促使粘着条件的迅速恢复。串、并2022-8-125励牵引电动机的防空转能力比较如图17所示。1.2.3 1.2.3 直流牵引电动机的调速方式直流牵引电动机的调速方式 根据直流牵引电动机转速表达式 可知，直流牵引电动机的调速可通过改变电枢两端电压和减小磁通来实现，即改变电枢电压调速改变电枢电压调速和弱磁调速。1.1.改变电枢电压调速改变电枢电压调速 由式(1-1)可知：当
20、负载一定时，若忽略电枢回路的电阻压降，可认为电动机的转速与电枢端电压成正比，提高电枢端电压将提高转速。电枢端电压的提高是以额定电压为限值，对应的转速为调节电压所能达到的最高转速，即改变电枢端电压调速是以额定电压对应转速为最高转速的调速方法。aeaeaaesaeaICRCUICRRCUn电力传动与控制电力传动与控制 调速时直流牵引电动机的电磁转矩 。当牵引电动机在电枢端电压U1、电枢电流 Ia1下，以转速n1在a点稳定运行时，若提高电压至U2，原有的平衡状态被破坏，由于机械惯性很大，在电压发生突变的瞬间，转速来不及变化，电动机的反电势Ea也将保持不变，而电枢电流 Ia必将突然增大到Ia2，电动机
21、的工作点由a点跳变到电压U2对应的速率特性曲线上的b点，如图1-8所示。在b点，Ia2Ia1，电动机的电磁转矩也远大于负载转矩，根据牛顿定律，电动机将以很高的加速度加速运行，转速沿着电压U2对应的速率特性曲线上升。若负载未变仍为Ia1，随着转速的上升，电枢电流和电磁转矩逐渐减小，加速度减小，直到加速度变为零时，电动机转速上升到了n2，电枢电流再次恢复到了Ia1，电动机2afTaTemIKCICT2022-8-128的输出转矩与负载转矩相平衡，电动机将在c点稳定运行，此时转速因电压提高而升高到了n2。改变电压调速时的速率特性如图1-8所示。电力传动与控制电力传动与控制 2.2.弱磁调速弱磁调速
22、对于机车/动车组而言，只有当调压资源用尽后才开始实施磁场削弱调速，即进行磁场削弱调速时，电源电压达到最大值且保持不变。若不考虑电枢回路的电阻压降，则有 即磁削后电动机转速升高，转速与磁通基本成反比关系。削磁后的转速都高于额定磁场时的转速，削磁后的人为特性总是处于固有特性（额定磁通之特性）的上方。在负载一定时进行磁削，电动机的电磁转矩保持不变，即eaCUn1221nnemNememTTT21aNNTaTaTICICIC2211(1-3)2022-8-130电力传动与控制电力传动与控制1221aaII 也就是说，磁削前后电动机的电枢电流与磁通成反比关系。磁削后电枢电流将会增大，转速升高，这对电动机
23、换向带来困难。通过对串励绕组电流进行分流，可实现磁场削弱。一般采用在串励绕组两端并联分流电阻或接入可控元件的方法实现，电路如图110所示。若在串励绕组两端并联固定阻值的分流电阻，其磁通不能连续变化，只能是有级变化，这种磁削方法称为电阻有级磁削。(1-4)2022-8-131电力传动与控制电力传动与控制 若在串励绕组两端并联可控元件，通过改变其导通角的大小来调节所通过的电流，就可以实现对励磁电流的连续调节，达到无级削磁的目的。此方法只适合于电力机车/EMU。磁场削弱程度用磁削系数来表示：afafIININI磁削前的磁势磁削后的磁势cxfaIIIcxscxafRRRII (1)并联电阻分流磁削 即
24、磁削系数 值取决于励磁绕组与分流电阻的阻值大小。(1-5)2022-8-134电力传动与控制电力传动与控制 为了减小磁削后由于电枢电流增大而产生的冲击，磁削电阻一般都是采取分级并入的方法。磁削深度一定时，磁削电阻的并入级数越多，产生的冲击电流越小，电动机调速越平滑，但所需的电磁开关器件的数量相应增加很多，不仅增加了设备成本，而且使得电路结构复杂化，影响电路的可靠性。故一般磁削电阻并联的级数以2-3级为宜。(2)可控元件分流磁削 在励磁绕组两端并联可控元件，调节可控元件的控制角 就可以连续改变励磁电流的大小，实现无级磁场削弱。可控元件一般采用晶闸管，依靠电源电压过零点时自然换向，要求主整流器半控
25、桥必须工作在全开放状态。2022-8-135电力传动与控制电力传动与控制 无论采用何种磁削方式，对磁削深度必需要加以控制。在保证牵引电动机可靠换向的前提下，尽可能采用较深的磁削深度，以提高牵引电动机的调速范围，一般 。采用磁场削弱的方法调速，调速范围较大，调速在励磁回路进行，附加能耗较小，调速前后电动机的效率变化不大，是一种经济的调速方法。它的缺点主要是使牵引电动机换向条件恶化，磁削较深时容易发生环火。因此，必须要限制磁削的深度。机车在平直线路上实施磁削可提高运行速度，在上坡线路上进行磁削可实现恒速运行。%40min2022-8-136电力传动与控制电力传动与控制1.3 1.3 交交-直流传动
26、电力机车直流传动电力机车/EMU的调压方式的调压方式 电力机车在世界各国基本上都采用单相交流供电，我国采用25kV、50Hz的单相交流电源供电。交直流传动电力机车的调压方式取决于整流电路和主变压器二次绕组的结构。分析调压方式就是分析整流电路，整流电路可分为单相不可控整流电路和单相可控整流电路两种，对应的调压方式可分为有级调压和无级调压两大类。采用单相不可控整流电路（单拍全波整流）的电力机车已基本上退役。目前正在服役的交直流传动电力机车，整流电路均采用单相可控整流电路，调压方式为相控无级调压。2022-8-137电力传动与控制电力传动与控制 一、单相不可控整流电路一、单相不可控整流电路 电力机车
27、采用调压开关和二极管组合的单相不可控整流电路结构，完成对输出电压的有级调节。单相不可控整流电路分为中抽式和桥式整流两种。1.1.中抽式不可控整流电路中抽式不可控整流电路 中抽式整流电路中，主变压器二次侧绕组在电源正负半波交替工作，整流器也是正负半波轮流工作。在一个周期中，正负半波整流器各工作一次，工作方式称为单拍全波整流。其输入电压、输出电压（整流电压平均值或理想空载直流电压）可表示为：2022-8-138电力传动与控制电力传动与控制tUtUusin2sin222220tt2220029.022)(sin21)(1UUttdUtduUd整流元件承受的反向电压为2倍的二次绕组电压，即dRMUUU
28、22.222 此整流电路的功率因数(PF反映了用电设备从电源取用有功功率的效率)(1-7)(1-6)2022-8-140电力传动与控制电力传动与控制DFIIIUIUSPPF1111111coscoscos式中 -基波电流的有效值；-电流有效值；-基波电压与基波电流之间的相位系数，用 表示；-电流畸变系数，表示电流波形中含有高次谐波 的程度。也可用谐波系数 表示为：1II1cosDFHF2212121IIIHF(1-8)2022-8-141电力传动与控制电力传动与控制 通过对整流电路工作过程的分析，接触网（变压器一次绕组）中流过的电流中除基波外还存在着高次谐波，其波形为非正弦波的方波，交流电压的
29、波形基本为正弦波。但变压器一次绕组中流过的方波电流与接触网电压之间的相位相同，即 。将变压器一次绕组中流过的方波电流进行分解，可计算出电流波形的畸变系数，即1DF)sin15sin513sin31(sin)sin15sin513sin31(sin41ttttIttttIimTT(1-9)2022-8-142电力传动与控制电力传动与控制2141TII9.0221TII9.01TIIDFPF4843.0HF即中抽式单相不可控整流电路的功率因数达到0.9。电网电流中只有基波电流产生有功功率，谐波电流只是在消耗电网无功功率，使得功率因数总小于1。中抽式不可控整流电路的特点：功率因数高达功率因数高达0.
30、90.9（在整流电路中功率因数最高）；（在整流电路中功率因数最高）；基波相位系数基波相位系数 ，变压器一次侧方波电流与一次，变压器一次侧方波电流与一次侧电压同相位。侧电压同相位。1DF2022-8-143 2.2.桥式不可控整流电路桥式不可控整流电路 单相桥式不可控整流电路从输出关系上看，属于双拍全波整流。变压器二次侧电流与电压分布情况与中抽式不可控整流电路相同，二次绕组中交替流过整流电流 ，二次侧电压、直流输出电压表示为整流元件承受的反向电压 。功率因数与中抽式电路相同，即(、)2229.0sin2UUUtUudoddII 2dRMUUU11.129.0DFPF1DF9.0电力传动与控制电力
31、传动与控制 3.3.整流电压、电流的脉动情况整流电压、电流的脉动情况 单相整流由于在一个周期中最多只有两个脉波，因此电压波动较大，这必将引起电流的脉动。电流的脉动与负载的性质有关。整流电压、电流的脉动情况用脉动系数来表示。整流电压脉动系数 整流电流脉动系数直流分量的脉动幅值交流分量的脉动幅值uK%100%1002)(minmaxminmaxminmaxIIIIIIIKdi其中，、分别为电流的最大值、最小值和平均值。maxIminIdI(1-10)2022-8-145dddoiILUK33.0 对于纯电阻负载，。对于电力机车，整流电路的负载为反电势负载，若不串入平波电抗器，整流电流的脉动要比电阻
32、性负载大一些。电流的脉动不利于牵引电动机换向。因此，在电枢回路串入平波电抗器是减小电流脉动的有效措施。当电枢回路中串入平波电抗器后，若电流发生变化时，平波电抗器产生自感电势将阻止电流的变化，可减小电流的iuKK(1-11)工程设计中电力传动与控制电力传动与控制脉动。从电流脉动系数表达式可看出,电流的脉动与整流器输出电压、电流的比值(相当于整流器的等效输出阻抗）成正比，与回路的电感量的大小成反比关系。对于电力机车脉流牵引电动机要求 ,而 ,只要 ，就可保证 。也就是说，负载电流与平波电抗器电感之间按照反比关系变化，就可基本满足牵引电动机的换向稳定性要求。电力机车/EMU要求 CKiCLdCLId
33、dCKi)%3025(iK2022-8-147电力传动与控制电力传动与控制1.3.2 单相可控整流电路单相可控整流电路 单相可控整流电路分半控式与全控式两种。全控式又分为中抽式、桥式。从变压器的利用率来看，桥式整流电路要优于中抽式。相控调压的交-直流传动电力机车/EMU都采用可控式整流电路，半控式和全控式都有使用。半控式整流调压的电力机车/EMU只能进行电阻制动，全控式调压的电力机车可以进行再生制动。从我国现服役的电力机车来看，在数量上采用半控式整流电路的机车较多，全控式整流电路机车相对要少一点。1.1.全控桥式整流电路全控桥式整流电路 全控桥式整流电路如图114所示。组成一对桥臂，组成另一对
34、桥臂。32VTVT 41VTVT 2022-8-1482411(sinsin3sin5)35diIttt2210142 2(sin)()ddIItdtI电力传动与控制电力传动与控制 在 的正半周，在控制角 处给 施加触发脉冲使其开通，。负载中由于电感的存在使得负载电流不能突变，电感对负载电流起到平波作用。假设负载电感足够大，负载电流将连续且波形近似为一水平线。在 过零进入负半周时，由于电感的作用 中仍有电流 流过，并不能关断，一直要延续到 时刻，给 施加触发脉冲后，因 已承受正向电压而开始导通。导通后，通过 分别向 施加反向电压迫使 关断，流过 的电流讯速转移到2u41VTVT duu 22u
35、dit32VTVT 2u32VTVT 41VTVT 32VTVT 32VTVT 41VTVT 41VTVT 41VTVT 32VTVT 2022-8-150电力传动与控制电力传动与控制cos9.0cos22)(sin21222UUttdUUd209.00UUUdd020ddUU相当于不可控；整流波形中正负两部分面积相等，故其平均值为零。上，此过程称为换流（换相）。下一周期重复上述过程，如此循环下去。输出电压的平均值为(1-12)2022-8-151电力传动与控制电力传动与控制02dU所以，桥式全控整流电路的移相范围为 当 ，进入逆变状态。由于在电枢回路中存在着很大的电感，故整流电流的波形基本为
36、一直线，变压器绕组中流过的电流为正负各180的矩形波,其相位由 角决定,有效值 。可控元件承受的最大正反向电压均为 。可控元件的导通角与控制角无关，均为180，即每次导通180。功率因数：20dII 222U20cos0.9dddUUUU2022-8-152电力传动与控制电力传动与控制 01212120.9coscos2 20.9dddUPFDFUDFIIIINote：a ，功率因数随着输出电压的增大而增大，即控制角越小，功率因数越大。当 ,功率因数达到最大值0.9，与不可控整流电路相等，这是全控整流电路最大的不足。这是全控整流电路最大的不足。dUPF 209.00UUUdd2022-8-15
37、3电力传动与控制电力传动与控制 b.变压器一次侧电流的基波分量 与一次侧电压 之间的相位差角就是可控元件的触发角 ，即 ，滞后于 。全控整流电路的特点：全控整流电路的特点：根据控制角的大小可以方便地在整流与逆变状态之间转换，可以进行再生制动，不需要进行电路的切换。功率因数与输出电压成正比。可控元件每次导通180，导通角与控制角无关。变压器二次电流的波形为 的矩形波，其相位由 决定。11i1u1i1u01802022-8-154 2.2.单相桥式半控整流电路单相桥式半控整流电路 为了改善功率因数，在不需要再生制动的电力机车上采用单相桥式半控整流电路。电路结构如图116所示。电力传动与控制电力传动
38、与控制 电路工作过程分析：在 的正半波，在 处施加触发脉冲，导通，桥臂开始工作，向负载回路供电，。负载回路中由于电感的存在使得负载电流不能突变，电感对负载电流起到平波作用。假设负载回路电感足够大，负载电流将连续且波形近似为一水平线。在 过零进入负半周时，继续导通，因 点电位已低于 点电位，导通，关断，电流不再经过变压器二次绕组，而是由 和 进行续流，此时，若不考虑器件的通态压降，则 ，。2u1VT2DVduu 22u1VTab1DV2DV0du02i11DVVT 1DV2022-8-157电力传动与控制电力传动与控制 在 负半波触发脉冲到来 时刻，被触发导通，同时向 加反向电压将其关断，经 向
39、负载回路供电。在 过零变正进入正半周时，导通,关断，由 和 进行续流，输出电压变为零，即 。以后重复以上过程。经过分析发现：可控元件与二极管在一个周期内，导通角 大小不一致，可控元件的导通角为 ，二极管导通角为 。设计时应在额定电流的选择上予以考虑。22DVVT)(1DV2u2VT1DV2u2u1DV2VT2DV0du2022-8-158电力传动与控制电力传动与控制22012sin()2 21 cos()21 cos2ddUUtdtUU 输出电压：209.00UUUdd0dU0212ddUU(1-13)2022-8-159 功率因数：半控桥式整流电路的功率因数计算过程很复杂，在此不再赘述，只给
40、出表达式供参考。其功率因数是介于不可控桥式和全控桥式整流电路之间，即9.09.00 PFUUdd图118 不同整流电路的功率因数1)cos1(4)(2cos)1()cos1(2HFDFPF电力传动与控制电力传动与控制 3.3.全控与半控整流电路在功率因数方面的差异分析全控与半控整流电路在功率因数方面的差异分析 全控式整流电路在 这一段时期内，网压与电流极性是相反的，表明电源不向负载传递功率，而是负载在向电源反馈功率，这是全控式整流电路功率因数低的主要原因。半控式整流电路则不同，在此期间内，由于负载电流经二极管续流，变压器绕组中没有电流流过，电源不提供功率给负载，负载也不向电源反馈功率，相当于变
41、压器在此期间不工作，电源与负载之间没有往复传递功率的现象，所以其功率因数较高。)(nnt2022-8-161电力传动与控制电力传动与控制1.3.3 电力机车电力机车/EMU相控调压方式选择相控调压方式选择 在交直流传动电力机车/EMU中，相控调压方式不同，将使变压器绕组结构和整流电路模式都有很大差别，这些直接影响机车性能和机车成本。采用何种调压方式，要与机车的用途、使用范围、使用条件等因素综合考虑，力求机车具有较高的性价比。根据对各种整流电路性能的分析，现将各种调压方式的优点及应用范围作一汇总，供选择使用。桥式整流电路对变压器的利用率要比中抽式高，一般都采用桥式整流电路。若需要进行再生制动，整
42、流电路必须采用全控式，能2022-8-162电力传动与控制电力传动与控制够在四象限运行。工作在整流状态，工作在逆变(再生)状态。若需要电阻制动，整流电路可选用半控桥式，电路结构简单，功率因数较高，控制角 。在相控电力机车中，采用全控式整流电路能够进行再生制动，在某种意义上讲节约能源，但工作在再生制动时，由于功率因数很低，通常只有0.50.6左右，谐波成分增加，对电网产生严重干扰，严重影响电网功率因数，需增加补偿容量和补偿设备，从经济角度看往往是不合算的。再生制动的控制系统比较复杂并且要求精度高，既使系统输出电压出现很小变化，也将使制动电流/制动力产生很大的波动，系00900902022-8-1
43、63电力传动与控制电力传动与控制统的稳定性较差。因此，在相控电力机车/EMU中较少采用再生制动方式。绝大多数相控机车/EMU整流电路采用多段半控桥顺序控制，既能提高功率因数，又能够实施电阻制动。相控电力机车的主要特点：主电路结构较简单，可以连续调节整流器可控元件的控制角，使输出电压平滑变化、机车运行平稳，但功率因数较低，一般只能达到0.82左右，谐波干扰电流较大。相控式电力机车最大的缺陷是功率因数较低、谐波电相控式电力机车最大的缺陷是功率因数较低、谐波电流大。流大。2022-8-164电力传动与控制电力传动与控制1.3.4 多段半控整流桥顺序控制多段半控整流桥顺序控制 为了改善机车功率因数、降
44、低谐波，在主电路结构上可采用多段半控整流桥，这是晶闸管相控机车普遍采用的措施。半控整流桥段数越多相应功率因数越高，但段数不宜过多，一般都不超过四段，若段数过多会使变压器二次侧绕组结构复杂、抽头数增加，同时也使整流电路元件增加及控制电路复杂化。我国干线相控电力机车最多采用了四段半控整流桥，大多数电力机车只采用三段不等分半控整流桥。在额定工况下，功率因数一般可达到0.80-0.84左右，实际等效干扰电流约为6A左右。2022-8-165电力传动与控制电力传动与控制 1.1.二段半控桥二段半控桥 变压器二次侧绕组由两段完全对称的绕组组成，各自接有半控桥式整流电路，两个半控整流桥之间串联，其中不可控桥
45、臂之间形成续流通路，两段半控桥采用顺序控制。二段半控桥顺控整流电路结构与工作波形如图117、18所示。电路工作过程分析如下：在机车起动时，第一段半控桥RM1投入工作，首先控制VT1、VT2,而VT3、VT4封闭，VD3、VD4提供续流通路。变压器二次绕组a2x2中没有电流流过，负载电流流过VD3、VD4和半控桥RM1，变压器一次侧绕组内电流波形如图1-182022-8-166所示。当VT1、VT2达到满开放时，输出电压为额定输出电压的的一半，即 。第二段半控桥RM2是在VT1、VT2达到满开放以后，控制VT3、VT4，使变压器二次绕组a2x2投入工作，此时电流和输出电压波形如图118所示。当V
46、T3、VT4满开放时，输出电压达到额定电压，即 。二段半控桥的控制方法及输出关系：二段半控桥的控制方法及输出关系：第一段半控桥 200ddUUdoddUUU20)cos1(4101021ddUU112dII1cos2nnIIdn)1()cos1(211PF（n为奇数）第二段半控桥电路特点：功率因数要比一段半控桥高一些；变压器一次侧电流波形有所改善。6G型电力机车采用两段半控桥顺序控制。SS5、8K、SS7/B/C型电力机车尽管采用了两段桥顺序控制电路，但只有一段桥为半控桥，另一段桥采用全控桥。这类机车既利用了半控桥功率因数高之特点，又可以实施再生制动，对改善机车牵引性能、节约能源有一定的益处。
47、)cos3(41002012ddUU4312dII2cos35nnIIdn232cos322PF电力传动与控制电力传动与控制 2.2.三段不等分绕组构成的三段半控桥三段不等分绕组构成的三段半控桥 根据对二段半控桥的分析可以推断，半控桥段数越多，功率因数越高。但由此引起主电路复杂、元件数量增加。为了用较少的绕组段数和元件，将变压器二次侧绕组设计为两段完全对称的绕组，将其中一段绕组设计为中抽式，这样在二次侧就可获得三段不对称绕组。各段绕组的匝数比为2：1：1(完整绕组：中抽绕组1：中抽绕组2)。将二次侧两段绕组其中一段绕组接成普通半控桥，另一段绕组接成中抽式半控桥，这样就形成了一个四臂桥（大桥）和
48、一个六臂桥（2个小桥），其输出电压比为2：1：1。各段半控整流桥的输出电压范围为：2022-8-17000000434321210dddIIIdddIIddUUUUUUUU电力传动与控制电力传动与控制 不等分三段半控整流桥的工作过程：第I段桥：普通半控桥(大桥或四臂桥)首先工作，VT1、VT2触发导通，进行移相控制，直至其全开放，输出电压可由零均匀地调至额定输出电压的一半。此阶段中抽式半控桥(六臂桥或小桥)始终被封锁，由VD3、VD4提供续流通路。第段桥：维持普通半控桥VT1、VT2的全导通状态，中抽式半控桥中第一小桥投入工作，另一小桥仍然被封锁，触发VT3、VT4使其导通，进行移相控制，调节
49、输出电压。当VT3、VT4全开放时，输出电压达到额定输出电压的四分之三。第段桥：维持大桥、第一小桥处于满开放状态，第二小桥投入工作，触发VT5、VT6导通，进行移相控制。当VT5、2022-8-173VT6全开放时，输出电压达到额定值。至此，升压调节过程全部结束。降压调节过程与升压过程相反。三段不等分半控桥的控制方式及输出关系：010321210)cos1(410第一段桥dddddUUUUU0020203124321)cos5(81)cos1(8100第二段桥dddddIIdIdddUUUUUUUUU00303021343)cos7(81)cos1(8100dddddIIIdIIdIddIId
50、UUUUUUUUUU第三段桥电力传动与控制电力传动与控制 三段不等分半控桥相对于二段不等分半控桥而言，功率因数能够提高一些，变压器一次侧电流波形的畸变相对有所减小。三段不等分半控桥控制方式简单，工作可靠，成为相控电力机车/EMU主要的调压模式。目前许多干线相控电力机车都采用此整流调压方式，如 SS3B、SS4G/B、SS6B、SS8、SS9/G、SS7D/E等电力机车。2022-8-175电力传动与控制电力传动与控制 3.3.三段不等分绕组构成的经济四段半控桥三段不等分绕组构成的经济四段半控桥 变压器二次侧绕组结构、整流电路的接线方式都与不等分三段桥的形式一样，依然为三段不等分桥，即由普通半控
