电力机车工作原理

电力机车工作原理 第一节直直型电力机车工作原理第二节交直型整流器电力机车工作原理第三节交直交型电力机车工作原理 第一节直直型电力机车工作原理 重点 直流电力机车的特点和基本特性难点 直流电力机车的基本特性 一 基本工作原理 电机是进行能量转换的电磁机械设备 直流电力机车是现代电力机车中最为简单的一种 它使用的是直流电源和直流串励牵引电动机 其工作原理如图 所示 目前有些工矿电力机车 地铁电动车组和城市无轨电车仍采用这种型式 图1 1直流电力机车工作原理 工作过程为 机车由受电弓从接触网取得直流电 经断路器QD 启动电阻R向四台直流牵引电动机M1 M4供电 牵引电流经钢轨流回变电所 当四台牵引电动机接通电源后即行旋转 把电能转变为机械能 再分别通过各自的齿轮传动装置 驱动机车动轮牵引列车运行 二 直流电力机车的特点 机车结构简单 造价低 经济性好 采用适合于牵引的直流串励电动机 牵引性能好 调速方便 控制简单 运行可靠 供电效率低 由于受牵引电动机端电压的限制 接触网电压一般为1500伏 3000伏 传输一定功率时电流较大 接触网导线损耗量较大 因此供电效率低 基建投资大 为了减少接触网上的压降 电气化区段的牵引变电所数量较多 造成基建投资大 效率低 有级调速 由于机车使用调压电阻进行启动 调速 因此调节过程中有能量损耗使效率很低 同时也难以实现连续 平滑地调节 随着电力电子技术的发展 应用斩波器技术进行调速 可以对牵引电动机端电压进行连续 平滑地调节 从而实现无级调速 三 直流电力机车的基本特性 直流电力机车的基本特性包括机车的速度特性 牵引力特性 牵引特性 1 速度特性机车运行速度与牵引电动机电枢电流的关系 称为机车速度特性 即V f Ia 机车速度特性计算公式的推导过程如下 电机转速公式 由以上两式得出机车速度特性计算式 V 2 牵引力特性 机车牵引力等于各动轮轮周牵引力的总和 机车牵引力与牵引电动机电枢电流的关系 称为机车的牵引力特性 即FK f Ia 机车牵引力特性计算公式推导如下 牵引电动机的功率 kW 机车的轮周功率 kN 根据功能原理 故得出机车牵引力特性计算公式为 或根据电动机功率方程式 表示成 式中 V 机车速度 M 牵引电动机轴输出转矩 d 牵引电动机效率 c 传动装置效率 牵引电动机轴速度 rad s m 机车配用电动机数目 对于个别传动机车为机车动轴数 Fk 机车轮周牵引力 kN 上式的物理含义很明显 就是机车的牵引力与牵引电动机轴输出转矩有关 实际上由于牵引电动机特性的差异 运用中环境条件的差异 机车每个动轮所能发挥的牵引力是不同的 因此试验测得的数据往往低于按一台电动机平均计算公式计算的结果 从上面的分析我们知道 机车的速度特性和牵引力特性均是从牵引电动机的特性归算至轮周的特性 所以机车的速度特性曲线和牵引力特性曲线与牵引电动机的转速特性曲线 转矩特性曲线具有相同的趋势 3 牵引特性机车牵引力与机车速度的关系 称为机车的牵引特性 即FK f v 机车牵引特性曲线一般由机车型式试验测出 或在已知机车速度特性曲线和牵引力特性曲线后 给定一电机电枢电流Ia值 求出机车牵引特性的一组FK v值 根据不同负载下的数组FK v值 绘出机车牵引特性曲线 第二节交直型整流器电力机车工作原理 重点 交直型电力机车的原理和特性难点 直流电力机车的基本特性 一 基本工作原理和特点 图1 2整流器电力机车工作原理 图1 2所示为整流器电力机车的两种基本原理线路图 单相交流电由接触网通过受电弓引入牵引变压器的高压绕组 再经钢轨接地 1 中点抽头式全波整流电路电力机车工作原理在图1 2 a 中牵引变压器二次侧绕组分成oa ob两段 两段电压大小相等 方向相反 整流元件D1 D2的正极分别与二次侧绕组的a b点相接 负极相互联接在一起 牵引电动机的一端与变压器二次侧绕组的中点o相接 另一端经平波电抗器PK与整流电路的输出端即整流元件的负极相接 电路正常工作 当变压器二次侧电压正半周a点为高电位时 整流元件D 导通 电流由a点经D1 平波电抗器PK 牵引电动机M回到O点 构成一闭合回路 此时 整流元件D2因承受反向电压而截止 当变压器二次侧电压负半周b点为高电位时 整流元件D2导通 电流由b点经 D2 平波电抗器PK 牵引电动机M回到O点 也构成一闭合回路 D1因承受反向电压而截止 由此可知 在交流电压的正负两个半周内 变压器二次侧绕组oa ob交替流过电流而牵引电动机 中则始终流过连续不断的方向不变的电流 保证了直流 脉流 牵引电动机的正常工作 2 桥式全波整流电路电力机车工作原理 电路正常工作 当变压器二次侧电压正半周a点为高电位时 整流元件D1 D3导通 整流电流由绕组a点经整流元件D1 平波电抗器PK 牵引电动机 整流元件D3回到绕组b点 此时整流元件D2 D4承受反向电压而截止 在变压器二次侧电压负半周b点为高电位时 整流元件D2 D4导通 整流电流由b点经整流元件D2 平波电抗器PK 牵引电动机 整流元件D4回到a点 此时整流元件D1 D3因承受向电反压而截止 由此可见 在交流电压的正 负半周内都有电流流过变压器二次侧绕组且方向不同 而牵引电动机 中则始终流过方向不变的电流 3 整流器电力机车的工作特点由以上分析 我们可以看出整流器电力机车有以下特点 整流器电力机车的变流过程是在机车内完成的 直直型电力机车的变流过程是在牵引变电所进行 因此整流器电力机车是一个集变压 变流 牵引为一体的综合装置 不仅简化了电气化牵引的供电设备 而且由于采用交流电网供电 提高了接触网的供电电压 使一定功率的电能得以采用小电流输送 既可减小接触网导线的截面 节省有色金属用量 也可减少电能损耗 提高电力机车的供电效率 由于机车内设有变压器 调压十分方便 牵引电动机的工作电压不再受接触网电压的限制 机车就可以选择最有利的工作电压 使牵引电动机的重量 造价比降低 同时工作更为可靠 牵引电动机采用适合牵引的串励或复励电动机 可以获得良好的牵引性能和启动性能 尤其启动时它采用了调节整流电压的方式 省略了启动电阻 不仅减轻了电气设备的重量 降低了启动能耗 而且改善了电力机车的启动性能 提高了机车的运行可靠性 但是 由于整流器电力机车采用单相50hz整流 其输出电压有很大脉动 因而流过牵引电动机的电流也有较大脉动 脉动电流不仅使牵引电机的损耗增加 而且使牵引电机的换向恶化 因此在整流器电力机车上需要装设平波电抗器PK和固定磁场分路电阻R0以限制电流的脉动 改善电动机的工作条件 同时 在牵引电动机的结构上亦作了特殊设计 二 整流器电力机车的基本特性 1 整流外特性 整流器电力机车的牵引电动机由接触网取得电能 需经牵引变压器降压和整流装置整流这样一个过程 因而牵引电动机的端电压将受到变压器和整流电路的影响 这些影响包括 整流回路电阻引起的压降 整流回路阻抗引起的压降 整流电路换相引起的平均整流输出电压降低 整流元件的电压降 2 速度特性对应于同样的电机电枢电流 整流器电力机车的速度因电机端电压的降低较直流电力机车速度有所下降 因此整流器电力机车的速度特性曲线比直流电力机车速度曲线下降更陡 3 牵引力特性机车的牵引力只与牵引电动机电枢电流和电机主极磁通有关 不受牵引电动机端电压的直接影响 所以整流器电力机车的牵引力特性曲线与直流电力机车牵引力特性曲线相同 4 牵引特性 整流器电力机车的牵引特性曲线可借助磁化曲线 通过速度特性计算式 1 3 和牵引力特性计算式 1 7 计算求得 5 机车总效率特性机车总效率与机车速度的关系称为机车的总效率特性 根据整流器电力机车工作原理 机车能量的传递经过机车变压器 整流装置 平波环节 电 机能量转换 齿轮传动等主要部分 故机车总效率为 1 9 第三节交直交型电力机车工作原理 重点 交直交型电力机车的原理和特性难点 交直交型电力机车的基本特性 交直交型电力机车属于交流传动机车 由逆变器供电 机车和动车组采用交流异步电动机做牵引动力 根据变流器结构的不同 目前交 直 交型机车和动车组有电压型 电流型两种基本结构 我们以电压型交直交变流器供电 三相异步电动机作牵引电动机的机车为例分析 原理如图所示 机车在工作时 受电弓将网压引入机车变压器一次侧绕组 经变压器二次侧绕组降压后送入 环节 将交流电转换为直流电 经 环节平滑 处脉动 送入 环节 将直流电逆变为电压和频率可调的三相交流电 经 环节平波电抗器 供给 环节三相异步牵引电动机 实现牵引运行 在这个系统中 机车先将电网的交流能量转换为直流能量 然后进一步转换成电压和频率可调的交流能量 各环节的作用分述如下 环节 整流电路基本作用是将交流电转换为直流电 具体电路可以是不可控整流桥 相控整流桥 四象限脉冲变流器 环节 直流环节滤波器基本作用是平滑 处的纹波 脉动 消除或减少谐波含量 改善机车的功率因数 采用不同的整流电路 其滤波电路也不同 功能有所差别 环节 逆变器用于将直流电转换为三相交流电 同时具有较宽的调频范围和调压范围 一般采用正弦波脉宽调制 PWM 技术 或采用电压相量 VVCPWM 控制技术 减少网压波动的影响 环节 电抗器 有三大作用 降低电机 电缆中的高频成分 控制噪声的传播 抑制电机启动过程中的谐波分量 保证频繁断开电机电路时不损坏变频器 通过三相霍尔电流传感器对变频器输出端采取完善的短路保护措施 系统的工作特点 1 功率 体积比大 2 交流电机维修量小 3 机车具有优异的牵引和制动运