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1、第 1 节 直直型电力机车工作原理一、基本工作原理直直型电力机车通常称为直流电力机车，是现代电力机车最为简单的一种。它使用的是直流电源和直流串励牵引电动机。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 所示为一般工矿用四轴直流电力机车的工作原理示意图。工作过程为：机车由受电弓 AP 从接触网取得直流电，经断路器 QF、起动电阻 R 向四台直流牵引电动机 M1M4 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。图 1-1直流电力机车工作原理图二、直流电力机车的特点通过分
2、析直流电力机车的工作原理，可以得出直流电力机车具有以下特点：(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15003000V。传输一定功率时电流较大，接触网导线耗电量较大，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)有级调速。由于早期机车使用调压电阻起动、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，应用直流斩波技术进行调速，可以对牵引
3、电动机端电压进行连续、平滑地调节，从而实现无级调速。综上所述，直流电力机车由于受牵引电动机端电压的限制，网压不可能太高，从而限制了机车功率的进一步提高。随着现代铁路运输事业的发展，直流电力机车显然已不适应干线大功率的要求。一般应用于工矿及城市交通运输。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。在以前的课程中，我们已经了解了直流串励电动机的转速特性、转矩特性和效率特性。在研究电力机车的运行行为时，需将电机的转速 n 换算为机车动轮轮周的线速度 V、电机的转矩 M 换算为机车动轮轮周的牵引力 F，从而得到机车的速度特性、牵引力特性和牵引特性。1.速度
4、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(I a)。机车速度特性计算公式的推导过程如下：机车动轮轮周线速度 V 与电机转速 n 有下面关系：(1-1)电机转速公式：(1-2)由式(1-1)、式(1-2)得出机车速度特性计算式：(1-3)式中 CV机车常数，其值为 CV=60 Cec /D;D机车动轮直径(m);c机车齿轮传动比;UD牵引电动机端电压(V);Ia牵引电动机电枢电流(A);R牵引电动机回路总电阻();牵引电动机每极磁通量(Wb);Ce牵引电动机结构常数，其值为 Ce =PN/60a(a 为电枢绕组并联支路数)。从推导结果来看，机车速度特性曲线与牵引电动
5、机的转速特性曲线形状相似，为下降的曲线。2.牵引力特性机车轮周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 F=f(Ia)。机车牵引力特性计算公式推导如下：牵引电动机功率：(1-4)机车轮周功率：(1-5)根据功能原理：故牵引力特性计算式为：(1-6)式中 V机车速度(m/s);d牵引电动机效率;c传动装置效率;m机车配用电动机数目，对于个别传动机车为机车动轴数;F机车轮周牵引力(kN)。也可用以下的方法来定性分析机车牵引力特性(忽略传动效率等因素)：机车总功率：Pj=FV牵引电动机功率：PD=UDIa机车总功率为各牵引电动机功率之和：Pj=mPDmUDIa=F (UD-IaR)
6、/CV作近似忽略：mUDIa=FUD/CV得：F=mCVIa=CFIa(1-7)从推导结果看，机车动轮轮周牵引力与牵引电动机电枢电流近似成正比，为近似的上升直线。由于机车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。在对机车作定性分析时，只要改变牵引电动机特性曲线上的坐标和比例，就可以得到机车的速度特性曲线和牵引力特性曲线。若对机车进行定量计算，可用式(1-3)、式(1-6)进行。3.牵引特性机车轮周牵引力与运行速度的关系，称为机车的牵引特性。即 F=f(V)。机车牵引特性的计算公式仍为
7、：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，可求出机车牵引特性的一组F-V 值。根据不同负载下的数组 F-V 值，就可以绘出机车牵引特性曲线。第 2 节 交直型整流器电力机车工作原理整流器电力机车是交直型电力机车，其能量传递是将接触网供给的单相工频交流电，经机车内部的牵引变压器降压，经整流装置将交流电转换为脉动直流电，经平波电抗器后向直流(脉流)牵引电动机供电，从而产生牵引力牵引列车运行。工作原理简图见图 1-2。图 1-2整流器式电力机车工作原理示意图因为牵引电动机取得的电能是经降压、整流获得的，故牵引电动机的端电压受牵
8、引变压器、整流线路的影响，其机车特性区别于直流电力机车。本节以不可控整流线路为例，分别介绍具有中点抽头式全波整流电路和桥式全波整流电路电力机车的工作原理和特点，并推导出具有普遍意义的机车特性。一、基本工作原理和特点图 1-3 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，再经钢轨或回流装置流回牵引变电所。牵引变压器将电压降低后，经整流装置变换为直流电供给牵引电动机。1.中点抽头式全波整流电路电力机车工作原理在图 1-3(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
9、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为正半周时，a 点为高电位，整流元件 D1 导通，电流由 a 点经整流元件 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为负半周时，b 点为高电位，整流元件 D2 导通，电流由 b 点经整流元件D2、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
10、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 中则流过连续不断的方向不变的电流，从而保证了直流(脉流)牵引电动机正常工作。2.桥式全波整流电路电力机车工作原理在图 1-3(b)中，整流元件 D1D4 接成一个电桥形式，变压器二次侧绕组接到 a、b 两点，牵引电动机 M 经平波电抗器 PK 与电桥的另一对角线 c、d 相联。电路正常工作，当交流电压正半周时，a 点为高电位，整流元件 D1、D3 导通，整流电流由二次侧绕组 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 回到二次侧绕组 b 点，此时整流元件 D2、D4 承受反向电压而截止。在交流电压负半
11、周时，b 点为高电位，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 因承受反向电压而截止。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，但方向不同，而牵引电动机 M 中始终流过方向不变的电流。(a)中点抽头式全波整流电路(b)桥式全波整流电路图 1-3整流器电力机车原理图3.整流器电力机车的工作特点(1)整流器电力机车的变流过程在机车内完成，而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，不仅大大简化了牵引变电所的供电设备，
12、而且由于采用交流供电，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，这样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。(2)由于机车内设有变压器，调压十分方便，牵引电动机的工作电压不再受接触网电压的限制，可以选择最有利的工作电压，使牵引电动机的重量/造价比降低，工作更为可靠。(3)牵引电动机采用适合牵引的串励电动机，可以获得良好的牵引性能和起动性能，尤其起动时采用调节整流电压的方式，省略了起动电阻，不仅减轻了电气设备的重量、降低了起动能耗，而且改善了电力机车的起动性能，提高了机车的运行可靠性。但是，由于整流器电力机车整流装置的输出电压为一脉
13、动电压，因而流过牵引电动机的电流是一脉动电流。脉动电流不仅使牵引电机的损耗增加，而且使牵引电机换向恶化，因此在整流器电力机车上需装设平波电抗器 PK 和固定分路电阻 R0 以限制电流的脉动，改善电动机的工作条件。同时，在牵引电动机的结构上亦作了特殊设计。二、整流器电力机车的基本特性整流器电力机车上采用的脉流牵引电动机的工作原理与直流牵引电动机相同，因此整流器电力机车工作特性和特性曲线的求取方法与直流电力机车相似。但是由于整流器电力机车自身固有的特点，其工作特性又区别于直流电力机车的工作特性。1.整流外特性前已述及，整流器电力机车的牵引电动机由接触网取得电能，需经牵引变压器降压和整流装置变流这样
14、一个过程，因而牵引电动机的端电压将受到变压器和整流装置的影响，这些影响包括：(1)整流回路电阻引起的压降。整流回路电阻包括牵引电动机内阻，变压器次边绕组电阻，平波电抗器的电阻等。(2)整流回路阻抗引起的压降(包括变压器二次侧绕组的漏抗)。(3)整流线路换相引起的平均整流输出电压降低。非理想整流线路换相时变压器绕组处于短路状态，此时整流输出电压为零，引起整流线路平均整流输出电压降低。(4)整流元件的阈值电压压降。由于上述原因，造成整流器电力机车特有的电压降低，而且此压降值随机车负载电流的变化而变化，还随电力机车与牵引变电所的距离、接触网电流的变化而变化。因此，准确描述整流器电力机车每一种情况下的
15、工作特性是相当复杂和困难的，通常用一种代表性的工作特性，即用平均工作特性来描述，为此做如下假定：(1)接触网阻抗为零(即不计接触网阻抗压降)。(2)接触网电压保持恒值。例如我国电气化铁道的额定供电电压为 25kV。在上述假定条件下，当变压器二次侧绕组输出电压固定时，牵引电动机的端电压只随负载电流的变化而变化，即 UD=f(Ia)称为牵引电动机的外电压特性。牵引电动机的外电压特性可由整流装置的外特性 Ud=f(Id)=UD=f(mIa)求出。图 1-4 为 SS3B 型电力机车整流外特性，Id=6Ia。图 1-4牵引电机外电压特性 Ud=f(Id)2.速度特性由公式(1-3)可知，对应于同样的电
16、机电枢电流，整流器电力机车的速度因电机端电压的降低较直流电力机车速度有所下降，由牵引电动机的外电压特性知：整流器电力机车的速度特性曲线比直流电力机车速度曲线下降更陡。3.牵引力特性由公式(1-7)可知，机车的牵引力只与牵引电动机电枢电流和电机主极磁通有关，不受牵引电动机端电压的直接影响，所以整流器电力机车的牵引力特性曲线与直流电力机车牵引力特性曲线相同。4.牵引特性整流器电力机车的牵引特性曲线可通过速度特性计算式(1-3)和牵引力特性计算式(16)计算求得。5.机车总效率特性根据整流器电力机车工作原理，机车能量的传递经过机车变压器、整流装置、平波环节、电机能量转换、齿轮传动等主要部分，故机车总效率为：(1 一 9)式中
