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；ηd——牵引电动机效率；ηc——传动装置效率；Ω——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D１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Ｍ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Ｍ、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Ｍ、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Ｍ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：

⑴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。

⑵由于何机车内戴设有变偏压器，琴调压十槐分方便孕，牵引确电动机筹的工作备电压不购再受接垃触网电维压的限苏制，机否车就可届以选择侵最有利茫的工作辱电压，矛使牵引徐电动机恰的重量航／造价摄比降低俘，同时本工作更辰为可靠饲。⑶牵疼引电隐动机狐采用峡适合牢牵引失的串碎励或缘瑞复励沙电动被机，冶可以列获得扁良好伐的牵灭引性之能和集启动赶性能累，尤驰其启而动时针它采抽用了杨调节包整流站电压迹的方弦式，驾省略是了启社动电加阻，赵不仅稻减轻就了电乡丰气设乐备的堪重量佩、降毙低了谅启动碎能耗抄，而倘且改诞善了斤电力惨机车映的启引动性远能，跨提高引了机广车的窜运行源可靠胀性。但是乐，由养于整舅流器昨电力糖机车谊采用竖单相丘50hz整流，火其输出膛电压有信很大脉吸动，因吴而流过决牵引电召动机的充电流也针有较大畜脉动。私脉动电总流不仅纱使牵引竹电机的饱损耗增毯加，而躁且使牵筐引电机略的换向没恶化，欺因此在倡整流器手电力机航车上需移要装设狂平波电带抗器PK和固祝定磁砌场分腹路电蜡阻R0以限叼制电珠流的关脉动换，改铲善电猜动机铅的工脱作条藏件。丙同时丈，在浇牵引决电动蜜机的爽结构旦上亦用作了企特殊研设计彼。二、让整流犹器电骂力机夹车的摔基本钱特性1.整记流外特室性整流器枕电力机勒车的牵娇引电动仗机由接闪触网取踢得电能绢，需经喘牵引变铁压器降屯压和整滥流装置烤整流这据样一个肾过程，涌因而牵惰引电动屯机的端铸电压将正受到变馅压器和统整流电誓路的影萝响，这狱些影响盛包括：⑴整缸流回渔路电然阻引桑起的作压降⑵整流址回路阻拐抗引起鼻的压降⑶整状流电败路换企相引麦起的霉平均袖整流饱输出庸电压刘降低渴。⑷整流贪元件的康电压降丧。2.秘速度聪特性对应于奸同样的次电机电靠枢电流凡，整流冶器电力阻机车的他速度因锐电机端应电压的扛降低较汽直流电渠力机车杆速度有尾所下降寻，因此幸整流器剧电力机斜车的速识度特性赏曲线比传直流电增力机车捆速度曲去线下降杜更陡。3.牵耕引力特扇性机车的中牵引力飘只与牵鸽引电动卸机电枢没电流和易电机主像极磁通傻有关，双不受牵予引电动猛机端电巡寿压的直卵接影响热，所以耽整流器奖电力机忆车的牵姑引力特臂性曲线踢与直流仅电力机捏车牵引评力特性赞曲线相时同。4.牵蚂引特性整流器晚电力机萌车的牵则引特性捷曲线可祖借助磁墨化曲线铜，通过图速度特缘瑞性计算抗式（1砌-3）愈和牵引佩力特性静计算式铺（1-屠7）计绿算求得芦。5.机门车总效亩率特性机车总麦效率与趋机车速抵度的关然系称为膜机车的趁总效率胁特性。际根据整货流器电帝力机车酿工作原壮理，机独车能量伙的传递伙经过机仪车变压落器、整韵流装置滥、平波复环节、宪电－机团能量转链换、齿土轮传动拢等主要制部分，晒故机车愚总效率膜为：（1旨-9忘）第三柔节交直交东型电力丘机车工棵作原理重点：交直盟交型壁电力漂机车的原仔理和特性难点峰：交直居交型讽电力肉机车的基本评特性交直列交型慢电力手机车倒属于耻交流闷传动爹机车归。由嘴逆变从器供很电，谈机车兼和动吓车组额采用汤交流侮异步柏电动骗机做探牵引届动力弯。根醋据变削流器浓结构假的不朵同，童目前垃交（乡丰直）持交型揉机车佳和动旅车组政有电展压型睛、电橡流型杨两种尝基本袍结构冻。我们征以电咐压型碌交直闻交变腾流器跃供电些、三扮相异日步电怜动机付作牵惊引电昂动机右的机吓车为捧例分茂析，醉原理齿如图冰所示劝。机车在酬工作时茅，受电再弓将网智压引入形机车变迟压器一蚀次侧绕不组，经斗变压器呆二次侧睡绕组降根压后送阶入①环烂节，将映交流电兽转换为掩直流电芽，经②圾环节平炼滑Ａ处眼脉动，齐送入③录环节，达将直流兵电逆变疫为电压该和频率亏可调的赢三相交甲流电，庙经④环供节平波资电抗器魔，供给习⑤环节弃三相异蜂步牵引概电动机效，实现停牵引运病行。在紧这个系停统中，掏机车先合将电网抢的交流南能量转尼换为直罪流能量绸，然后业进一步裤转换成缴电压和威频率可有调的交探流能量摧。各环警节的作娃用分述探如下：①环节斑——整祝流电路累基本作塑用是将际交流电趋转换为智直流电唱。具体绍电路可拉以是不添可控整证流桥、赔相控整特流桥、窗四象限市脉冲变农流器。②环伟节—拜—直叶流环留节滤幼波器悬基本阿作用灾是平切滑Ａ喷处的豪纹波易（脉悼动）位，消筹除或完减少赶谐波券含量繁，改谁善机植车的赔功率购因数莲。采摧用不成同的火整流庭电路泪，其搁滤波身电路既也不恒同，吴功能齿有所奏差别刺。③环节渴——逆肤变器用庆于将直纵流电转买换为三移相交流露电，同纵时具有割较宽的狮调频范猴围和调剂压范围浓，一般裤采用正将弦波脉屿宽调制级（PW辉M）技术。短或采用