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

重點：直流電力機車的特點和基本特性難點：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１－１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M1～M4供電，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

１.機車結(jié)構(gòu)簡單，造價低，經(jīng)濟性好；２.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；３.控制簡單，運行可靠；４.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。

５.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。６.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：

電機轉(zhuǎn)速公式：

由以上兩式得出機車速度特性計算式：

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：

故得出機車車牽引力特特性計算公公式為：或根據(jù)電動動機功率方方程式：表示成：式中：V——機車速度；；M——牽引電動機機軸輸出轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩；ηd——牽引電動機機效率；ηc——傳動裝置效效率；Ω——牽引電動機機軸速度（（rad/s）;m——機車配用電電動機數(shù)目目，對于個個別傳動機機車為機車車動軸數(shù)；；Fk——機車輪周牽牽引力(kN)。上式的物理理含義很明明顯，就是是機車的牽牽引力與牽牽引電動機機軸輸出轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩有關(guān)。。實際上由由于牽引電電動機特性性的差異，，運用中環(huán)環(huán)境條件的的差異，機機車每個動動輪所能發(fā)發(fā)揮的牽引引力是不同同的，因此此試驗測得得的數(shù)據(jù)往往往低于按按一臺電動動機平均計計算公式計計算的結(jié)果果。從上面的分分析我們知知道，機車車的速度特特性和牽引引力特性均均是從牽引引電動機的的特性歸算算至輪周的的特性，所所以機車的的速度特性性曲線和牽牽引力特性性曲線與牽牽引電動機機的轉(zhuǎn)速特特性曲線、、轉(zhuǎn)矩特性性曲線具有有相同的趨趨勢。3.牽引特特性機車牽引力力與機車速速度的關(guān)系系，稱為機機車的牽引引特性。即即FK=f(v)。機車牽引特特性曲線一一般由機車車型式試驗驗測出?；蚧蛟谝阎獧C機車速度特特性曲線和和牽引力特特性曲線后后，給定一一電機電樞樞電流Ia值，求出機機車牽引特特性的一組組FK–v值，根據(jù)不同同負載下的的數(shù)組FK–v值，繪出機機車牽引特特性曲線。。第二節(jié)交直型整流流器電力機機車工作原原理重點：交直型電力力機車的原理和特性難點：直流電力機機車的基本本特性一、基本工工作原理和和特點圖1-2整流器電力力機車工作作原理圖1-2所所示為整流流器電力機機車的兩種種基本原理理線路圖。。單相交流流電由接觸觸網(wǎng)通過受受電弓引入入牽引變壓壓器的高壓壓繞組，再再經(jīng)鋼軌接接地。1.中點抽抽頭式全波波整流電路路電力機車車工作原理理在圖1-2（a）中牽引變壓壓器二次側(cè)側(cè)繞組分成成oa、ob兩段，兩段段電壓大小小相等、方方向相反。。整流元件件D1、D2的正極分別別與二次側(cè)側(cè)繞組的a、b點相接，負負極相互聯(lián)聯(lián)接在一起起。牽引電電動機的一一端與變壓壓器二次側(cè)側(cè)繞組的中中點o相接，另一一端經(jīng)平波波電抗器PK與整流電路路的輸出端端即整流元元件的負極極相接。電路正常工工作，當(dāng)變變壓器二次次側(cè)電壓正正半周a點為高電位位時，整流流元件D１導(dǎo)通，電流流由a點經(jīng)D1、平波電抗器器PK、牽引電動機機M回到O點，構(gòu)成一一閉合回路路。此時，，整流元件件D2因承受反向向電壓而截截止。當(dāng)變變壓器二次次側(cè)電壓負負半周b點為高電位位時，整流流元件D2導(dǎo)通，電流流由b點經(jīng)、D2、平波電抗器器PK、牽引電動機機M回到O點，也構(gòu)成成一閉合回回路。D1因承受反向向電壓而截截止。由此此可知，在在交流電壓壓的正負兩兩個半周內(nèi)內(nèi)，變壓器器二次側(cè)繞繞組oa、ob交替流過電電流而牽引引電動機ＭＭ中則始終終流過連續(xù)續(xù)不斷的方方向不變的的電流，保保證了直流流（脈流））牽引電動動機的正常常工作。2.橋式全全波整流電電路電力機機車工作原原理電路正常工工作，當(dāng)變變壓器二次次側(cè)電壓正正半周a點為高電位位時，整流流元件D1、D3導(dǎo)通，整流流電流由繞繞組a點經(jīng)整流元元件D1、平波電抗器器PK、牽引電動機機Ｍ、整流流元件D3回到繞組b點，此時整整流元件D2、D4承受反向電電壓而截止止。在變壓壓器二次側(cè)側(cè)電壓負半半周b點為高電位位時，整流流元件D2、D4導(dǎo)通，整流流電流由b點經(jīng)整流元元件D2、平波電抗器器PK、牽引電動機Ｍ、、整流元件D4回到a點。此時整流元元件D1、D3因承受向電反壓壓而截止。由此此可見，在交流流電壓的正、負負半周內(nèi)都有電電流流過變壓器器二次側(cè)繞組且且方向不同，而而牽引電動機ＭＭ中則始終流過過方向不變的電電流。3.整流器電力力機車的工作特特點由以上分析，我我們可以看出整整流器電力機車車有以下特點：：⑴整流器電力機機車的變流過程程是在機車內(nèi)完完成的（直直型型電力機車的變變流過程是在牽牽引變電所進行行），因此整流流器電力機車是是一個集變壓、、變流、牽引為為一體的綜合裝裝置，不僅簡化化了電氣化牽引引的供電設(shè)備，，而且由于采用用交流電網(wǎng)供電電，提高了接觸觸網(wǎng)的供電電壓壓，使一定功率率的電能得以采采用小電流輸送送，既可減小接接觸網(wǎng)導(dǎo)線的截截面，節(jié)省有色色金屬用量，也也可減少電能損損耗，提高電力力機車的供電效效率。⑵由于機車內(nèi)設(shè)設(shè)有變壓器，調(diào)調(diào)壓十分方便，，牽引電動機的的工作電壓不再再受接觸網(wǎng)電壓壓的限制，機車車就可以選擇最最有利的工作電電壓，使?fàn)恳婋妱訖C的重量／／造價比降低，，同時工作更為為可靠。⑶牽引電動機采采用適合牽引的的串勵或復(fù)勵電電動機，可以獲獲得良好的牽引引性能和啟動性性能，尤其啟動動時它采用了調(diào)調(diào)節(jié)整流電壓的的方式，省略了了啟動電阻，不不僅減輕了電氣氣設(shè)備的重量、、降低了啟動能能耗，而且改善善了電力機車的的啟動性能，提提高了機車的運運行可靠性。但是，由于整流流器電力機車采采用單相50hz整流，其輸出電電壓有很大脈動動，因而流過牽牽引電動機的電電流也有較大脈脈動。脈動電流流不僅使?fàn)恳婋姍C的損耗增加加，而且使?fàn)恳姍C的換向惡惡化，因此在整整流器電力機車車上需要裝設(shè)平平波電抗器PK和固定磁場分路路電阻R0以限制電流的脈脈動，改善電動動機的工作條件件。同時，在牽牽引電動機的結(jié)結(jié)構(gòu)上亦作了特特殊設(shè)計。二、整流器電力力機車的基本特特性1.整流外特性性整流器電力機車車的牽引電動機機由接觸網(wǎng)取得得電能，需經(jīng)牽牽引變壓器降壓壓和整流裝置整整流這樣一個過過程，因而牽引引電動機的端電電壓將受到變壓壓器和整流電路路的影響，這些些影響包括：⑴整流回路電阻阻引起的壓降⑵整流回路阻抗抗引起的壓降⑶整流電路換相相引起的平均整整流輸出電壓降降低。⑷整流元件的電電壓降。2.速度特性對應(yīng)于同樣的電電機電樞電流，，整流器電力機機車的速度因電電機端電壓的降降低較直流電力力機車速度有所所下降，因此整整流器電力機車車的速度特性曲曲線比直流電力力機車速度曲線線下降更陡。3.牽引力特性性機車的牽引力只只與牽引電動機機電樞電流和電電機主極磁通有有關(guān)，不受牽引引電動機端電壓壓的直接影響，，所以整流器電電力機車的牽引引力特性曲線與與直流電力機車車牽引力特性曲曲線相同。4.牽引特性整流器電力機車的的牽引特性曲線可可借助磁化曲線，，通過速度特性計計算式（1-3））和牽引力特性計計算式（1-7））計算求得。5.機車總效率特特性機車總效率與機車車速度的關(guān)系稱為為機車的總效率特特性。根據(jù)整流器器電力機車工作原原理，機車能量的的傳遞經(jīng)過機車變變壓器、整流裝置置、平波環(huán)節(jié)、電電－機能量轉(zhuǎn)換、、齒輪傳動等主要要部分，故機車總總效率為：（1-9）第三節(jié)交直交型電力機車車工作原理重點：交直交型電力機車車的原理和特性難點：交直交型電力機車車的基本特性交直交型電力機車車屬于交流傳動機機車。由逆變器供供電，機車和動車車組采用交流異步步電動機做牽引動動力。根據(jù)變流器器結(jié)構(gòu)的不同，目目前交（直）交型型機車和動車組有有電壓型、電流型型兩種基本結(jié)構(gòu)。。我們以電壓型交直直交變流器供電、、三相異步電動機機作牽引電動機的的機車為例分析，，原理如圖所示。。機車在工作時，受受電弓將網(wǎng)壓引入入機車變壓器一次次側(cè)繞組，經(jīng)變壓壓器二次側(cè)繞組降降壓后送入①環(huán)節(jié)節(jié)，將交流電轉(zhuǎn)換換為直流電，經(jīng)②②環(huán)節(jié)平滑Ａ處脈脈動，送入③環(huán)節(jié)節(jié)，將直流電逆變變?yōu)殡妷汉皖l率可可調(diào)的三相交流電電，經(jīng)④環(huán)節(jié)平波波電抗器，供給⑤⑤環(huán)節(jié)三相異步牽牽引電動機，實現(xiàn)現(xiàn)牽引運行。在這這個系統(tǒng)中，機車車先將電網(wǎng)的交流流能量轉(zhuǎn)換為直流流能量，然后進一一步轉(zhuǎn)換成電壓和和頻率可調(diào)的交流流能量。各環(huán)節(jié)的的作用分述如下：：①環(huán)節(jié)——整流電電路基本作用是將將交流電轉(zhuǎn)換為直直流電。具體電路路可以是不可控整整流橋、相控整流流橋、四象限脈沖沖變流器。②環(huán)節(jié)——直