電力機(jī)車工作原理

電力機(jī)車工作原理

第一節(jié)直直型電力機(jī)車工作原理

第二節(jié)交直型整流器電力機(jī)車工作原理

第三節(jié)交直交型電力機(jī)車工作原理

第一節(jié)直直型電力機(jī)車工作原理

重點(diǎn)：直流電力機(jī)車的特點(diǎn)和基本特性難點(diǎn)：直流電力機(jī)車的基本特性

一、基本工作原理

電機(jī)是進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的電磁機(jī)械設(shè)備。直流電力機(jī)車是現(xiàn)代電力機(jī)車中最為簡(jiǎn)單的一種。它使用的是直流電源和直流串勵(lì)牽引電動(dòng)機(jī)，其工作原理如圖１－１所示。目前有些工礦電力機(jī)車、地鐵電動(dòng)車組和城市無(wú)軌電車仍采用這種型式。

圖1-1直流電力機(jī)車工作原理

工作過(guò)程為：機(jī)車由受電弓從接觸網(wǎng)取得直流電，經(jīng)斷路器QD，啟動(dòng)電阻R向四臺(tái)直流牽引電動(dòng)機(jī)M1～M4供電，牽引電流經(jīng)鋼軌流回變電所。當(dāng)四臺(tái)牽引電動(dòng)機(jī)接通電源后即行旋轉(zhuǎn)，把電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，再分別通過(guò)各自的齒輪傳動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)機(jī)車動(dòng)輪牽引列車運(yùn)行。

二、直流電力機(jī)車的特點(diǎn)

１.機(jī)車結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，經(jīng)濟(jì)性好；２.采用適合于牽引的直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)，牽引性能好，調(diào)速方便；３.控制簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠；４.供電效率低。由于受牽引電動(dòng)機(jī)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(shí)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(jí)調(diào)速。由于機(jī)車使用調(diào)壓電阻進(jìn)行啟動(dòng)、調(diào)速，因此調(diào)節(jié)過(guò)程中有能量損耗使效率很低，同時(shí)也難以實(shí)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(jìn)行調(diào)速，可以對(duì)牽引電動(dòng)機(jī)端電壓進(jìn)行連續(xù)、平滑地調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。三、直流電力機(jī)車的基本特性

直流電力機(jī)車的基本特性包括機(jī)車的速度特性、牽引力特性、牽引特性。

1.速度特性

機(jī)車運(yùn)行速度與牽引電動(dòng)機(jī)電樞電流的關(guān)系，稱為機(jī)車速度特性，即V=f(Ia)。機(jī)車速度特性計(jì)算公式的推導(dǎo)過(guò)程如下：

電機(jī)轉(zhuǎn)速公式：

由以上兩式得出機(jī)車速度特性計(jì)算式：

V=2.牽引力特性

機(jī)車牽引力等于各動(dòng)輪輪周牽引力的總和，機(jī)車牽引力與牽引電動(dòng)機(jī)電樞電流的關(guān)系，稱為機(jī)車的牽引力特性，即FK=f（Ia）。機(jī)車牽引力特性計(jì)算公式推導(dǎo)如下：牽引電動(dòng)機(jī)的功率:（kW）

機(jī)車的輪周功率：

（kN）

根據(jù)功能原理：

故得出機(jī)車牽引力特性計(jì)算公式為：

或根據(jù)電動(dòng)機(jī)功率方程式：表示成：

式中：V——機(jī)車速度；M——牽引電動(dòng)機(jī)軸輸出轉(zhuǎn)矩；ηd——牽引電動(dòng)機(jī)效率；ηc——傳動(dòng)裝置效率；Ω——牽引電動(dòng)機(jī)軸速度（rad/s）;m——機(jī)車配用電動(dòng)機(jī)數(shù)目，對(duì)于個(gè)別傳動(dòng)機(jī)車為機(jī)車動(dòng)軸數(shù)；Fk——機(jī)車輪周牽引力(kN)。上式的物理含義很明顯，就是機(jī)車的牽引力與牽引電動(dòng)機(jī)軸輸出轉(zhuǎn)矩有關(guān)。實(shí)際上由于牽引電動(dòng)機(jī)特性的差異，運(yùn)用中環(huán)境條件的差異，機(jī)車每個(gè)動(dòng)輪所能發(fā)揮的牽引力是不同的，因此試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)往往低于按一臺(tái)電動(dòng)機(jī)平均計(jì)算公式計(jì)算的結(jié)果。從上面的分析我們知道，機(jī)車的速度特性和牽引力特性均是從牽引電動(dòng)機(jī)的特性歸算至輪周的特性，所以機(jī)車的速度特性曲線和牽引力特性曲線與牽引電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性曲線、轉(zhuǎn)矩特性曲線具有相同的趨勢(shì)。

3.牽引特性

機(jī)車牽引力與機(jī)車速度的關(guān)系，稱為機(jī)車的牽引特性。即FK=f(v)。機(jī)車牽引特性曲線一般由機(jī)車型式試驗(yàn)測(cè)出。或在已知機(jī)車速度特性曲線和牽引力特性曲線后，給定一電機(jī)電樞電流Ia值，求出機(jī)車牽引特性的一組FK–v值，根據(jù)不同負(fù)載下的數(shù)組FK–v值，繪出機(jī)車牽引特性曲線。

第二節(jié)交直型整流器電力機(jī)車工作原理重點(diǎn)：交直型電力機(jī)車的原理和特性難點(diǎn)：直流電力機(jī)車的基本特性

一、基本工作原理和特點(diǎn)

圖1-2整流器電力機(jī)車工作原理

圖1-2所示為整流器電力機(jī)車的兩種基本原理線路圖。單相交流電由接觸網(wǎng)通過(guò)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(diǎn)抽頭式全波整流電路電力機(jī)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(diǎn)相接，負(fù)極相互聯(lián)接在一起。牽引電動(dòng)機(jī)的一端與變壓器二次側(cè)繞組的中點(diǎn)o相接，另一端經(jīng)平波電抗器PK與整流電路的輸出端即整流元件的負(fù)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(diǎn)為高電位時(shí)，整流元件D１導(dǎo)通，電流由a點(diǎn)經(jīng)D1、平波電抗器PK、牽引電動(dòng)機(jī)M回到O點(diǎn)，構(gòu)成一閉合回路。此時(shí)，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(fù)半周b點(diǎn)為高電位時(shí)，整流元件D2導(dǎo)通，電流由b點(diǎn)經(jīng)、D2、平波電抗器PK、牽引電動(dòng)機(jī)M回到O點(diǎn)，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(fù)兩個(gè)半周內(nèi)，變壓器二次側(cè)繞組oa、ob交替流過(guò)電流而牽引電動(dòng)機(jī)Ｍ中則始終流過(guò)連續(xù)不斷的方向不變的電流，保證了直流（脈流）牽引電動(dòng)機(jī)的正常工作。

2.橋式全波整流電路電力機(jī)車工作原理

電路正常工作，當(dāng)變壓器二次側(cè)電壓正半周a點(diǎn)為高電位時(shí)，整流元件D1、D3導(dǎo)通，整流電流由繞組a點(diǎn)經(jīng)整流元件D1、平波電抗器PK、牽引電動(dòng)機(jī)Ｍ、整流元件D3回到繞組b點(diǎn)，此時(shí)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(fù)半周b點(diǎn)為高電位時(shí)，整流元件D2、D4導(dǎo)通，整流電流由b點(diǎn)經(jīng)整流元件D2、平波電抗器PK、牽引電動(dòng)機(jī)Ｍ、整流元件D4回到a點(diǎn)。此時(shí)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(fù)半周內(nèi)都有電流流過(guò)變壓器二次側(cè)繞組且方向不同，而牽引電動(dòng)機(jī)Ｍ中則始終流過(guò)方向不變的電流。

3.整流器電力機(jī)車的工作特點(diǎn)由以上分析，我們可以看出整流器電力機(jī)車有以下特點(diǎn)：

⑴整流器電力機(jī)車的變流過(guò)程是在機(jī)車內(nèi)完成的（直直型電力機(jī)車的變流過(guò)程是在牽引變電所進(jìn)行），因此整流器電力機(jī)車是一個(gè)集變壓、變流、牽引為一體的綜合裝置，不僅簡(jiǎn)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(jī)車的供電效率。

⑵由于何機(jī)車內(nèi)戴設(shè)有變偏壓器，琴調(diào)壓十槐分方便孕，牽引確電動(dòng)機(jī)籌的工作備電壓不購(gòu)再受接垃觸網(wǎng)電維壓的限蘇制，機(jī)否車就可屆以選擇侵最有利茫的工作辱電壓，矛使?fàn)恳祀妱?dòng)機(jī)恰的重量航／造價(jià)攝比降低俘，同時(shí)本工作更辰為可靠飼。⑶牽疼引電隱動(dòng)機(jī)狐采用峽適合牢牽引失的串碎勵(lì)或緣瑞復(fù)勵(lì)沙電動(dòng)被機(jī)，冶可以列獲得扁良好伐的牽滅引性之能和集啟動(dòng)趕性能累，尤馳其啟而動(dòng)時(shí)針?biāo)沙橛昧藯钫{(diào)節(jié)包整流站電壓跡的方弦式，駕省略是了啟社動(dòng)電加阻，趙不僅稻減輕就了電鄉(xiāng)豐氣設(shè)樂(lè)備的堪重量佩、降斃低了諒啟動(dòng)碎能耗抄，而倘且改誕善了斤電力慘機(jī)車映的啟引動(dòng)性遠(yuǎn)能，跨提高引了機(jī)廣車的竄運(yùn)行源可靠脹性。但是樂(lè)，由養(yǎng)于整舅流器昨電力糖機(jī)車誼采用豎單相丘50hz整流，火其輸出膛電壓有信很大脈吸動(dòng)，因吳而流過(guò)決牽引電召動(dòng)機(jī)的充電流也針有較大畜脈動(dòng)。私脈動(dòng)電總流不僅紗使?fàn)恳耠姍C(jī)的飽損耗增毯加，而躁且使?fàn)靠鹨姍C(jī)略的換向沒(méi)惡化，欺因此在倡整流器手電力機(jī)航車上需移要裝設(shè)狂平波電帶抗器PK和固祝定磁砌場(chǎng)分腹路電蠟阻R0以限叼制電珠流的關(guān)脈動(dòng)換，改鏟善電猜動(dòng)機(jī)鉛的工脫作條藏件。丙同時(shí)丈，在澆牽引決電動(dòng)蜜機(jī)的爽結(jié)構(gòu)旦上亦用作了企特殊研設(shè)計(jì)彼。二、讓整流猶器電罵力機(jī)夾車的摔基本錢特性1.整記流外特室性整流器枕電力機(jī)勒車的牽嬌引電動(dòng)仗機(jī)由接閃觸網(wǎng)取踢得電能絹，需經(jīng)喘牽引變鐵壓器降屯壓和整濫流裝置烤整流這據(jù)樣一個(gè)腎過(guò)程，涌因而牽惰引電動(dòng)屯機(jī)的端鑄電壓將正受到變餡壓器和統(tǒng)整流電誓路的影蘿響，這獄些影響盛包括：⑴整缸流回漁路電然阻引桑起的作壓降⑵整流址回路阻拐抗引起鼻的壓降⑶整狀流電敗路換企相引麥起的霉平均袖整流飽輸出庸電壓劉降低渴。⑷整流貪元件的康電壓降喪。2.秘速度聰特性對(duì)應(yīng)于奸同樣的次電機(jī)電靠樞電流凡，整流冶器電力阻機(jī)車的他速度因銳電機(jī)端應(yīng)電壓的扛降低較汽直流電渠力機(jī)車桿速度有尾所下降尋，因此幸整流器劇電力機(jī)斜車的速識(shí)度特性賞曲線比傳直流電增力機(jī)車?yán)λ俣惹ゾ€下降杜更陡。3.牽耕引力特扇性機(jī)車的中牽引力飄只與牽鴿引電動(dòng)卸機(jī)電樞沒(méi)電流和易電機(jī)主像極磁通傻有關(guān)，雙不受牽予引電動(dòng)猛機(jī)端電巡壽壓的直卵接影響熱，所以耽整流器獎(jiǎng)電力機(jī)憶車的牽姑引力特臂性曲線踢與直流僅電力機(jī)捏車牽引評(píng)力特性贊曲線相時(shí)同。4.牽螞引特性整流器晚電力機(jī)萌車的牽則引特性捷曲線可祖借助磁墨化曲線銅，通過(guò)圖速度特緣瑞性計(jì)算抗式（1砌-3）愈和牽引佩力特性靜計(jì)算式鋪（1-屠7）計(jì)綠算求得蘆。5.機(jī)門車總效畝率特性機(jī)車總麥效率與趨機(jī)車速抵度的關(guān)然系稱為膜機(jī)車的趁總效率脅特性。際根據(jù)整貨流器電帝力機(jī)車釀工作原壯理，機(jī)獨(dú)車能量伙的傳遞伙經(jīng)過(guò)機(jī)儀車變壓落器、整韻流裝置濫、平波復(fù)環(huán)節(jié)、憲電－機(jī)團(tuán)能量轉(zhuǎn)鏈換、齒土輪傳動(dòng)攏等主要制部分，曬故機(jī)車愚總效率膜為：（1旨-9忘）第三柔節(jié)交直交東型電力丘機(jī)車工棵作原理重點(diǎn)：交直盟交型壁電力漂機(jī)車的原仔理和特性難點(diǎn)峰：交直居交型諷電力肉機(jī)車的基本評(píng)特性交直列交型慢電力手機(jī)車倒屬于恥交流悶傳動(dòng)爹機(jī)車歸。由嘴逆變從器供很電，談機(jī)車兼和動(dòng)嚇車組額采用湯交流侮異步柏電動(dòng)騙機(jī)做探牽引屆動(dòng)力彎。根醋據(jù)變削流器濃結(jié)構(gòu)假的不朵同，童目前垃交（鄉(xiāng)豐直）持交型揉機(jī)車佳和動(dòng)旅車組政有電展壓型睛、電橡流型楊兩種嘗基本袍結(jié)構(gòu)凍。我們征以電咐壓型碌交直聞交變騰流器躍供電些、三扮相異日步電憐動(dòng)機(jī)付作牽驚引電昂動(dòng)機(jī)右的機(jī)嚇車為捧例分茂析，醉原理齒如圖冰所示勸。機(jī)車在酬工作時(shí)茅，受電再弓將網(wǎng)智壓引入形機(jī)車變遲壓器一蝕次側(cè)繞不組，經(jīng)斗變壓器呆二次側(cè)睡繞組降根壓后送階入①環(huán)爛節(jié)，將映交流電獸轉(zhuǎn)換為掩直流電芽，經(jīng)②圾環(huán)節(jié)平煉滑Ａ處眼脈動(dòng)，齊送入③錄環(huán)節(jié)，達(dá)將直流兵電逆變疫為電壓該和頻率虧可調(diào)的贏三相交甲流電，廟經(jīng)④環(huán)供節(jié)平波資電抗器魔，供給習(xí)⑤環(huán)節(jié)棄三相異蜂步牽引概電動(dòng)機(jī)效，實(shí)現(xiàn)停牽引運(yùn)病行。在緊這個(gè)系停統(tǒng)中，掏機(jī)車先合將電網(wǎng)搶的交流南能量轉(zhuǎn)尼換為直罪流能量綢，然后業(yè)進(jìn)一步褲轉(zhuǎn)換成繳電壓和威頻率可有調(diào)的交探流能量摧。各環(huán)警節(jié)的作娃用分述探如下：①環(huán)節(jié)斑——整祝流電路累基本作塑用是將際交流電趨轉(zhuǎn)換為智直流電唱。具體紹電路可拉以是不添可控整證流橋、賠相控整特流橋、窗四象限市脈沖變農(nóng)流器。②環(huán)偉節(jié)—拜—直葉流環(huán)留節(jié)濾幼波器懸基本阿作用災(zāi)是平切滑Ａ噴處的豪紋波易（脈悼動(dòng)）位，消籌除或完減少趕諧波券含量繁，改誰(shuí)善機(jī)植車的賠功率購(gòu)因數(shù)蓮。采摧用不成同的火整流庭電路淚，其擱濾波身電路既也不恒同，吳功能齒有所奏差別刺。③環(huán)節(jié)渴——逆膚變器用慶于將直縱流電轉(zhuǎn)買換為三移相交流露電，同縱時(shí)具有割較寬的獅調(diào)頻范猴圍和調(diào)劑壓范圍濃，一般褲采用正將弦波脈嶼寬調(diào)制級(jí)（PW輝M）技術(shù)。短或采用