1、 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 n重點：n直流電力機車的特點和基本特性n難點：n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M1M4供電

2、，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 .機車結(jié)構(gòu)簡單，造價低，經(jīng)濟性好；.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；.控制簡單，運行可靠；.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。 .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。.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

3、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： nDVC60電機轉(zhuǎn)速公式： cIUeaDRn由以上兩式得出機車速度特性計算式： vDeCDcCRIUCRIUDa100060 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

4、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： daDIUp1000 VFPkj CjmPP故得出機車牽引力特性計算公式為： 1000mFkCdaDVIU 或根據(jù)電動機功率方程式：表示成： MIEIUaddaDMDmCCkF10002式中：V機車速度；M牽引電動機軸輸出轉(zhuǎn)矩；d牽引電動機效率；c傳動裝置效率；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

5、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。或在已知機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FKv值，根據(jù)不同負載下的數(shù)組FKv值，繪出機車牽引特性曲線。

6、第二節(jié) 交直型整流器電力機車工作原理交直型整流器電力機車工作原理n重點：n交直型電力機車的原理和特性n難點：n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

7、輸出端即整流元件的負極相接。 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D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

8、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、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、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： 整流器電力機車的變流過程是在

9、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。 由于機車內(nèi)設(shè)有變壓器，調(diào)壓十分方便，牽引電動機的工作電壓不再受接觸網(wǎng)電壓的限制，機車就可以選擇最有利的工作電壓，使牽引電動機的重量造價比降低，同時工作更為可靠。 牽引電動機采用適合牽引的串勵或復(fù)勵電動機，可以獲得良好的牽引性能和啟動性能，尤其啟動時它采用了調(diào)節(jié)整流電壓的方式

10、，省略了啟動電阻，不僅減輕了電氣設(shè)備的重量、降低了啟動能耗，而且改善了電力機車的啟動性能，提高了機車的運行可靠性。 但是，由于整流器電力機車采用單相50hz整流，其輸出電壓有很大脈動，因而流過牽引電動機的電流也有較大脈動。脈動電流不僅使牽引電機的損耗增加，而且使牽引電機的換向惡化，因此在整流器電力機車上需要裝設(shè)平波電抗器PK和固定磁場分路電阻R0以限制電流的脈動，改善電動機的工作條件。同時，在牽引電動機的結(jié)構(gòu)上亦作了特殊設(shè)計。 二、整流器電力機車的基本特性 1.整流外特性 整流器電力機車的牽引電動機由接觸網(wǎng)取得電能，需經(jīng)牽引變壓器降壓和整流裝置整流這樣一個過程，因而牽引電動機的端電壓將受到變壓

11、器和整流電路的影響，這些影響包括： 整流回路電阻引起的壓降 整流回路阻抗引起的壓降 整流電路換相引起的平均整流輸出電壓降低。 整流元件的電壓降。 2.速度特性 對應(yīng)于同樣的電機電樞電流，整流器電力機車的速度因電機端電壓的降低較直流電力機車速度有所下降，因此整流器電力機車的速度特性曲線比直流電力機車速度曲線下降更陡。 3.牽引力特性 機車的牽引力只與牽引電動機電樞電流和電機主極磁通有關(guān)，不受牽引電動機端電壓的直接影響，所以整流器電力機車的牽引力特性曲線與直流電力機車牽引力特性曲線相同。4.牽引特性 整流器電力機車的牽引特性曲線可借助磁化曲線，通過速度特性計算式（1-3）和牽引力特性計算式（1-7

12、）計算求得。 5.機車總效率特性 機車總效率與機車速度的關(guān)系稱為機車的總效率特性。根據(jù)整流器電力機車工作原理，機車能量的傳遞經(jīng)過機車變壓器、整流裝置、平波環(huán)節(jié)、電機能量轉(zhuǎn)換、齒輪傳動等主要部分，故機車總效率為： ppj1 （1-9） 第三節(jié) 交直交型電力機車工作原理交直交型電力機車工作原理 n重點：n交直交型電力機車的原理和特性n難點：n交直交型電力機車的基本特性 交直交型電力機車屬于交流傳動機車。由逆變器供電，機車和動車組采用交流異步電動機做牽引動力。根據(jù)變流器結(jié)構(gòu)的不同，目前交（直）交型機車和動車組有電壓型、電流型兩種基本結(jié)構(gòu)。我們以電壓型交直交變流器供電、三相異步電動機作牽引電動機的機車

13、為例分析，原理如圖所示。 機車在工作時，受電弓將網(wǎng)壓引入機車變壓器一次側(cè)繞組，經(jīng)變壓器二次側(cè)繞組降壓后送入環(huán)節(jié)，將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，經(jīng)環(huán)節(jié)平滑處脈動，送入環(huán)節(jié)，將直流電逆變?yōu)殡妷汉皖l率可調(diào)的三相交流電，經(jīng)環(huán)節(jié)平波電抗器，供給環(huán)節(jié)三相異步牽引電動機，實現(xiàn)牽引運行。在這個系統(tǒng)中，機車先將電網(wǎng)的交流能量轉(zhuǎn)換為直流能量，然后進一步轉(zhuǎn)換成電壓和頻率可調(diào)的交流能量。各環(huán)節(jié)的作用分述如下： 環(huán)節(jié)整流電路基本作用是將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。具體電路可以是不可控整流橋、相控整流橋、四象限脈沖變流器。 環(huán)節(jié)直流環(huán)節(jié)濾波器基本作用是平滑處的紋波（脈動），消除或減少諧波含量，改善機車的功率因數(shù)。采用不同的整流電路，其濾波電路也不同，功能有所差別。 環(huán)節(jié)逆變器用于將直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電，同時具有較寬的調(diào)頻范圍和調(diào)壓范圍，一般采用正弦波脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)?；虿捎秒妷合嗔浚╒VCPWM）控制技術(shù)，減少網(wǎng)壓波動的影響。 環(huán)節(jié)電抗器，有三大作用。降低電機、電纜中的高頻成分，控制噪聲的傳播，抑制電機啟動過程中的諧波分量；保證頻繁斷開電機電路時不損