第2節(jié) 交直型整流器電力機車工作原理

　　整流器電力機車是交直型電力機車，其能量傳遞是將接觸網(wǎng)供給的單相工頻交流電，經(jīng)機車內(nèi)部的牽引變壓器降壓，經(jīng)整流裝置將交流電轉(zhuǎn)換為脈動直流電，經(jīng)平波電抗器后向直流(脈流)牽引電動機供電，從而產(chǎn)生牽引力牽引列車運行。工作原理簡圖見圖1-2。

　　圖1-2　　整流器式電力機車工作原理示意圖

　　因為牽引電動機取得的電能是經(jīng)降壓、整流獲得的，故牽引電動機的端電壓受牽引變壓器、整流線路的影響，其機車特性區(qū)別于直流電力機車。本節(jié)以不可控整流線路為例，分別介紹具有中點抽頭式全波整流電路和橋式全波整流電路電力機車的工作原理和特點，并推導出具有普遍意義的機車特性。

　　一、基本工作原理和特點

　　圖1-3所示為整流器電力機車的兩種基本原理線路圖。單相交流電由接觸網(wǎng)通過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機。

　　1.中點抽頭式全波整流電路電力機車工作原理

　　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點相接，負極相互聯(lián)接在一起。牽引電動機的一端與變壓器二次側(cè)繞組的中點相接，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極相接。

　　電路正常工作，當變壓器二次側(cè)電壓為正半周時，a點為高電位，整流元件D1導通，電流由a點經(jīng)整流元件D1、平波電抗器PK、牽引電動機M回到o點構(gòu)成一閉合回路。此時，整流元件D2因承受反向電壓而截止。當變壓器二次側(cè)電壓為負半周時，b點為高電位，整流元件D2導通，電流由b點經(jīng)整流元件D2、平波電抗器PK、牽引電動機M回到o點構(gòu)成一閉合回路。此時，整流元件D1因承受反向電壓而截止。

　　由此可知，在交流電壓的正負兩個半周內(nèi)，變壓器二次側(cè)繞組oa、ob交替流過電流而牽引電動機M中則流過連續(xù)不斷的方向不變的電流，從而保證了直流(脈流)牽引電動機正常工作。

　　2.橋式全波整流電路電力機車工作原理

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

　　電路正常工作，當交流電壓正半周時，a點為高電位，整流元件D1、D3導通，整流電流由二次側(cè)繞組a點經(jīng)整流元件D1、平波電抗器PK、牽引電動機M、整流元件D3回到二次側(cè)繞組b點，此時整流元件D2、D4承受反向電壓而截止。在交流電壓負半周時，b點為高電位，整流元件D2、D4導通，整流電流由b點經(jīng)整流元件D2、平波電抗器PK、牽引電動機M、整流元件D4回到a點。此時整流元件D1、D3因承受反向電壓而截止。

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

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

　　圖1-3　　整流器電力機車原理圖

　　3.整流器電力機車的工作特點

　　(1)整流器電力機車的變流過程在機車內(nèi)完成，而直直型電力機車的變流過程是在牽引變電所進行，因此整流器電力機車是一個集變壓、變流、牽引為一體的綜合裝置，不僅大大簡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，提高電力機車的供電效率。

　　(2)由于機車內(nèi)設(shè)有變壓器，調(diào)壓十分方便，牽引電動機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，使牽引電動機的重量/造價比降低，工作更為可靠。

　　(3)牽引電動機采用適合牽引的串勵電動機，可以獲得良好的牽引性能和起動性能，尤其起動時采用調(diào)節(jié)整流電壓的方式，省略了起動電阻，不僅減輕了電氣設(shè)備的重量、降低了起動能耗，而且改善了電力機車的起動性能，提高了機車的運行可靠性。

　　但是，由于整流器電力機車整流裝置的輸出電壓為一脈動電壓，因而流過牽引電動機的電流是一脈動電流。脈動電流不僅使牽引電機的損耗增加，而且使牽引電機換向惡化，因此在整流器電力機車上需裝設(shè)平波電抗器PK和固定分路電阻R0以限制電流的脈動，改善電動機的工作條件。同時，在牽引電動機的結(jié)構(gòu)上亦作了特殊設(shè)計。

　　二、整流器電力機車的基本特性

　　整流器電力機車上采用的脈流牽引電動機的工作原理與直流牽引電動機相同，因此整流器電力機車工作特性和特性曲線的求取方法與直流電力機車相似。但是由于整流器電力機車自身固有的特點，其工作特性又區(qū)別于直流電力機車的工作特性。

　　1.整流外特性

　　前已述及，整流器電力機車的牽引電動機由接觸網(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過程，因而牽引電動機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機內(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變壓器繞組處于短路狀態(tài)，此時整流輸出電壓為零，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，造成整流器電力機車特有的電壓降低，而且此壓降值隨機車負載電流的變化而變化，還隨電力機車與牽引變電所的距離、接觸網(wǎng)電流的變化而變化。因此，準確描述整流器電力機車每一種情況下的工作特性是相當復(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描述，為此做如下假定：

　　(1)接觸網(wǎng)阻抗為零(即不計接觸網(wǎng)阻抗壓降)。

　　(2)接觸網(wǎng)電壓保持恒值。例如我國電氣化鐵道的額定供電電壓為25kV。在上述假定條件下，當變壓器二次側(cè)繞組輸出電壓固定時，牽引電動機的端電壓只隨負載電流的變化而變化，即UD=f(Ia)稱為牽引電動機的外電壓特性。牽引電動機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型電力機車整流外特性，Id=6Ia。