電力機(jī)車工作原理

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(jiǎn)單的一種。它使用的是直流電源和直流串勵(lì)牽引電動(dòng)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(dòng)車組和城市無軌電車仍采用這種型式。

圖1-1直流電力機(jī)車工作原理

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(dòng)電阻R向四臺(tái)直流牽引電動(dòng)機(jī)M1～M4供電，牽引電流經(jīng)鋼軌流回變電所。當(dāng)四臺(tái)牽引電動(dòng)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(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)機(jī)車動(dòng)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(jiǎn)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(dòng)機(jī)，牽引性能好，調(diào)速方便；３.控制簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠；４.供電效率低。由于受牽引電動(dòng)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(jí)調(diào)速。由于機(jī)車使用調(diào)壓電阻進(jìn)行啟動(dòng)、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(duì)牽引電動(dòng)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(jí)調(diào)速。三、直流電力機(jī)車的基本特性

直流電力機(jī)車的基本特性包括機(jī)車的速度特性、牽引力特性、牽引特性。

1.速度特性

機(jī)車運(yùn)行速度與牽引電動(dòng)機(jī)電樞電流的關(guān)系，稱為機(jī)車速度特性，即V=f(Ia)。機(jī)車速度特性計(jì)算公式的推導(dǎo)過程如下：

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(dòng)輪輪周牽引力的總和，機(jī)車牽引力與牽引電動(dòng)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(dòng)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)車車牽引力特特性計(jì)算公公式為：或根據(jù)電動(dòng)動(dòng)機(jī)功率方方程式：表示成：式中：V——機(jī)車速度；；M——牽引電動(dòng)機(jī)機(jī)軸輸出轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩；ηd——牽引電動(dòng)機(jī)機(jī)效率；ηc——傳動(dòng)裝置效效率；Ω——牽引電動(dòng)機(jī)機(jī)軸速度（（rad/s）;m——機(jī)車配用電電動(dòng)機(jī)數(shù)目目，對(duì)于個(gè)個(gè)別傳動(dòng)機(jī)機(jī)車為機(jī)車車動(dòng)軸數(shù)；；Fk——機(jī)車輪周牽牽引力(kN)。上式的物理理含義很明明顯，就是是機(jī)車的牽牽引力與牽牽引電動(dòng)機(jī)機(jī)軸輸出轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩有關(guān)。。實(shí)際上由由于牽引電電動(dòng)機(jī)特性性的差異，，運(yùn)用中環(huán)環(huán)境條件的的差異，機(jī)機(jī)車每個(gè)動(dòng)動(dòng)輪所能發(fā)發(fā)揮的牽引引力是不同同的，因此此試驗(yàn)測(cè)得得的數(shù)據(jù)往往往低于按按一臺(tái)電動(dòng)動(dòng)機(jī)平均計(jì)計(jì)算公式計(jì)計(jì)算的結(jié)果果。從上面的分分析我們知知道，機(jī)車車的速度特特性和牽引引力特性均均是從牽引引電動(dòng)機(jī)的的特性歸算算至輪周的的特性，所所以機(jī)車的的速度特性性曲線和牽牽引力特性性曲線與牽牽引電動(dòng)機(jī)機(jī)的轉(zhuǎn)速特特性曲線、、轉(zhuǎn)矩特性性曲線具有有相同的趨趨勢(shì)。3.牽引特特性機(jī)車牽引力力與機(jī)車速速度的關(guān)系系，稱為機(jī)機(jī)車的牽引引特性。即即FK=f(v)。機(jī)車牽引特特性曲線一一般由機(jī)車車型式試驗(yàn)驗(yàn)測(cè)出?；蚧蛟谝阎獧C(jī)機(jī)車速度特特性曲線和和牽引力特特性曲線后后，給定一一電機(jī)電樞樞電流Ia值，求出機(jī)機(jī)車牽引特特性的一組組FK–v值，根據(jù)不同同負(fù)載下的的數(shù)組FK–v值，繪出機(jī)機(jī)車牽引特特性曲線。。第二節(jié)交直型整流流器電力機(jī)機(jī)車工作原原理重點(diǎn)：交直型電力力機(jī)車的原理和特性難點(diǎn)：直流電力機(jī)機(jī)車的基本本特性一、基本工工作原理和和特點(diǎn)圖1-2整流器電力力機(jī)車工作作原理圖1-2所所示為整流流器電力機(jī)機(jī)車的兩種種基本原理理線路圖。。單相交流流電由接觸觸網(wǎng)通過受受電弓引入入牽引變壓壓器的高壓壓繞組，再再經(jīng)鋼軌接接地。1.中點(diǎn)抽抽頭式全波波整流電路路電力機(jī)車車工作原理理在圖1-2（a）中牽引變壓壓器二次側(cè)側(cè)繞組分成成oa、ob兩段，兩段段電壓大小小相等、方方向相反。。整流元件件D1、D2的正極分別別與二次側(cè)側(cè)繞組的a、b點(diǎn)相接，負(fù)負(fù)極相互聯(lián)聯(lián)接在一起起。牽引電電動(dòng)機(jī)的一一端與變壓壓器二次側(cè)側(cè)繞組的中中點(diǎn)o相接，另一一端經(jīng)平波波電抗器PK與整流電路路的輸出端端即整流元元件的負(fù)極極相接。電路正常工工作，當(dāng)變變壓器二次次側(cè)電壓正正半周a點(diǎn)為高電位位時(shí)，整流流元件D１導(dǎo)通，電流流由a點(diǎn)經(jīng)D1、平波電抗器器PK、牽引電動(dòng)機(jī)機(jī)M回到O點(diǎn)，構(gòu)成一一閉合回路路。此時(shí)，，整流元件件D2因承受反向向電壓而截截止。當(dāng)變變壓器二次次側(cè)電壓負(fù)負(fù)半周b點(diǎn)為高電位位時(shí)，整流流元件D2導(dǎo)通，電流流由b點(diǎn)經(jīng)、D2、平波電抗器器PK、牽引電動(dòng)機(jī)機(jī)M回到O點(diǎn)，也構(gòu)成成一閉合回回路。D1因承受反向向電壓而截截止。由此此可知，在在交流電壓壓的正負(fù)兩兩個(gè)半周內(nèi)內(nèi)，變壓器器二次側(cè)繞繞組oa、ob交替流過電電流而牽引引電動(dòng)機(jī)ＭＭ中則始終終流過連續(xù)續(xù)不斷的方方向不變的的電流，保保證了直流流（脈流））牽引電動(dòng)動(dòng)機(jī)的正常常工作。2.橋式全全波整流電電路電力機(jī)機(jī)車工作原原理電路正常工工作，當(dāng)變變壓器二次次側(cè)電壓正正半周a點(diǎn)為高電位位時(shí)，整流流元件D1、D3導(dǎo)通，整流流電流由繞繞組a點(diǎn)經(jīng)整流元元件D1、平波電抗器器PK、牽引電動(dòng)機(jī)機(jī)Ｍ、整流流元件D3回到繞組b點(diǎn)，此時(shí)整整流元件D2、D4承受反向電電壓而截止止。在變壓壓器二次側(cè)側(cè)電壓負(fù)半半周b點(diǎn)為高電位位時(shí)，整流流元件D2、D4導(dǎo)通，整流流電流由b點(diǎn)經(jīng)整流元元件D2、平波電抗器器PK、牽引電動(dòng)機(jī)Ｍ、、整流元件D4回到a點(diǎn)。此時(shí)整流元元件D1、D3因承受向電反壓壓而截止。由此此可見，在交流流電壓的正、負(fù)負(fù)半周內(nèi)都有電電流流過變壓器器二次側(cè)繞組且且方向不同，而而牽引電動(dòng)機(jī)ＭＭ中則始終流過過方向不變的電電流。3.整流器電力力機(jī)車的工作特特點(diǎn)由以上分析，我我們可以看出整整流器電力機(jī)車車有以下特點(diǎn)：：⑴整流器電力機(jī)機(jī)車的變流過程程是在機(jī)車內(nèi)完完成的（直直型型電力機(jī)車的變變流過程是在牽牽引變電所進(jìn)行行），因此整流流器電力機(jī)車是是一個(gè)集變壓、、變流、牽引為為一體的綜合裝裝置，不僅簡(jiǎn)化化了電氣化牽引引的供電設(shè)備，，而且由于采用用交流電網(wǎng)供電電，提高了接觸觸網(wǎng)的供電電壓壓，使一定功率率的電能得以采采用小電流輸送送，既可減小接接觸網(wǎng)導(dǎo)線的截截面，節(jié)省有色色金屬用量，也也可減少電能損損耗，提高電力力機(jī)車的供電效效率。⑵由于機(jī)車內(nèi)設(shè)設(shè)有變壓器，調(diào)調(diào)壓十分方便，，牽引電動(dòng)機(jī)的的工作電壓不再再受接觸網(wǎng)電壓壓的限制，機(jī)車車就可以選擇最最有利的工作電電壓，使?fàn)恳婋妱?dòng)機(jī)的重量／／造價(jià)比降低，，同時(shí)工作更為為可靠。⑶牽引電動(dòng)機(jī)采采用適合牽引的的串勵(lì)或復(fù)勵(lì)電電動(dòng)機(jī)，可以獲獲得良好的牽引引性能和啟動(dòng)性性能，尤其啟動(dòng)動(dòng)時(shí)它采用了調(diào)調(diào)節(jié)整流電壓的的方式，省略了了啟動(dòng)電阻，不不僅減輕了電氣氣設(shè)備的重量、、降低了啟動(dòng)能能耗，而且改善善了電力機(jī)車的的啟動(dòng)性能，提提高了機(jī)車的運(yùn)運(yùn)行可靠性。但是，由于整流流器電力機(jī)車采采用單相50hz整流，其輸出電電壓有很大脈動(dòng)動(dòng)，因而流過牽牽引電動(dòng)機(jī)的電電流也有較大脈脈動(dòng)。脈動(dòng)電流流不僅使?fàn)恳婋姍C(jī)的損耗增加加，而且使?fàn)恳姍C(jī)的換向惡惡化，因此在整整流器電力機(jī)車車上需要裝設(shè)平平波電抗器PK和固定磁場(chǎng)分路路電阻R0以限制電流的脈脈動(dòng)，改善電動(dòng)動(dòng)機(jī)的工作條件件。同時(shí)，在牽牽引電動(dòng)機(jī)的結(jié)結(jié)構(gòu)上亦作了特特殊設(shè)計(jì)。二、整流器電力力機(jī)車的基本特特性1.整流外特性性整流器電力機(jī)車車的牽引電動(dòng)機(jī)機(jī)由接觸網(wǎng)取得得電能，需經(jīng)牽牽引變壓器降壓壓和整流裝置整整流這樣一個(gè)過過程，因而牽引引電動(dòng)機(jī)的端電電壓將受到變壓壓器和整流電路路的影響，這些些影響包括：⑴整流回路電阻阻引起的壓降⑵整流回路阻抗抗引起的壓降⑶整流電路換相相引起的平均整整流輸出電壓降降低。⑷整流元件的電電壓降。2.速度特性對(duì)應(yīng)于同樣的電電機(jī)電樞電流，，整流器電力機(jī)機(jī)車的速度因電電機(jī)端電壓的降降低較直流電力力機(jī)車速度有所所下降，因此整整流器電力機(jī)車車的速度特性曲曲線比直流電力力機(jī)車速度曲線線下降更陡。3.牽引力特性性機(jī)車的牽引力只只與牽引電動(dòng)機(jī)機(jī)電樞電流和電電機(jī)主極磁通有有關(guān)，不受牽引引電動(dòng)機(jī)端電壓壓的直接影響，，所以整流器電電力機(jī)車的牽引引力特性曲線與與直流電力機(jī)車車牽引力特性曲曲線相同。4.牽引特性整流器電力機(jī)車的的牽引特性曲線可可借助磁化曲線，，通過速度特性計(jì)計(jì)算式（1-3））和牽引力特性計(jì)計(jì)算式（1-7））計(jì)算求得。5.機(jī)車總效率特特性機(jī)車總效率與機(jī)車車速度的關(guān)系稱為為機(jī)車的總效率特特性。根據(jù)整流器器電力機(jī)車工作原原理，機(jī)車能量的的傳遞經(jīng)過機(jī)車變變壓器、整流裝置置、平波環(huán)節(jié)、電電－機(jī)能量轉(zhuǎn)換、、齒輪傳動(dòng)等主要要部分，故機(jī)車總總效率為：（1-9）第三節(jié)交直交型電力機(jī)車車工作原理重點(diǎn)：交直交型電力機(jī)車車的原理和特性難點(diǎn)：交直交型電力機(jī)車車的基本特性交直交型電力機(jī)車車屬于交流傳動(dòng)機(jī)機(jī)車。由逆變器供供電，機(jī)車和動(dòng)車車組采用交流異步步電動(dòng)機(jī)做牽引動(dòng)動(dòng)力。根據(jù)變流器器結(jié)構(gòu)的不同，目目前交（直）交型型機(jī)車和動(dòng)車組有有電壓型、電流型型兩種基本結(jié)構(gòu)。。我們以電壓型交直直交變流器供電、、三相異步電動(dòng)機(jī)機(jī)作牽引電動(dòng)機(jī)的的機(jī)車為例分析，，原理如圖所示。。機(jī)車在工作時(shí)，受受電弓將網(wǎng)壓引入入機(jī)車變壓器一次次側(cè)繞組，經(jīng)變壓壓器二次側(cè)繞組降降壓后送入①環(huán)節(jié)節(jié)，將交流電轉(zhuǎn)換換為直流電，經(jīng)②②環(huán)節(jié)平滑Ａ處脈脈動(dòng)，送入③環(huán)節(jié)節(jié)，將直流電逆變變?yōu)殡妷汉皖l率可可調(diào)的三相交流電電，經(jīng)④環(huán)節(jié)平波波電抗器，供給⑤⑤環(huán)節(jié)三相異步牽牽引電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)牽引運(yùn)行。在這這個(gè)系統(tǒng)中，機(jī)車車先將電網(wǎng)的交流流能量轉(zhuǎn)換為直流流能量，然后進(jìn)一一步轉(zhuǎn)換成電壓和和頻率可調(diào)的交流流能量。各環(huán)節(jié)的的作用分述如下：：①環(huán)節(jié)——整流電電路基本作用是將將交流電轉(zhuǎn)換為直直流電。具體電路路可以是不可控整整流橋、相控整流流橋、四象限脈沖沖變流器。②環(huán)節(jié)——直