交直型整流器式电力机车进行再生制动时，牵引电动机作直流发电机工作，并且将电能馈送回接触网，此时电力机车相当于一个移动的发电站。
一、再生制动稳定性分析
再生制动时应保证电气稳定性和机械稳定性，而保证外部电气稳定性是实现再生制动的首要条件。因为整流器电力机车再生制动时，牵引电机是通过变流装置间接地与接触网联接，其外部电路有可能发生变化，因此再生系统必须首先保证其外部电气稳定性，否则便无法实现再生制动。
图3-16 整流器电力机车再生制动原理图
图3-16为整流器电力机车再生制动原理图。假设再生制动时牵引电机M为串励发电机工作状态，其外特性为：
(3-16)
逆变装置N的外特性为Ud=f(Iz)。实现再生制动时应满足：
(3-17)
图3-17作出了逆变装置的外特性和串励发电机的外特性曲线，两曲线交于(a、b)两点。在a点上是不能保证再生制动稳定工作的，因为在a点进行再生制动时，若由于某种原因使制动电流Iz瞬间增大时，UD>Ud，在电路自感电势
的作用下，使电流继续增大直到b点。若因外界扰动使Iz减小时，Ud>UD，结果使电流Iz不断减小，而在b点情况正好相反。因此，在b点串励再生制动具有外部电气稳定性。
图3-17 再生制动时电压曲线
上述分析说明，发电机外特性的斜率必须小于逆变装置外特性的斜率，才能保证再生制动稳定工作。串励发电机虽有稳定工作点b，但因此点的电流过大，已超出了电机的许可工作范围，因而再生制动时串励电机不适用。并励、他励、差复励发电机的外特性具有下垂的外特性，因此只要保证发电机下降的外特性随制动电流增加时其斜率小于逆变装置外特性的斜率，便都具有外部电气稳定性。所以为获得再生发电机下降的外特性，串励牵引电机在再生制动时必须改变励磁方式。在现代整流器电力机车上多数采用他励系统，即将牵引工况下作串励电动机运行的电路，通过转换开关在电气制动工况下转接成它励的发电机电路。这种励磁方式不但能保证外部电气稳定性，同时也能保证并联再生发电机之间的内部电气稳定性。
二、再生制动特性及限制
整流器式电力机车再生制动时，其变流器工作在逆变工况。因为整流与逆变工作状态的转换对变流器来说只是控制角α的改变，电路完全相同，因此逆变器的外特性Ud=f(Iz)与整流器外特性Ud=f(Id)将有同样的结论。
再生制动时，发电机回路的电势平衡，即：
(3-18)
式中 ∑R--电枢回路总电阻。
故再生制动时，机车的速度特性为：
(3-19)
再生制动电流为：
(3-20)
因为电枢回路电阻值∑R值很小，在机车速度稍有变化时，会引起制动电流Iz的较大变化。同时，由于制动电流Iz对电网电压的变化也很敏感，加之各电机电枢电阻的差异，所以会使各电机负载的不均匀程度增加，因此再生制动时在各电机回路中串接一稳定电阻Rw(见图3-16)。稳定电阻一方面可使并联工作的各电机间负载分配均匀，即起到均衡电阻的作用，另一方面能使发电机再生时具有差励磁特性，以保证其电气稳定性。加入稳定电阻Rw后，式(3-19)、式(3-20)变为：
(3-21)
再生制动电流为：
(3-22)
稳定电阻Rw的大小，直接影响负载分配的均衡和电气稳定性。Rw值越大，电机的外特性曲线越陡，电气稳定性越好，抗网压波动能力越强，各电机间负载分配愈均衡。但是Rw也不宜过大，因为过大的Rw将增加能耗，降低机车再生制动力。因此稳定电阻的取值应从制动效率和稳定性两方面考虑。8K型电力机车Rw=0.45Ω，消耗1/3制动功率。
图3-18 再生制动时机车速度特性
由式(3-21)可知，当再生发电机的磁通Φ为常量时，机车速度特性曲线V=f(Iz)为一直线。即机车速度越高，其再生制动电流Iz愈大。同时，机车速度与它励电流成反比，欲在一定再生制动电流下维持再生系统稳定工作，在机车速度下降时，必须加强电机的励磁。再生电流越小，电机的励磁越强，则机车的速度越低。由于电机磁通受最大励磁电流的限制，因此再生制动时机车的运行速度必有一个下限速度Vmin。当机车速度V
式中 Φmax--电机主极最大磁通量。
再生制动时，机车的速度特性曲线如图3-18所示，图中IL3>IL2>IL1。
在再生制动状态下，电机的电枢电流与牵引时同向，但由于其磁通方向(即励磁电流)反向，故电机的电磁转矩此时为制动转矩，制动力特性为：
由上式(3-24)可知，当电机励磁一定时，制动力特性B=f(Iz)为直线，如图3-19所示。图中IL1>IL2>IL3。
图3-19 再生制动时机车制动力特性
再生制动时，机车的制动力--速度特性可由式(3-22)、式(3-24)求出为：
由上式可知，机车制动特性B=f(V)当中为定值时也为一直线，如图3-20所示。图中IL1>IL2>IL3。
再生制动时，机车特性的限界为：1--最大励磁电流限制线;2--粘着条件限制线; 3--最大电枢电流限制线;4--安全换向限制线;5--最大速度限制线。故机车再生制动时的工作范围在上述五条限制线限定的范围内，如图3-20所示。
图3-20 再生制动机车制动特性及限界
三、调节过程及调节方式
从公式(3-22)和式(3-20)可见，欲调节制动电流Iz，可采用调节它励发电机励磁电流 IL或者逆变器电压Udα即控制角α的方法来实现。再生制动在整个调节过程中，大致可分三个阶段如图3-21所示。
图3-21 再生制动三个区域的特性
(1)调节励磁电流IL。机车在高速时进行再生制动，为了提高功率因数，可维持逆变器电压Udα为最大，且基本为恒定。通过调节励磁电流来调节制动电流，如图3-21中BC段，随着机车运行速度V的下降，相应增加励磁电流，直至额定值为止。励磁电流最小值受电机安全换向限制。励磁调节的优点是调节功率小，调节平滑，缺点是机车速度的下限受到磁饱和的限制，高速时受电机安全换向的限制。制动力受制动功率的限制，随着机车速度增加，制动力要相应减小。
(2)调节逆变器电压Udα。在励磁电流调节到额定值之后维持常数不变，调节控制角a，改变逆变器电压Udα。减小Udα可维持制动电流为常数，维持制动力不变，如图3-21中AB段所示，直到Uda=0为止。一般采用不对称触发方式，α范围为0～(π-β)。
(3)加馈电阻制动。此种工况下逆变器变为整流工况运行，电压Udα改变极性，由式(3-22)知此时制动电流由发电机电势和整流电压共同产生，可保持低速时制动力不变，如图3-21中B'A虚线所示。如前所述OA的斜率取决于制动电阻的大小，制动电阻越小，斜率越大，A点速度越低。该电阻值一般小于电阻制动机车的制动电阻。
上述三个阶段中，前两个阶段为再生制动工况，机车的功率因数取决于再生制动的控制方式，目前常用的有以下两种控制方式：
(1)维持逆变角β=C。根据式(3-15)，逆变角β=α+δ，一般取δ=10°～20°。换向重叠角γ由式(2-46)可知其大小随制动电流Id、回路电抗和电压而变化。固定逆变角β控制方式必须考虑最不利的情况，即Izmax、Xcmax、Udmin，由此计算出γ可达40°～50°。例如6K型电力机车采用逆变角β=55°的控制方式。此种方式机车功率因数较低，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，功率因数会有所提高。但此种控制方式需要精确地检测出γ的大小。例如8K型电力机车采用δ=18°～22°。
四、再生制动的特点
(1)再生制动时回馈的电能可供其他电力机车牵引使用，因此是一种更具有经济效益的电气制动方式。
(2)再生制动具有调速范围大，防滑性能好，减少了闸瓦与车轮磨耗。
(3)再生制动的控制系统较为复杂。由于再生制动时系统的稳定性差，制动力的调节一般有两种方法，既可以通过调节电机的它励电流来实现，也可通过调节逆变器的电压来进行。因此控制复杂且精确度要求高，同时为了提高系统的稳定性，在制动电路中增设附加的稳定电阻Rw，以限制制动电流的变化。
(4)再生制动的机车必须采用全控桥。因此机车功率因数低，谐波含量高，同时对触发系统可靠性要求高。
再生制动的上述缺点限制了其应用的范围，但是随着电力电子技术的发展，再生制动的不足已得到改善。例如通过加装滤波器、采用多段桥不对称控制等都较好地改善了机车的功率因数。
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