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=mPD

m·UD·Ia=F (UD-Ia·ΣR)/CVΦ

作近似忽略： m·UD·Ia=FUD/CVΦ

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：