直流传动电力机车的再生制动

电力机车进行再生制动时，牵引电机作发电机运行，并且将电能回馈给电网。此时，电力机车相当于一个移动的发电站。目前在线的直流传动电力机车中，只有少量的机车使用再生制动。但在交流传动电力机车/EMU中再生制动已作为其主要的制动方式。

一、再生制动的基本原理

再生制动时，机车必须采用全控式整流电路，以实现有源逆变，其原理如图2.13所示。

当控制角 α＞90°时，整流电压的平均值为负值，即Ud=0.9U2cosα＜0。再生制动电流表示为：

电机电枢回路串有稳定电阻 RWd，一方面使并联工作的各电机负载分配均匀，另一方面使发电机再生制动时具有差励磁特性，保证其电气稳定性。

式（2.14）表明调节牵引发电机感应电势Ea（调节励磁电流If）或逆变器电压Ud（改变控制角 α）可以调节制动电流Iz的大小。

再生制动机车的速度可表示为：

图2.13　交-直型电力机车再生制动原理

式（2.15）表明，当发电机主极磁通Φ为常量时，机车速度特性曲线为一直线，即机车速度越高，其再生制动电流越大。另一方面，机车速度和他励电流（主极磁通Φ）成反比。想在一定制动电流下维持再生制动的稳定性，可在机车速度下降时，加大电机的励磁，并且再生制动电流越小，电机的励磁越强，机车的速度越低。

二、再生制动调节过程

由表达式（2.14）可知，欲调节制动电流，可采用调节发电机励磁电流或逆变器电压来实现。再生制动调节过程大致分为3个阶段，如图2.14所示。

第一阶段：调节励磁电流。

图2.14　再生制动三个区域的特性

机车在高速区进行再生制动时，为了提高功率因数，可以维持逆变器输入电压 Ud基本恒定且为最大值，通过改变励磁电流 If来调节制动电流，如图2.14中AB段所示。随着励磁电流的增加，机车运行速度减小，直到励磁电流达到额定值为止。

励磁电流的最小值受电机安全换向的限制，一般不应小于牵引电机额定电流的40%。励磁调节的优点是调节功率小，可实现平滑调节，缺点是由于受电机磁路饱和的限制，随着机车速度的增加，制动力会相应减小。

第二阶段：调节逆变器电压。

在励磁电流调节到额定值之后维持不变，调节逆变电路晶闸管的控制角 α，改变逆变器电压 Ud。减小 Ud以维持制动电流 Iz为常数，即维持制动力不变，直至控制Udα＝0为止，其特性如图2.14中BC段所示。

第三阶段：加馈电阻制动。

在此阶段变流器由逆变状态转而工作在整流状态，电压 Ud的极性改变。由式（2.14）可知，此时制动电流由发动机电势和整流电压共同产生，以保持低速时制动力不变，如图2.14中BmaxC段虚线所示。加馈制动时曲线OA的斜率取决于制动电阻的大小，制动电阻越小，斜率越小，C点速度越低。

上述 3个阶段中，只有前两个阶段为再生制动工况，向电网回馈能量；第三个阶段为加馈电阻制动，从电网吸收能量，以产生维持低速时的制动力不变。

三、再生制动控制方式

机车的功率因数取决于再生制动的控制方式。目前，再生制动的控制方式有以下两种。

1.维持逆变角β＝C

逆变角β＝γ+δ，一般取裕度角δ＝20°。换向重叠角γ的大小随制动电流 Iz、回路电抗 Xc和电压 Ud而变化。固定逆变角β的控制方式必须考虑最不利的情况，由此计算γ＝40°～50°。例如从日本引进的6K 型电力机车采用β＝55°。这种控制方式下的机车功率因数较低，回馈能量小。

2.维持裕度角δ＝C

选取足够的裕度角δ，使其为恒定值，则β＝γ+δ 将随着 γ的变化而自动调节。γ 减小，β亦减小，功率因数将有所提高。但这种方法需要精确的检测出γ的大小。例如从法国引进的8K 型电力机车采用δ＝18°～22°。

四、再生制动的特点

（1）再生制动将发电机发出的电能回馈给电网，经济效益较好。

（2）调速范围广，防滑性能好，减少了闸瓦与轮缘的磨耗。

（3）控制系统复杂。再生制动时，制动力的调节既可通过调节励磁电流来实现，也可通过调节逆变器的电压来实现，使得控制系统复杂且精度要求高。同时，为了提高系统的稳定性，在制动回路中设有稳定电阻 Rw，以限制制动电流的变化。

（4）再生制动必须采用全控整流电路，造成机车功率因数低，谐波干扰大，对触发系统可靠性要求高。