電力機(jī)車工作原理課件

電力機(jī)車工作原理

第一節(jié)直直型電力機(jī)車工作原理

第二節(jié)交直型整流器電力機(jī)車工作原理

第三節(jié)交直交型電力機(jī)車工作原理

第一節(jié)直直型電力機(jī)車工作原理

重點(diǎn)：直流電力機(jī)車的特點(diǎn)和基本特性難點(diǎn)：直流電力機(jī)車的基本特性

一、基本工作原理

電機(jī)是進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的電磁機(jī)械設(shè)備。直流電力機(jī)車是現(xiàn)代電力機(jī)車中最為簡單的一種。它使用的是直流電源和直流串勵(lì)牽引電動機(jī)，其工作原理如圖１－１所示。目前有些工礦電力機(jī)車、地鐵電動車組和城市無軌電車仍采用這種型式。

工作過程為：機(jī)車由受電弓從接觸網(wǎng)取得直流電，經(jīng)斷路器QD，啟動電阻R向四臺直流牽引電動機(jī)M1～M4供電，牽引電流經(jīng)鋼軌流回變電所。當(dāng)四臺牽引電動機(jī)接通電源后即行旋轉(zhuǎn)，把電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，再分別通過各自的齒輪傳動裝置，驅(qū)動機(jī)車動輪牽引列車運(yùn)行。

二、直流電力機(jī)車的特點(diǎn)

１.機(jī)車結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低，經(jīng)濟(jì)性好；２.采用適合于牽引的直流串勵(lì)電動機(jī)，牽引性能好，調(diào)速方便；３.控制簡單，運(yùn)行可靠；４.供電效率低。由于受牽引電動機(jī)端電壓的限制，接觸網(wǎng)電壓一般為1500伏～3000伏。傳輸一定功率時(shí)電流較大，接觸網(wǎng)導(dǎo)線損耗量較大，因此供電效率低。

５.基建投資大。為了減少接觸網(wǎng)上的壓降，電氣化區(qū)段的牽引變電所數(shù)量較多，造成基建投資大。６.效率低，有級調(diào)速。由于機(jī)車使用調(diào)壓電阻進(jìn)行啟動、調(diào)速，因此調(diào)節(jié)過程中有能量損耗使效率很低，同時(shí)也難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)、平滑地調(diào)節(jié)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用斬波器技術(shù)進(jìn)行調(diào)速，可以對牽引電動機(jī)端電壓進(jìn)行連續(xù)、平滑地調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。電機(jī)轉(zhuǎn)速公式：

由以上兩式得出機(jī)車速度特性計(jì)算式：

V=2.牽引力特性

機(jī)車牽引力等于各動輪輪周牽引力的總和，機(jī)車牽引力與牽引電動機(jī)電樞電流的關(guān)系，稱為機(jī)車的牽引力特性，即FK=f（Ia）。機(jī)車牽引力特性計(jì)算公式推導(dǎo)如下：牽引電動機(jī)的功率:（kW）

機(jī)車的輪周功率：

（kN）

根據(jù)功能原理：

故得出機(jī)車牽引力特性計(jì)算公式為：

或根據(jù)電動機(jī)功率方程式：表示成：

上式的物理含義很明顯，就是機(jī)車的牽引力與牽引電動機(jī)軸輸出轉(zhuǎn)矩有關(guān)。實(shí)際上由于牽引電動機(jī)特性的差異，運(yùn)用中環(huán)境條件的差異，機(jī)車每個(gè)動輪所能發(fā)揮的牽引力是不同的，因此試驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)往往低于按一臺電動機(jī)平均計(jì)算公式計(jì)算的結(jié)果。從上面的分析我們知道，機(jī)車的速度特性和牽引力特性均是從牽引電動機(jī)的特性歸算至輪周的特性，所以機(jī)車的速度特性曲線和牽引力特性曲線與牽引電動機(jī)的轉(zhuǎn)速特性曲線、轉(zhuǎn)矩特性曲線具有相同的趨勢。

3.牽引特性

機(jī)車牽引力與機(jī)車速度的關(guān)系，稱為機(jī)車的牽引特性。即FK=f(v)。機(jī)車牽引特性曲線一般由機(jī)車型式試驗(yàn)測出?；蛟谝阎獧C(jī)車速度特性曲線和牽引力特性曲線后，給定一電機(jī)電樞電流Ia值，求出機(jī)車牽引特性的一組FK–v值，根據(jù)不同負(fù)載下的數(shù)組FK–v值，繪出機(jī)車牽引特性曲線。

第二節(jié)交直型整流器電力機(jī)車工作原理重點(diǎn)：交直型電力機(jī)車的原理和特性難點(diǎn)：直流電力機(jī)車的基本特性

圖1-2所示為整流器電力機(jī)車的兩種基本原理線路圖。單相交流電由接觸網(wǎng)通過受電弓引入牽引變壓器的高壓繞組，再經(jīng)鋼軌接地。1.中點(diǎn)抽頭式全波整流電路電力機(jī)車工作原理在圖1-2（a）中牽引變壓器二次側(cè)繞組分成oa、ob兩段，兩段電壓大小相等、方向相反。整流元件D1、D2的正極分別與二次側(cè)繞組的a、b點(diǎn)相接，負(fù)極相互聯(lián)接在一起。牽引電動機(jī)的一端與變壓器二次側(cè)繞組的中點(diǎn)o相接，另一端經(jīng)平波電抗器PK與整流電路的輸出端即整流元件的負(fù)極相接。電路正常工作，當(dāng)變壓器二次側(cè)電壓正半周a點(diǎn)為高電位時(shí)，整流元件D１導(dǎo)通，電流由a點(diǎn)經(jīng)D1、平波電抗器PK、牽引電動機(jī)M回到O點(diǎn)，構(gòu)成一閉合回路。此時(shí)，整流元件D2因承受反向電壓而截止。當(dāng)變壓器二次側(cè)電壓負(fù)半周b點(diǎn)為高電位時(shí)，整流元件D2導(dǎo)通，電流由b點(diǎn)經(jīng)、D2、平波電抗器PK、牽引電動機(jī)M回到O點(diǎn)，也構(gòu)成一閉合回路。D1因承受反向電壓而截止。由此可知，在交流電壓的正負(fù)兩個(gè)半周內(nèi)，變壓器二次側(cè)繞組oa、ob交替流過電流而牽引電動機(jī)Ｍ中則始終流過連續(xù)不斷的方向不變的電流，保證了直流（脈流）牽引電動機(jī)的正常工作。2.橋式全波整流電路電力機(jī)車工作原理

電路正常工作，當(dāng)變壓器二次側(cè)電壓正半周a點(diǎn)為高電位時(shí)，整流元件D1、D3導(dǎo)通，整流電流由繞組a點(diǎn)經(jīng)整流元件D1、平波電抗器PK、牽引電動機(jī)Ｍ、整流元件D3回到繞組b點(diǎn)，此時(shí)整流元件D2、D4承受反向電壓而截止。在變壓器二次側(cè)電壓負(fù)半周b點(diǎn)為高電位時(shí)，整流元件D2、D4導(dǎo)通，整流電流由b點(diǎn)經(jīng)整流元件D2、平波電抗器PK、牽引電動機(jī)Ｍ、整流元件D4回到a點(diǎn)。此時(shí)整流元件D1、D3因承受向電反壓而截止。由此可見，在交流電壓的正、負(fù)半周內(nèi)都有電流流過變壓器二次側(cè)繞組且方向不同，而牽引電動機(jī)Ｍ中則始終流過方向不變的電流。⑵由于機(jī)車內(nèi)設(shè)有變壓器，調(diào)壓十分方便，牽引電動機(jī)的工作電壓不再受接觸網(wǎng)電壓的限制，機(jī)車就可以選擇最有利的工作電壓，使?fàn)恳妱訖C(jī)的重量／造價(jià)比降低，同時(shí)工作更為可靠。⑶牽引電動機(jī)采用適合牽引的串勵(lì)或復(fù)勵(lì)電動機(jī)，可以獲得良好的牽引性能和啟動性能，尤其啟動時(shí)它采用了調(diào)節(jié)整流電壓的方式，省略了啟動電阻，不僅減輕了電氣設(shè)備的重量、降低了啟動能耗，而且改善了電力機(jī)車的啟動性能，提高了機(jī)車的運(yùn)行可靠性。但是，由于整流器電力機(jī)車采用單相50hz整流，其輸出電壓有很大脈動，因而流過牽引電動機(jī)的電流也有較大脈動。脈動電流不僅使?fàn)恳姍C(jī)的損耗增加，而且使?fàn)恳姍C(jī)的換向惡化，因此在整流器電力機(jī)車上需要裝設(shè)平波電抗器PK和固定磁場分路電阻R0以限制電流的脈動，改善電動機(jī)的工作條件。同時(shí)，在牽引電動機(jī)的結(jié)構(gòu)上亦作了特殊設(shè)計(jì)。二、整流器電力機(jī)車的基本特性

1.整流外特性

整流器電力機(jī)車的牽引電動機(jī)由接觸網(wǎng)取得電能，需經(jīng)牽引變壓器降壓和整流裝置整流這樣一個(gè)過程，因而牽引電動機(jī)的端電壓將受到變壓器和整流電路的影響，這些影響包括：

⑴整流回路電阻引起的壓降⑵整流回路阻抗引起的壓降⑶整流電路換相引起的平均整流輸出電壓降低。⑷整流元件的電壓降。

4.牽引特性整流器電力機(jī)車的牽引特性曲線可借助磁化曲線，通過速度特性計(jì)算式（1-3）和牽引力特性計(jì)算式（1-7）計(jì)算求得。5.機(jī)車總效率特性機(jī)車總效率與機(jī)車速度的關(guān)系稱為機(jī)車的總效率特性。根據(jù)整流器電力機(jī)車工作原理，機(jī)車能量的傳遞經(jīng)過機(jī)車變壓器、整流裝置、平波環(huán)節(jié)、電－機(jī)能量轉(zhuǎn)換、齒輪傳動等主要部分，故機(jī)車總效率為：

（1-9）

機(jī)車在工作時(shí)，受電弓將網(wǎng)壓引入機(jī)車變壓器一次側(cè)繞組，經(jīng)變壓器二次側(cè)繞組降壓后送入①環(huán)節(jié)，將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，經(jīng)②環(huán)節(jié)平滑Ａ處脈動，送入③環(huán)節(jié)，將直流電逆變?yōu)殡妷汉皖l率可調(diào)的三相交流電，經(jīng)④環(huán)節(jié)平波電抗器，供給⑤環(huán)節(jié)三相異步牽引電動機(jī)，實(shí)現(xiàn)牽引運(yùn)行。在這個(gè)系統(tǒng)中，機(jī)車先將電網(wǎng)的交流能量轉(zhuǎn)換為直流能量，然后進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成電壓和頻率可調(diào)的交流能量。各環(huán)節(jié)的作用分述如下：①環(huán)節(jié)——整流電路基本作用是將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。具體電路可以是不可控整流橋、相控整流橋、四象限脈沖變流器。

②環(huán)節(jié)——直流環(huán)節(jié)濾波器基本作用是平滑Ａ處的紋波（脈動），消除或減少諧波含量，改善機(jī)車的功率因數(shù)。采用不同的整流電路，其濾波電路也不同，功能有所差別。③環(huán)節(jié)——逆變器用于將直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電，同時(shí)具有較寬的調(diào)頻范圍和調(diào)壓范圍，一般采用正弦波脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)。或采用電壓相量（VVCPWM）控制技術(shù)，減少網(wǎng)壓波動的影響。

④環(huán)節(jié)——電抗器，有三大作用。降低電機(jī)、電纜中的高頻成分，控制噪聲的傳播，抑制電機(jī)啟動過程中的諧波分量；保證頻繁斷開電機(jī)電路時(shí)不損壞變頻器；通過三相霍爾電流傳感器對變頻器輸出端采取完善的短路保護(hù)措施。

系統(tǒng)的