第2節(jié) 交直型整流器電力機(jī)車(chē)工作原理

　　整流器電力機(jī)車(chē)是交直型電力機(jī)車(chē)，其能量傳遞是將接觸網(wǎng)供給的單相工頻交流電，經(jīng)機(jī)車(chē)內(nèi)部的牽引變壓器降壓，經(jīng)整流裝置將交流電轉(zhuǎn)換為脈動(dòng)直流電，經(jīng)平波電抗器后向直流(脈流)牽引電動(dòng)機(jī)供電，從而產(chǎn)生牽引力牽引列車(chē)運(yùn)行。工作原理簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1-2。

　　圖1-2　　整流器式電力機(jī)車(chē)工作原理示意圖

　　因?yàn)闋恳妱?dòng)機(jī)取得的電能是經(jīng)降壓、整流獲得的，故牽引電動(dòng)機(jī)的端電壓受牽引變壓器、整流線路的影響，其機(jī)車(chē)特性區(qū)別于直流電力機(jī)車(chē)。本節(jié)以不可控整流線路為例，分別介紹具有中點(diǎn)抽頭式全波整流電路和橋式全波整流電路電力機(jī)車(chē)的工作原理和特點(diǎn)，并推導(dǎo)出具有普遍意義的機(jī)車(chē)特性。

　　一、基本工作原理和特點(diǎn)

　　圖1-3所示為整流器電力機(jī)車(chē)的兩種基本原理線路圖。單相交流電由接觸網(wǎng)通過(guò)受電弓引入牽引變壓器的高壓繞組，再經(jīng)鋼軌或回流裝置流回牽引變電所。牽引變壓器將電壓降低后，經(jīng)整流裝置變換為直流電供給牽引電動(dòng)機(jī)。

　　1.中點(diǎn)抽頭式全波整流電路電力機(jī)車(chē)工作原理

　　在圖1-3(a)中牽引變壓器二次側(cè)繞組分成oa、ob兩段，兩段電壓大小相等、方向相反。整流元件D1、D2的正極分別與二次側(cè)繞組的a、b點(diǎn)相接，負(fù)極相互聯(lián)接在一起。牽引電動(dòng)機(jī)的一端與變壓器二次側(cè)繞組的中點(diǎn)相接，另一端經(jīng)平波電抗器PK與整流電路的輸出端即整流元件的負(fù)極相接。

　　電路正常工作，當(dāng)變壓器二次側(cè)電壓為正半周時(shí)，a點(diǎn)為高電位，整流元件D1導(dǎo)通，電流由a點(diǎn)經(jīng)整流元件D1、平波電抗器PK、牽引電動(dòng)機(jī)M回到o點(diǎn)構(gòu)成一閉合回路。此時(shí)，整流元件D2因承受反向電壓而截止。當(dāng)變壓器二次側(cè)電壓為負(fù)半周時(shí)，b點(diǎn)為高電位，整流元件D2導(dǎo)通，電流由b點(diǎn)經(jīng)整流元件D2、平波電抗器PK、牽引電動(dòng)機(jī)M回到o點(diǎn)構(gòu)成一閉合回路。此時(shí)，整流元件D1因承受反向電壓而截止。

　　由此可知，在交流電壓的正負(fù)兩個(gè)半周內(nèi)，變壓器二次側(cè)繞組oa、ob交替流過(guò)電流而牽引電動(dòng)機(jī)M中則流過(guò)連續(xù)不斷的方向不變的電流，從而保證了直流(脈流)牽引電動(dòng)機(jī)正常工作。

　　2.橋式全波整流電路電力機(jī)車(chē)工作原理

　　在圖1-3(b)中，整流元件D1～D4接成一個(gè)電橋形式，變壓器二次側(cè)繞組接到a、b兩點(diǎn)，牽引電動(dòng)機(jī)M經(jīng)平波電抗器PK與電橋的另一對(duì)角線c、d相聯(lián)。

　　電路正常工作，當(dāng)交流電壓正半周時(shí)，a點(diǎn)為高電位，整流元件D1、D3導(dǎo)通，整流電流由二次側(cè)繞組a點(diǎn)經(jīng)整流元件D1、平波電抗器PK、牽引電動(dòng)機(jī)M、整流元件D3回到二次側(cè)繞組b點(diǎn)，此時(shí)整流元件D2、D4承受反向電壓而截止。在交流電壓負(fù)半周時(shí)，b點(diǎn)為高電位，整流元件D2、D4導(dǎo)通，整流電流由b點(diǎn)經(jīng)整流元件D2、平波電抗器PK、牽引電動(dòng)機(jī)M、整流元件D4回到a點(diǎn)。此時(shí)整流元件D1、D3因承受反向電壓而截止。

　　在交流電壓的正、負(fù)半周內(nèi)都有電流流過(guò)變壓器二次側(cè)繞組，但方向不同，而牽引電動(dòng)機(jī)M中始終流過(guò)方向不變的電流。

　　(a)中點(diǎn)抽頭式全波整流電路　　　　　　　　　　　　(b)橋式全波整流電路

　　圖1-3　　整流器電力機(jī)車(chē)原理圖

　　3.整流器電力機(jī)車(chē)的工作特點(diǎn)

　　(1)整流器電力機(jī)車(chē)的變流過(guò)程在機(jī)車(chē)內(nèi)完成，而直直型電力機(jī)車(chē)的變流過(guò)程是在牽引變電所進(jìn)行，因此整流器電力機(jī)車(chē)是一個(gè)集變壓、變流、牽引為一體的綜合裝置，不僅大大簡(jiǎn)化了牽引變電所的供電設(shè)備，而且由于采用交流供電，提高了接觸網(wǎng)的供電電壓，使一定功率的電能得以采用小電流輸送，這樣既可減小接觸網(wǎng)導(dǎo)線的截面，節(jié)省有色金屬用量，也可減少電能損耗，提高電力機(jī)車(chē)的供電效率。

　　(2)由于機(jī)車(chē)內(nèi)設(shè)有變壓器，調(diào)壓十分方便，牽引電動(dòng)機(jī)的工作電壓不再受接觸網(wǎng)電壓的限制，可以選擇最有利的工作電壓，使?fàn)恳妱?dòng)機(jī)的重量/造價(jià)比降低，工作更為可靠。

　　(3)牽引電動(dòng)機(jī)采用適合牽引的串勵(lì)電動(dòng)機(jī)，可以獲得良好的牽引性能和起動(dòng)性能，尤其起動(dòng)時(shí)采用調(diào)節(jié)整流電壓的方式，省略了起動(dòng)電阻，不僅減輕了電氣設(shè)備的重量、降低了起動(dòng)能耗，而且改善了電力機(jī)車(chē)的起動(dòng)性能，提高了機(jī)車(chē)的運(yùn)行可靠性。

　　但是，由于整流器電力機(jī)車(chē)整流裝置的輸出電壓為一脈動(dòng)電壓，因而流過(guò)牽引電動(dòng)機(jī)的電流是一脈動(dòng)電流。脈動(dòng)電流不僅使?fàn)恳姍C(jī)的損耗增加，而且使?fàn)恳姍C(jī)換向惡化，因此在整流器電力機(jī)車(chē)上需裝設(shè)平波電抗器PK和固定分路電阻R0以限制電流的脈動(dòng)，改善電動(dòng)機(jī)的工作條件。同時(shí)，在牽引電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)上亦作了特殊設(shè)計(jì)。

　　二、整流器電力機(jī)車(chē)的基本特性

　　整流器電力機(jī)車(chē)上采用的脈流牽引電動(dòng)機(jī)的工作原理與直流牽引電動(dòng)機(jī)相同，因此整流器電力機(jī)車(chē)工作特性和特性曲線的求取方法與直流電力機(jī)車(chē)相似。但是由于整流器電力機(jī)車(chē)自身固有的特點(diǎn)，其工作特性又區(qū)別于直流電力機(jī)車(chē)的工作特性。

　　1.整流外特性

　　前已述及，整流器電力機(jī)車(chē)的牽引電動(dòng)機(jī)由接觸網(wǎng)取得電能，需經(jīng)牽引變壓器降壓和整流裝置變流這樣一個(gè)過(guò)程，因而牽引電動(dòng)機(jī)的端電壓將受到變壓器和整流裝置的影響，這些影響包括：

　　(1)整流回路電阻引起的壓降。整流回路電阻包括牽引電動(dòng)機(jī)內(nèi)阻，變壓器次邊繞組電阻，平波電抗器的電阻等。

　　(2)整流回路阻抗引起的壓降(包括變壓器二次側(cè)繞組的漏抗)。

　　(3)整流線路換相引起的平均整流輸出電壓降低。非理想整流線路換相時(shí)變壓器繞組處于短路狀態(tài)，此時(shí)整流輸出電壓為零，引起整流線路平均整流輸出電壓降低。

　　(4)整流元件的閾值電壓壓降。

　　由于上述原因，造成整流器電力機(jī)車(chē)特有的電壓降低，而且此壓降值隨機(jī)車(chē)負(fù)載電流的變化而變化，還隨電力機(jī)車(chē)與牽引變電所的距離、接觸網(wǎng)電流的變化而變化。因此，準(zhǔn)確描述整流器電力機(jī)車(chē)每一種情況下的工作特性是相當(dāng)復(fù)雜和困難的，通常用一種代表性的工作特性，即用平均工作特性來(lái)描述，為此做如下假定：

　　(1)接觸網(wǎng)阻抗為零(即不計(jì)接觸網(wǎng)阻抗壓降)。

　　(2)接觸網(wǎng)電壓保持恒值。例如我國(guó)電氣化鐵道的額定供電電壓為25kV。在上述假定條件下，當(dāng)變壓器二次側(cè)繞組輸出電壓固定時(shí)，牽引電動(dòng)機(jī)的端電壓只隨負(fù)載電流的變化而變化，即UD=f(Ia)稱(chēng)為牽引電動(dòng)機(jī)的外電壓特性。牽引電動(dòng)機(jī)的外電壓特性可由整流裝置的外特性Ud=f(Id)=UD=f(mIa)求出。圖1-4為SS3B型電力機(jī)車(chē)整流外特性，Id=6Ia。

　　圖1-4　　牽引電機(jī)外電壓特性Ud=f(Id)

　　2.速度特性

　　由公式(1-3)可知，對(duì)應(yīng)于同樣的電機(jī)電樞電流，整流器電力機(jī)車(chē)的速度因電機(jī)端電壓的降低較直流電力機(jī)車(chē)速度有所下降，由牽引電動(dòng)機(jī)的外電壓特性知：整流器電力機(jī)車(chē)的速度特性曲線比直流電力機(jī)車(chē)速度曲線下降更陡。

　　3.牽引力特性

　　由公式(1-7)可知，機(jī)車(chē)的牽引力只與牽引電動(dòng)機(jī)電樞電流和電機(jī)主極磁通有關(guān)，不受牽引電動(dòng)機(jī)端電壓的直接影響，所以整流器電力機(jī)車(chē)的牽引力特性曲線與直流電力機(jī)車(chē)牽引力特性曲線相同。

　　4.牽引特性

　　整流器電力機(jī)車(chē)的牽引特性曲線可通過(guò)速度特性計(jì)算式(1-3)和牽引力特性計(jì)算式(1—6)計(jì)算求得。

　　5.機(jī)車(chē)總效率特性

　　根據(jù)整流器電力機(jī)車(chē)工作原理，機(jī)車(chē)能量的傳遞經(jīng)過(guò)機(jī)車(chē)變壓器、整流裝置、平波環(huán)節(jié)、電—機(jī)能量轉(zhuǎn)換、齒輪傳動(dòng)等主要部分，故機(jī)車(chē)總效率為：

　　(1一9)