第四节 电力机车的相关知识电力机车是从接触网上获取电能，用电动机驱动运行的机车或动车。

目前，我国使用的是整流器式交—直电力机车。

交—直电力机车顶部的受电弓将接触网上的单相工频交流电引入机车，每台机车上装设有一套把交流电变换成直流电的整流装置，变压整流后供给直流牵引电动机。

直流牵引电动机因带有整流子，在制造和维护检修等方面均较复杂。

而交流无整流子牵引电动机(即三相异步电动机)在制造、性能、功率、体积、重量、成本、维护及可靠性等方面远比整流子电机优越得多。

以前，由于技术上还不能很好的解决大功率交流异步电动机的经济调速问题，所以交流异步电动机在牵引方面未得到很快的发展。

长期以来各种牵引电机几乎都为整流子直流牵引电机所占领。

今天，由于电力电子技术和晶闸管(即可控硅)变流装置的迅速发展，特别是大功率晶闸管性能不断的提高和半导体集成电路的迅速发展，以及可关断晶闸管(GT0)在大功率变流装置上的广泛应用，为交流电机变频调速提供了新的技术途径。

20世纪90年代以来，发达国家机车电传动已由交—直传动全面发展到交流传动，交一直传动的机车已停止生产。

我国已于1996年由株洲电力机车厂制造成功了交—直—交原形机车。

交—直—交电力机车仍是由接触网供给单相交流电，而牵引电动机为三相异步电动机，要调节异步电动机的转速，目前比较理想的方法是改变交流电的频率．所以这种电力机车首先把单相交流整流成直流，然后再把直流逆变成可以使频率变化的三相交流电，供异步电动机使用。

目前，国外(如法国)已经采用了单相电源不经中间的直流环节，而直接变换为频率可调的三相交流电。

这就使电传动系统结构更为简单，机车重量也轻，更有发展前途。

今后机车电传动技术必将有一个快速发展。

我国铁路电力机车除了少量是进口的外，大部分是使用国产韶山SS型机车。

SS型机车已发展了1型~9型(连续)等。

其中，SS4型货运机车应用了晶闸管电子技术，实现了无级调速，并将6轴改为8轴，机车功率达到6400kW；SS5和SS8型客运机车最高速度分别提高到140km／h和160km／h；SS9型客运机车最高速度又提高到170km／h，已初步满足牵引重载货运、大编组客运列车，进行快速或准高速运输。

一、电力机车简况及其牵引特性1．电力机车简况(1)工作原理概述以韶山1(SS1)型电力机车为例，原理电路如图1-14所示。

受电弓升起时其滑板与接触线接触，将电压、电流引人电力机车。

QF为主断路器(包括隔离开关QS)，用来接通和断开电力机车的高压电路。

F 为避雷器(放电间隙)，用作电力机车的大气过电压的保护装置。

1TA 为高压电流互感器，与过电流保护继电器共同构成电力机车主电路短路时的继电保护装置。

2TA 为低压电流互感器，其副边绕组向电力机车电度表的电流线圈供电。

T 为机车变压器，其功用是降压。

它的高压绕组A 端通过高压电流互感器1TA、主断路器QF、受电弓1或2与接触网相连，X 端通过低压电流互感器2TA、车体、接地电刷、轮轴、车轮与轨道接触。

这一部分称为电力机车主电路的高压电路。

机车变压器除高压绕组外，还有三个低压绕组，按用途分别称为牵引绕组、辅助绕组和 励磁绕组。

牵引绕组又包括两个基本绕组和两个调压绕组，额定电压为2×2040(V)。

辅助绕组有396V端头，用来供电给电力机车的辅助机组；还有230V端头，用于供电给电力机车电度表的电压线圈。

励磁绕组额定电压为167V，可用于电力机车施行电阻制动时，通过可控硅励磁硅机组，供电给牵引电动机的励磁绕组；也可作为主电路接地保护的附加电源。

R 1 ~R 4为硅整流器组，其功用是整流。

整流电流并非纯直流，而是含有脉动分量。

L 1、L 2为平波电抗器，用来限制整流电流的脉动分量，以改善牵引电动机的换向。

机车变压器和硅整流器组，把牵引网送来的25kV交流电变换成1.5kV伏直流电，供应牵引电动机使用。

M 1 ~ M 6为牵引电动机，它是直流(脉流)传励电动机，其功用是接受从机车变压器和整流器组送来的电能而转动，转变为机械能。

韶山1型电力机车共有6根轴，每根轴装1台直流串激牵引电动机，共6台。

每台小时功率(允许持续1小时的功率)为700kW，机车功率为4200kW。

机车变压器低压侧牵引绕组两端头a、x分别与两组并联的整流器组R 1、R 2和R 3、R 4的交流侧连接，中点抽头O接两台平波电抗L 1、L 2，整流器组R 1、R 2和R 3、R 4的直流侧与两台平波电抗器L 1、L 2之间接6台牵引电动机M 1 ~M 6 。

这样就构成中点抽头式全波整流电路，给两组并联的牵引电动机M 1 ~ M 3和M 4 ~ M 6集中供电；每组三台牵引电动机共用1台平波电抗器L 1(L 2)。

这一部分称为电力机车电路的牵引电路。

(2)电力机车的工作过程牵引变电所输出的高压交流电送到接触网以后，由机车受电弓和接触线接触而引入机 车，机车电流经过主断路器、高压电流互感器，到机车变压器高压绕组，再经过低压电流互 感器、车体、接地电刷、轮轴、车轮到轨道，然后经轨道、大地等流回牵引变电所；机车变 压器将高压交流电变为低压交流电，再经过整流器组整流后变为直流电，供给牵引电动机。

牵引电动机得电旋转，其转轴输出的机械功率通过齿轮传动装置传递给轮对，轮对作用于轨 道，轨道以大小相等、方向相反的力作用于轮对，从而形成牵引力，牵引列车运行。

机车的启动和调速靠改变牵引电动机电压。

变压器低压侧设有调压分接头和转换装置(图中未示)，共形成33个调压级。

另外，还用并联电阻来削弱牵引电动机磁场，削弱系数分别为70%，54%，45%。

直流串激电动机磁场削弱时转速提高，所以也用于调速。

韶山1型电力机车设有电阻制动。

施行电阻制动时，牵引电动机改接为他激发电机，将列车在运动中的机械能转变为电能，将电流馈入电阻器变成热能发散。

列车制动时，电阻制动和机械制动可同时使用。

2．牵引特性电力机车的牵引特性，就是电力机车的牵引力F 与运行速度的关系。

v )(v f F =图1-15表示韶山1型电力机车的牵引特性。

每条曲线表示一位调速级特性。

例如，曲线29表示第29位调压级特性，33-Ⅱ表示第33位第Ⅱ级即54％磁场削弱时的牵引特性。

图中表示了5、9、13、17、2l、25、29、33m、33-Ⅰ、33-Ⅱ，33-Ⅲ等调速级的牵引特性；1表示起动曲线。

曲线显示了直流串激电动机的突出特点：当负载加重而速度下降时，牵引力急剧增大；当负载减轻而牵引力减小时，速度很快提高。

韶山1型电力机车最大速度为95km/h。

全部33个调压位都是运行级，必要时司机可操作在任何一级运行。

3．牵引电流特性电力机车的牵引电流特性，是指电力机车在用电牵引运行情况下，从接触网所取用的电 流与运行速度的关系。

图1—16表示韶山1型电力机车的牵引电流特性。

图中表示了5、9、13、17、21、25、29、33m 、33—Ⅰ、33—Ⅱ、33—Ⅲ等调速级的牵引电流特性。

由图可知，电力机车在用电牵引运行情况下，当速度低(负载重)时，取用电流增大；g I v )(v f I g=当速度高(负载轻)时，取用电流减小。

图中，1表示起动时受粘着条件限制的允许最大起动电流限制线，2表示满磁场和各削弱磁场级受粘着条件限制允许的最大电流限制线。

图中曲线所表示的电流不包括电力机车自用电。

牵引时机车自用电需电流7A,电阻制动时需12A ，空气制动、惰行及停站时需3A 。

二、列车电流曲线和列车能耗列车电流曲线是指列车电流与列车运行里程l 的关系i )(l f i =，或列车电流i 与列车运行时间t 的关系。

列车电流曲线与列车运行的状况有关。

列车运行有起动、加速、减速、惰行、制动等多种运行状态。

列车起动时，电流逐渐加大到最高值，然后随着列车展速而减小。

运行位次高时速度增高，电流加大。

运行位次低时速度降低，电流减小。

列车惰行，即机车绝电运行。

这时，电力机车只使用小量自用电电流。

列车停站时，电力机车受电弓一般不予降下，其耗电量按惰行的同样计算。

)(t f i =铁路线路上有平直道、曲线和坡道等。

上坡时列车自重所形成的阻力使列车运行阻力加大。

电力机车的牵引力就是用来克服摩擦力、空气阻力、坡道阻力等各种形式的阻力的。

阻力加大，所需牵引力和列车电流也加大。

下坡时列车的自重形成牵引力，这时可采用惰行、减速或制动等方式运行。

由于电力机车可以施行电阻制动，所以可在具有长大下坡道的线路上提高列车牵引定数(又称牵引吨数或列车重量标准，指一定类型的机车在一定的限制坡度下，可以牵引车辆的总吨数)。

在已经运行的电气化铁道上，可以用实测的方法获得列车电流曲线和列车能耗。

图1-17 是实测的列车运行时的电流曲线。

沿线路有)(l f i =92.1−‰到+8.7‰的上、下坡，主要是上坡。

列车在lkm~2km 处起动完毕。

随后列车电流的起伏反映着线路崎岖的情形。

曲线上所标的数字表示列车电流的功率因数，其平均值为0，80。

电力机车上装有电度表，用来测量列车运行中的电能消耗量。

在铁路电气化设计中，列车电流曲线和列车能耗须根据牵引计算数据求得。

求算列车电流曲线的步骤如下：①从牵引计算可得列车运行速度v 与运行里程l 的关系)(l f v =及列车运行时间t 与运行里程l 的关系。

)(l f t = ②利用曲线及图1-16所示的电力机车牵引电流特性)(l f v =)(v f I g =可得列车电流与运行里程l 的关系曲线。

对于韶山1型电力机车，一般按33m 调速级位计算；如果有富余，也可按27~29位计算。

i )(l f i =③利用曲线)(l f t =和曲线，就可得到列车电流与运行时间t 的关系。

)(l f i =i )(t f i =列车电流曲线)(t f i =对t 积分，再乘以电力机车受电弓处牵引网的平均电压25kV ，即得列车能耗。

图1-18表示计算所得列车电流曲线。

积分按下法进行。

将时间坐标划为若干等分（min ）。

每隔从)曲线上读取对应的列车电流、、、 、……等。

分得越小，计算结果越准确，但计算工作量越大。

)(t f i =t Δt Δ)(t f i =0i 1i 2i 3i t Δ设列车在牵引变电所供电分区的走行时间共可分为个时间等分，由此得出个对 n 1+n 应的值，于是列车通过供电分区的能耗i A 可表示为：∑=+⋅Δ=nk k i n U t n A 0160 (kV Ah) (1—1) 式中(kV)代表牵引网电压，25=U t Δ单位为分钟。

列车能耗是铁路电气化设计的基本数据之一。

线路状况、列车牵引定数不同，列车能耗也不同。

牵引计算，列车电流曲线和列车能耗的计算，可应用专用程序在电子计算机上进行。

三、电力机车的谐波电流和功率因数1．电力机车的谐波电流如前所述，韶山1型电力机车的整流电路为中点抽头式。