呼和浩特职业学院教案首页 课题 电力机车工作原理 授课时间 授课对象 授课学时 会分析电力机车的工作原理， 2、掌握交直型、交直交型电力机车的特点， 3、熟记电力机车的基本特性。 教学目的 直流电力机车的特点和基本特性 教学重点 直流电力机车的基本特性 教学难点 启发式，引导文，多媒体演示，视频演示 教学方法 一、基本工作原理 直流电力机车的特点 三，直流电力机车的基本特性 教学步骤 四、交直型整流器电力机车工作原理 及 五、交直交型电力机车工作原理 内容提要 本项目讨论了直流电力机车，交直型和交直交型电力机车的特点和基本特性 备注
第一章电力机车工作原理 电力机车按供电电流制一一传动型式分为四类，即直流供电一一直流牵引电动 机的直直型电力机车：交流供电一一直（脉）流牵引电动机的交直型电力机车：交流 供电一一变流器环节一一三相交流异步电动机的交直交型电力机车和交流供电一 变频环节一 三相交流同步电动机的交交型电力机车。本章着重分析前三种电力机车 的工作原理及工作特点，并推导电力机车的基本特性，通过学习所要达到的目标： 1、会分析电力机车的工作原理， 2、掌握交直型、交直交型电力机车的特点； 3、熟记电力机车的基本特性。 第一节直直型电力机车工作原理 一、基本工作原理 直流电力机车是现代电力机车中最为简单的一种。它使用的是直流电源和直流 串励牵引电动机，其工作原理如图1一1所示。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电力机车的电传动装置示意图。工作过程为：机 车由受电弓从接触网取得直流电，经断路器QD,启动电阻R向四台直流幸引电动机 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。 四m 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伏~ 3000伏。传输一定功率时电流较大，接触网导线损耗量较大，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、效率低，有级调速。由于机车使用调压电阻进行启动、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，应用斩波器技术进行调速，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 显然己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《电力机车电机》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=1a)。 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： V= πD (1-1) 604 n (m/s) 电机转速公式： n=U。-L∑R (r/min) (1-2) C. 由式(1-1)、(1-2)得出机车速度特性计算式： V=60D.-ΣR_U。-1R (km/h) (1-3) 10004。 C. C.o 式中：Cy一一机车速度常数，Cv=C。1000r60rD: D一一机车动轮直径(m): 4。—一机车齿轮传动比： _牵引电动机端电压(V):
Ia一一牵引电动机电枢电流(A): ΣR一一牵引电动机回路总电阻(2) Φ一一牵引电动机每极磁通(Wb): Ce- 牵引电动机结构常数，其值为Ce=PN/6Oa 2.牵引力特性 机车牵引力等于各动轮轮周牵引力的总和，机车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Fx=f(Ia)。机车牵引力特性计算公式推导如下： 电时的功卡：p品刀， (1-4) 机车的轮周功率：P,=F,V(KN) (1-5) 根据功能原理：P,=mP门。 (1-6】 故由(1-4)、(1-5)、(1-6)得出机车牵引力特性计算公式为： F.-ron (KN) (1-7) 或根据电动机功率方程式：乙UnI门，=E,I,=M2,将(1-7)表示成： 2mncle M F.=1000D (KN) (1-8) 式中： V一一机车速度： M一一牵引电动机轴输出转矩： 一牵引电动机效率： n。一一传动装置效率： 2一一牵引电动机轴速度(rad/s) m一一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. 公式(1-8)的物理含义很明显，就是机车的牵引力与牵引电动机轴输出转矩有 关。实际上由于牵引电动机特性的差异，运用中环境条件的差异，机车每个动轮所能 发挥的牵引力是不同的，因此试验测得的数据往往低于按一台电动机平均计算公式计 算的结果。 从上面的分析我们知首，机车的速度特性和牵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 4
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。 3.牵引特性 机车牵引力与机车速度的关系，称为机车的牵引特性。即Fx=V)。机车牵引特 性的计算公式仍为： F,=1000V .(KN) 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，求出机车牵引特性的一组Fk-V值，根 据不同负载下的数组FKV值，绘出机车牵引特性曲线。 第二节交直型整流器电力机车工作原理 整流器电力机车系交直型电力机车，其能量传递是将接触网供给的单相工颜交 流电，经机车内部的牵引变压器降压，再经整流装置将交流转换为直流，然后向直流 (脉流)牵引电动机供电，从而产生牵引力牵引列车运行。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 义的机车基本特性。 5
一、基本工作原理和特点 D PK 中点抽头式全议鉴流电 韩式食诚鞋钱电降 (a) (b) 图1-2整流器电力机车工作原理 图1-2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，再经钢轨接地。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1-2(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正半周a点为高电位时，整流元件D: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负半周b点 为高电位时，整流元件D,导通，电流由b点经整流元件D2、平波电抗器PK、牵引 6
电动机M回到O点，也构成一闭合回路。此时，整流元件D,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o、ob交替流过电流 而牵引电动机M中则始终流过连续不断的方向不变的电流，保证了直流（脉流）牵引 电动机的正常工作 2.桥式全波整流电路电力机车工作原理 在图1-2(b)中，整流元件D-D接成一个电桥形式，变压器二次侧绕组ab接 到电桥一对角线的m、n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，当变压器二次侧电压正半周a点为高电位时，整流元件D、D 导通，整流电流由绕组a点经整流元件D1、平波电抗器PK、牵引电动机M、整流元 件D,回到绕组b点，此时整流元件D2、D4承受反向电压而截止。在变压器二次侧电 压负半周b点为高电位时，整流元件D2、D,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、D,因承 受向电反压而截止。由此可见，在交流电压的正、负半周内都有电流流过变压器二次 侧绕组且方向不同，而牵引电动机M中则始终流过方向不变的电流。 3整流器电力机车的工作特点 由以上分析，我们可以看出整流器电力机车有以下特点： (1)整流器电力机车的变流过程是在机车内完成的（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，不仅简化了电气化牵引的供电设备，而且由于采用交流电网供电，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，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，机车就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，同时工作更为可靠。 (③)牵引电动机采用适合牵引的串励或复励电动机，可以获得良好的牵引性能和 启动性能，尤其启动时它采用了调节整流电压的方式，省略了启动电阻，不仅减轻了 电气设备的重量、降低了启动能耗，而且改善了电力机车的启动性能，提高了机车的 运行可靠性。 但是，由于整流器电力机车采用单相50z整流，其输出电压有很大脉动，因而 流过牵引电动机的电流也有较大脉动。脉动电流不仅使牵引电机的损耗增加，而且使 牵引电机的换向恶化，因此在整流器电力机车上需要装设平波电抗器PK和固定磁场 分路电阻R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 整流器电力机车采用脉流牵引电动机，其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 前己述及，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 降压和整流装置整流这样一个过程，因而牵引电动机的端电压将受到变压器和整流电 路的影响，就图12而言（整流电路采用不可控整流），这些影响包括： (1)整流回路电阻引起的压降（包括牵引电动机内阻，变压器二次侧绕组电阻， 平波电抗器电阻等)。 (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)整流电路换相引起的平均整流输出电压降低。 (④)整流元件的电压降。 由于上述因索的影响，整流器电力机车特有的电压降（详见公式2-37），此压降 值不仅随机车负载电流（即牵引电动机电枢电流）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，要准确描述整流器电力机车每 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丁 作特性来猫述。为此假定：接触网组抗为零（即不计接触网组抗压降），接触网电压 保持恒值（如我国电气化铁道的额定供电电压为25KV)。 在上状得定条件下，计论当变压器一次终组验出由压周定时，牵引由动机的 端电压就只随负载电流的变化而变化，这一特性称为牵引电动机的外电压特性即 Uo-a)。牵引电动机的外电压特性可由整流装置的外特性UfL)ㄕUn=ml)求出。 图1-3为SSs型电力机车整流外特性，其中【6L ) 蓝线为扣除变电所和 接触网压降后的调整值 红线为 试验结果 3段桥 2段桥 1段桥 Id=61a ×1006×20 6×306×4005×5006×06X7006x300(A)
图13牵引电动机外电压特性 2.速度特性 由公式(1-3)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，因此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)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借助磁化曲线，通过速度特性计算式(13》 和牵引力特性计算式(1-7)计算求得。 5.机车总效率特性 机车总效率与机车速度的关系称为机车的总效率特性。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、电一机能量转换、 齿轮传动等主要部分，故机车总效率为： (1-9) 式中：P,机车牵引工况下轮周输出总功率： P,一主变压器网侧输入有功功率。 P1等于P与电力机车各部件总损耗之和即P1=P+∑△P 式中：∑△P=APB+APzt△Pp+APatA Po+APe+△P1 其中△PB主变压器损耗： △Pz一整流装置损耗： △Pp平波电抗器损耗 △Pa一牵引电机损耗： APc一传动装置损耗： △P辅助电机损耗： △P1线路及其他损耗。 9
Ig/A 图14$S型电力机车的速度特性 图1-4、1-5、1-6、1-7分别给出了SS型电力机车的速度特性、牵引力特性、牵 引特性和效率特性曲线。 220 @ 0 三120 10 020040400800100012001400 I a/A 图1-5SS型电力机车牵引力特性 10