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１－１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

１.机车结构简单，造价低，经济性好；２.采用适合于牵引的直流串励电动机，牵引性能好，调速方便；３.控制简单，运行可靠；４.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。

５.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。６.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：

故得出出机车车牵引引力特特性计计算公公式为为：或根据据电动动机功功率方方程式式：表示成成：式中：：V——机车速速度；；M——牵引电电动机机轴输输出转转矩；；ηd——牵引电电动机机效率率；ηc——传动装装置效效率；；Ω——牵引电电动机机轴速速度（（rad/s）;m——机车配配用电电动机机数目目，对对于个个别传传动机机车为为机车车动轴轴数；；Fk——机车轮轮周牵牵引力力(kN)。上式的的物理理含义义很明明显，，就是是机车车的牵牵引力力与牵牵引电电动机机轴输输出转转矩有有关。。实际际上由由于牵牵引电电动机机特性性的差差异，，运用用中环环境条条件的的差异异，机机车每每个动动轮所所能发发挥的的牵引引力是是不同同的，，因此此试验验测得得的数数据往往往低低于按按一台台电动动机平平均计计算公公式计计算的的结果果。从上面面的分分析我我们知知道，，机车车的速速度特特性和和牵引引力特特性均均是从从牵引引电动动机的的特性性归算算至轮轮周的的特性性，所所以机机车的的速度度特性性曲线线和牵牵引力力特性性曲线线与牵牵引电电动机机的转转速特特性曲曲线、、转矩矩特性性曲线线具有有相同同的趋趋势。。3.牵牵引特特性机车牵牵引力力与机机车速速度的的关系系，称称为机机车的的牵引引特性性。即即FK=f(v)。机车牵牵引特特性曲曲线一一般由由机车车型式式试验验测出出。或或在已已知机机车速速度特特性曲曲线和和牵引引力特特性曲曲线后后，给给定一一电机机电枢枢电流流Ia值，求求出机机车牵牵引特特性的的一组组FK–v值，根据据不同同负载载下的的数组组FK–v值，绘绘出机机车牵牵引特特性曲曲线。。第二节节交直型型整流流器电电力机机车工工作原原理重点：：交直型型电力力机车车的原理理和特性性难点：：直流电电力机机车的的基本本特性性一、基基本工工作原原理和和特点点图1-2整流器器电力力机车车工作作原理理图1-2所所示为为整流流器电电力机机车的的两种种基本本原理理线路路图。。单相相交流流电由由接触触网通通过受受电弓弓引入入牵引引变压压器的的高压压绕组组，再再经钢钢轨接接地。。1.中中点抽抽头式式全波波整流流电路路电力力机车车工作作原理理在图1-2（a）中牵引引变压压器二二次侧侧绕组组分成成oa、、ob两段，，两段段电压压大小小相等等、方方向相相反。。整流流元件件D1、D2的正极极分别别与二二次侧侧绕组组的a、b点相接接，负负极相相互联联接在在一起起。牵牵引电电动机机的一一端与与变压压器二二次侧侧绕组组的中中点o相接，，另一一端经经平波波电抗抗器PK与整流流电路路的输输出端端即整整流元元件的的负极极相接接。电路正正常工工作，，当变变压器器二次次侧电电压正正半周周a点为高高电位位时，，整流流元件件D１导通，，电流流由a点经D1、平波电电抗器器PK、、牵引电电动机机M回到O点，构构成一一闭合合回路路。此此时，，整流流元件件D2因承受受反向向电压压而截截止。。当变变压器器二次次侧电电压负负半周周b点为高电位位时，整流流元件D2导通，电流流由b点经、D2、平波电抗器器PK、牵引电动机机M回到O点，也构成成一闭合回回路。D1因承受反向向电压而截截止。由此此可知，在在交流电压压的正负两两个半周内内，变压器器二次侧绕绕组oa、ob交替流过电电流而牵引引电动机ＭＭ中则始终终流过连续续不断的方方向不变的的电流，保保证了直流流（脉流））牵引电动动机的正常常工作。2.桥式全波整整流电路电力机机车工作原理电路正常工作，，当变压器二次次侧电压正半周周a点为高电位时，，整流元件D1、D3导通，整流电流流由绕组a点经整流元件D1、平波电抗器PK、牵引电动机Ｍ、、整流元件D3回到绕组b点，此时整流元元件D2、D4承受反向电压而而截止。在变压压器二次侧电压压负半周b点为高电位时，，整流元件D2、D4导通，整流电流流由b点经整流元件D2、平波电抗器PK、牵引电动机Ｍ、、整流元件D4回到a点。此时整流元元件D1、D3因承受向电反压压而截止。由此此可见，在交流流电压的正、负负半周内都有电电流流过变压器器二次侧绕组且且方向不同，而而牵引电动机ＭＭ中则始终流过过方向不变的电电流。3.整流器电力力机车的工作特特点由以上分析，我我们可以看出整整流器电力机车车有以下特点：：⑴整流器电力机机车的变流过程程是在机车内完完成的（直直型型电力机车的变变流过程是在牵牵引变电所进行行），因此整流流器电力机车是是一个集变压、、变流、牵引为为一体的综合装装置，不仅简化化了电气化牵引引的供电设备，，而且由于采用用交流电网供电电，提高了接触触网的供电电压压，使一定功率率的电能得以采采用小电流输送送，既可减小接接触网导线的截截面，节省有色色金属用量，也也可减少电能损损耗，提高电力力机车的供电效效率。⑵由于机车内设设有变压器，调调压十分方便，，牵引电动机的的工作电压不再再受接触网电压压的限制，机车车就可以选择最最有利的工作电电压，使牵引电电动机的重量／／造价比降低，，同时工作更为为可靠。⑶牵引电动机采采用适合牵引的的串励或复励电电动机，可以获获得良好的牵引引性能和启动性性能，尤其启动动时它采用了调调节整流电压的的方式，省略了了启动电阻，不不仅减轻了电气气设备的重量、、降低了启动能能耗，而且改善善了电力机车的的启动性能，提提高了机车的运运行可靠性。但是，由于整整流器电力机机车采用单相相50hz整流，其输出出电压有很大大脉动，因而而流过牵引电电动机的电流流也有较大脉脉动。脉动电电流不仅使牵牵引电机的损损耗增加，而而且使牵引电电机的换向恶恶化，因此在在整流器电力力机车上需要要装设平波电电抗器PK和固定磁场分分路电阻R0以限制电流的的脉动，改善善电动机的工工作条件。同同时，在牵引引电动机的结结构上亦作了了特殊设计。。二、整流器电电力机车的基基本特性1.整流外特特性整流器电力机机车的牵引电电动机由接触触网取得电能能，需经牵引引变压器降压压和整流装置置整流这样一一个过程，因因而牵引电动动机的端电压压将受到变压压器和整流电电路的影响，，这些影响包包括：⑴整流流回路路电阻阻引起起的压压降⑵整流流回路路阻抗抗引起起的压压降⑶整流流电路路换相相引起起的平平均整整流输输出电电压降降低。。⑷整流流元件件的电电压降降。2.速速度特特性对应于于同样样的电电机电电枢电电流，，整流流器电电力机机车的的速度度因电电机端端电压压的降降低较较直流流电力力机车车速度度有所所下降降，因因此整整流器器电力力机车车的速速度特特性曲曲线比比直流流电力力机车车速度度曲线线下降降更陡陡。3.牵牵引力力特性性机车的的牵引引力只只与牵牵引电电动机机电枢枢电流流和电电机主主极磁磁通有有关，，不受受牵引引电动动机端端电压压的直直接影影响，，所以以整流流器电电力机机车的的牵引引力特特性曲曲线与与直流流电力力机车车牵引引力特特性曲曲线相相同。。4.牵牵引特特性整流器器电力力机车车的牵牵引特特性曲曲线可可借助助磁化化曲线线，通通过速速度特特性计计算式式（1-3）和和牵引引力特特性计计算式式（1-7）计计算求求得。。5.机机车总总效率率特性性机车总总效率率与机机车速速度的的关系系称为为机车车的总总效率率特性性。根根据整整流器器电力力机车车工作作原理理，机机车能能量的的传递递经过过机车车变压压器、、整流流装置置、平平波环环节、、电－－机能能量转转换、、齿轮轮传动动等主主要部部分，，故机机车总总效率率为：：（1-9））第三节节交直交交型电电力机机车工工作原原理重点：：交直交交型电电力机机车的原理理和特性性难点：：交直交交型电电力机机车的基本特特性交直交型型电力机机车属于于交流传传动机车车。由逆逆变器供供电，机机车和动动车组采采用交流流异步电电动机做做牵引动动力。根根据变流流器结构构的不同同，目前前交（直直）交型型机车和和动车组组有电压压型、电电流型两两种基本本结构。。我们以电电压型交交直交变变流器供供电、三三相异步步电动机机作牵引引电动机机的机车车为例分分析，原原理如图图所示。。机车在工工作时，，受电弓弓将网压压引入机机车变压压器一次次侧绕组组，经变变压器二二次侧绕绕组降压压后送入入①环节节，将交交流电转转换为直直流电，，经②环环节平滑滑Ａ处脉脉动，送送入③环环节，将将直流电电逆变为为电压和和频率可可调的三三相交流流电，经经④环节节平波电电抗器，，供给⑤⑤环节三三相异步步牵引电电动机，，实现牵牵引运行行。在这这个系统统中，机机车先将将电网的的交流能能量转换换为直流流能量，，然后进进一步转转换成电电压和频频率可调调的交流流能量。。各环节节的作用用分述如如下：①环节———整流流电路基基本作用用是将交交流电转转换为直直流电。。具体电电路可以以是不可可控整流流桥、相相控整流流桥、四四象限脉脉冲变流流器。②环节———直流流环节滤滤波器基基本作用用是平滑滑Ａ处的的纹波（（脉动）），消除除或减少少谐波含含量，改改善机车车的功率率因数。。采用