电力机车3种工作原理

电⼒机车3种⼯作原理

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。

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1500～3000V。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 Ceµc /πD;D——机车动轮直径(m);

µc——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);

ΣR——牵引电动机回路总电阻(Ω);

Φ——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);

ηd——牵引电动机效率;

ηc——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=UD·Ia

机车总功率为各牵引电动机功率之和：Pj=mPDm·UD·Ia=F (UD-Ia·ΣR)/CVΦ

作近似忽略：m·UD·Ia=FUD/C VΦ

得：F=mCVΦ·Ia=CFΦ·Ia(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：

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D1～D4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，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