架線式電機車在煤炭、礦產等行業的運輸中起到了重要作用。其電氣系統的設計原理和工作原理分別如下：

1. 電氣系統設計原理

架線式電機車的電氣系統由主回路、控制回路和輔助回路組成。

主回路設計原理：當架線式電機車處于預備狀態時，電網通過受電弓為其提供電源。牽引變頻器將直流電轉換為三相交流電，從而驅動電機車正常運轉。牽引變頻器的輸入端設有充電開關按鈕、電壓表和電抗器，以確保電壓穩定。

控制回路設計原理：控制回路通過司控器實現電機車的前進和倒退，手動按鈕控制點動和復位。變頻器和轉換開關提供自動防險功能。控制回路根據司控器的方向和速率指令進行操作，并調整電壓，使牽引電動機的性能與電機車的牽引特性相匹配。

輔助回路設計原理：輔助回路涉及直流轉換、空壓機電機控制、信號傳輸和速度檢測。通過調節器，根據制動風壓的高低，自動控制空壓機電機的啟停。現場工作情況也會影響輔助回路的控制狀態。

架線式電機車的工作原理如下：

1. 高壓交流電通過牽引變流器降壓和整流，正極接入架空線，負極接入鐵軌。

2. 受電弓與架空線接觸，將電流引入車內，通過空氣自動開關、控制器和電阻箱進入牽引電動機，驅動電動機運轉。

3. 電動機將力與力矩通過傳動結構傳遞到輪對，輪對轉動，牽引列車行駛。電流從電動機流出，經軌道回流至變流器。

優缺點分析

優點：

結構簡單，成本低，維護方便。

運輸能力大，速度高，用電效率高，運輸費用低。

應用廣泛。

缺點：

需要整流和架線設施，靈活性不足。

架線對巷道尺寸和行人安全有一定影響。

受電弓與架線之間易產生火花，不適用于瓦斯嚴重的礦山。

初期建設投資較大，但從長期來看，總成本比蓄電池電機車低。

綜上所述，架線式電機車通過其設計和工作原理，提供了高效的運輸解決方案。雖然存在一些限制，但其優點使其在許多礦山中得到廣泛應用。