电力机车主电路和辅助电路

５、空转过程（28页）
空转—— 牵引时，牵引力大于轮 轨间的粘着力，轮轨间 发生相对滑动的现象。
滑行—— 制动时，制动力大于轮 轨间的粘着力，轮轨间 发生相对滑动的现象。
空转过程分析：
初始工作点为A，对应转速
为n1，AB为其自然机械特
性。当偶然原因使粘着系数
下降时，粘着牵引力曲线变为
（1）集中供电
主电路设计考虑的内容
② 独立供电（轴控） 每一个牵引电机由一套独立的整流 器供电。
特点：机车的粘着利用好，一台电机 故障时不影响其它电机的运行。但 变压器、整流器及控制复杂。
独立供电
主电路设计考虑的内容
③ 部分集中（架控） 同一转向架上的电机由一套整流器供
电。 特点：简化了电路和变流器结构，粘
① 电器控制
功能：完成电路和气路的开关及逻辑互锁；
特点：电动或气动的逻辑开关．
包括：继电器、电控阀、气动开关等。
近年来生产机车上的逻辑联锁已由逻辑控制 单元（LCU)完成。
② 电子控制
功能：配合主辅助电路完成机车的控制；
特点：弱电控制、控制复杂；
包括：给定积分器、特性控制、防空转／防 滑、移相控制、功率放大、脉冲变压器等 控制单元。
补充1：各种励磁方式直流牵引电动机的特性分析
一、串励和并励牵引 电动机的特性比较
（比较速度特性） 1、自调节性能 串励：转速随负载的
增加下降很多。 并励：转速随负载的
增加下降很少。
结论：串励电动机的牵引力和速度 能够按机车运行条件自动进行调节， 在重载或上坡时，随机车速度的降 低，转矩自动增大，使机车发挥较 大牵引力；在轻载或平道运行时， 机车牵引力减少，使机车具有较高 的速度。
单相 整 交流 流 输入 器
Lp
M
Rf Lf
整流器的简化线路图
Ｌp－平波电抗器，减小电流脉动，改善电机换相性能。 Ｌf－激磁绕组。 Ｒf－磁场分路电阻，减小磁场电流脉动
主电路设计考虑的内容
问题： ① 平波电抗器如何减小电流的脉动？ ② 磁场分路电阻如何减少磁场电流脉动？
（四）、调速方式
主电路设计考虑的内容
fimax=μGi，μ粘着系数
３、粘着利用
机车电机M/R接近最大粘着力μＧi时，牵
引力利用充分，大于时会发生空转，小得 太多时利用不充分。
４、轴重补偿
实际上每个轮对的Ｇi是不一样的，轴控可
以充分利用粘着力。架控中的轴重补偿也 可充分利用粘着。
T=Fr
高度H
车钩力Fr
速度v方向 机车或动力
G1
G1>G2 G2
原理： 当α>900，Ud输出为负。
Ud 0.9U2 cos
Id

E
Ud R
A’B’,则轮轴牵引力A大于粘着牵引力A’，轮对滑行， 转速增加，同时粘着牵引力和轮轴牵引力均减少。 到达M点时，空转停止，对应速度变为n1+Δn。如果 此时破坏粘着的因素消失，粘着牵引力回到A’’B’’所 示，则电机转速下降（因为此时牵引力小于负载） 可以回到n1稳定运行。滑行并未发展为空转。
AC
调压调频 交-直-交PWM变压变频器
第三种：采用四象限整流器与PWM逆变器 （牵引变流器）
四象限整流器 ～/－
PWM逆变器 －/3~
电机
变流器电路（单台电机）
中
间
直
流
M
电
路
“交－直－交”
主电路设计考虑的内容
（五）、电气制动
原理：利用电机的可逆性原理。 两类制动：
① 机械制动：常备制动，低速时投入；
M M’
o Fi
Fi ’ o’
fi’
Gi
2、粘着
① o’点保持相对静止，轮轨之间没有相对滑
动，在力Ｆi’的作用下，动轮对绕o‘点作滚
动运动。 动轮与钢轨接触处，由于正压力 而出现的保持轮轨接触处相对静止、而不 相对活动的现象称为“粘着”。
② 粘着状态下的静摩擦力fi又称为粘着力。
③ 轮轨间的粘着与静力学中的静摩擦力具有 十分相似的物理性质。驱动转矩M产生的 切向力Fi增大时，粘着力fi随之增大，并 保持与Fi相等。当切向力增大到一定数值 时，粘着力达到最大值。若使切向力继续 增大，粘着力反而迅速减小，发生空转。 粘着力fi最大值:
不足：低速时制动力下降，制动效果不 明显。
分级电阻制动
IZ

CEn RZ
加馈电阻制动原理
加馈电阻制动
IZ
Uj
CEn RZ
控制方式: (1) 恒磁通控制:励磁电流恒定,通过调节制动
电阻来调节制动力. 特点:有级、不连续、电路复杂。 （2）恒电流控制：保持制动电流不变，通过
再生制动
定义：制动时将牵引电动机作发电机运行， 发出的电回馈给电网。
优点：具有巨大的节能效益。
缺点：功率因素低；谐波增加，对电网干 扰大；控制系统比较复杂；再生制动必须 采用全控桥，对触发系统的可靠性要求高； 电气制动时制动力集中作用于动轮，车辆 上将会产生横向作用力，对线路和机车提 出了更高的要求。
② 直流辅助电路
功能：给电器控制、电子控制及照明、空调设备 供电；
特点：直流110V供电，有蓄电池作后备电源；
包括：DC110V交直流变换电源、蓄电池、车灯、 空调等。
此外，用于客车牵引的机车上有DC600V直流电 源供客车车厢内空调、采暖、照明及旅客信 息服务系统供电。
3. 控制电路（有两类）由司机控制器、主电 路、辅助电路中出现的各种继电器、接触 器的线圈等组成的电路。
但如果机械特性是如 虚线所示的AB，则 轮轴牵引力将始终大 于粘着牵引力，电机 最终就会发生空转。 即使粘着条件恢复为 A’’B’’，只要此时转 速大于N点对应转速， 将仍然无法恢复粘着。
６、空转与特性的关系
① 硬特性：转速与牵引力变化小的特性 （dn/dF小）；
② 软特性：转速与牵引力变化大的特性 （dn/dF大）；
结论：
作为机车牵引动力，串励牵引电动机具有 自调节性能好，功率利用好，并联工作时 负载分配均匀，受电网电压波动较小等优 点，广泛运用于电力机车和内燃机车上。
串励牵引电动机的缺点：
二、积复励牵引电动机
机械特性：位于串励特 性与并励特性之间。
特点：自调节性能好， 功率利用好，并联工作 时负载分配均匀，受电 网电压波动影响小，房 空转性能好，电气制动 方便，可获得更大的调 速范围。
着利用较为充分，同时实现一定的 冗余。
半集中供电
主电路设计考虑的内容
说明：随着电力电子技术的发展和高 速重载的需求，新型的交直流机车 开始采用轴控技术，这样整车的粘 着利用充分，同时在一轴故障整车 的牵引力影响不大。
主电路设计考虑的内容
（二）、牵引电机的联接与激磁方式
交直型电力机车采用脉流牵引电机（直流电机）。 １、激磁方式：串励、并励、他励、复励 2、联接方式：并联、串联 问题： ① 直流电机的激磁方式有几种？各有何种特点？
转向架1
转向架2
轴重补偿
① 控制以第一转向架粘着利用时，第二转向 架空转；
② 控制以第二转向架粘着利用时，第一转向 架粘着利用不充分；
③ 第一转向架与第二转向架分开控制，且第 一转向架牵引力大于第二转向架时，能使 粘着利用更充分。
说明：
轴控方式可以使粘着利用最充分，但是因 为粘着系数复杂的特性，实际上很难得到。 如何能使机车的粘着能达到最佳利用，是 牵引的关键技术之一。
串励牵引电动机的速度随牵引力的增大下降很多， 在同样的牵引力变化时，功率变化小。接近恒功 率运行。
串励牵引电动机的功率利用好，能在各种条件下 充分发挥机车的功率，同时能合理地利用机车上 与牵引功率有关的各种电气设备的容量。
3、牵引电动机之间 的负载分配
（1）牵引电动机转 速特性有差异时
调节他励电流来调节制动力。机车为恒功率 状态。
特点：能充分利用机车的制动功率，但机械 稳定性差低速区会采用这种控制方式。
SS9电制动电路简化原理图
再生制动
定义：制动时将牵引电动机作发电机运行， 发出的电回馈给电网。
优点：具有巨大的节能效益。
缺点：功率因素低；谐波增加，对电网干 扰大；控制系统比较复杂；再生制动必须 采用全控桥，对触发系统的可靠性要求高； 电气制动时制动力集中作用于动轮，车辆 上将会产生横向作用力，对线路和机车提 出了更高的要求。
③ 特性越硬，防空转能力越强，反之越弱， 因此是否容易空转可以用特性来比较．
电机串联特性较并联软，更容易空转； 串激电机较并激特性软，更容易空转。
（三）、整流线路
主电路设计考虑的内容
50Hz单相交流整流，SS1采用二极 管不控整流；其它机车多用半控桥整 流且是二段桥、三段桥甚至四段桥。
交流传动机车会采用四象限整流装置以 得到到良好的功率因数。
第一种：整流器ＶＶ，逆变器ＶＦ
SCR可控 整流器
六拍 逆变器
AC 50Hz~
DC
AC
调压
调频
可控整流器调压、六拍逆变器调频的交-直-交变压变频器
第二种：利用PWM技术，在逆变器环节同时 VVVF（通用变频器）
恒压恒频 (CVCF)
AC 50Hz~
中间直流环节
变压变频 (VVVF)
DC
C
PWM 逆变器
调速要求：
在不中断主电路的情况下，尽量 使牵引力变化平滑，有尽可多的级位 均匀分布在整个调速范围内。
问题：
① 直流电机如何调速的？
直流电机的调速方式：
n UD Ia R
Cn
磁场削弱调速 调压调速
三段不等分桥式整流电路
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
变频技术——交直交变频
电压型变频电路 电流型变频电路
VVVF电路结构
4、电压波动对牵引电动机工作的影响 机车运行时，当电压突然变化时 并励：电流和牵引力的冲击大。 串励：电流和牵引力的冲击小。
5、防空转性能
当动轮发生空转时
串励：牵引力随速 度的上升下降很少， 粘着不易恢复。易 形成空转。
并励：牵引力随速 度的上升下降很多， 使粘着迅速恢复。
② 电气制动：一般高速时投入效果好； ➢ 电阻制动
• 能耗电阻制动：稳定可靠，多用。SS1-SS4 • 加馈电阻制动：在低速时可获大的制动力.SS8
➢ 再生制动
向电网回馈能量，功率因数低，控制复杂。8K （２台）、SS5、SS7。
电阻制动： 1、他励牵引电机电阻制动
（3）、电阻制动的不足及克服方法
二、主电路设计考虑的内容
更具体 来讲五个方面： ① 牵引电机联接与激磁方式； ② 牵引电机的供电方式； ③ 整流线路； ④ 调速方式； ⑤ 电气制动方式。 下面将参照这五个方面的内容进行详细
分析。
（一）、供电方式
主电路设计考虑的内容
① 集中供电（车控） 整台机车牵引电机由一套整流器供电。
特点：变压器结构简单，集中冷却简化了通 风设备，但一台电机故障时，影响整车 工作；
串励电动机自调节性能好。
2、功率的利用
（比较牵引特性）
当牵引力从FN变 化F1到时，
串励：工作点有a 变化到b点，速 度变化大。
并励：工作点由a 点变化到c点，速 度变化小。
结论：
并励牵引电动机在牵引力变化时，由于速度变化 小，所以功率变化大，因此，并励电动机的功率 利用不好。
补充2：电机串联与并联的比较
1、轮径差引起的牵引力差值比较 2、特性差引起的牵引力差比较 3、防空转性能比较： 书27页。 作业：自学电机串联与并联的性能比较，并利用
电机学和数学知识从理论是指导电机串联时，因 轮径和电机特性引起的牵引力差较并联时小。
补充三、电机的空转与滑行
１、牵引力的产生
第三章 电力机车主电 路和辅助电路
一、机车电路分类
1. 主电路:将牵引电动机及其相关的电器设 备连接而成的电路。
功能：牵引和制动时，完成能量传递和转 换；
特点：大功率、高电压、大电流； 主要包括：牵引变压器、整流器、牵引电
机
2. 辅助电路（有两类） 由机车上各种辅助电机和辅助设备连接而成的电路。 ① 交流辅助电路 功能：给主电路的通风、冷却辅助电机等； 特点：三相380V交流供电,功率较小； 包括：单／三相变换器、通风电机、压缩电机等
假设动轮直径一样， 在同一转速下
并励：负载相差大。
串励：负载相差小。
（2）、当动轮直径稍有不同时 假设转速特性一样，此时，电动机的转速将会不同。 并励：在一定的转速差异范围下，负载相差大。 串励：在相同的转速差范围内，负载相差小。
结论：
当牵引电动机的转速特性不同或动轮直 径不同时，串励牵引电动机更有利于负 载的均匀分配。