一、基本工作原理
直直型電力機(jī)車通常稱為直流電力機(jī)車，是現(xiàn)代電力機(jī)車最為簡(jiǎn)單的一種。它使用的是直流電源和直流串勵(lì)牽引電動(dòng)機(jī)。目前有些工礦電力機(jī)車、地鐵電動(dòng)車組和城市無(wú)軌電車仍采用這種型式。
圖1-1所示為一般工礦用四軸直流電力機(jī)車的工作原理示意圖。工作過(guò)程為：機(jī)車由受電弓AP從接觸網(wǎng)取得直流電，經(jīng)斷路器QF、起動(dòng)電阻R向四臺(tái)直流牽引電動(dòng)機(jī)M1～M4供電，牽引電流經(jīng)鋼軌流回變電所。當(dāng)四臺(tái)牽引電動(dòng)機(jī)接通電源后即行旋轉(zhuǎn)，把電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，再分別通過(guò)各自的齒輪傳動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)機(jī)車動(dòng)輪牽引列車運(yùn)行。
圖1-1 直流電力機(jī)車工作原理圖
二、直流電力機(jī)車的特點(diǎn)
通過(guò)分析直流電力機(jī)車的工作原理，可以得出直流電力機(jī)車具有以下特點(diǎn)：
(1)機(jī)車結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，經(jīng)濟(jì)性好。
(2)采用適合于牽引的直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)，牽引性能好，調(diào)速方便。
(3)控制簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠。
(4)供電效率低。由于受牽引電動(dòng)機(jī)端電壓的限制，接觸網(wǎng)電壓一般為1500～3000V。傳輸一定功率時(shí)電流較大，接觸網(wǎng)導(dǎo)線耗電量較大，因此供電效率低。
(5)基建投資大。為了減少接觸網(wǎng)上的壓降，電氣化區(qū)段的牽引變電所數(shù)量較多，造成基建投資大。
(6)有級(jí)調(diào)速。由于早期機(jī)車使用調(diào)壓電阻起動(dòng)、調(diào)速，因此調(diào)節(jié)過(guò)程中有能量損耗使效率很低，同時(shí)也難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)、平滑地調(diào)節(jié)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用直流斬波技術(shù)進(jìn)行調(diào)速，可以對(duì)牽引電動(dòng)機(jī)端電壓進(jìn)行連續(xù)、平滑地調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。
綜上所述，直流電力機(jī)車由于受牽引電動(dòng)機(jī)端電壓的限制，網(wǎng)壓不可能太高，從而限制了機(jī)車功率的進(jìn)一步提高。隨著現(xiàn)代鐵路運(yùn)輸事業(yè)的發(fā)展，直流電力機(jī)車顯然已不適應(yīng)干線大功率的要求。一般應(yīng)用于工礦及城市交通運(yùn)輸。
三、直流電力機(jī)車的基本特性
直流電力機(jī)車的基本特性包括機(jī)車的速度特性、牽引力特性、牽引特性。
在以前的課程中，我們已經(jīng)了解了直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性、轉(zhuǎn)矩特性和效率特性。在研究電力機(jī)車的運(yùn)行行為時(shí)，需將電機(jī)的轉(zhuǎn)速n換算為機(jī)車動(dòng)輪輪周的線速度V、電機(jī)的轉(zhuǎn)矩M換算為機(jī)車動(dòng)輪輪周的牽引力F，從而得到機(jī)車的速度特性、牽引力特性和牽引特性。
1.速度特性
機(jī)車運(yùn)行速度與牽引電動(dòng)機(jī)電樞電流的關(guān)系，稱為機(jī)車速度特性。即V=f(I a)。機(jī)車速度特性計(jì)算公式的推導(dǎo)過(guò)程如下：
機(jī)車動(dòng)輪輪周線速度V與電機(jī)轉(zhuǎn)速n有下面關(guān)系：
(1-1)
電機(jī)轉(zhuǎn)速公式：
(1-2)
由式(1-1)、式(1-2)得出機(jī)車速度特性計(jì)算式：
(1-3)
式中 CV——機(jī)車常數(shù)，其值為CV=60 Ceμc /πD;
D——機(jī)車動(dòng)輪直徑(m);
μc——機(jī)車齒輪傳動(dòng)比;
UD——牽引電動(dòng)機(jī)端電壓(V);
Ia——牽引電動(dòng)機(jī)電樞電流(A);
ΣR——牽引電動(dòng)機(jī)回路總電阻(Ω);
Φ——牽引電動(dòng)機(jī)每極磁通量(Wb);
Ce——牽引電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)常數(shù)，其值為Ce =PN/60a(a為電樞繞組并聯(lián)支路數(shù))。
從推導(dǎo)結(jié)果來(lái)看，機(jī)車速度特性曲線與牽引電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性曲線形狀相似，為下降的曲線。
2.牽引力特性
機(jī)車輪周牽引力與牽引電動(dòng)機(jī)電樞電流的關(guān)系，稱為機(jī)車的牽引力特性，即F=f(Ia)。機(jī)車牽引力特性計(jì)算公式推導(dǎo)如下：
牽引電動(dòng)機(jī)功率：
(1-4)
機(jī)車輪周功率：
(1-5)
根據(jù)功能原理：
故牽引力特性計(jì)算式為：
(1-6)
式中 V——機(jī)車速度(m/s);
ηd——牽引電動(dòng)機(jī)效率;
ηc——傳動(dòng)裝置效率;
m——機(jī)車配用電動(dòng)機(jī)數(shù)目，對(duì)于個(gè)別傳動(dòng)機(jī)車為機(jī)車動(dòng)軸數(shù);
F——機(jī)車輪周牽引力(kN)。
也可用以下的方法來(lái)定性分析機(jī)車牽引力特性(忽略傳動(dòng)效率等因素)：
機(jī)車總功率： Pj=FV
牽引電動(dòng)機(jī)功率： PD=UD·Ia
機(jī)車總功率為各牽引電動(dòng)機(jī)功率之和： Pj=mPD
m·UD·Ia=F (UD-Ia·ΣR)/CVΦ
作近似忽略： m·UD·Ia=FUD/CVΦ
得： F=mCVΦ·Ia=CFΦ·Ia (1-7)
從推導(dǎo)結(jié)果看，機(jī)車動(dòng)輪輪周牽引力與牽引電動(dòng)機(jī)電樞電流近似成正比，為近似的上升直線。
由于機(jī)車速度特性和牽引力特性均是從牽引電動(dòng)機(jī)的特性歸算至輪周的特性，所以機(jī)車的速度特性曲線和牽引力特性曲線與牽引電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性曲線、轉(zhuǎn)矩特性曲線具有相同的趨勢(shì)。在對(duì)機(jī)車作定性分析時(shí)，只要改變牽引電動(dòng)機(jī)特性曲線上的坐標(biāo)和比例，就可以得到機(jī)車的速度特性曲線和牽引力特性曲線。若對(duì)機(jī)車進(jìn)行定量計(jì)算，可用式(1-3)、式(1-6)進(jìn)行。
3.牽引特性
機(jī)車輪周牽引力與運(yùn)行速度的關(guān)系，稱為機(jī)車的牽引特性。即F=f(V)。機(jī)車牽引特性的計(jì)算公式仍為：
機(jī)車牽引特性曲線一般由機(jī)車型式試驗(yàn)測(cè)出?；蛟谝阎獧C(jī)車速度特性曲線和牽引力特性曲線后，給定一電機(jī)電樞電流Ia值，可求出機(jī)車牽引特性的一組F-V值。根據(jù)不同負(fù)載下的數(shù)組F-V值，就可以繪出機(jī)車牽引特性曲線。