职业技术学校《电力机车控制》第一章 电力机车工作原理.docx

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1、XXXX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教学目的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、熟记电力机车的堪本特性。教学重点直流电力机车的特点和基本特性教学难点直流电力机车的基本特性教学方法启发式.引导文，多媒体演示视频演示教学步骤及内容提要、基本工作原理:、且流电力机车的特点三,直流电力机车的基本特性四、交直型枢流器电力机车工作原理日、交直交型电力机车工作原理本项目讨论T直流电力机车,交出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，即直流供电出流牵引电动机的百立里电力机车；

2、交流供电一一m（脉）流牵引电动机的交H型电力机车：交流供电一一变流器环书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变频环节一一-：.用交流同步电动机的交交型电力机车.本章着理分析前二种电力机车的工作原理及工作特点，并推导电力机车的第本特性，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H流电源和直流举励牵引电动机，其工作原理如图1-1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

3、示为一般工矿用四用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褥口流电，经陆路器QD,后动电阻R向四台I1.流伞引电动机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.可分别通过各臼的齿轮传动装置,驱动机乍动轮牵引列车运行.Hu)二、直流电力机车的特点通过分析口.流电力机车的工作原理，可以得出口.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的电动机,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，接触附电压一般为1500伏3(XX)伏.传输一

4、定功率时电流较大，接触同导线损耗部较大,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砥较多,造成基建投资大。6、效率低,有级调速.由于机车使用调压电因进行启动、调速.因此调节过程中有能.设损耗使效率很低,同时也碓以实现连续、平滑地调节.的省电力电子技术的发展，应用轿波涔技术进行调速，可以时牵引电动机跳电压进行连续、平滑地调节，从而实现无级词速.踪上所述,直流电力机车由于受牵引电动机端电压的限制,网乐不可能太高.从而限制了机车功率的进一步提岛,随若现代铁路运怆事业的发展，直流电力机车显然已不适应干戏大功率的要求，一段应用于工矿及城市交通运输.三、直流电力机车的

5、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3课程中，我们已经了解了宜流申励电动机的转速特性、转用特性和效率特性.在研究电力机车的运行行为时，需将电机的游速n换算为机年动轮轮周的线速度V.电机的转矩M换算为机车动轮轮周的牵引力K.从而得到机车的速僮特性、牵引力特性和牵引特性.I.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(Iu).机车速度特性计算公式的推导过程如下：U1.东动轮轮周线速度V与电机转速n有下面关系：V=n(nVs)(1-1)60，电机转速公式：n=力S,(rmin)C仲由式(1-1),(1-2)得出机率速度

6、特性计算式：f)011DUn-1.cRUr)TZRV=2-=(kmh)1()(XHCaC,式中：Cv一一机隼速度常数，Cv=Cc10006011D；D一一机车动轮曲径(m):外一机车齿轮传动比：UD一牵引电动机端电汽(V)：Ia-牵引电动机电枢电流（八）：R牵引电动机I可路总电吼(Q)：牵引电动机材极底通(Wb)；G一牵引电动机结构常数，其值为Ce=PN/60a。2 .牵引力特性机车牵引力等于各动佗轮周牵引力的总和，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，WF=f(Ia),机车伞引力特性计算公式推导如下:牵引电动机的功率：P=1.M,(KW)IVAAj机车的轮周功率：P=P

7、tV(KN)(1-5)根据功能原理：P=mf,(-6)故由(1.4)、45)、(1-6)得出机车牵引力特性计算公式为；F，=W-Uj1.1.1.力n(KN)(i-7)1.xI(XM)VIC(KN)或根据电动机功率方程式：U“I,/=EI=AC将(i7)表示成:1000D式中：V机车速度：M一一彘引Hi动机轴箱出转矩：Ud一一牵引电动机效率：He一一传动装置效率：C一一牵引电动机轴速度(rads)；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一一机车轮周牵引力(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并,运用中环

8、境条件的差异，机车每个动轮所能发挥的牵引力是不同的，因此试也测得的数据往往低于按-台电动机平均计算公式计算的结果。从J1.面的分析我的知道机车的速度特性和牵引力特性均是从牵引电动机的特性心算至轮闷的特性，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传速特性曲线、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规和牵引力特性曲战”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F=f(V)机车牵引特性的计算公式仍疝E=氤年九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奉引力特

9、性曲线后，给定一电机电枢电流Ia值,求出机车牵引特性的盥FK-V值,根据不同负载下的数组Fk-V伯，绘出机车牵引特性曲代，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，具能技传递是将接触网供给的单相工翔交流电，羟机车内部的牵引变压器降压，再经整流装附将交流转换为JI流，然后向口.流(脓流)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、整流荻得的.故牵引电动机的端电压受牵引变压滞、整流线路的影响.其机车特性区别于直流叱力机乍.本节以不可控整流线路为例，分别介绍其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

10、意义的机乍基本特性.一、基本工作原理和特点（八）b)IS-2快而湍电力机车工作魄理图1-2所示为整流器电力机车的两种基本原理线路图中相2流电由接触网通过受电弓引入牵引变H:零的高压烧组,再经钢轨接地.牵引变乐器将电东降低后,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1-2a)中牵引变压器二次恻绕组分成oa、Ob两段.两段电压大小相等、方向相反.整流元件Di、6的正极分别与二次PH统组的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例境组的中点。相接，另一端钱平波电抗器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

11、次例电压正半周a点为京电位时,整流元件D.jgj.电流由a点经粘流元件Di、平波电抗渊PK,牵引电动机M回到。点,构成-闭合回路，此时，整流元件D?因承受反向电压而裁止,当变压器二次恻电压负半周b点为高电位时，整波元件6V通，电流由b戊经整流元件D】、平波电抗器PK、牵引电动机M回到。点,也构成-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，变压着二次健绕组oa、Ob交替流过电流而牵引电动机M中期始终流过连续不断的方向不变的电流，保证了总流（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，整液元件DrD,接成一个

12、电桥形式，变压器二次侧绕组ab接到电桥对角线的m、n两点，牵引电动机M经平波电抗器PK与电桥的月对角战c、d相联。电路jE常工作.当变压零二次侧电压正半周a点为高电位时.整流元件Di、D.导通,整流电流由绕31a点经整流元件Dc平波电抗器PK、牵引电动机M、整液元件Dj回到绕祖b点，此时整流元件D,、D,承受反向电压而截止,在变压器：次侧电压负半周b点为高电位时,整流元件D2、。导通,整流电流由b点经整流元件D2、平波电抗洪PK、牵引电动机M、整流元件D回到a点.此时整流元件D.6因承受向电反压而破止.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祖且方向不同，而牵引电动机M中则

13、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.我们可以看出整流渊电力机车行以下特点：整流器电力机率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,节省有色金叔用鼠，也可减少电能横髭,提高电力机率的供电效率.2由于机车内设有变压器，调压十分方便，章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

14、时工作更为可靠.牵引电动机采用适合染引的中励或狂励电动机,可以获掰良好的奉引性能和启动性能，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M轻了电气设备的重录、降低了启动能耗，而I1.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总相50hz整流，我怆出电压有很大脉动.因而流过牵引电动机的电流也有较大脓动，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和固定癌场分路电阻RO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电力机车

15、采用脉流牵引电动机,其工作原理与宜流牵引电动机相同，W此整流着电力机车工作特性和特性曲规的求取方法与直流电力机车相似.但是由于整流帮电力机车自身固有的特点,其工作特性又区别于出流电力机车的工作特性.1 .径流外特性前己述及，整流器电力机车的牵引电动机由接触网取褥电能，需经牵引变压器降压和推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1-2而言（整流电路采用不可控整流）.这些影响包括：整流网路电阻引起的压降（包括牵引电动机内阻,变压器二次侧绕组电阻,平波电抗涔电阻等）。2）第流回路阻抗引起的压降（包括变压器二次侧绕组的潮抗）。3）第流电路换桁引起的平均整流%出

16、电压降低.整流元件的电压降.由于上述因素的影响，整流涔电力机车特有的电压降（详见公式237）,此压降值不仅随机乍负载电流（即牵引电动机电抠电流的变化而变化，还随电力机乍与牵用变电所的距离、接触网电流的变化而变化.因此要准确描述整流器电力机乍每一种情况下的工作特性是相当S杂和困碓的，通常用一种代衣性的工作特性即用平均工作特性来描述，为此假定：接触网阻抗为零（即不计接触刈阻抗压降），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）o在上述假定条件下,讨论当变东涔二次侧绕蛆给出电压固定时.牵引电动机的端电压就只K1.负我电流的变化而变化，这一特性称为牵引电动机的外电压特性即UD=（Ua

17、）.牵引电动机的外电压特性可由整流装制的外特性U（I=f（1.）=UD=f（M）求出。图1-3为SS）,型电力机下整流外特性，其中1.=61.,：v）tUd蓝线为扣除变电所和接触网压降后的调整值48m361a0186,2006/3006丫4006*500666m.y0（八）M1-3球引电动机外电乐特性2 .速度特性由公式(13)知，对应于同样的电机电根电流，整流器电力机车的速度因电机端电压的降低较a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。)知，机车的牵引力只与伞引电动机电机电流和电机主极毡通有关,不受牵引电动机端电压的

18、宜接影响，所以整流器电力机车的牵引力特性曲城与a流电力机车牵引力特性曲线相同.4 .牵引特性整流潞电力机车的牵引特性曲跳可借助毡化曲线，通过速度特性计算式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，机车能最的传递经过机车变压器、整流装置平波环节、电一机能依转换、火轮传动等主要部分，故机车总效率为：/=式中：ZP=APt1.+APz+APp+APd+APc+aPf+AP1.其中APH主变压器损耗：APz卷流装置损耗；APP平波电抗渊损耗：AP(I一牵引电机损耗：APc传动装置投耗：APF辅助电机损耗：AP1

19、线路及其他损耗.ft1.14s里电力机车的速度特性图14IS161-7分别给出了SStt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.O200400400WO,000120014Ia/A图1-5SS*N电力机4.奉，；1力特性vkmh,S-6SS,型电力机车牵引特性IW17SSX型电力机车效率特性第三节交直交型电力机车工作原理交直交型电力机车属于交流传动机车。由逆变器供电，机车和动车组采用交流异步电动机做牵引动力。根据变流器结构的不同,目前交）交型机乍和动乍组有电压型、电波型两种基本结构.我们以电压型交互交变流器供电、三相异步电动机作牵引电动机的机车为例分析,原理如图18所示。图1

20、-8电Ai蟹弁步电动机电力机车工作原理机车在工作时，受电弓将网压引入机车变压器一次恻型组，羟变压器二次侧绕如降压后送入环节，将交流电转换为直流电,经环节平滑A处脉动,送入环节，招直流电逆变为电JK和版率可调的三相交流电.经环节平波电抗涔,供给环节三相异步牵引电动机,实现牵引运行，在这个系统中，机车先将电网的交流能Ift转换为直流能;匕然后进一步转换成电压和翔率可调的交流能;立各环节的作用分述如下：环节一一整流电路基本作用是将交流电料换为宜流电.具体电路可以是不可控整流桥.相控整流桥、四象限脉冲变流牌.环节直流环节逑波器基本作用是平滑A处的双波脉动），消除或战少谐波含M,改善机车的功率因数。采用

21、不同的整流电路，其谑波电路也不同，功能有所龙别。环节逆变湍用于将出流电转换为三相交流电.同时为了机车调速的需要.它具有较宽的调疑范纲和调压范围，一般采用正弦波脓宽冏制（PWM）技术.或采用电压相信（VVCPWM）控制技术，降低电机损耗，M少网压波动的影响。环节电抗器，有三大作用。降低电机、电潴中的褊频成分，控制噪声的传播,抑制电机启动过程中的谐波分盘：保证频繁断开电机电路时不损坏变频器：通过.-：相筱尔电流传然器对变疑器输出瑚采取完善的短路保护措施.系统的工作特点；1、功率/体积比大，由于.三相异步电动机结构中无横向器，所以相同功率的电机,异步电动机的重fit轻、体积小,可使机车转向架费下部分

22、理Ift相应减少.在机车通过曲跳时，轮轨之间侧向压力也就相应减少，这对高速行车尤为的要.同时，由于电动机体积减小，空间利用好，便能选择更为合适的悬挂方式，从而简化了转向架结构。2 .交流电机维修盘小三相异步电机结构筒的,几乎无需维修.3 .机车具有优异的牵引和制动运行性能.由于异步电动机具有很桧定的机械特性,因而有自然防空转和防沙行的性能,粘着利用好.既减少r轮钱的损伤.同时又有利于提高列车的加速度，缩短机车后动和制动时间.4,简化了主代路，异步电动机的正、反转及牵引、制动状态的转换，通过机车控制电路就能实现，不需要改变主城路，所以机乍主线路中的两位置料揆开关切省去，主电路变得十分简单,使整车

23、的可靠性大大提高降低了使用维修的用.交流传动机车具育启动牵引力大、恒功率范围宽、粘岔系数高、电机维护简通、功率因数高、等效干扰电流小等诸多优点，是目前我国铁路发展的必然曲势。新的铁路技术政策也明确指出我国牵引动力将在I年之内，实现由真流传动向交流传动的耳变.小结本章主要介绍了各种型式电力机车的基本工作原理及工作特点.出流电力机车结构简单经济性好.运行可靠,但由干受供电及牵引电动机端电压的限制,机车功率受到限制,不能满足大功率牵引的需要：交点型整流器电力机车是目前国内电传动机车普诩采用的形式，其工作原理和工作特点是本章分析的正点；交直交鞭的交流传动电力机车以其优异的牵引性能，筒单的结构，先进的控

24、制技术，宽广的询速范围已成为电力机车的发展方向.学完本章后应笊握电力机车的特性取决于机车所选用的牵引电动机的特性，通过改变牵引电动机特性曲践的坐标和比例即可获得机车的特性曲践，具体作法是将牵引电动机的转速特性n=f(I,)乘以6011DIOc得到机车的速度特性V=f(Ij):将牵引电动机的转矩特性M=R1.)乘以2m*PJIO(X)D得到机车的牵引力特性FjfaJ复习思考题1、电力机车的基本特性仃哪些？2、电力机车的基本特性与牵引电机的特性有什么关系？3、何谓机车的速度特性？推导直流电力机车的速度特性公式。4.何谓机车的牵引力特性？推导R流电力机车的牵引力特性公式。5.何谓机车的牵引特性？为什

25、麽机车的牵引特性一般由试脸方法获得？6、说明采用不控中抽式整漉线路的电力机车工作原理.7、说明采用不控桥式整流线跖的电力机车工作原理。8 .他述交直型整流器机下的工作特点.9 .什么是整流电路的外特性？10、为什度说整流器电力机车的速度特性曲线较直流电力机车陡？Ik筒述交宜交型异步电力机车的工作原理，说明各环节的作用。12 .为什磨说异步电动机电力机车有若广泛的发展前景？13 .在交直型整流落机车上加装平波电抗渊和固定分路电阻的目的是什么？14、电力机车按供电电流传动型式分类可分为哪几类？15、电力机车基本原理是什么？小站本项目讨论7出流电力机车，交直型和交直交型电力机车的特点和基本特性.小站本项目讨论了机车速度调节的特殊问即一电气制动.分析了电气制动的工作原理,机车特性,制动力的调节方式，