脈流牽引電機調速的研究

甘永雙GAN Yong-shuang

（遼寧鐵道職業技術學院，錦州 121000）

（Liaoning Railway Vocational and Technical College，Jinzhou 121000，China）

1 機車對牽引電機調速的要求

機車，主要是指產生動力、牽引車輛運行的裝置，電力機車一般指通過受流器從接觸網獲得電能，由電機驅動車輪的機車，是一種非自帶能源的機車。其功率強大、過載能力強、牽引力大、速度快、整備作業時間短、維修量少、便于實現多機牽引、能采用再生制動以及能源利用率高、運營費用低的優點，在鐵路牽引中廣泛應用。機車的驅動電機，稱為牽引電機，是把電能轉化為機械能輸出動力的的裝置，采用的是個別傳動，借助于電機軸上的小齒輪驅動輪對軸上的大齒輪來實現機車牽引運行的，由機車的運行特性可知，牽引電機應有足夠大的啟動牽引力和較強的過載能力，應有良好的調速性能。機車在運用時，條件非常復雜，既有坡路，又有風雨的干擾，都需要具有寬廣的速度調節范圍，并且不論如何調節速度，牽引電機的功率應都能得到充分的發揮。從以上要求可知，對牽引電機的調速要求非常高。因此，必須采取可靠、有效的調速方法。

2 電機的調速方法

調速，指電動機機械負載不變的條件下，用人為方法調節電動機的轉速。脈流牽引電機轉速與直流電動機轉速的公式相同，為

由調速公式可知，調節電機的轉速，可以改變電源電壓U、電樞回路串接的電阻Rpa、氣隙主磁通Φ，只要改變其中的任何一個，都能達到調節電機轉速的目的。

①電樞回路串接電阻調速。將電樞和電阻串聯，改變電阻阻值的大小，即可調速。缺點是能耗較大，經濟性差，目前很少使用。②改變電源電壓調速。電力電子技術的發展，使得電源電壓的調節可以方便地實現。現以晶閘管調壓調速為例說明。如圖1 所示電路框圖，相控直流裝置為晶閘管和二極管組成的整流橋；觸發控制裝置主要由單節晶體管、電阻、電容和穩壓管組成；ui為輸入電源電壓，uo為輸出可調脈動直流電壓，uk為觸發控制裝置輸出的可調觸發脈沖信號。調節觸發控制裝置的電位器，改變觸發信號uk，相控整流裝置的輸出電壓uo隨之改變，電動機的變轉速也發生變化，實現調壓調速。③改變主磁通調速。由調速公式可知，改變主磁通Φ，就可以使轉速發生變化。一般電機的額定磁通已設計得接近飽和，因此，改變磁通只能在額定磁通下削弱磁通，所以又稱為磁場削弱調速。

圖1

3 脈流牽引電機的調速研究

脈流牽引電動機和直流電動機的原理基本相同，所以具有直流電動機的缺點，轉速相比交流電動機較低。脈流牽引電動機的電源是脈動的，在電力機車中要加入平波電抗器。平波電抗器雖然濾掉了電流中的脈動，但延遲了電機的響應時間。

SS 系列電力機車作為我國自主設計制造的電力機車，牽引電機都為脈流牽引電機，功率大，調速方便，啟動轉矩大，過載能力強，運用廣泛。下面以ZD105、ZD115 和ZD120 三種脈流牽引電機為例進行研究。

3.1 ZD105 脈流牽引電機的調速 ZD105 脈流電機是6 極串勵牽引電機，具有較軟的特性，即在低速時轉矩大，高速時轉矩小、功率利用好的特點。應用在SS4型貨運電力機車上，主要采用調壓調速和磁場削弱調速。首先看看調壓的實現。

圖2

SS4改型每節車采用兩套獨立的整流調壓電路，分別向相應的轉向架供電，如圖2 所示為主整流器，由二極管VD1、VD2、VD3、VD4和晶閘管VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6組成四壁橋和六壁橋。左側接機車主變壓器，右側接機車牽引電機，當司機操縱司機控制器手輪時，給定速度信號，實質上是調節電位器電位，該信號送到電子柜，電子控制柜發出觸發脈沖觸發晶閘管導通開放。SS4改型電力機車是三段不等分半控橋，開放的順序是第一段VT5、VT6先開放，向牽引電機供電，電壓由零增加到輸出總電壓的一半。VT5、VT6達到滿開放，并維持滿開放，觸發VT1、VT2使之導通開放，這時牽引電機電壓由二分之一輸出總電壓可以調節到四分之三總電壓。當VT1、VT2滿開放時，并維持VT1、VT2、VT5、VT6滿開放，觸發VT3、VT4導通開放，這時電壓可在四分之三總電壓和輸出總電壓之間調節。但VT3、VT4一般情況并不滿開放，滿開放會超過牽引電機的額定電壓的。通過分析研究，調節牽引電機的電壓，可以調節牽引電機的轉速，機車的速度不斷地增加。由于是串勵電機，牽引電機電壓達到額定值時，電動機的磁場增強到最大磁場，這時在增加電壓不可能了，可以采取削弱磁場的方法來調速，在串勵繞組兩端并聯電阻，這個電阻稱為磁削電阻，并聯兩個磁削電阻可以得到三級磁削，增加調速的范圍。以上為SS4型機車調壓調速和磁場削弱調速，牽引電機的轉速不斷增加。機車的運行速度可以從零上升到100km/h。

3.2 ZD115 脈流牽引電機的調速 ZD115 型脈流牽引電機運用在SS9型電力機車上，采用架承式懸掛。它是帶補償繞組的6 極串勵電機。采用無級磁場削弱，固定磁場分路87%，最深磁場削弱49%；采用全疊片機座提高了換向能力。和ZD105 電機相比較而言，ZD115 具有體積小、重量輕功率大的特點。其調速與ZD105 牽引電機一樣，也是調壓調速和磁場削弱調速，但磁場削弱調速采用的是晶閘管和串勵繞組并聯，可以通過控制觸發信號控制磁場削弱的程度，實現無級控，機車速度可以從0 到150km/h 平滑調節。

3.3 ZD120 型脈流牽引電機調速 ZD120 型脈流牽引電機運用在SS7型電力機車上，一端吊裝在轉向架上，另一端通過滾動軸承抱在機車車軸上，它是帶補償繞組的6極他復勵牽引電機。采用復勵無級磁場削弱，最大磁削系數95.4%，最小磁削系數45.7%；調壓調速采用了晶閘管全控橋，他勵勵磁在啟動時需預勵磁。雖然調速容易，但增加了控制難度。優點是適宜在坡路和彎路較多的地區適用。

4 調速研究的意義

通過對典型SS 系列機車牽引電機調速的研究，可以看出，脈流牽引電機速度的控制是調節電壓和勵磁磁場的調節，電壓的調節基本上采用晶閘管進行無級調節。勵磁磁場調節采用的是磁場削弱，磁場削弱可以采用磁削電阻，可以用晶閘管分流，也可以使用他復勵電機，調速性能更加優越。他復勵電機調速是改變他勵繞組電流，他勵繞組的電流也是通過晶閘管來控制的。機車乘務員，清楚掌握牽引電機調速，對機車的操控才能自如，使機車運行平穩，提高行車安全，不出事故，延長機車使用壽命。

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