電力機車的起動是機車運行中最先實現(xiàn)的工作狀態(tài)。電力機車在其起動牽引力作用下，克服列車靜止時所受的阻力并產(chǎn)生加速度，最終運行在機車的自然特性上，這一過程稱為機車的起動過程。機車起動過程實質(zhì)是調(diào)速的一種特殊方式。因此，前述調(diào)速的基本原理對起動都是適用的。

　　一、對起動的要求

　　對機車起動的基本要求是：起動快和起動平穩(wěn)。機車起動快可以減少起動時間，提高平均運行速度，對鐵路運輸有很大的意義，特別對起動頻繁的電動車組來說，意義更為重大。為了使機車起動得快，就要求機車有較大的起動電流，產(chǎn)生較大的起動牽引力。

　　機車起動平穩(wěn)可以使機車內(nèi)部設備免受電流沖擊，機車和列車免受機械沖擊，因此希望列車以勻速運動的形式運行。為此，要求起動時應盡量減少起動電流、起動牽引力的擺動。

　　起動電流過大時，會使電機安全整流受到破壞，啟動牽引力過大時，會超出線路粘著條件，使輪對發(fā)生空轉(zhuǎn)，結(jié)果反而喪失了牽引力。不同形式的電力機車，所受限制因素的主次也不同。對于直流電力機車和整流器電力機車，由于牽引電動機的不斷發(fā)展和完善，已能保證在粘著條件許可范圍內(nèi)牽引電動機有良好的整流，其主要限制條件就是線路的粘著條件。采用交流牽引電動機的電力機車，由于電機不存在整流問題，僅受線路粘著條件的限制。對于單相整流子牽引電動機電力機車，由于這種電機整流困難，由電機安全整流決定的最大許可電流要比粘著條件決定的最大電流小，故主要受機車安全整流的限制。

　　此外，在機車起動過程中，不應有附加的能量損耗，若有也應盡量減小。

　　在機車起動操縱時，對于有級調(diào)壓電力機車，要求司機逐級調(diào)壓，禁用快速升級，防止牽引電機電流一次性擺動過大造成機車起動失敗。

　　二、起動方式

　　機車在起動時處于靜止狀態(tài)，牽引電機在得到電壓時，由于其反電勢為零，因此，電機電樞電流僅由電壓及電機回路的阻抗來決定，即：

　　(2-57)

　　顯然，由于回路阻抗值很小，必然產(chǎn)生很大的電流，以致破壞牽引電機的安全換向，超越線路粘著條件限制，而且這么大的電流必然會產(chǎn)生很大的電流沖擊和機械沖擊，使機車和列車都受到損傷。因此，必須采用適當?shù)钠饎臃椒▉硐拗破饎与娏骱推饎訝恳Α?/p>

　　1.變阻起動

　　電力機車起動時，在牽引電動機回路中串入起動電阻，以減小起動電流，隨著起動過程的進行逐步切除起動電阻，待起動電阻全部切除后，起動過程結(jié)束。這種方法稱為變阻起動。

　　變阻起動，一般是有級起動，在起動過程中起動電阻有一定的能耗。因此是不經(jīng)濟的。

　　2.降壓起動

　　在電力機車起動時，降低加在牽引電動機上的電壓，這種方法為降壓起動。采用直流斬波器電力機車、整流器式電力機車、單相整流子式電力機車及異步牽引電動機電力機車均可采用此種方法。其起動原理與調(diào)速原理相同，起動過程與調(diào)速過程之間無嚴格的界限。

　　采用有級調(diào)壓的整流器電力機車，起動過程是有級的。采用晶閘管移相調(diào)壓的整流器電力機車和采用斬波器調(diào)壓的直流電力機車，由于調(diào)速是平滑的，其起動過程也是平滑的，可以使起動電流沿著粘著限制條件平滑的變化或維持一定值，因此機車不僅起動平穩(wěn)，而且起動牽引力也可以在滿足粘著條件要求下維持較大數(shù)值。但是，起動時機車的功率因數(shù)大為降低，整流電流的脈動也將增加。

　　3.變頻起動

　　異步牽引電動機電力機車利用改變電流頻率的方法起動，稱為變頻起動。變頻起動能充分利用電機的最大轉(zhuǎn)矩，而且在各種速度下均不增加損耗，也不降低機車的功率因數(shù)。如果在起動過程中，頻率隨機車的運行速度成正比變化，起動牽引力將保持為恒定值，做到理想的平穩(wěn)起動。

　　三、起動電流和起動牽引力的限制

　　機車起動時，輪對發(fā)生空轉(zhuǎn)前所能發(fā)揮的最大牽引力稱為起動牽引力。機車起動牽引力受線路粘著條件的限制。起動牽引力應滿足下列條件：

　　(kN) (2-58)

　　式中Pj--機車粘著重量(整備重量)(t);

　　μj--機車牽引粘著系數(shù);

　　9.8Pjμj--機車粘著牽引力(kN)。

　　機車粘著系數(shù)并不是一個恒定值，它隨線路條件，軌面情況，機車起動方式等因素而變化，是一個范圍值。因此粘著限制曲線也非一條，而是一條限制帶。為使機車起動時有較大的起動牽引力，就應有效、充分地利用機車的粘著條件，即機車起動時，起動牽引力應盡可能靠近粘著限制線。

　　起動牽引力對應著的牽引電動機的電樞電流稱為最大起動電流Istmax，顯然，這一電流應小于電機本身的最大允許溫升電流。對于整流器電力機車來說，隨著牽引電動機設計，制造水平的不斷提高，已經(jīng)能夠保證在粘著條件的許可范圍內(nèi)電機安全換向，故Istmax

　　四、機車特性曲線的應用

　　不同型式的電力機車有不同的特性曲線，我們僅以SS1型電力機車的特性曲線為例來說明特性曲線在實際中的應用。

　　SS1型電力機車為有級調(diào)速機車，共有33個調(diào)壓級和3個磁場削弱級。對應于牽引變壓器的每一級電壓，都有一條速度曲線。圖2-37為SS1機車試驗測得的特性曲線。在特性曲線圖上給出了33條額定網(wǎng)壓、牽引電動機滿磁場時各調(diào)壓級的速度特性曲線，3條在33調(diào)壓級上進行磁場削弱時的速度特性曲線，1條牽引電動機安全換向限制線，1條機車構造速度限制線(95km/h)，1條粘著限制線和1條最大電流限制線。同時圖中還繪出了滿磁場及三個磁削級時的牽引力曲線。

　　下面用圖2-37來說明機車起動、運行的全過程中電壓、電流、牽引力和速度等的變化關系。

　　電力機車采用降壓起動方式起動，起動所需電流的大小與列車阻力W有關，單機或輕載時起動電流小，重載時的起動電流大。機車起動初始速度V=0，Ist取決于牽引電動機的端電壓。在圖中第一電壓級的啟動電流為65A，相應的起動牽引力為Fa=24.5kN，如果是單機就可能動車，如果是機車牽引列車則要升高幾級電壓后使起動電流足夠大，即相應的起動牽引力足以克服起動阻力時機車才能起動，表2-3給出了額定網(wǎng)壓25kV下1～5級位各級的電機電樞電流參考值，如果電壓升到6級位仍未動車，那么再升高電壓，電機電流可能超過電機的過載整定值780A，破壞機車的粘著條件，導致起動失敗，故一般應等機車動車后，電流降到額定值500A以下時才能再進級。1～5級位就稱為調(diào)車級。

　　表2-3

　　

　　設機車牽引列車起動，起動時阻力為284.2kN，當電壓升到第6級時，起動電流增到560A，相應的牽引力Fc=372.4kN大于啟動阻力284.2kN，列車開始起動。電機一旦開始旋轉(zhuǎn)，建立起反電勢，使電樞電流逐漸減少，速度開始增加。從特性圖上看，機車工作點就從零點開始，經(jīng)a、b到c點后便沿著第6條速度曲線上升。如果到d點時(電流450A)司機操縱司機控制器使電壓再升高一級，此時機車速度由于列車慣性大而不能突變，電流就由450A立即增至580A，工作點從d點突變到e點，牽引力相應地從284.2kN增加到382.2kN，列車繼續(xù)加速，沿第七條特性曲線上升……。如此不斷升壓，機車工作點如圖中箭頭所示沿鋸齒形細實線上升。每進一級，牽引電動機的端電壓即平均整流電壓升高△Ud=56.25V，起動電流來回擺動一次，起動牽引力也相應擺動一次。隨著速度的提高和線路坡道的變化，列車阻力也在變化。當電壓升到33級時，機車工作點從f點沿這條特性曲線上升，到k點時牽引電動機電流為300A，假設此時牽引力與運行阻力相平衡(為166.6kN)，則列車保持速度為Vk=55km/h恒速運行，起動過程進行完畢。

　　起動完畢后，機車工作點將根據(jù)運行阻力的變化自動地在速度特性上移動，即機車速度根據(jù)運行阻力的變化在一定范圍內(nèi)自動進行調(diào)節(jié);阻力大時機車速度自動降低，阻力小時速度又自動提高。但是這種自動調(diào)節(jié)僅僅是利用了電動機的串勵特性，因此調(diào)節(jié)范圍是很有限的。如果不能滿足實際運行的需要，司機可根據(jù)運行情況，或調(diào)節(jié)牽引電動機端電壓，或改變牽引電動機的勵磁，人為調(diào)節(jié)機車的運行速度。例如若需要進一步提高速度，采用Ⅰ～Ⅲ級磁場削弱，使工作點由k點上升到h點，這時電流為Ih=375A，牽引力Fh=181.3kN，速度Vh=65km/h。相反若需要減速，則把級位降低，例如從33級降到29級，工作點沿折線從k點降到g點，速度為50km/h。

　　實際上在機車的起動調(diào)速過程中，除了要注意起動電流不超過粘著條件外，牽引電動機的端電壓也應受到一定的限制，即UDmax=1.1UN，這是為了保證電機安全工作，要求在整個運行過程中，牽引電機端電壓UD均不能超過UDmax，電機電樞電流Ia不能長時間超過額定值IN。

　　五、分級起動的品質(zhì)與恒流起動

　　(一)分級起動品質(zhì)及其缺點

　　從以上有級調(diào)速機車起動調(diào)速過程的分析可以看出，有級調(diào)速機車在調(diào)速過程中，電機電流是在一定范圍內(nèi)擺動的，造成了牽引力在一定范圍內(nèi)擺動，而且特性曲線越平坦，相鄰曲線間的距離越大，則擺動越大，平均牽引力就越小。另外，電流和牽引力的擺動使機車加速度經(jīng)常變化，不能滿足平穩(wěn)起動的要求。因此，有級調(diào)速機車的粘著條件不能得到最大限度的利用。

　　在起動中每進一級都伴隨有一電壓增量△U和一電流增量△I，若要平穩(wěn)起動就需要對這兩個量加以限制。若限制電流的擺動，即每進(退)一級時△I為常數(shù)，這將使每一級的電壓增量不同，給變壓器制造帶來困難，故一般采用限制電壓增量的方法，即取△U為常值，SS1機車即是如此，這樣每進(退)一級時，電流的擺動量就有所不同，低速時電流的擺動要大些，但也不應超出允許的范圍。

　　機車起動時，牽引力、電流和加速度的擺動情況可分別用牽引力擺動系數(shù)KF、電流擺動系數(shù)KI和加速度的擺動系數(shù)Ka來表示，其表示式分別為

　　(2-59)

　　式中 Fmax--最大起動牽引力;

　　Fmin--最小起動牽引力。

　　(2-60)

　　式中 Imax--最大起動牽引力所對應的最大起動電流;

　　Imin--最小起動牽引力所對應的最小起動電流。

　　(2-61)

　　式中 amax--最大起動加速度;

　　amin--最小起動加速度。

　　這三個系數(shù)反映了機車的起動品質(zhì)。擺動系數(shù)越小其平均值越大，擺動范圍越小，說明機車的起動品質(zhì)越好，即機車的起動即快又平穩(wěn)。

　　為了獲得良好的起動品質(zhì)，需要減小電流與牽引力的擺動，為此就需要增加調(diào)壓級數(shù)，級數(shù)越多，擺動越小，當級數(shù)足夠多時，可以做到KI、KF、Ka為零，電流就趨近于一恒定值，這就是恒流起動。實際上有級調(diào)速機車的電流沖擊是不可避免的。采用相控調(diào)速加無級磁削就從根本上解決了擺動的問題。相控調(diào)速機車電機端電壓可以通過控制晶閘管觸發(fā)角α的連續(xù)變化平滑調(diào)節(jié)，無級磁削是通過控制分路晶閘管導通角θ的連續(xù)變化均勻地削弱主極磁場，機車的性能可以大為改善。

　　(二)機車的控制方式與機車特性

　　前已述及，電力機車為了獲得良好的起動性能，不僅希望KI、KF、Ka盡可能小，而且還希望能最大限度地利用機車的粘著條件。另外在機車運行過程中，不僅希望機車特性適合于牽引調(diào)速范圍廣，還希望機車具有良好的再粘著性能。因此就需要對機車的運行方式加以控制，以保證機車有良好的牽引性能，充分利用機車的粘著功率，提高機車運行的可靠性，提高運輸效率。常規(guī)的機車控制方式有恒流控制、恒速控制、特性控制。它是通過機車電子(微機)控制系統(tǒng)對機車的基本特性加以控制。

　　1.恒流控制

　　恒流控制是指機車起動時維持起動電流為一恒定值，而且也可以使起動電流接近粘著限制線。這樣就可以充分利用機車的粘著條件，達到最大起動牽引力，從而壓縮起動時間。國產(chǎn)SS3型電力機車就是采用的恒流控制方式。

　　圖2-38　整流裝置外特性

　　恒流起動時，司機控制器的級位是牽引電機電樞電流的給定值Iag，恒流控制系統(tǒng)根據(jù)該指令自動調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)相位，來調(diào)節(jié)牽引電動機的電流IA。維持使IA值對應于或接近于Iag指令的要求。整流裝置輸出電壓U沿圖2-38中IA為常值的縱垂線上升，直到機車整流橋全部開放，電機電壓上升到最大限制電壓點UA。相應的在牽引特性曲線2-39上以牽引力FA使機車起動加速到速度VA，此時列車沿自然特性I運行。若列車阻力為W1曲線，工作點沿曲線I下降，達到I與W1之交點A1時穩(wěn)定運行，此時電流降至IA1，速度升至VA1，IA1

　　圖2-39　恒流控制牽引特性

　　采用恒流控制方式的機車在起動或坡道上運行時，系統(tǒng)將始終維持給定的牽引電機電流或牽引力不變。一旦電機發(fā)生空轉(zhuǎn)，電流將減小，系統(tǒng)為了維持電流不變，必將增加電壓，造成空轉(zhuǎn)電機的轉(zhuǎn)速進一步上升，加劇空轉(zhuǎn)。因此采用恒流控制方式的機車再粘著能力差。

　　具有串勵電動機的電力機車從特性曲線上看牽引特性較軟，低速時可以獲得較大的牽引力，牽引力小時可獲得高速度，調(diào)速范圍較廣，這正是串勵電動機特別適合于牽引的原因。但是這種軟特性不利的一面就是當輪對粘著破壞發(fā)生空轉(zhuǎn)時，再粘著性能差。因為此時空轉(zhuǎn)輪對的牽引力不能隨著機車速度的提高而迅速下降，這樣該空轉(zhuǎn)輪對的牽引力就很難與降低了的粘著力相平衡，若機車沒有防空轉(zhuǎn)保護，則這種軟特性會加劇該輪對的空轉(zhuǎn)。如果機車的牽引特性較硬，則當輪對發(fā)生空轉(zhuǎn)時，牽引力能迅速下降，有利于實現(xiàn)機車的再粘著而制止空轉(zhuǎn)的進一步發(fā)展。采用恒速控制方式可以使機車具有所要求的硬牽引特性，以有利于機車實現(xiàn)再粘著。

　　2.恒速控制

　　恒速控制是指恒流起動，恒速運行方式。圖2-40繪出了恒流起動、恒速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的牽引特性。從牽引特性曲線上看，調(diào)節(jié)過程為：司機給出速度指令V1，機車沿AB段恒流起動，沿最高電壓U1下的自然特性曲線運行，加速到與阻力W1相平衡點C，若此點的速度恰好是給定速度V1，則機車在此速度下穩(wěn)定運行，若阻力減小，則沿CD恒速線變化，減小牽引力以保持速度為恒值。若阻力增加，則運行點從C點沿自然特性上升，此時列車實際速度將小于給定速度。可見恒速控制方式特性很硬，因而防空轉(zhuǎn)性能好，有利于機車再粘著，但由于特性過陡，當阻力發(fā)生變化時，牽引力波動大，使車鉤承受過大的沖擊力。

　　圖2-40　恒流起動恒速調(diào)節(jié)系統(tǒng)牽引特性

　　3.特性控制

　　特性控制是指機車按恒流方式起動，起動完畢按理想的牽引特性曲線運行。理想的牽引特性曲線是介于機車自然特性曲線與恒速特性曲線之間的斜線，見圖2-41(也叫準恒速特性曲線)。這種控制方式綜合了恒流控制與恒速控制兩者的優(yōu)點。SS6、SS4改，SS8型電力機車即采用特性控制。圖1-6給出了SS3B型機車的特性控制曲線，這種特性曲線叫人工特性曲線。人工特性曲線與機車的自然特性曲線并不矛盾，而是一致的。所不同的是機車的自然特性是指在額定狀態(tài)下由牽引電動機自身參數(shù)決定的機車基本特性，沒有人工干預。而人工特性則是指通過外加調(diào)節(jié)裝置人為改變牽引電機運行條件。例如保持機車起動過程中電機電樞電流不變的恒流控制等。從特性曲線的表達式也能看出這一點。

　　圖2-41　恒速牽引特性、自然牽引特性、

　　特性控制牽引特性曲線的比較

　　有級調(diào)速機車速度特性(自然特性)：

　　相控調(diào)速機車速度特性(人工特性)：

　　SS3B牽引工況 　　(取最小值)

　　式中 n--手柄級位;

　　V--機車速度(km/h)。

　　例如SS3B型電力機車采用特性控制方式。機車起動時速度為零，因此三條曲線經(jīng)電子控制裝置取最小值后沿90n進行恒流起動，隨著機車速度的增加，曲線45(10n-V)逐漸減小，到與曲線90n的交點后沿曲線45(10n-V)準恒速運行，速度的變化范圍10km/h。700是電機最大電流限制。

　　在此要說明一點的是較先進的相控機車一般采用微機控制，采用匯編語言編程，以便滿足晶閘管實時控制的需要。