电力机车主电路发展概述(I)

电力机车主电路的发展概述

电力机车（electric locomotive）本身不带原动机、靠接受沿线接触网送来的电流作为能源、由牵引电动机驱动车轮的机车。所需的电能，可以由多种形式（火力、水力、风力、核能等）转换而来。电力机车具有功率大、热效率高、速度快、过载能力强和运行可靠边等主要优点，而且不污染环境，特别适用于运输繁忙的铁路干线和隧道多、坡度大的山区铁路。

发展概况【top】最早造出第一台标准轨距电力机车的是苏格兰人R·戴维森，时间是1842年，由40组蓄电池供电，但没有实用价值。1879年5月，德国人W·VON西门子设计制造了一台能拉乘坐18人的三辆敞开式“客车”的电力机车，它由外部150V直流发电机通过第三轨供电，这是电力机车首次成功的试验。1881年,法国在巴黎展出了第一条由架空导线供电的电车线路，这就为提高电压，采用大功率牵引电动机创造条件。1895年，美国在巴尔的摩—俄亥俄间5. 6 km长的遂道区段修建了直流电气化铁路，在该区段上运行的干线电力机车自重97 t，采用675 V直流电，功率为1 070 kW。1903年德国的三相交流电力机车创造了每小时210km 的高速记录。

中国最早使用电力机车在1914年，是抚顺煤矿使用的1 500 V直流电力机车。1958年中国成功地生产出第一台电力机车，从采用引燃管整流器到硅整流器，机车性能不断改进和提高，到1976年制成韶山型（SS1型）131号时已基本定型。截止到1989年停止生产，SS1型电力机车总共制造出厂926台，成为中国电气铁路干线的首批主型机车。1966年SS2型机车制成。1978年研制成功的SS3型机车，不仅改善了牵引性能，还把机车的小时功率从4 200kW提高到4 800kW，载止到1997年底，共生产了987台，成为中国第二种主型电力机车。1985年又研制成功了SS4型8轴货运电力机车，它是国产电力机车中功率最大的一种（6 400kW），已成为中国重载货运的主型机车。以后又陆续研制成功了SS5、SS6和SS7 型电力机车。1994研制成功了时速为160 km的准高速四轴电力机车等。至此，中国干线电力机车已基本形成了4、6、8 轴和3 200、4 800和6 400kW功率系列。1999年5月26日，中国株洲电力机车厂生产出第一台时速超过200km的DDJ1001号“子弹头”电力机车，标志着中国铁路电力牵引已跻身于国际高速列车的行列。为追踪世界新型“交—直—交”电力机车新技术，从20世纪70年代末开始，中国铁路一直在进行中小功率变流机组的地面试验研究和大功率的交—直—交电力机车的研制，也已取得了阶段性成果。

类型【top】电力机车是从接触网上获取电能的，接触网供给电力机车的电流有直流和交流两种。由于电流制不同，所用的电力机车也不一样，基本上可以分为三类：

直—直流电力机车采用直流制供电时，牵引变电所内设有整流装置，它将三相交流电变成直流电后，再送到接触网上。因此，电力机车可直接从接触网上取得直流电供给直流串励牵引电动机使用，简化了机车上的设备。直流制的缺点是接触网的电压低，一般为1 500V或3 000V，接触导线要求很粗，要消耗大量的有色金属，加大了建设投资。

交—直流电力机车在交流制中，目前世界上大多数国家都采用工频（50Hz）交流制，或25Hz低频交流制。在这种供电制下，牵引变电所将三相交流电改变成25 kV工业频率单相交流串励电动机，把交流电变成直流电的任务在机车上完成。由于接触网电压比直流制时提高了很多，接触导线的直径可以相对减小，减少了有色金属的消耗和建设投资。因此，工频交流制得到了广泛采用，世界上绝大多数电力机车也是交—直流电力机车。

交—直—交电力机车采用直流串励电动机的最大优点是调速简单，只要改变电动机的端电压，就能很方便地在较大范围内实现对机车的调速。但是这种电机由于带有整流子，使制造和维修很复杂，体积也较大。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、功能、体积、重量、成本、及可靠性等方面远比整流子电机优越得多。它之所以迟迟不能在电力机车上应用，主要原因是调速比较困难。改变端电压不能使这种电机在较大范围内改变速度，而只有改变电流的频率才能达到目的。因此，只有当电子技术和大功率晶闸管变流装置得到迅速发展的今天，才能生产出采用三相交流电机的先进电力机车。交—直

—交电力机车从接触网上引入的仍然是单相交流电，它首先把单相交流电整流成直流电，然后再把直流电逆变成可以使频率变化的三相交流电供三相异步电动机使用。这种机车具有优良的牵引能力，很有发展前途。德国制造的“E120”型电力机车就是这种机车。

基本构造【top】交—直流电力机车由机械和电气两大部分设备组成。机械部分包括车体、车钩缓冲装置、走行部和制动装置等。

车体内分成9 个室，中部是变压器室，室内装有牵引变压器、转换硅机组、调压开关和电池箱等设备。电抗器室，装有平波电抗器、离心式通风机组及劈相机；高压室，装有整流硅机组、主电路电器柜和辅助电路电器柜；机械室内装有空气压缩机组和通风机组，机械室的顶部各装一套制动电阻；机车的两端为司机室，室内的正、副司机操纵台及各种开关、仪表和指示灯等。车体侧墙上开有百叶窗，空气可以从这里进入车内对机件进行冷却。车体底架中梁的两端安装着车钩缓冲装置。车体顶部安装着两套受电弓。

走行部为2～3 台转向架，用来承受机车的上部重量，传递牵引力和制动力，缓冲来自线路的冲击。转向架由构架、旁承、轮对、轴箱、弹簧减振装置、电机悬挂装置、牵引装置、基础制动装置及撤砂装置等部分组成。每根车轴上都装有一台牵引电动机，产生的转矩通过齿轮的传递使车轮转动。

电力机车除了使用空气制动以外，还可以利用直流电机的可逆性原理，把列车的功能为电能，再把电能变为热能消耗掉（叫电阻制动）或把电能反馈到电网上去（叫再生制动），以达到控制励磁电流大小，就能很方便地控制制动功率的大小。

电力机车上的全部电气设备，分别安装在它的主电路、辅助电路和控制电路之中，如图2所示。

图２电力机车电气回路示意图

1－受电弓；2－主断路器；3－主变压器；4－转换硅机组；5－调压开关；6－硅机组；7－主回路柜；8－平波电抗器；9－牵引电动机；10－劈相机；11－通风机；12－牵引通风机；13－油泵；14－空气压缩机；15－制动电阻柜。

将产生机车牵引力和制动力的各种电气设备连接而成的电系经叫主电路（如图2中粗实线所示），用来实现机车的功率传输。在主电路中的电气设备有受电弓、主断路器、牵引变压器、转换硅机组、调压开关、整流硅机组、平波电抗器、牵引电动机和制动电阻等。受电弓安装在车体顶部，每车两套，用来从接触网上取得电能，接触导线送来的25 kV工频单相交流电由此引入机车。主断路器是机车上的主要保护装置，当主电路发生短路、接地或其他电气设备发生故障时，它能自动切断机车电源。牵引变压器共有四个绕组：原边绕组接25kV高电压，经轮对、钢轨、回流线回到牵引变电所；三个副边绕组中，牵引装组用来向牵引电动机供电；励磁绕组用在电阻制动时给电动机提供励磁电流；辅助绕组用来给机车的辅助机组供电。转换硅机组和调压开关是保证机车平稳调压，达到机车的调速目的。牵引绕组输出的交流电通过整流硅机组整成直流电后供牵引电动机使用。由于牵引电动机本身的电感较小，不足以将整流后的电流滤平到所需要的范围，必须在电动机的电路里串接一个增大电感量的平波电抗器，以减小整流电流的脉动，改善电动机的工作条件。当机车需要进行电阻制动时，把牵引电动机从串励电动机改成他励发电机，把电枢绕组与制动电阻相连接，把电能变成热能逸散掉，达到消耗机车动能的目的。