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：

故得出机车车牵引力特特性计算公公式为：或根据电动动机功率方方程式：表示成：式中：V——机车速度；；M——牵引电动机机轴输出转转矩；ηd——牵引电动机机效率；ηc——传动装置效效率；Ω——牵引电动机机轴速度（（rad/s）;m——机车配用电电动机数目目，对于个个别传动机机车为机车车动轴数；；Fk——机车轮周牵牵引力(kN)。上式的物理理含义很明明显，就是是机车的牵牵引力与牵牵引电动机机轴输出转转矩有关。。实际上由由于牵引电电动机特性性的差异，，运用中环环境条件的的差异，机机车每个动动轮所能发发挥的牵引引力是不同同的，因此此试验测得得的数据往往往低于按按一台电动动机平均计计算公式计计算的结果果。从上面的分分析我们知知道，机车车的速度特特性和牵引引力特性均均是从牵引引电动机的的特性归算算至轮周的的特性，所所以机车的的速度特性性曲线和牵牵引力特性性曲线与牵牵引电动机机的转速特特性曲线、、转矩特性性曲线具有有相同的趋趋势。3.牵引特特性机车牵引力力与机车速速度的关系系，称为机机车的牵引引特性。即即FK=f(v)。机车牵引特特性曲线一一般由机车车型式试验验测出。或或在已知机机车速度特特性曲线和和牵引力特特性曲线后后，给定一一电机电枢枢电流Ia值，求出机机车牵引特特性的一组组FK–v值，根据不同同负载下的的数组FK–v值，绘出机机车牵引特特性曲线。。第二节交直型整流流器电力机机车工作原原理重点：交直型电力力机车的原理和特性难点：直流电力机机车的基本本特性一、基本工工作原理和和特点图1-2整流器电力力机车工作作原理图1-2所所示为整流流器电力机机车的两种种基本原理理线路图。。单相交流流电由接触触网通过受受电弓引入入牵引变压压器的高压压绕组，再再经钢轨接接地。1.中点抽抽头式全波波整流电路路电力机车车工作原理理在图1-2（a）中牵引变压压器二次侧侧绕组分成成oa、ob两段，两段段电压大小小相等、方方向相反。。整流元件件D1、D2的正极分别别与二次侧侧绕组的a、b点相接，负负极相互联联接在一起起。牵引电电动机的一一端与变压压器二次侧侧绕组的中中点o相接，另一一端经平波波电抗器PK与整流电路路的输出端端即整流元元件的负极极相接。电路正常工工作，当变变压器二次次侧电压正正半周a点为高电位位时，整流流元件D１导通，电流流由a点经D1、平波电抗器器PK、牵引电动机机M回到O点，构成一一闭合回路路。此时，，整流元件件D2因承受反向向电压而截截止。当变变压器二次次侧电压负负半周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.桥式全全波整流电电路电力机机车工作原原理电路正常工工作，当变变压器二次次侧电压正正半周a点为高电位位时，整流流元件D1、D3导通，整流流电流由绕绕组a点经整流元元件D1、平波电抗器器PK、牵引电动机机Ｍ、整流流元件D3回到绕组b点，此时整整流元件D2、D4承受反向电电压而截止止。在变压压器二次侧侧电压负半半周b点为高电位位时，整流流元件D2、D4导通，整流流电流由b点经整流元元件D2、平波电抗器器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，由于整流流器电力机车采采用单相50hz整流，其输出电电压有很大脉动动，因而流过牵牵引电动机的电电流也有较大脉脉动。脉动电流流不仅使牵引电电机的损耗增加加，而且使牵引引电机的换向恶恶化，因此在整整流器电力机车车上需要装设平平波电抗器PK和固定磁场分路路电阻R0以限制电流的脉脉动，改善电动动机的工作条件件。同时，在牵牵引电动机的结结构上亦作了特特殊设计。二、整流器电力力机车的基本特特性1.整流外特性性整流器电力机车车的牵引电动机机由接触网取得得电能，需经牵牵引变压器降压压和整流装置整整流这样一个过过程，因而牵引引电动机的端电电压将受到变压压器和整流电路路的影响，这些些影响包括：⑴整流回路电阻阻引起的压降⑵整流回路阻抗抗引起的压降⑶整流电路换相相引起的平均整整流输出电压降降低。⑷整流元件的电电压降。2.速度特性对应于同样的电电机电枢电流，，整流器电力机机车的速度因电电机端电压的降降低较直流电力力机车速度有所所下降，因此整整流器电力机车车的速度特性曲曲线比直流电力力机车速度曲线线下降更陡。3.牵引力特性性机车的牵引力只只与牵引电动机机电枢电流和电电机主极磁通有有关，不受牵引引电动机端电压压的直接影响，，所以整流器电电力机车的牵引引力特性曲线与与直流电力机车车牵引力特性曲曲线相同。4.牵引特性整流器电力机车的的牵引特性曲线可可借助磁化曲线，，通过速度特性计计算式（1-3））和牵引力特性计计算式（1-7））计算求得。5.机车总效率特特性机车总效率与机车车速度的关系称为为机车的总效率特特性。根据整流器器电力机车工作原原理，机车能量的的传递经过机车变变压器、整流装置置、平波环节、电电－机能量转换、、齿轮传动等主要要部分，故机车总总效率为：（1-9）第三节交直交型电力机车车工作原理重点：交直交型电力机车车的原理和特性难点：交直交型电力机车车的基本特性交直交型电力机车车属于交流传动机机车。由逆变器供供电，机车和动车车组采用交流异步步电动机做牵引动动力。根据变流器器结构的不同，目目前交（直）交型型机车和动车组有有电压型、电流型型两种基本结构。。我们以电压型交直直交变流器供电、、三相异步电动机机作牵引电动机的的机车为例分析，，原理如图所示。。机车在工作时，受受电弓将网压引入入机车变压器一次次侧绕组，经变压压器二次侧绕组降降压后送入①环节节，将交流电转换换为直流电，经②②环节平滑Ａ处脉脉动，送入③环节节，将直流电逆变变为电压和频率可可调的三相交流电电，经④环节平波波电抗器，供给⑤⑤环节三相异步牵牵引电动机，实现现牵引运行。在这这个系统中，机车车先将电网的交流流能量转换为直流流能量，然后进一一步转换成电压和和频率可调的交流流能量。各环节的的作用分述如下：：①环节——整流电电路基本作用是将将交流电转换为直直流电。具体电路路可以是不可控整整流桥、相控整流流桥、四象限脉冲冲变流器。②环节——直