电力牵引在铁路运输中的地位及应用Word文档格式.docx
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从1960年西德制成半导体整流器式电力机车以来，目前世界各国电气化铁道大部分已采用单相工频交流制电力牵引，接触网供电电压为25kV。
1958年美国发明晶闸管后，60年代中期晶闸管相控机车开始问世，至今已达到成熟阶段。
晶闸管的发明使制造大功率机车用逆变器变为现实，80年代初西德研制了采用异步电动机驱动的交－直－交电力机车，英国、美国、苏联、法国、日本等国也都进行了研制。
我国在1991年开始研制4000kW交流传动电力机车，1995年已完成组装，进入整机试验阶段，成为世界上少数能研制该机车的国家之一。
它简单、可靠，具有良好的防空转性能、牵引特性和制动特性。
这些均预示着机车性能的深刻变革，因而将成为今后电力牵引的一个发展方向。
据统计，全世界已有电气化铁路22.2万km，在经济发达国家，电气化铁路占铁路营业里程的比重一般都已达到35％～60％以上，承担的铁路运量所占比重已超过60％～90％以上。
所以铁道电气化为许多国家作为发展方向。
电力牵引发达的国家见下表。
（统计截止二十世纪末）
电力牵引发达国家排行表
国 名
电力牵引里程百分比%
完成运量百分比%
瑞士
100
瑞典
65
95
日本
57
90
意大利
51
德国
42
86
法国
32
82
波兰
37
俄罗斯
33
60
英国
20
中国
19
30
电气化铁路最长的国家有俄罗斯、日本、德国、法国、波兰、意大利。
有些国家几乎全部电气化，例如瑞士。
电气化铁路占该国铁路总长50％以上的国家有瑞典、挪威、荷兰等国，目前电气化铁路还在持续增加，由内燃机车牵引或蒸汽机车牵引转向电力牵引。
在电气化的发展速度方面，1976～1980期间，苏联电气化速度为一年875km，同一时期日本为200km，西德为350km，我国为200km。
1996年我国电气化速度为一年696km。
（二）我国电力牵引的发展
我国电气化铁路自1958年开始筹建，一开始便决定采用先进的单相工频交流供电制，接触网电压为25kV。
1958年试制成功韶山1型引燃管整流器式电力机车，1961年8月15日宝鸡－凤州段92km电气化铁路通车，这是我国第一条电气化铁路。
1975年7月1日，全长676km的宝成电气化铁路全线建成通车。
1977年6月25日，全长357km新线电气化铁路阳平关至安康线建成。
“六五”期间修建电气化铁路2521km，特别是1985年，就有京秦线、成渝线内（江）重（庆）段、贵昆线贵（阳）水（城）段和太新线长（治北）月（山）段4条电气化铁路建成，共计1158km。
“七五”期间共修建电气化铁路2797km，建成了我国第一条以运煤为主的开行重载单元列车的大秦双线电气化铁路。
“八五”期间共修建电气化铁路2783km，这期间我国第一条准高速铁路广（州）深（圳）电气化铁路动工兴建。
到1997年12月2日，以南昆电气化铁路全线开通运营为标志，我国已有24条（段）铁路干线实现了电气化，电气化铁路里程达11637.7km，分布在全国16个省市自治区，成为世界第九个拥有10000km以上电气化铁路的国家。
“九五”期间，修建新线电气化铁路2200km，既有线电气化铁路4300km，合计6500km。
在此期间，我国还建成时速200km的广深高速电气化铁路。
据统计，截至2003年底，我国已经拥有18059km的电气化铁路，占我国铁路总营业里程的29.9%，承担着约60%的铁路客货运输总量。
我国电力机车的研究，与铁道电气化同步进行。
第一台干线交流电力机车由湘潭电机厂（负责电气及总装）、株洲田心机车车辆工厂（负责机械部分）共同研制。
该车参照苏联H60型电力机车设计，1958年12月底完成，实现了“从无到有”的零的突破。
韶山1型机车，到1988年停止生产，共生产了851台。
1969年株洲电力机车工厂与株洲电力机车研究所试制了一台韶山2型电力机车，嗣后上述两单位在1978年研制成功韶山3型电力机车，1982年12月通过鉴定，1984年开始批量生产。
1985年第一台相控电力机车――韶山4型电力机车诞生，从而逐步配套形成4、6、8轴式的快速客运（4轴）、客货两用（6轴）、重载货运（8轴）多机型、多用途的系列化电力机车，实现电力机车发展的“从少到多”。
1990年试制韶山5型电力机车、韶山6型电力机车。
1994年研制出我国第一台微机控制、全悬挂架承式轮对空心轴弹性传动的快速（时速为160km）客运电力机车――韶山8型电力机车，并创造了当时的中国铁路第一速240km/h，并于1996年开始生产。
1996年，我国第一台交流电传动电力机车――AC4000研制成功，标志着我国电力机车的研制进入高科技领域，实现了从普速到高速、从交直电传动到交流电传动两个里程碑式的跨越，电力机车发展在技术上“从低到高”。
1999年完成了200km/h级动力集中型电动旅客列车组的开发，并在广深铁路投入高速客运。
我国成为世界上第9个有能力自行建造高速铁路与机车车辆的国家。
“中华之星”、“先锋”以及“中原之星”等一批采用先进的交流传动技术的动力集中和分散型的电动车组陆续研制成功，并投入试验或运用。
其中，“中华之星”动力集中型高速电动车组于2002年底创造了时速321.5km的中国铁路第一速，这标志着我国电力牵引的模式进入了新的发展阶段。
其间，我国还陆续研制成功韶山9型电力机车及多种交流传动电力机车。
截至2003年底，我国电力机车总拥有量已经达到4584台，占机车总拥有量的29.7%，其中国产电力机车比例占90%。
三、电力牵引的特点及优越性
（一）电力牵引的特点
在各种牵引动力中，电力机车与蒸汽机车、内燃机车的根本不同点在于它牵引列车时所需的能量不是由机车本身产生的，而是通过接触网（或其他供电装置）供给的，这种机车称为非自给式机车。
而蒸汽机车、内燃机车在牵引列车时所需要的能量，则是由机车本身装载的燃料（如煤、柴油等）燃烧而产生的，这种机车称为自给式机车。
由于电力机车与其他机车这种根本的区别，客观上决定了它取用能量的万能性。
对于自给式机车来说，只有机车上储存的燃料，才能作为它能量的来源，这就表现了它取用能量的单一性。
但对于电力机车来说，它所需要的电能却可以由一切形式的能量转换而来。
如可以由热力、水力、天然气甚至于地热、原子能、太阳能等转换而来。
只要有相应的发电站，便可以利用相应的能量。
由于这种取用能量的万能性，使得电力机车具有一系列的特点。
1．功率大
现代铁路运输的发展，要求机车具有强大的功率。
由于电力机车是非自给式机车，没有燃料储备，因而在同样的机车重量下，其功率要比自给式机车大。
机车单位重量所具有的功率称为比功率，这是衡量机车技术水平的一个标志。
目前，电力机车的比功率一般达到40～60kW／t，而较好的内燃机车，其功率也只有25～30kW／t。
按每轴功率来说，电力机车已超过750kW，最高已达到1350kW（瑞士生产的Re型机车），较好的内燃机车的每轴功率为440～580kW。
从整台机车来说，电力机车的轮周功率最高已达7500kW以上，内燃机车最高功率为4800kW（柴油机功率，若折算到机车轮周，则还要降低20％～30％）。
2．速度高
提高机车运行速度是铁路运输的另一重要方面。
由于电力机车功率大，因而可以获得较高的速度。
目前，客运电力机车运行速度已达到250km／h，货运电力机车也达到120km／h，随着新型电力机车的不断出现，机车运行速度将进一步提高。
法国的电力机车在试验线路上已达到331km／h的速度，TGV电动车组试验速度为515km／h。
1995年代表我国机车工业赶超世界先进水平的SS8型准高速电力机车落成，在环行道上创造了每小时212.6km的最高时速。
2002年底交流传动动力集中型电力机车“中华之星”创造了时速321.5km的中国铁路第一速。
1997年4月1日我国实施的客运新图增设准高速列车时速达140km。
3．效率高
机车效率的高低直接影响到铁路运输的经济指标。
对于自给式机车来说，每台机车的平均热效率实际上是基本固定的，例如蒸汽机车的平均热效率为8％～10％，内燃机车的平均效率为25％左右。
电力机车本身的效率是很高的，但考虑到整个电力牵引系统，其平均效率则不是固定的，它与供电系统的电能来源有关，在由水力民用电站供电的情况下，电力牵引的效率可达到60～70％，在由高参数火力发电站供电时，其效率为25％左右，由低参数火力发电站供电时，其效率为16％～18％。
由此可见，在电力牵引的电能来源平均来自各种电站的情况下，其效率要高于内燃机车和蒸汽机车，而在我国这样的水利资源丰富的国家，电力牵引的效率显然更高。
4．过载能力强
机车在起动、牵引重载列车和通过困难区段时，具有一定的过载能力是十分重要的。
自给式机车的过载能力要受两方面的限制，一方面受机车发动机（如蒸汽机车、内燃机车的牵引发电机或液力变扭器）过载能力的限制，另一方面又受机车所带的能量装置（如锅炉、柴油机）过载能力的限制。
对于非自给式电力机车，其能量是来自较强大的供电系统，因而机车的过载能力是较高的。
（二）电力牵引的优越性
由于电力机车具有上述一系列的特点，故在铁路运输中显示出很大的优越性和良好的营运效果。
根据电力机车的运行经验，其优越性表现在下述几个方面：
1．运输能力强
电力机车功率大、速度高，最符合铁路运输多拉快跑的要求，这样就可以提高牵引定数，缩短区间运行时间，因而使线路通过能力大大提高。
其完成铁路运量的效果更为显著。
法国、西德、日本等国电气化铁路里程占全国总运量的30％～40％，但完成铁路运量却达到全国总运量的52％～83％。
我国宝成铁路电气化后，完成的货运量为蒸汽机车牵引的三倍。
1980年开通的宝天电气化铁路，牵引定数由双机2600t提高到3250t，年运输能力由570万t提高到1400万t。
有资料表明，1条电气化铁路的运输能力，相当于1.5条内燃机车牵引或3条蒸汽机车牵引铁路的运输能力。
此外，电力牵引还不受外界条件的限制，在山区和高寒地区较之蒸汽机车和内燃机车更为优越。
2．经济效果显著
使用电力牵引容易实现多机重联牵引，因而使得运输中各项经济技术指标大为提高。
同时，由于电力机车的检修周期长、检修工作量少，从而减少了维修费用和人力，使机务成本大大降低。
据宝鸡电力机务段统计，电力牵引的成本仅为蒸汽牵引的56％。
仅石家庄电力机务段的48台机车，一个月即可节约43.8万元。
有资料表明，电气机车牵引万吨公里能耗仅为内燃机车牵引的2／3，为蒸汽机车牵引的1／3。
此外，由于电力机车整备作业少，宜于长交路行驶，这样就可以减少机务段的数目。
如我国宝成铁路使用蒸汽机车牵引时，全线共有四个机务段，电气化后仅设有两个机务段，而且乘务人员和使用的机车台数也相应减少，使劳动生产率大大提高。
3．合理利用能源
电力牵引的能源可以来自多方面，因而实行电力牵引可以合理地利用能源，特别是可以利用丰富而廉价的水力资源和天然气资源，即使由火力发电站供电，发电站也可以使用质量较差的煤作燃料，蒸汽机车则要消耗优质煤。
使用电力牵引时，燃料的消耗也较蒸汽机车和内燃机车低得多。
我国宝成铁路使用电力牵引代替蒸汽牵引后，每年可节省优质煤十余万吨。
在第二次世界大战后，由于石油价格低廉，使得一些国家采用了内燃牵引为主的方针，但随着工业及国防对石油的需求日益增加，世界性石油危机使石油价格暴涨，因而这些国家也趋于向电气化方面发展。
我国水力资源居于世界前列，为发展电力牵引创造了有利条件。
4．劳动条件好
蒸汽机车和内燃机车工作时，均要排出大量的煤烟和有害气体造成空气污染。
使用电力牵引时则排除了这种情况，增强了环境保护。
特别在机车运行中，当机车进入市区和人口稠密地区，电力机车的噪声干扰也大大低于蒸汽牵引和内燃牵引，因而改善了乘务人员的劳动条件和铁路沿线居民的生活环境。
5．加强了行车安全
宝成铁路电气化后，列车正点率大幅度提高，1962－1964年正点率为98.2％，以后一直保持着较高的水平。
电力牵引装有电气制动，提高了长大坡道上的运行速度，保证了行车安全，解决了由蒸汽牵引而带来的大量车辆、轮、轴等事故，并且大大减少了因使用空气制动而产生的闸瓦熔化。
闸瓦发生火花将引起火灾事故，严重影响铁路运输。
因此电力牵引使行车更安全。
6．有利于实现城乡的电气化
发展电力牵引是整个国民经济电气化的一个组成部分，对城乡及其它部门的电气化，也有一定的推动作用。
特别是在一些发展中国家，农村电气化程度较低，使用电力牵引后，就使沿线农村可以方便地修建电网，促进了城乡的电气化。
四、电力机车的分类
目前，世界上使用的电力机车种类繁多，这里所说的电力机车是指电力机车和电动车组的总称，实际上包括牵引列车用的干线电力机车和担任客运的城郊电动车组与地下铁道电动车组。
我们这里主要讨论牵引列车的干线电力机车。
对于干线电力机车，其分类可按机车的不同技术特征和用途进行分类。
1．按用途可分为
（1）客运电力机车一—用来牵引客运列车。
其特点是牵引力不大，运行速度高。
（2）货运电力机车——用来牵引重载货物列车。
其特点是牵引力大，速度不高。
（3）客货两用电力机车——用来牵引客运或货运列车。
其牵引力和速度介于客、货电力机车之间。
（4）调车电力机车——用来在站场上编组列车。
机车的功率不大，速度和牵引力均较低。
2．按机车动轴数不同可分为
4轴、6轴、8轴、12轴等电力机车。
一般动轴数较多的电力机车用作货运机车，动轴数较少的电力机车用作客运机车。
3．按传动形式不同可分为
（1）具有个别传动的电力机车――电力机车每一轮对由单独的牵引电动机驱动，这些轮轴称为动轮或动轴。
（2）具有组合传动的电力机车――电力机车上某几个轮对（通常为同一转向架上的几个轮对）互相连接成组，然后由一台牵引电动机来驱动。
4．按电流制不同可分为
现代干线电力机车一般是按电力机车的供电电流及所采用的牵引电动机类型来分类的。
电气化铁道主要采用直流制和交流制，因此电力机车相应地分为直流电力机车和交流电力机车。
（1）直流电力机车——接触网供电电压为直流1500－3000V，机车牵引电动机为直流串励牵引电动机。
（2）交流电力机车——按接触网供电频率的不同可分为单相低频制和单相工频制交流电力机车。
采用单相低频（25Hz、16
Hz）交流制时，交流电力机车的牵引电动机为单相整流子电动机。
接触网采用单相工频（50Hz）供电时，电力机车又有下列不同形式：
a 整流器式电力机车——又称交－直型电力机车。
牵引电动机为脉流串励牵引电动机。
该型式的电力机车目前是世界上各个国家普遍采用的一种机车型式。
我国生产的韶山系列电力机车即属于此种型式。
b异步电动机电力机车――又称交－直－交型电力机车。
采用三相异步电动机作牵引电动机，有良好的牵引特性和制动特性，并能适应近代机车功率和速度不断提高的发展趋势。
c同步电动机电力机车――又称交－交型电力机车。
机车上的电压变换是由单相交流变为三相交流，目前是世界各国大力研究的方向。
除了以上各种电力机车外，还有少量的多电流制电力机车，这是由于某些国家存在着不同的电力牵引供电系统，为了在两种或多种供电系统衔接区段的连续运输或其它特定需要而少量生产的，这种机车主要为交直流两用电力机车。
第二章电力机车工作原理
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。
本章着重分析四种电力机车的工作原理及工作特点，并推导出电力机车的基本特性。
学习目标：
1、熟悉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、理解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
直直型电力机车通常称为直流电力机车，是现代电力机车最为简单的一种。
它使用的是直流电源和直流串励牵引电动机。
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1－1所示为一般工矿用四轴直流电力机车的工作原理示意图。
工作过程为：
机车由受电弓AP从接触网取得直流电，经断路器QF、起动电阻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。
图1－1 直流电力机车工作原理图
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：
（1）机车结构简单，造价低，经济性好。
（2）采用适合于牵引的直流串励电动机，牵引性能好，调速方便。
（3）控制简单，运行可靠。
（4）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1500～3000V。
传输一定功率时电流较大，接触网导线耗电量较大，因此供电效率低。
（5）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。
（6）有级调速。
由于早期机车使用调压电阻起动、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，应用直流斩波技术进行调速，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。
在以前的课程中，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n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F，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）、式（1－2）得出机车速度特性计算式：
（m/s）（1－3）
式中CV——机车常数，其值为CV=60Ceμc/πD；
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量（Wb）；
Ce——牵引电动机结构常数，其值为Ce=PN/60a（a为电枢绕组并联支路数）。
从推导结果来看，机车速度特性曲线与牵引电动机的转速特性曲线形状相似，为下降的曲线。
2．牵引力特性
机车轮周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F=f（Ia）。
机车牵引力特性计算公式推导如下：
牵引电动机功率：
（kW）（1－4）
机车轮周功率：
（kW）（1－5）
根据功能原理：
故牵引力特性计算式为：
（kN）（1－6）
式中V——机车速度（m/s）；
ηd——牵引电动机效率；
ηc——传动装置效率；
m——机车配用电动机数目，对于个别传动机车为机车动轴数；
F——机车轮周牵引力（kN）。
也可用以下的方法来定性分析机车牵引力特性（忽略传动效率等因素）：
机车总功率：
Pj＝FV
PD＝UD·
Ia
机车总功率为各牵引电动机功率之和：
Pj＝mPD
m·
UD·
Ia＝F（UD－Ia·
ΣR）/CVΦ
作近似忽略：
m·
Ia＝FUD/CVΦ
得：
F＝mCVΦ·
Ia＝CFΦ·
Ia （1－7）
从推导结果看，机车动轮轮周牵引力与牵引电动机电枢电流近似成正比，为近似的上升直线。
由于机车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。
若对机车进行定量计算，可用式（1－3）、式（1－6）进行。
3．牵引特性
机车轮周牵引力与运行速度的关系，称为机车的牵引特性。
即F=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
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