内燃机车电力传动.docx

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内燃机车电力传动

燃机车电力传动

第一节 概述

燃机车的原动机一般都是柴油机，从柴油机曲轴到机车动轮（轮对）之间,需要一套速比可变的中间环节,这一中间环节称为传动装置。

燃机车的传动装置有电力传动、液力传动和机械传动三种，电力传动又分为直-直流电力传动、交-直流电力传动、交-直-交流电力传动和交-交电力传动，目前国使用的DF4、DF5、DF7、DF8、DF11等型机车均采用交-直流电力传动。

一、电力传动装置的作用

1.传动作用

将机车柴油机曲轴输出的机械能进行能量变换，传递给轮对，驱动机车运行，并使机车具有理想的牵引特性。

要求机车牵引力和运行速度都有一个比较宽广的变化围，并且在较大的机车速度围，柴油机都始终在额定工况下运行，即柴油机的功率能够得到充分发挥和利用。

此外，机车应具有足够高的启动牵引力。

2.制动作用

利用直流电机的可逆原理，在电阻制动工况时，将直流牵引电动机改为直流发电机，通过轮对将列车的动能转变为电能，消耗在制动电阻上，在以热能的形式逸散到大气中。

在这过程中，牵引电动机轴上所产生的反力矩作用于机车动轮上而产生制动力。

这种制动作用称为电阻制动。

传动装置应保证机车电阻制动性能的要求。

3.辅助作用

驱动机车辅助装置的一些泵组工作，或对机车系统中的油水经行预热，以及机车照明、取暖等。

4控制作用

按照机车设计要求和操纵顺序，自动或手动完成有关器件的动作，以保证柴油机在无负载情况下启动，进行转速调节，保证机车在起动过程中的平稳，并能保证机车换向运行等。

以达到操纵控制机车正常运行的目的。

5.监视及保护作用

   使机车操纵者能正确了解机车各部分的工作状态，及时显示某些必要的参数值。

当机车某部位出现故障时，能自动显示或采取有效措施，以尽量维持机车运行和避免事故的扩大。

二、交-直流电力传动基本原理及组成部分

柴油机工作时产生的动力由曲轴输出,通过弹性联轴器与同步牵引发电机相连,发电机将柴油机的动能变成电能即三相交流电输出,经整流后送给直流牵引电动机,电动机再将电能变成动能经齿轮传递给轮对形成牵引力。

机车电传动由电机、电器和电路三部分组成。

第二节 电机

燃机车上使用的电机很多，如DF4上32台，DF8B上29台。

这些电机归纳起来可分为三类，第一类为根据机车性能与机车结构上的特殊要求而设计的专用电机，如同步牵引主发电机、牵引电动机、启动发动机及感应子牵引励磁机等；第二类为通用电机，如空气压缩机电动机、启动机油泵电动机、燃油泵电动机等；第三类为控制用微型电机，如无级调速步进电机、柴油机测速发电机等。

这里根据需要仅对部分主要电机作简要介绍。

一、同步牵引发电机

同步牵引发电机是将机械能转变为电能的旋转电机，它是根据电磁感应原理制造的。

DF4和DF11型燃机车分别使用的是TQFR-3000型和JF204C型同步牵引发电机。

（一）TQFR-3000型同步牵引发电机

1、TQFR-3000型同步牵引发电机的组成结构

TQFR-3000型同步牵引发电机其型号的含义是：

T-同步；Q-牵引；F-发电机；R-热力机车；3000-额定容量为3000kv.A。

是一台卧式、单轴承、径向自通风、十八极凸极式三相交流同步发电机。

电机输入端（主驱动端）轴伸为法兰盘形式，通过弹性连轴节与柴油机曲轴连接，使发电机和柴油机连为一体构成机组。

电机输出端（辅助驱动端）为锥度轴伸，通过带有橡胶减震装置的万向连轴节与启动变速箱连接。

牵引发电机定子是实现电机能量转换的电枢部分，其作用是安放电枢绕组、产生感应电势、支撑转子，并提供部分磁路。

主要有机座、定子铁心、电枢绕组、刷架装置及端盖等五部分组成。

机座用于固定定子铁心并承受定子的扭矩。

前端有三相绕组和零线四个集电环，上部焊有接线端子。

定子铁心用于嵌放电枢绕组，并提供磁路。

电枢绕组共有108个线圈，为三相星形连接，并有中性点引出线，用于产生感应电势和对外输出电流。

刷架的作用是通过滑环向牵引发电机转子磁极上的励磁绕组输入直流励磁电流。

转子用于输入扭矩、产生主磁场，主要有转轴、磁轭支架、磁极、滑环、及风扇等组成。

转轴热套有磁轭支架和滑环座，磁轭支架既用来安装18个磁极，又是转子磁路的一部分，磁极上18个线圈依次串联构成励磁绕组，励磁电流通过电刷和滑环引入。

磁轭支架两端安装风扇叶片，构成离心式自通风冷却。

电机运行时在部形成两条冷却风路：

冷却空气自前端盖吸风网吸入后，绝大部分经转子磁轭轮幅空间、磁极间缝隙、定子径向通风沟槽，最后由机座上、下排风口排出；少部分冷却空气从前端盖吸风网吸入后，先冷却电枢绕组端部，在经机座筋板上的孔，最后由机座上、下排风口排出。

正负滑环用导电性能良好的黄铜铸成，通过螺栓固定在滑环座上，螺栓套有绝缘套管，滑环与滑环座之间隔有绝缘圈。

每个滑环上装有一个接线螺栓，分别接励磁绕组的首、末端端子。

主发电机的转子在柴油机的带动下成正比例转动，当转子上的励磁绕组通以励磁电流后，产生旋转磁场，定子绕组切割磁场而发出三相交流电，经主整流柜整流后输出直流电，供给牵引电动机。

2、TQFR-3000型同步牵引发电机的主要参数

型   号：

         TQFR-3000        接线方式：

      星形

额定容量：

         2985kVA          励磁方式：

      他励

额定电压：

         438/613V         励磁电压：

      101/112V

额定电流：

         3936/2805A       励磁电流：

      244/272A

额定频率：

         150Hz            绝缘等级：

      F/F

额定转速：

         1000r/min        通风方式：

      径向自通风

（二）JF204C型同步牵引发电机

1、JF204C型同步牵引发电机的组成结构

JF204C型同步牵引发电机为卧式单轴承结构的三相凸极式同步发电机，电机的冷却采用轴向强迫通风，冷却风从端盖下方的进风口进入电机，由另一端排出。

电机铁芯为拼片结构，用拉紧螺栓压紧并固定在机座上。

定子绕组为三相星形连接，由中性点引出线。

定子线圈由两根导线并绕而成，每个线圈三匝。

转子采用空心轴结构。

电机有14个磁极，磁极间联线采用银铜焊接。

2、JF204C型同步牵引发电机主要参数

型   号：

         JF204C           接线方式：

      星形

额定容量：

         3600kVA          励磁方式：

      他励

额定电压：

         540/740V         励磁电压：

      70/84V

额定电流：

         3850/2810A       励磁电流：

      287/345A

最大电流：

         4950A            绝缘等级：

      F/F

额定转速：

         1000r/min        通风方式：

      轴向强迫通风

额定频率：

         116.7Hz          通风量：

        270m/min

二、直流牵引电动机（东风4型燃机车电传动P23）

燃机车使用的直流牵引电动机具有可逆性。

在牵引工况时作为电动机运行，驱动机车轮对；在电阻制动工况时，机车轮对驱动牵引电动机转子，在励磁绕组的磁场作用下，变为发电机运行。

DF4和DF11型燃机车分别使用的是ZQDR-410型和ZD106型直流牵引电动机

（一）ZQDR-410型直流牵引电动机

1、ZQDR-410型直流牵引电动机结构和作用

ZQDR-410型直流牵引电动机为四极直流串励强迫外通风牵引电动机。

Z-直流；Q-牵引用；D-电动机；R-热力机车用；410-该电机额定功率为410kw。

直流牵引电动机主要由油杯、刷架座圈、轴承、挡油板、前端盖、平衡块、换向器、电刷装置、均压绕组、机座、主极线圈、主极铁心、无纬带、电枢绕组、后端盖、换向极铁心、换向极线圈等组成。

电机抱轴侧上方有两个出线盒，标志为：

A1--电枢绕组首端；

B2--换向极绕组末端；

D1--主极绕组首端；

D2--主机绕组末端；

四个主磁极固定在机座腔的垂直与水平方向上，产生主磁通；四个换向极固定在机座腔主磁极的几何中性面上，产生换向极磁场，抵消电枢反应与电抗电势，以改善换向。

四个电刷装置固定在前端盖刷架座圈的主磁场的中性面上，其中有相对的两个通过换向器（整流子）引入电枢电流，另外两个引出电枢电流；换向器安装在电枢轴非传动端，按顺序依次引入或引出每个电枢导体的电流；电枢轴上的电枢导体处在同磁场下的电流的方向是一致的，因此产生方向一致的电磁力使电机旋转。

2、ZQDR-410型直流牵引电动机的主要参数

型   号：

         ZQDR-410          额定功率：

      410kw

额定电压：

         550V              额定电流：

      800A

最高电压：

         770               最大电流：

      1080A

额定转速：

         640r/min          通风方式：

      强迫外通风

绝缘等级：

         H/F               励磁方式：

      串励

（二）ZD106型牵引电动机

1、ZD106型牵引电动机的组成结构

ZD106型牵引电动机系四极串励直流电动机，采用单边齿轮传动，强迫通风冷却。

牵引电动机机座为焊接结构，它既是电机磁路的一部分又是电机的主要结构部件。

在换向器端开有两大、两小观察孔，便于检查、更换电刷、维护保养换向器和刷架系统。

换向器一侧的顶部开有方形通风口，上装风道。

冷却空气经滤网进入通风孔后分成两路，一路经换向器表面、磁极之间及电枢表面；另一路经换向器腔、电枢铁心通风孔及后支架。

两路风汇合从机座驱动端和端盖排风孔排出，从而将电机部热量带走。

牵引电动机驱动端和换向器端装有滚动轴承。

2、ZD106型牵引电动机的主要参数

型   号：

         ZD106             额定功率：

      530kw

额定电压：

         680V              额定电流：

      835A

最大电流：

         1080A             额定转速：

        955r/min

最大转速           2365r/min         通风方式：

      强迫通风

励磁方式：

      串励

三、启动发电机（东风4型燃机车电传动P40）

DF4B、DF4C、DF8B、DF11等型机车均采用ZQF-80型启动发电机。

ZQF-80型启动发电机是四极自通风直流电机，通过启动变速箱与柴油机相连。

它在机车上有两个用途：

一是在柴油机启动时作为串励电动机，由蓄电池供电来启动柴油机；二是在柴油机启动后作为他励发电机使用，由电压调整器（或微机）控制励磁，发出110V±2V的直流电，提供机车的控制、蓄电池充电及空压机电机等辅助装置用电。

启动发电机的结构与牵引电动机基本相同，区别是在主磁极上装有启动线圈（串励）和他励线圈，在柴油机启动时，电机按串励工况运行，蓄电池正、负端分别接电机的串励绕组、换向极绕组和电枢绕组，他励绕组不工作。

当柴油机启动后，电机由柴油机驱动，他励绕组接通电源后转为他励发电机工况运行，此时串励绕组不工作。

四、感应子牵引励磁机（东风4型燃机车电传动P48）

在国产不同型号的燃机车上，虽然使用的感应子牵引励磁机的型号不一样，如DF4（早期的除外）等型机车上装用的是GQL-45型感应子牵引励磁机，DF8、DF11等型机车上装用的是JGL405B型感应子牵引励磁机。

但它们的基本结构原理大致相同，这里仅对GQL-45型感应子牵引励磁机作简要介绍。

GQL-45型感应子励磁机是一台三相异极式轴向自通风他励交流发电机。

输出三相交流电后经励磁整流柜整流后供给牵引发电机励磁绕组。

该型电机的励磁绕组和电枢绕组都装在定子上，转子上没有绕组，不需要电刷和滑环，因此没有滑动接触部件。

定子部分有机座、定子铁心、励磁绕组、电枢绕组、端盖组成；转子部分有转轴、转子铁心、风扇等组成。

定子铁心是由硅钢片叠压而成的，在其圆周上开有放置励磁绕组的大槽和放置电枢绕组的小槽；转子有齿形冲片叠压而成。

当发电机定子上的励磁绕组输入直流励磁电流时，在电机就建立了主磁场，由于转子上齿的部分磁通大，槽的部分磁通小，因此当转子均匀转过一齿一槽时，磁通大小就经历了一个周期变化。

这个交变的磁场作用于电枢绕组上便产生出交变电动势。

六、步进电动机

步进电动机是一种把电脉冲信号转变成角位移或直线位移的执行元件，又称脉冲电动机。

他和司机控制器、无级调速驱动器配合使用。

步进电动机通过伞形齿轮、蜗轮蜗杆传动，直接控制联合调节器中配速活塞升、降及行程，从而控制柴油机的转速和输出功率，实现机车调速功能。

一般电机是连续旋转的，而步进电机则是一步一步转动的。

当控制绕组输入一个脉冲时，步进电动机就转过一个固定的角度或一段直线距离。

步进电动机的转子做成多极，定子上嵌放有多相的控制绕组。

定子上共有三对六个磁极，每两个相对的极上设有一相控制绕组，六个极上设置三相绕组AA'、BB'、CC',其A绕组和A'绕组相差180度转角，A绕组和B绕组及C绕组均相差120度,转子上无绕组，其磁场的有无和极性都取决于定子磁场，转子实质上又起磁轭作用。

当只有A相绕组通电时，转子受A相激磁磁场作用（使磁路磁导最大）而转至与A相对齐的位置；当A相断电，B相通电时，转子顺时针方向转过60°角，使其轴线与B相对齐，即步进电动机前进“一步”该转角60°就称为步距角。

如按A→B→C→A相序供电，转子将以步距角60°的步伐一步一步地顺时针转动。

若要改变转向，只需改变三相控制绕组电脉冲的相序,即按A→C→B→A相序供电即可。

电机转速高低取决于电脉冲频率。

   第三节 机车电器（东风4型燃机车电传动P72）

在燃机车上使用的电器统称为机车电器，它是组成机车电传动系统的基本元件，主要起着切换、检测、控制、调节和保护作用。

DF4等型机车上采用的是国产化电器，近几年，为满足机车大功率重载的需要，在DF8B、DF11等型机车上其主要大电器采用了引进美国GE技术的国产化电器，控制电器采用了德国沙尔特宝电器。

在燃机车上使用的电器归纳起来主要分为有触点电器和无触点电器两大类。

一、有触点电器

（一）有触点电器的基本构造和作用原理

有触点电器主要包括接触器、组合式电器、司机控制器、继电器及各开关等；此类电器最基本部分有触头、驱动装置和灭弧装置三部分组成。

       1、触头 

在电器上接通和断开电路的器件叫触头,其职能是执行驱动机构的指令,完成电路的接通或断开任务。

按在电路中用途不同,触头分为主触头和辅助触头。

按工作状态分为常开触头（亦称动合触头,线圈无电时处于断开的触头）和常闭触头（亦称动断触头,线圈无电时处于闭合的触头）,常开辅助触头又叫正联锁,常闭辅助触头又叫反联锁。

在机车电路图中,常开触头标注在导线的左边或下边,常闭触头标注在导线的右边或上边。

按接触形式还分为点接触、线接触和面接触三种。

点接触:

触头间是点与点的接触,多用于10安以下的继电器和接触器的辅助触头,一般在控制电路或辅助电路中采用。

线接触:

触头间是线与线的接触,多用于几十安到几百安电流的电路中,一般在主电路的接触器和组合式电器上采用。

面接触:

触头间是平面与平面的接触,多用于大电流的电器,如闸刀开关。

2、驱动装置 

在电路中驱动电器接通或断开电路的装置。

一般有电磁驱动装置和电空驱动装置两种。

电磁驱动装置又称电磁机构,是一种把电磁能转变为机械能的装置,主要用于电磁接触器、电磁继电器和电空阀等电器上。

电磁机构主要有线圈、铁心、磁轭、衔铁等组成;当线圈通电后,就会产生磁场,磁通沿铁心、磁轭、衔铁、空气隙及铁心形成一个闭合回路,衔铁处在磁场中受到电磁吸力的作用被吸向铁心,从而驱动电器。

电空驱动装置由电空阀和风动装置两部分组成，电空阀主要由电磁机构和阀门两部分组成。

（图）

当线圈中有电流流过时,衔铁被吸下,通过阀杆克服弹簧的推力,将上阀压贴在阀座上,同时通过顶针将下阀推离阀座,打开压缩空气进入风动装置气缸的通路,同时也关闭风动装置气缸至大气的通路。

当线圈无电流时,下阀在弹簧力的作用下与阀座贴合,同时通过顶针将上阀推离阀座,使下阀切断压缩空进入风动装置气缸的通路,而上阀却打开了风动装置气缸通向大气的通路,气缸的压缩空气由此排向大气。

3、灭弧装置

在燃机车上,许多电机电器的绕组线圈都是电感线圈,因此在电器触头断开的瞬间,要产生较大的自感电动势,这种电势要比电路电压高许多倍,在触头间形成高电压,将空气中的中性离子电离成阴阳离子,阴阳离子又在高电压的作用下高速运动,相互摩擦而形成电弧。

电弧是一种强烈的放电现象,它会产生高热而烧坏触头,所以必须设置灭弧装置将它熄灭。

东风4型机车上的接触器主要采用电磁灭弧装置,即磁吹灭弧装置。

磁吹灭弧装置由灭弧线圈、灭弧铁心、导磁板、灭弧角、灭弧罩等组成。

灭弧线圈与接触器主触头的电路相连,触头接通时,灭弧线圈有电流流过,在导磁板上形成磁极,磁板之间即触头之间产生磁场；形成电弧的载流子就会在磁场的作用下,被拉向灭弧罩,一是使电弧拉长,二是经灭弧罩绝缘板割断,达到灭弧和保护触头的目的。

（二）接触器（东风4型燃机车电传动P75）

   接触器是一种用来控制主电路、辅助电路和励磁电路的自动切换电器，其特点是能开闭较大电流的电路,并可频繁操作和远距离控制，燃机车上采用了电磁接触器、电空接触器和组合接触器。

1、电磁接触器

电磁接触器主要由电磁驱动装置、主触头、辅助触头、灭弧装置及支架等组成。

东风4型燃机车上采用的电磁接触器为国家标准的CZO系列直流电磁接触器，其规格、数量及用途如下:

（1）CZO-400/10电磁接触器两个,分别是启动接触器（QC）和主发励磁接触器（LC），其额定电流为400A。

（2）CZO-250/20电磁接触器两个，分别是控制风泵电机电路的YC和YRC（自93年后生产的机车已取消YRC）。

其额定电流为250A。

  （3）CZO-40/20电磁接触器六个，分别是启动滑油泵接触器（QBC）、燃油泵接触器（RBC）、辅助发电接触器（FLC）、固定发电接触器（GFC）、励磁机励磁接触器（LLC）和故障励磁接触器（GLC）。

其额定电流为40A。

   CZO-40/20接触器主辅触头均采用双断点桥式触头。

CZO-400/10和CZO-250/20接触器主触头是用镉铜制成，以增加耐电磨损的单断点结构,辅助触头也均采用双断点桥式触头。

较大容量的CZO-400/10和CZO-250/20接触器线圈为串联双绕组吸引线圈,即把线圈分成线径不同的两个线圈、三个抽头。

2、电空接触器

   电空接触器是借助于空气压力来驱动动静触头闭合的一种接触器。

（工作原理见驱动装置）；东4风型机车上共有13个电空接触器:

（1）TCK3-820/770型电空接触器7个,其中牵引电动机接触器（1-6C）6个,电阻制动励磁接触器（ZC）1个。

（2）TCK-800/770型电空接触器6个（1-6RZC）,分别控制电阻制动扩展电路的切换,

   电空接触器主要由电空驱动装置、主触头、辅助触头及灭弧装置等部件组成。

当电空阀得电时,压缩空气经电空阀进入风缸并作用于活塞和动作杆上,使动静触头闭合,接通主电路，辅助触头作相应动作,接通和断开相关电路。

当电空阀失电时,风缸的压缩空气经电空阀排出,使动静触头断开。

3、组合接触器

东风4型燃机车上装有2台组合接触器（1-2XC）用来控制牵引电动机的两级磁场削弱电路。

   组合接触器主要由电空驱动装置、主触头系统、辅助触头系统等组成；两侧对称布置,每侧有三对主触头,每侧触头由同一个电空阀及风动装置控制,其静触头为一、二级磁场削弱的公共触头。

   当其中一个电空阀线圈得电时,压缩空气便进入同侧风缸,推动活塞及连杆并带动该侧方轴转动，使该侧三对触头闭合,同时完成3台牵引电动机的一级磁场削弱；当另一个电空阀线圈得电时,又使另一方轴转动,使另侧三对主触头也闭合,完成三台牵引电动机的二级磁场削弱。

当电空阀线圈失电时,关闭了气缸进风通路,在复原弹簧的作用下,方轴反响转动,主触头断开。

   由于组合接触器开断的是一组电阻电路，且两触头间所承受的电压较低（不足10伏）,触头断开时电流不大,所以不设灭弧装置。

（三）转换开关

   东风4型燃机车上装有四个转换开关，两个用于改变机车前进与后退运行方向的开关（1-2HKf），两个用于改变机车牵引与电阻制动运行工况的开关（1-2HKg）。

   转换开关为电空驱动式组合电器，依靠电空阀的开闭,用压缩空气驱动风动机构实现转换;电空驱动装置有两个电空阀和一个单缸双工作面的气缸组成；转换开关还设有手动装置,将转换开关扳至中间位置时,动触头与两边的静触头均不接触,便于查找故障;转换开关只有两个工作位置,当一侧电空阀得电后,压缩空气进入同侧气缸,推动活塞移动,使转轴转动,将同侧6对主触头断开,而另一侧的6对主触头闭合，电空阀失电后,转换开关工作位置不变，每两层主触头控制一台牵引电动机。

    转换开关1-2HKf和1-2HKg电空阀线圈得电与否，由司机控制器的换向手柄操纵,从而控制机车运行方向和工况。

（四）司机控制器

   司机控制器SK是司机操纵机车的一种组合式手动电器，为一种凸轮结构的多位置远程控制电器;主要有控制装置换向装置、定位装置和机械连锁装置等部件组成。

   司机控制器有两个操纵手柄,换向手柄设有“前制”、“前进”、“0”、“后退”、“后制”5各位置，通过开有不同缺口的4个凸轮,操纵4对触指,使其按预定的规律闭合和断开,从而控制1-2HKf和1-2HKg电空阀线圈电路,用以改变机车牵引、制动工况和前进、后腿方向，实现机车运行状态的改变；主手柄设有“0”、“1”、“降”、“保”、“升”5各位置,通过开有不同缺口的7个凸轮使7对触指（其中2对备用,不接线）按预定的闭合和断开次序来控制电路；在牵引工况,变换主手柄的位置,即可控制柴油机的转速和功率,从而控制机车的牵引力和速度;在电阻制动工况,变换主手柄的位置可以控制柴油机转速,从而控制电阻制动功率。

   为确保运行中操纵安全,在主手柄和换向手柄之间设有机械联锁装置。

   主手柄各位置的作用:

“0”位:

SK9号触指闭合,柴油机保持最低转速430r/min,启动柴油机时主手柄放置该位。

“1”位:

SK5号触指闭合,柴油机维持最低转速,机车加载,使列车平稳起动,而"0"位则不能。

“降”位:

SK5.6号触指闭合,因SK8号触指断开,柴油机转速不断下降,直至最低转速430r/min。

“保”位:

SK5、6、8号触指闭合,柴油机转速稳定进入该位之前的转速。

“升”位:

SK5、6、7、8号触指闭合,柴油机转速不断上升,直至最高转速1000r/min。

主手柄至“降”或“升”位时,松开手柄均能自动回保“保”位。

（五）继电器

继电器是传递信号的小容量自动开关电器，按用途分为控制继电器和保护继电器两类，主要由测量机构和执行机构两部分组成。

1、空转继电器

   东风4型燃机车上装有三个空转继电器1-3K