電力機車工作原理

電力機車工作原理

第一節(jié)直直型電力機車工作原理

第二節(jié)交直型整流器電力機車工作原理

第三節(jié)交直交型電力機車工作原理

第一節(jié)直直型電力機車工作原理

重點：直流電力機車的特點和基本特性難點：直流電力機車的基本特性

一、基本工作原理

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

圖1-1直流電力機車工作原理

工作過程為：機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)四臺牽引電動機接通電源后即行旋轉(zhuǎn)，把電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，再分別通過各自的齒輪傳動裝置，驅(qū)動機車動輪牽引列車運行。

二、直流電力機車的特點

１.機車結(jié)構(gòu)簡單，造價低，經(jīng)濟性好；２.采用適合于牽引的直流串勵電動機，牽引性能好，調(diào)速方便；３.控制簡單，運行可靠；４.供電效率低。由于受牽引電動機端電壓的限制，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。由于機車使用調(diào)壓電阻進行啟動、調(diào)速，因此調(diào)節(jié)過程中有能量損耗使效率很低，同時也難以實現(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)進行調(diào)速，可以對牽引電動機端電壓進行連續(xù)、平滑地調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)無級調(diào)速。三、直流電力機車的基本特性

直流電力機車的基本特性包括機車的速度特性、牽引力特性、牽引特性。

1.速度特性

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

電機轉(zhuǎn)速公式：

由以上兩式得出機車速度特性計算式：

V=2.牽引力特性

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

機車的輪周功率：

（kN）

根據(jù)功能原理：

故得出機車牽引力特性計算公式為：

或根據(jù)電動機功率方程式：表示成：

式中：V——機車速度；M——牽引電動機軸輸出轉(zhuǎn)矩；ηd——牽引電動機效率；ηc——傳動裝置效率；Ω——牽引電動機軸速度（rad/s）;m——機車配用電動機數(shù)目，對于個別傳動機車為機車動軸數(shù)；Fk——機車輪周牽引力(kN)。上式的物理含義很明顯，就是機車的牽引力與牽引電動機軸輸出轉(zhuǎn)矩有關(guān)。實際上由于牽引電動機特性的差異，運用中環(huán)境條件的差異，機車每個動輪所能發(fā)揮的牽引力是不同的，因此試驗測得的數(shù)據(jù)往往低于按一臺電動機平均計算公式計算的結(jié)果。從上面的分析我們知道，機車的速度特性和牽引力特性均是從牽引電動機的特性歸算至輪周的特性，所以機車的速度特性曲線和牽引力特性曲線與牽引電動機的轉(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

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

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

一、基本工作原理和特點

圖1-2整流器電力機車工作原理

圖1-2所示為整流器電力機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.中點抽頭式全波整流電路電力機車工作原理在圖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點相接，負(fù)極相互聯(lián)接在一起。牽引電動機的一端與變壓器二次側(cè)繞組的中點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點為高電位時，整流元件D１導(dǎo)通，電流由a點經(jīng)D1、平波電抗器PK、牽引電動機M回到O點，構(gòu)成一閉合回路。此時，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點為高電位時，整流元件D2導(dǎo)通，電流由b點經(jīng)、D2、平波電抗器PK、牽引電動機M回到O點，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）牽引電動機的正常工作。

2.橋式全波整流電路電力機車工作原理

電路正常工作，當(dāng)變壓器二次側(cè)電壓正半周a點為高電位時，整流元件D1、D3導(dǎo)通，整流電流由繞組a點經(jīng)整流元件D1、平波電抗器PK、牽引電動機Ｍ、整流元件D3回到繞組b點，此時整流元件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點為高電位時，整流元件D2、D4導(dǎo)通，整流電流由b點經(jīng)整流元件D2、平波電抗器PK、牽引電動機Ｍ、整流元件D4回到a點。此時整流元件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Ｍ中則始終流過方向不變的電流。

3.整流器電力機車的工作特點由以上分析，我們可以看出整流器電力機車有以下特點：

⑴整流器電力機車的變流過程是在機車內(nèi)完成的（直直型電力機車的變流過程是在牽引變電所進行），因此整流器電力機車是一個集變壓、變流、牽引為一體的綜合裝置，不僅簡化了電氣化牽引的供電設(shè)備，而且由于采用交流電網(wǎng)供電，提高了接觸網(wǎng)的供電電壓，使一定功率的電能得以采用小電流輸送，既可減小接觸網(wǎng)導(dǎo)線的截面，節(jié)省有色金屬用量，也可減少電能損耗，提高電力機車的供電效率。

⑵由三于機三車內(nèi)三設(shè)有三變壓三器，三調(diào)壓三十分三方便三，牽三引電三動機三的工三作電三壓不三再受三接觸三網(wǎng)電三壓的三限制三，機三車就三可以三選擇三最有三利的三工作三電壓三，使三牽引三電動三機的三重量三／造三價比三降低三，同三時工三作更三為可三靠。⑶牽三引電三動機三采用三適合三牽引三的串三勵或三復(fù)勵三電動三機，三可以三獲得三良好三的牽三引性三能和三啟動三性能三，尤三其啟三動時三它采三用了三調(diào)節(jié)三整流三電壓三的方三式，三省略三了啟三動電三阻，三不僅三減輕三了電三氣設(shè)三備的三重量三、降三低了三啟動三能耗三，而三且改三善了三電力三機車三的啟三動性三能，三提高三了機三車的三運行三可靠三性。但是三，由三于整三流器三電力三機車三采用三單相三50hz整流三，其三輸出三電壓三有很三大脈三動，三因而三流過三牽引三電動三機的三電流三也有三較大三脈動三。脈三動電三流不三僅使三牽引三電機三的損三耗增三加，三而且三使?fàn)咳娙龣C的三換向三惡化三，因三此在三整流三器電三力機三車上三需要三裝設(shè)三平波三電抗三器PK和固三定磁三場分三路電三阻R0以限三制電三流的三脈動三，改三善電三動機三的工三作條三件。三同時三，在三牽引三電動三機的三結(jié)構(gòu)三上亦三作了三特殊三設(shè)計三。二、三整流三器電三力機三車的三基本三特性1.三整流三外特三性整流三器電三力機三車的三牽引三電動三機由三接觸三網(wǎng)取三得電三能，三需經(jīng)三牽引三變壓三器降三壓和三整流三裝置三整流三這樣三一個三過程三，因三而牽三引電三動機三的端三電壓三將受三到變?nèi)龎浩魅驼麟娙返娜绊懭@三些影三響包三括：⑴整三流回三路電三阻引三起的三壓降⑵整三流回三路阻三抗引三起的三壓降⑶整三流電三路換三相引三起的三平均三整流三輸出三電壓三降低三。⑷整三流元三件的三電壓三降。2.三速度三特性對應(yīng)三于同三樣的三電機三電樞三電流三，整三流器三電力三機車三的速三度因三電機三端電三壓的三降低三較直三流電三力機三車速三度有三所下三降，三因此三整流三器電三力機三車的三速度三特性三曲線三比直三流電三力機三車速三度曲三線下三降更三陡。3.三牽引三力特三性機車三的牽三引力三只與三牽引三電動三機電三樞電三流和三電機三主極三磁通三有關(guān)三，不三受牽三引電三動機三端電三壓的三直接三影響三，所三以整三流器三電力三機車三的牽三引力三特性三曲線三與直三流電三力機三車牽三引力三特性三曲線三相同三。4.三牽引三特性整流三器電三力機三車的三牽引三特性三曲線三可借三助磁三化曲三線，三通過三速度三特性三計算三式（三1-三3）三和牽三引力三特性三計算三式（三1-三7）三計算三求得三。5.三機車三總效三率特三性機車三總效三率與三機車三速度三的關(guān)三系稱三為機三車的三總效三率特三性。三根據(jù)三整流三器電三力機三車工三作原三理，三機車三能量三的傳三遞經(jīng)三過機三車變?nèi)龎浩魅?、整三流裝三置、三平波三環(huán)節(jié)三、電三－機三能量三轉(zhuǎn)換三、齒三輪傳三動等三主要三部分三，故三機車三總效三率為三：（1三-9三）第三三節(jié)交直三交型三電力三機車三工作三原理重點三：交直三交型三電力三機車的原三理和特三性難點三：交直三交型三電力三機車的基三本特三性交直三交型三電力三機車三屬于三交流三傳動三機車三。由三逆變?nèi)鞴┤?，三機車三和動三車組三采用三交流三異步三電動三機做三牽引三動力三。根三據(jù)變?nèi)髌魅Y(jié)構(gòu)三的不三同，三目前三交（三直）三交型三機車三和動三車組三有電三壓型三、電三流型三兩種三基本三結(jié)構(gòu)三。我們?nèi)噪娙龎盒腿恢比蛔內(nèi)髌魅╇娙?、三三相異三步電三動機三作牽三引電三動機三的機三車為三例分三析，三原理三如圖三所示三。機車三在工三作時三，受三電弓三將網(wǎng)三壓引三入機三車變?nèi)龎浩魅淮稳齻?cè)繞三組，三經(jīng)變?nèi)龎浩魅稳齻?cè)繞三組降三壓后三送入三①環(huán)三節(jié)，三將交三流電三轉(zhuǎn)換三為直三流電三，經(jīng)三②環(huán)三節(jié)平三滑Ａ三處脈三動，三送入三③環(huán)三節(jié)，三將直三流電三逆變?nèi)秊殡娙龎汉腿l率三可調(diào)三的三三相交三流電三，經(jīng)三④環(huán)三節(jié)平三波電三抗器三，供三給⑤三環(huán)節(jié)三三相三異步三牽引三電動三機，三實現(xiàn)三牽引三運行三。在三這個三系統(tǒng)三中，三機車三先將三電網(wǎng)三的交三流能三量轉(zhuǎn)三換為三直流三能量三，然三后進三一步三轉(zhuǎn)換三成電三壓和三頻率三可調(diào)三的交三流能三量。三各環(huán)三節(jié)的三作用三分述三如下三：①環(huán)三節(jié)—三—整三流電三路基三本作三用是三將交三流電三轉(zhuǎn)換三為直三流電三。具三體電三路可三以是三不可三控整三流橋三、相三控整三流橋三、四三象限三脈沖三變流三器。②環(huán)三節(jié)—三—直三流環(huán)三節(jié)濾三波器三基本三作用三是平三滑Ａ三處的三紋波三（脈三動）三，消三除或三減少三諧波三含量三，改三善機三車的三功率三因數(shù)三。采三用不三同的三整流三電路三，其三濾波三電路三也不三同，三功能三有所三差別三。③環(huán)三節(jié)—三—逆三變器三用于三將直三流電三轉(zhuǎn)換三為三三相交三流電三，同三時具三有較三寬的三調(diào)頻三范圍三和調(diào)三壓范三圍，三一般三采用三正弦三波脈三寬調(diào)三制（PW三M）技術(shù)三。或三采用三電壓三相量三（VV三CP