DF4内燃机车电传动

内燃机车电传动内燃机车电传动装置的功用内燃机车的原动机是柴油机。从柴油机到机车轮对之间需要一套速比可变、满足机车牵引特性要求的中间环节——传动装置。由一套电气设备组成的这个中间环节，称为电力传动装置。柴油机电力传动装置轮对内燃机车理想牵引特性基本要求：机车在运行时能充分利用其动力装置的额定功率式中：Ne——柴油机功率（kW）；F——机车牵引力（kN）；V——机车速度（km/h）；——传动装置效率（暂假设不变）。6.3FVNe=常数F·V＝常数，即要求机车的牵引力F与机车的速度V成反比的变化关系；最大牵引力Fmax受机车动轮与钢轨之间粘着牵引力的限制；最高速度Vmax受机车构造速度的限制。FmaxFNVNVmaxVmin0机车理想牵引特性曲线及柴油机功率曲线柴油机的扭矩特性和功率特性nmaxnmin0nNMNNeM柴油机特性曲线及功率曲线若柴油机直接驱动，则31060DnVDMF2式中：D—机车动轮直径（m）；n—柴油机转速（r/min）；M—柴油机扭矩（kN·m）；—传动比；—传动效率。说明，柴油机的扭矩特性即代表机车的牵引特性，显然，不符合理想牵引特性的要求。1)柴油机功率得不到充分利用；2)柴油机的转速变化范围很窄，过载能力较差，故机车的运行速度范围和负载变化受到限制；3)柴油机不能带负荷启动，故不能使列车启动和低速运行；4)柴油机曲轴只能单方向旋转，故不能改变机车的运行方向。（F）（V）直接驱动的机车牵引特性曲线对电传动装置的基本要求1)当机车运行在满功率工况时，电力传动装置应该使机车在尽可能大的速度范围内保持柴油机额定功率不变，以充分利用柴油机的功率；当机车仅需部分功率运行时，传动装置应使柴油机按其经济特性恒功率运行。2)电力传动装置应保证柴油机在无负载情况下启动。3)机车启动时，传动装置应保持有足够大的牵引力，使机车启动加速快，且保证机车启动过程平稳而无冲击。4)电力传动装置应该具有较高的效率。5)电力传动装置必须工作可靠，重量轻，体积小，维修方便。内燃机车电传动的分类柴油机牵引发电机轮对牵引电动机变流装置（直流/交流）（直流/交流）按照牵引发电机和牵引电动机电机所用的电流制进行分类，电力传动装置可分为三大类：1直流电力传动（直-直传动）2交－直流电力传动3交流电力传动（交-直-交传动，交-交传动）直流电力传动传动方式是采用直流牵引发电机和直流牵引电动机，又称直—直流电传动。特点：调速方法比较简便，直流串励电动机的转速特性较软，适合于机车牵引；我国60年代初开始生产，主要机型有东风型、东风2型、东风3型以及进口的ND1型、ND2型等机车；弊端：直流牵引发电机的功率受到换向条件和机车限界尺寸以及机车轴重的限制，使单机组直流电力传动内燃机车的功率几乎限制在2200ｋＷ以下。MMMMMM柴油机G交－直流电力传动传动方式是采用交流牵引发电机，通过大功率硅整流器将交流电变为直流电，然后供给数台直流牵引电动机。交流发电机无换向器，克服了制造大功率直流牵引发电机换向时所出现的困难，并且结构简单、运用可靠、省铜、重量轻、维护简便；保留了直流牵引电动机调速性能的特点；我国70年代初开始生产，主要机型有东风4型系列、东风5型系列、东风7型系列、东风8型系列、东风10型系列、东风11型及进口的ND4型、ND5型等机车。柴油机G～MMMMMM随着重载和高速列车的发展、机车功率的提高，直流牵引电动机的弊端已经显现。交流电力传动传动方式采用交流牵引发电机和交流牵引电动机，因两者都是交流电机，故称为交流电力传动。直流串励牵引电动机虽然具有良好的调速性能，但在结构上有换向器，不仅重量和尺寸大、费铜，而且故障率高，维护保养不便，限制了其在大功率、高速度机车上的应用；交流电动机无换向器，具有结构简单、体积小、运行可靠等优点，不但可以提高单节机车的功率，而且由于其具有硬特性使机车具备良好的防止动轮空转打滑的性能；交流异步电动机的转速主要决定于它的供电电源的频率，而在一定功率下柴油机的转速不变，牵引发电机的频率也不变，因此交流电力传动的关键是在交流牵引发电机和交流牵引电动机之间设置一个功率大、调频宽的变频装置，以满足交流牵引电动机的调速要求。（1）交—直—交流电力传动具有中间直流环节的间接变频的交流电力传动，称为交—直—交流电力传动。柴油机驱动交流牵引发电机，所发出的三相交流电经硅整流器Z整流为直流电，再经过一个或数个逆变器N将直流电转变为频率可调的交流电；中间直流环节使逆变器输出的三相交流电的频率与牵引发电机发出的三相交流电的频率没有任何关系；在机车起动和调速的整个工作范围内，逆变器输出的三相交流电的频率都能平滑地调节。柴油机G～＝~M～M～M～M～M～M～ZN（2）交—交流电力传动没有中间直流环节的直接变频的交流电力传动，称为交—交流电力传动。由交流牵引发电机发出的三相交流电经一个或数个变频装置BP后，直接变为频率可调的三相交流电；交—交流变频装置输出的频率要低于输入频率，一般最高输出电源频率只能达到输入电源频率的三分之一，因而要求交流牵引发电机具有较高的频率。因此交—交流传动比较适合于原动机转速较高的设备（如燃气轮机）。柴油机G～~~M～M～M～M～M～M～BP内燃机车电传动电路的组成电力传动装置的各项功能是通过一定形式的电路驱动各种电气设备得以实现的；电传动内燃机车机车上的电路，按其作用可以分为主电路、励磁电路、辅助电路和控制电路四大系统。主电路——将产生机车牵引力和制动力的各种电气设备连成一个系统，实现机车的功率传输，其性能决定了机车的基本特性。励磁电路——通常是指内燃机车上保证柴油机发电机组正常运行的励磁调节系统；在交-直流传动中进行恒功率励磁调节；在交-直-交流传动中对中间直流电压进行恒压励磁调节。辅助电路——将机车上的各种辅助电气设备和辅助电源连成一个系统，成为保证机车正常运转不可缺少的电气装置。控制电路——将控制主电路、励磁电路及辅助电路中各电气设备的控制电器、信号装置和控制电源连成一个电气系统，实现对机车的操纵和控制。一、直流牵引电动机的工作原理在交—直流电力传动装置中，广泛采用直流串励电动机作为驱动机车车辆的牵引电动机，它的工作原理与一般直流串励电动机相同。图2—1直流电动机横向剖面图2—2直流电动纵向剖面1—主极线圈；2—主磁极；3—换向极线圈；1—吊环；2—机座，3—端盖；4—风扇；5—电枢绕组；4—换向极；5—电枢绕组；6—底脚；6—后压圈；7—轴承；8—轴；9—电枢铁芯；10—前压圈；7—电枢槽；8—机座（磁轭）；9—电枢铁芯；11—换向器压圈；12—换向器；13—电刷；14—刷握装置；10—极靴。15—前端盖；16—主极线圈；17—主极铁芯。直流电动机的基本工作原理图2—3直流电动机的工作原理主磁极：由励磁磁势建立主磁场，磁场方向：NS静止的电刷（A和B）与换向器滑动接触，将直流电引入电枢线圈abcd电磁力定律：载流导体在磁场中要受到电磁力的作用电磁力大小：fx=Bxlis电磁力的方向：由左手定则决定一对电磁力形成电磁转矩Mx电磁感应定律：运动导体切割磁力线必感应出电势（电动机中为反电势）感应电势大小：e=Bxlv感应电势的方向：按右手定则决定换向器：其作用是使旋转中的电枢线圈中电流换向，从而保证每个磁极下线圈边中的电流始终是一个方向，使电磁转矩的方向不变，电机按一定方向连续旋转。换向器改变电源正负极，或改变磁场方向时，电枢线圈所受的电磁力都将反向，电枢反向旋转。fxfxexex直流电机的可逆性在一定的条件下，直流电机既可作为电动机运行又可作为发电机运行，由此应用于机车上的牵引工况和电阻制动工况。图2—10直流电机不同运行方式下的电磁转矩和感应电动势(a)电动机；(b)发电机。M——电磁转矩；MZ——阻力转矩；MT——拖动转矩电动机工况：克服反电势，输入电能，产生电磁转矩，驱动电机负载旋转，将电能转变为机械能。发电机工况：由原动机拖动电机旋转，在电枢绕组中产生感应电势，输出电能，即将机械能转变为电能；而电磁转矩的方向与拖动转矩的方向相反，称为制动转矩。三、直流电机的基本方程式直流电机是传动系统中进行机电能量变换的元件。直流电机的基本方程式是指直流电机电系统中的电压平衡方程式、机械系统中的转矩平衡方程式以及功率平衡方程式。这些方程式综合了电机内部的电磁过程，同时也表达了电机外部的运行特性及功率平衡关系。四、直流牵引电动机的工作特性和速度调节电传动机车是由牵引电动机驱动的，因此牵引电动机的工作特性必须满足机车牵引性能提出的要求。电动机输出的机械转矩和转速是说明电动机工作特性的两个重要的物理量，分别与机车牵引力和机车速度相对应，因此，转矩特性和转速特性是电动机的两个主要特性，是选用牵引电动机的重要依据。牵引电动机特性分析对串励和他励两种型式得电机进行比较，分析它们各自的优缺点，并确立选用牵引电动机时应考虑的因素及基本原则。牵引调速性能：在内燃机车上，牵引电动机由恒功率电源供电，输出电压变化范围有限，串励电动机的“软特性”特点能使牵引电动机在电源电压较小变化时具有较大的转速和转矩变化，因而调速容易，调速范围较宽。M1M2IS2IS1ISMn1122nISIS1M1M2IS2Mn1122nMn0Mn0图2—17并联运行时牵引电动机之间的负载分配（a）两台串励电动机之间的负载分配；（b）两台并（他）励电动机之间的负载。分配（a）（b）牵引电动机之间的负载分配：机车上几台牵引电动机同时并联运行，由于电动机的特性不可能完全一致，或者动轮直径不完全相等，都将引起电动机之间负载分配的不均匀现象，个别电机在运转时将会发生严重过载情况。串励电动机由于具有“软特性”，这种负载分配的不均匀性远较他励电动机为小。防空转性能图2—18牵引电动机的防空转性能1—串励电动机；2—他励电动机，nIS0nI1I212机车起动或满载爬坡时，常常因轮轨间得粘着破坏而发生个别动轮个别动轮空转的现象。此时若能迅速减小牵引电动机的电流和输出转矩，就能使粘着条件恢复。串励电动机的“软特性”不利于粘着条件的恢复。而他励电动机的“硬特性”却有利于防止动轮空转。起动性能及过载能力由于串励电动机的转矩特性M=f(Is)近似地按电枢电流平方的比例增长，因而起动转矩大，适合机车起动时较大起动牵引力的要求。最大转矩主要受短时允许的过载电流所引起的发热限制，在相同得过载电流下，串励电动机的最大转矩较他励电动机大。牵引电动机的速度调节由于机车运行条件比较复杂，经常需要按照线路情况来选择合适的运行速度，这就要求牵引电动机能够在宽广的范围内均匀而经济地调速，而且调速设备应简单，操作方便。根据转速公式可知直流牵引电动机的调速方法有三种：改变牵引电动机的电源电压U；调节牵引电动机的励磁；调节电枢回路的电阻RD。其中，采用在电枢回路中串联可调电阻的方法调速，方法虽然简单，但往往是有级地改变电阻值，因而调速不平稳，同时附加调节电阻要损耗大量电能，将使牵引效率降低。过去仅在小功率的机车和城市电车中采用。因此，在机车中不采用这种方法，而广泛采用改变牵引电动机的电源电压以及削弱牵引电动机的磁场的调速方法。eDsCRIUn五、直流牵引电动机的电枢反应图2—32直流牵引电动机的电枢反应（a）主极磁场在气隙中的分布；（b）电枢磁场在气隙中的分布；（c）合成磁场在气隙中的分布。主磁极上的励磁磁势建立主磁场。当电枢绕组中有电流时，由电枢磁势建立电枢磁场，其轴线与主磁场轴线相互垂直，故又称电枢磁场为交轴磁场。电枢磁场使主磁场受到影响，电机的气隙磁场发生了变化，称之为电枢反应。电枢反应的结果是：（1）电机气隙中的合成磁场发生畸变；（2）电机气隙中的合成磁场有所削弱。严重的是由于磁场的畸变使电机换向条件恶化，容易产生火花。六、直流牵引电动机的结构图2—49ZQDR—410型牵引电动机纵剖面1—油杯；2—刷架圈；3、17—轴承；4—挡油板；5—前端盖；6—平衡块；7—换向器；8—电刷装置；9—均压