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电力机车基础培训 2005年12月24日 关于电力机车 电力机车本身不带原动机 靠接受接触网送来的电流作为能源 由牵引电动机驱动机车的车轮运行 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 电力机车概念 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 再加上车上牵引电机的不同 电力机车基本上可以分为直 直流电力机车 交 直流电力机车 交 直 交流电力机车三类 电气化铁路对电力机车的供电 电力机车概念 直 直流电力机车采用直流制供电 地面牵引变电所将三相交流电变成直流电后 再送到接触网上 电力机车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l500V或3000V 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 电力机车概念 交 直流电力机车采用交流制供电 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25kV工业频率单相交流电后送到接触网上 但是车上采用的仍然是直流串励电动机 把交流电变为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流制 电力机车概念 交 直 交流电力机车交 直流电力机车采用交流制供电 牵引变电所将三相交流电改变成25kV工频单相交流电送到接触网上 车上采用的是三相异步电动机 把单相交流电变为驱动电机的VVVF的三相交流电由机车完成 采用三相异步电动机 在制造 性能 功能 体积 重量 成本 维护及可靠性等方面远比直流电机优越得多 上世纪80年代在发达国家得到普遍应用 主要原因是电力电子技术和微机控制技术的迅速发展 这种机车具有优良的牵引能力 很有发展前途 电力机车概念 电力机车的工作原理 接触导线上的电流 经受电弓进入机车后经过主断路器再进入主变压器 交流电从主变压器的牵引绕组经过变流装置后 向牵引电动机供电 使牵引电动机产生电磁转矩 将电能转变为机械能 经过齿轮的传递驱动机车动轮转动 交流传动优良性能 轴功率大 恒功范围宽 整车动力学性能好 粘着利用率高 适合高速 重载运输需要 不同类型电机其单位重量功率比为 直流机0 33kW kg 异步机0 68kW kg 可以直接进行牵引 制动的转换 电器系统简单 智能化程度高 应用维护方便 异步电动机是所有电机中结构最简单的电动机 除轴承外没有其他机械接触部分 性能好 可靠性高 维护量小 功率因数接近于1 并可将谐波干扰降低到最低限度 符合节能 环保要求 交流传动系统总效率约为0 90 而交直流传动系统总效率约为0 86 以前国家技术政策 上世纪60 70年代 国家对牵引动力发展方向的指导原则 考虑平时运输与战时运输的双重需要 牵引动力现代化采取内燃机车为主 内燃机车与电力机车并举 内燃机车的电传动与液传动并举 铁路跨越式发展背景 在绝大多数商品和服务已经转为买方市场的今天 有一种服务却是 几十年一贯 的紧俏 这就是铁路运输 客运 热线客运买票难 春运 暑运 五一 十一 客运各地普遍买票难 货运 全国日均请求车满足率仍不到60 许多煤炭企业只能 以运定产 甚至影响到电力企业 因煤限电 路网质量差 列车速度慢 经过四次大提速后客车平均速度62公里 货车速度32 4公里 铁路跨越式发展的背景 客货混跑 互相干扰 除秦沈客运专线外 全国铁路均为客货混跑模式 好比高速公路上既跑汽车又跑牛车 装备水平低 维修成本高 铁路机车车辆安全可靠性不高 存在危及运输安全的大量隐患 设备功能难以满足服务质量的要求 设备运用和维修成本高 需要运营单位大量的人力 物力和财力支持 在运力告急的背后 我国铁路运输效率却位居世界第一 2002年 我国铁路运输密度是美国的2 44倍 日本的2 58倍 法国的7 92倍 英国的9 65倍 铁路跨越式发展要求 加快新线建设 增加路网规模总量 完善路网结构 提高路网质量 繁忙干线实现客货分线运输 形成四线或多线运输 主要通道实现复线 电气化 形成大能力货运网络 通过新线建设 既有线提速改造和建设客运专线 形成覆盖全国的快速客运网络 实现人便其行 货畅其流 东中西部区域各有侧重 东部地区 以建设客运专线和港口后方通路为重点 中部地区 重在建设煤运通道和区域间大能力通路 西部地区 则以构成未来铁路网骨架的新线和口岸站 能源基地通路为建设重点 铁路装备制造走引进技术和自主开发相结合的发展之路 迅速缩短与发达国家的差距 提高铁路装备水平 对机车车辆工业的要求 基本方针 引进先进技术联合设计生产打造中国品牌 先进成熟经济适用可靠 总体要求 铁路十一五规划 继续推进既有线提速 在1 3万公里提速干线实现客车200km h 货车120km h 建设京沪 京广 京哈 沈大 陇海等客运专线 列车时速达到200 300km h 建设京津 沪宁 沪杭 宁杭 广深 广珠等大城市群的城际轨道交通系统 列车时速达到200公里以上 掌握2万吨及以上重载列车成套技术 大秦线具备年运量4亿吨能力 围绕十大煤炭基地 建设大能力煤运通道 煤运通道总能力将达到15亿吨以上 初步掌握350km h铁路装备制造技术 铁路 十一五 规划 建设铁路新线17000公里其中客运专线7000公里既有线增建二线8000公里既有线电气化改造15000公里2010年营业总里程90000公里复线和电气化比例45 以上客运专线项目28个 2010年发展目标 万公里 营业里程客运专线复线铁路电气化铁路至2005年7 50 352 52 5至2010年9 50 9844增加量26 7 1800 60 60 我国交流电力机车 DJ1型机车是中国机械进出口公司和铁道部于1997年三月底委托奥地利西门子公司开发 制造和供应20台双机重联机车 头三台车有奥地利的西门子格拉兹工厂制造 其余17台由西门子与株洲电力机车厂 株洲电力机车研究所的合资公司 株洲西门子牵引设备公司制造 20台车都将交付郑州铁路局宝鸡机务段 在宝成线北段运用 目前在湖东电力机务段担当大秦铁路的生产运输任务 我国交直交型电力机车的现状 DJ2型交流传动电力机车是我国第一台具有自主知识产权的商用型交流传动电力机车 1 采用交流传动技术 电传动系统采用国产化的GTO水冷变流机组 1225kW大功率异步牵引电动机 调速恒功范围宽 轴功率大 粘着特性好 效率和功率因数高 2 以转向架为单元的静止辅助变流器装置能提供VVVF和CVCF三相辅助电源 对辅助机组进行分类分级供电 系统冗余性强 节能降噪效果好 3 控制系统采用国产化分散式微机网络控制系统 并采用冗余设计 主机热备及冗余输入输出 来提高整个列车组运用的可靠性 分散式微机控制系统和车辆级MVB总线 列车级WTB双绞总线实现了全列车的网络控制 逻辑控制和自诊断功能 我国交直交型电力机车的现状 4 总体设计采用了高集成化 模块化的设计技术 5 车体采用轻量化的整体承载结构和流线型的外形 6 转向架为两轴转向架 采用空心轴双侧六连杆传动方式 牵引电机架悬 牵引装置为中间推挽低斜拉牵引杆 基础制动采用轮装式盘形制动装置 7 变压器为卧式结构 车体吊挂式安装 二次吸收电抗器 辅助变流电抗器 列车供电电抗器共油箱 共用一套冷却装置 8 采用车顶夹层通风方式 9 采用再生制动加空气制动的联合制动方式 我国交直交型电力机车的现状 SSJ3型交流传动电力机车是大连机车车辆厂研制开发的交流传动电力机车 依靠与日本东芝公司的合资公司 共同开发 生产国内急需的交流传动配套系统 2001年6月项目申报 2003年12月组装出厂 目前已完成20万公里运行考核和拆检工作 SSJ3电力机车主要特点 1 采用IGBT水冷变流机组 大转矩异步牵引电动机 具有起动 持续 牵引力大 恒功率速度范围宽 粘着性能好 功率因数高等特点 2 辅助系统采用2组辅助变流器 能分别提供VVVF和CVCF辅助电源 对辅助机组进行分类供电 冗余性强 3 采用微机网络控制系统 实现了微机控制 自诊断 机车重联等功能 5 采用轴控技术 当某台电机发生空转时 可调节该台电机 这样能充分利用机车的粘着性能 6 采用下悬式安装变压器 具有高阻抗 重量轻等特点 7 采用独立通风冷却技术 8 具有空电联合制动功能 电力机车构成 总体 布局及通风机械部分 车体转向架电气系统 主 辅助 控制空气管路系统 风源装置 制动系统 电流制 单相交流50Hz工作电压 额定值 25kV轨距 1435mm轴式 Co Co机车总重 138t轴重 23t电传动方式 交流传动 机车特性比较 交流机车牵引特性 DF4机车牵引特性 机车特性比较 交流机车制动特性 SS7E机车制动特性 牵引性能参数持续功率 6600kW东风8B 5200马力 3820kW 起动牵引力 560kN 480 5kN 持续牵引力 488kN 363 5kN 持续制速度 48 6km h最大速度 120km h恒功率速度范围 48 6 120km h 动力制动性能参数电制动方式 再生制动电制动功率 5600kW 50 4 120km h 最大电制动力 400kN 10 50 4km h 机车总体结构及设备布置 车体下部布置有两台3轴低位牵引动力转向架 主变压器布置在两台转向架的中间 高压电气设备集中布置在车顶 在机车的两端分别设有标准化司机室 两个司机室的中间为设备室 设备室内设有620mm宽的中间走廊 车内设备布置以平面斜对称布置为主 设备成套安装 有利于机车的重量分配和机车的制造 检修和部件的互换 车顶设备布置除主变压器的高压绕组和与之连接的25kV高压电缆及电缆接头外 其它的高压电器都布置在机车的顶盖上 包括如下设备 2台DSA200型单臂受电弓 2台高压隔离开关 1台真空断路器 1台高压电流互感器 1台高压电压互感器 1台复合外套金属氧化物避雷器以及接地装置 硅橡胶支持绝缘子 连接母线等 司机室设备布置司机室符合规范化司机室的设计要求 内部设有操纵台 信号显示器 辅助调车控制器 司机座椅 端子柜 饮水机 电暖器 紧急放风阀 灭火器等设备 顶部布置有顶置式机车空调 冷暖 风扇 头灯 司机室灯等 前窗采用电加热玻璃 前窗外设有电动刮雨器 侧窗外设有机车后视镜 窗内设有电动遮阳帘 车内设备布置在两端司机室的中间为贯通的机器间 人为地将其分为三个室 中部为变流器室 在变流器室和司机室之间为I端设备室和II端设备室 I端设备室紧邻I端司机室 内部布置有1 3牵引电动机的三台轴流通风机组 一台复合冷却器和一台复合冷却器通风机组 冷却一台主变流器和一半的牵引变压器冷却介质 一台螺杆泵空气压缩机 带膜式干燥器 微机控制柜 TCMS 电源柜 含蓄电池 滤波装置柜 控制电器柜及一个升弓气路板 变流器室布置有2台主变流器柜 向2台转向架的6台并联的牵引电动机供电 1台主变流器和1台辅助变流器设计成一体式结构 II端设备室紧邻II端司机室 内部布置有4 6牵引电动机的三台轴流通风机 一台复合冷却器和一台复合冷却器通风机组 冷却另一台主变流器和一半的牵引变压器冷却介质 一台螺杆泵空气压缩机 带膜式干燥器 空气管路柜 行车安全柜 储油柜 含工具柜 两个总风缸及一个升弓气路板 车下设备布置车下设备包括 1台悬挂在机车中部的卧式牵引变压器 以变压器为中心对称布置的2台动力转向架以及动车插座 辅助 控制电路外接电源插座等 冷却通风系统 通风系统主要分四部分 分别是 主变流器和主变压器的复合冷却器通风 牵引电机通风 辅助变流器通风 司机室通风 主变流器和主变压器的复合冷却器通风该通风支路采用车体顶部进风方式 由一台主冷却风机和一个复合冷却器组成 冷却空气先冷却主变流器的水散热器 再冷却油散热器 复合冷却器的主要技术参数 散热能力 水130kW 油120kW需冷却风量 6 5m3 s风阻损失 1000Pa主冷却风机主要技术参数 风量 6 67m3 s风压 1700Pa风机型号 TZTF6 0E电机功率 18 5kW电压 380VAC电流 34 5A转速 2930r min 牵引电机通风该通风支路采用独立通风方式 进风口设置在车体侧墙上 采用了离心力 沉积 过滤器并加一层防雨过滤网 为保证过滤效率 进风的风速设计为2m3 s 为保证机器间正压通风以及为空压机提供风源 每个牵引风机座的出风风道上开一旁风口 通过金属过滤网向车内排风约0 3m3 s 以确保车内空气的清洁 牵引风机主要技术参数 风量 2 1m3 s全压 2300Pa风机型号 TZTF6 0H电机功率 10kW电压 380VAC电流 19A转速 2935r min牵引电机需要风量 1 6m3 s 辅助变流器通风该通风支路采用车体顶盖进风 采用了离心力 沉积过滤器 并加一层防雨过滤网 以提高过滤效果和防雨性能 离心风机主要技术参数 风量 0 5m3 s电机功率 1 5kW电压 400VAC 司机室通风由于司机室要求密闭和降噪 所以司机室通风采用空调通风功能 利用空调的进风 排风 实现司机室的空气对流 冷却空气走向如下 车外空气 空调进口 空调进风机 司机室主要技术参数 需要风量 0 0083m3 s进风风速 0 3m s 机车主电路 受电弓 用于受流 车顶电压互感器 用于检测线路电压 主断路器 用于连接并保护高压电路 原边电流互感器 用于检测25kV线路电流并实现过流保护 牵引变压器 向牵引变流器供电 牵引变流器 用于机车VVVF控制 牵引电机 M1 M6 制动电阻库内动车回路 主变压器 牵引变流器开关元件 IGBT4500V 900A冷却方式 水冷 纯水 乙二醇 强迫风冷四象限脉冲整流器额定输入电压 1450 2VAC输入频率 50Hz额定输入电流 883A额定输入容量 1280kVA中间电压 2800V牵引逆变器输出电压 0 2150VAC 三相 输出电流 0 520A额定输出电压 2000V额定输出电流 382A输出频率 0 120Hz 三相异步牵引电动机型号JD126A持续功率1250kW 装车1130kW 额定电压2150V 装车2000V 额定电流390A 装车382A 额定频率38 7Hz 装车35Hz 额定转速1143r min 装车1033r min 最高转速2575r min额定转矩10446N m起动转矩13210N m极数4功率因数0 9额定效率95 4 绝缘等级200级冷却方式强迫风冷通风量96m3 min 静风压1800Pa 辅助电路由辅助变流器供电电路 辅助电动机电路 辅助库用电路 制冷及采暖电路等组成 采用交 直 交辅助变流系统 机车上共安装两套完全相同的辅助变流器 分别按照VVVF和CVCF方式工作 考虑到辅助变流系统的冗余 每套辅助变流器的容量为230kVA 以满足在一套辅助变流器故障的情况下 机车上的所有辅助电动机全部可以切换到另一套辅助变流器上工作 辅助电路 辅助电路 辅助变频器2台 与牵引变流器在一起 将牵引变压器辅助绕组提供的单相交流电变为三相交流电 为辅助系统供电 牵引风机6台 分别为6台牵引电机通风 冷却塔风机2台 为油循环冷却的牵引变压器和水循环冷却的牵引变流器配套的两台复合冷却塔通风冷却 油泵2台 提供牵引变压器油循环 变流器水泵2台 提供牵引变流器水循环 辅助变流器风机2台 提供辅助变流器通风 司机室空调机2台 为司机室进行空气调节 辅入库回路 辅助变流器额定输入电压 857 8VAC 单相 额定输入频率 50Hz直流中间回路电压 600VDC元件类型 IGBT1700V 1200A调制方式 相控调压 输入 PWM 输出 恒频恒压变流器输出容量 230kVA输出电压 380VAC 三相 输出频率 50Hz变频变压变流器输出容量 230kVA频率控制范围 0 50Hz电压控制范围 2 380VAC 控制电路是以机车微机控制与监视系统 简称TCMS 为核心 由控制电源电路 司机指令与信息显示电路 机车逻辑控制和保护电路 辅助变流器控制电路 主变流器控制电路以及行车安全综合信息监控系统 轴温监控系统 空气电气联合制动系统和外围电路等组成 控制电路的主要功能为 顺序逻辑控制 机车特性控制 定速控制 辅助电动机控制 空电联合制动控制 机车粘着控制 机车重联控制以及故障诊断 显示与保护 控制电路 控制电路 控制电源 依靠辅助变流器中间电路直流输入 进行斩波降压和DC DC变换变为110V直流电 在为控制系统供电的同时 也为基础蓄电池充电 基础电源 阀控式密封铅酸蓄电池DM170 2V 170Ah 每节 TCMS柜 机车控制柜 司机控制台 司机操作台面 包括主控制器MC 辅控制器AC 显示屏 监控屏 操作开关等 控制系统包括 列车级 重联 车辆级 传动级 列车级主要用于列车重联控制 车辆级包括央处理单元M CPU及其配套功能单元 负责牵引力 制动力计算 机车逻辑控制 空电联合控制 故障诊断等 并负责车辆总线的管理 由于其重要性 一般有冗余设备 本图中master为主计算机 slave为从计算机 其附属功能控制包括DKL APU BAT ATP 以及受电弓 主断路器 通风机 轴温保护等控制Pant VCB Blower Temperaturesensor等 机车的运行信息及故障诊断信息通过Display进行显示 传动级为CI1 CI6 负责四象限及逆变器 牵引电机控制 他们同样通过车辆总线M CPU进行通讯 控制电路 车体 机车前后车钩中心距20846mm机车车体底架长度19630mm机车车体宽度3100mm机车车体高度 新轮 4100mm车体底