电力机车工作原理

电力机车工作原理 电力机车按供电电流制——传动型式分为四类，即直流供电——直流牵引电动机的直直型电力机车;交流供电——直(脉)流牵引电动机的交直型电力机车;交流供电——变流器环节——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——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,,,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,-,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直流电力机车工作原理 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: ,、机车结构简单，造价低，经济性好; ,、采用适合于牵引的直流串励电动机，牵引性能好，调速方便; ,、控制简单，运行可靠; ,、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。 ,、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。 ,、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《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Fk，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(Ia)。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: (m/s) (1-1) 电机转速公式: (r/min) (1-2) 由式(1-1)、(1-2)得出机车速度特性计算式: V= (km/h) (1-3) 式中:C ——机车速度常数，CV= Ce 1000µc/60πD; 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(Wb); Ce——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FK=f(Ia)。机车牵引力特性计算公式推导如下: 牵引电动机的功率: (KW) (1-4) 机车的轮周功率: (KN) (1-5) 根据功能原理: (1-6) 故由(1-4)、(1-5)、(1-6)得出机车牵引力特性计算公式为: (KN) (1-7) 或根据电动机功率方程式: ，将(1-7)表示成: (KN) (1-8) 式中: V——机车速度; M——牵引电动机轴输出转矩; ηd——牵引电动机效率; ηc——传动装置效率; ——牵引电动机轴速度(rad/s); m——机车配用电动机数目，对于个别传动机车为机车动轴数; Fk——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。 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FK=f(V)。机车牵引特性的计算公式仍为: (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FK–V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频交流电，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。 一、基本工作原理和特点 (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o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，也构成一闭合回路。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,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D1-D4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,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D1、D3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,、整流元件D3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、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,、整流元件D4回到a点。此时整流元件D1、D3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,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: ?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。 ?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。 ?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50hz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)。 ?整流回路阻抗引起的压降(包括变压器二次侧绕组的漏抗)。 ?整流电路换相引起的平均整流输出电压降低。 ?整流元件的电压降。 -37)，此压降值不仅随机由于上述因素的影响，整流器电力机车特有的电压降(详见公式2 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。为此假定:接触网阻抗为零(即不计接触网阻抗压降)，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)。 在上述假定条件下，讨论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UD=f(Ia)。牵引电动机的外电压特性可由整流装置的外特性Ud=f(I,)=UD =f(mIa)求出。图1-3为SS8型电力机车整流外特性，其中Id=6Ia。 图1-3 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(1-3)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,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:Pj——机车牵引工况下轮周输出总功率; P1——主变压器网侧输入有功功率。 P1等于Pj与电力机车各部件总损耗之和即P1= Pj+ 式中: =ΔPB+ΔPZ+ΔPP +ΔPd+ΔPC+ΔPF+ΔPL 其中ΔPB——主变压器损耗; ΔPZ——整流装置损耗; ΔPP——平波电抗器损耗; ΔPd——牵引电机损耗; ΔPC——传动装置损耗; ΔPF——辅助电机损耗; ΔPL——线路及其他损耗。 图1-4 SS8型电力机车的速度特性 图1-4、1-5、1-6、1-7分别给出了SS8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。 图1-5 SS8型电力机车牵引力特性 图1-6 SS8型电力机车牵引特性 图1-7 SS8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(直)交型机车和动车组有电压型、电流型两种基本结构。 我们以电压型交直交变流器供电、三相异步电动机作牵引电动机的机车为例分析，原理如图1-8所示。 图1-8 电压型异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侧绕组，经变压器二次侧绕组降压后送入?环节，将交流电转换为直流电，经?环节平滑,处脉动，送入?环节，将直流电逆变为电压和频率可调的三相交流电，经?环节平波电抗器，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量转换为直流能量，然后进一步转换成电压和频率可调的交流能量。各环节的作用分述如下: ?环节——整流电路基本作用是将交流电转换为直流电。具体电路可以是不可控整流桥、相控整流桥、四象限脉冲变流器。 ?环节——直流环节滤波器基本作用是平滑,处的纹波(脉动)，消除或减少谐波含量，改善机车的功率因数。采用不同的整流电路，其滤波电路也不同，功能有所差别。 ?环节——逆变器用于将直流电转换为三相交流电，同时为了机车调速的需要，它具有较宽的调频范围和调压范围，一般采用正弦波脉宽调制(PWM)技术。或采用电压相量(VVCPWM)控制技术，降低电机损耗，减少网压波动的影响。 ?环节——电抗器，有三大作用。降低电机、电缆中的高频成分，控制噪声的传播，抑制电机启动过程中的谐波分量;保证频繁断开电机电路时不损坏变频器;通过三相霍尔电流传感器对变频器输出端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换向器，所以相同功率的电机，异步电动 机的重量轻、体积小，可使机车转向架簧下部分重量相应减少，在机车通过曲线时，轮轨之间侧向压力也就相应减少，这对高速行车尤为重要。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.交流电机维修量小。三相异步电机结构简单，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稳定的机械特性，因而有自然防空转和防滑行的性能，粘着利用好，既减少了轮箍的损伤，同时又有利于提高列车的加速度，缩短机车启动和制动时间。 4.简化了主线路。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，不需要改变主线路，所以机车主线路中的两位置转换开关可省去，主电路变得十分简单，使整车的可靠性大大提高，降低了使用维修费用。 交流传动机车具有启动牵引力大、恒功率范围宽、粘着系数高、电机维护简单、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趋势。新的铁路技术政策也明确指出我国牵引动力将在十年之内，实现由直流传动向交流传动的转变。 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。 直流电力机车结构简单经济性好，运行可靠，但由于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;交直型整流器电力机车是目前国内电传动机车普遍采用的形式，其工作原理和工作特点是本章分析的重点;交直交型的交流传动电力机车以其优异的牵引性能，简单的结构，先进的控制技术，宽广的调速范围已成为电力机车的发展方向。学完本章后应掌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线的坐标和比例即可获得机车的特性曲线，具体作法是将牵引电动机的转速特性n=f(Ia)乘以60πD,1000μc得到机车的速度特性V=f(Ia);将牵引电动机的转矩特性M=f(Ia) 乘以2mηcμc/1000D得到机车的牵引力特性Fk=f(Ia). 电，经断路器QD，启动电阻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。 第十三章:干燥 通过本章的学习，应熟练掌握表示湿空气性质的参数，正确应用空气的H–I图确定空气的状态点及其性质参数;熟练应用物料衡算及热量衡算解决干燥过程中的计算问题;了解干燥过程的平衡关系和速率特征及干燥时间的计算;了解干燥器的类型及强化干燥操作的基本方法。 二、本章思考题 1、工业上常用的去湿方法有哪几种, 态参数, 11、当湿空气的总压变化时，湿空气H–I图上的各线将如何变化? 在t、H相同的条件下，提高压力对干燥操作是否有利? 为什么? 12、作为干燥介质的湿空气为什么要先经预热后再送入干燥器, 13、采用一定湿度的热空气干燥湿物料，被除去的水分是结合水还是非结合水,为什么, 14、干燥过程分哪几种阶段,它们有什么特征, 15、什么叫临界含水量和平衡含水量, 16、干燥时间包括几个部分,怎样计算, 17、干燥哪一类物料用部分废气循环,废气的作用是什么, 18、影响干燥操作的主要因素是什么,调节、控制时应注意哪些问题, 三、例题 2o例题13-1:已知湿空气的总压为101.3kN/m ,相对湿度为50%，干球温度为20 C。试用I-H图求解: (a)水蒸汽分压p; (b)湿度,; (c)热焓，; (d)露点t ; d (e)湿球温度tw ; o(f)如将含500kg/h干空气的湿空气预热至117C，求所需热量,。 解 : 2o由已知条件:,,101.3kN/m，Ψ,50%，t=20 C在I-H图上定出湿空气00 的状态点,点。 (a)水蒸汽分压p 过预热器气所获得的热量为 每小时含500kg干空气的湿空气通过预热所获得的热量为 例题13-2:在一连续干燥器中干燥盐类结晶，每小时处理湿物料为1000kg，经干燥后物料的含水量由40%减至5%(均为湿基)，以热空气为干燥介质，初始 -1-1湿度H为0.009kg水•kg绝干气，离开干燥器时湿度H为0.039kg水•kg绝干12气，假定干燥过程中无物料损失，试求: -1(1) 水分蒸发是q (kg水•h); m,W -1(2) 空气消耗q(kg绝干气•h); m,L -1原湿空气消耗量q(kg原空气•h); m,L’ -1(3)干燥产品量q(kg•h)。 m,G2解: q=1000kg/h, w=40?, w=5% mG112H=0.009, H=0.039 12 q=q(1-w)=1000(1-0.4)=600kg/h mGCmG11 x=0.4/0.6=0.67, x=5/95=0.053 12?q=q(x-x)=600(0.67-0.053)=368.6kg/h mwmGC12 ?q(H-H)=q mL21mw q368.6mw q,,,12286.7mLH,H0.039,0.00921 q=q(1+H)=12286.7(1+0.009)=12397.3kg/h mL’mL1 ?q=q(1-w) mGCmG22 q600mGC?q,,,631.6kg/h mG21,w1,0.052