整流器電力機(jī)車上裝有牽引變壓器，利用改變牽引變壓器輸出電壓的方法來調(diào)節(jié)牽引電動(dòng)機(jī)的端電壓，也可以實(shí)現(xiàn)機(jī)車的速度調(diào)節(jié)。改變變壓器輸出電壓，既可以在變壓器的低壓側(cè)進(jìn)行，也可以在變壓器的高壓側(cè)進(jìn)行，即有所謂低壓側(cè)調(diào)壓和高壓側(cè)調(diào)壓兩種方法。因?yàn)檫@種調(diào)壓方式具有線路簡單、調(diào)壓方便、速度調(diào)節(jié)范圍廣、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行級(jí)多和效率高等優(yōu)點(diǎn)，因而在整流器電力機(jī)車上得到了一定應(yīng)用。
一、高壓側(cè)調(diào)壓
1.高壓側(cè)調(diào)壓的原理
變壓器低壓繞組(二次側(cè))匝數(shù)不變，利用改變高壓繞組(一次側(cè))匝數(shù)來調(diào)節(jié)變壓器輸出電壓的方法叫高壓側(cè)調(diào)壓，其原理如圖2-8所示。
圖2-8 高壓側(cè)調(diào)壓原理雛形示意圖
在調(diào)壓開始時(shí)，為了得到變壓器二次側(cè)的最小輸出電壓U2min，需將變壓器一次側(cè)全部匝數(shù)接入，即n點(diǎn)與A點(diǎn)相接，此時(shí)變壓器有最大變比Kmax，若忽略變壓器內(nèi)阻壓降和負(fù)載后漏抗壓降，其值為
式中 UC——接觸網(wǎng)供電電壓;
W1——變壓器一次側(cè)繞組總匝數(shù);
W2——變壓器二次側(cè)繞組總匝數(shù)。
在調(diào)壓過程中，隨著n點(diǎn)的逐漸下移，變壓器一次側(cè)有效匝數(shù)逐漸減小，使變壓器變比逐漸減小，變壓器二次側(cè)電壓即逐漸升高。也就是隨著n點(diǎn)在一次側(cè)繞組上的移動(dòng)，變壓器一次側(cè)繞組的有效匝數(shù)發(fā)生變化，二次側(cè)繞組上就可以獲得不同的輸出電壓。
在實(shí)際應(yīng)用中，通常并不采用這種簡單的調(diào)壓線路，這是因?yàn)殡S著調(diào)壓過程的進(jìn)行，A點(diǎn)的電位將大大提高。在調(diào)壓開始時(shí)，A點(diǎn)電位與接觸網(wǎng)電壓值相同，當(dāng)變壓器二次側(cè)輸出最高電壓時(shí)，n點(diǎn)電位仍為接觸網(wǎng)電壓值，而A點(diǎn)的電位為
由此可知，A點(diǎn)電位將高出接觸網(wǎng)電壓值UC很多倍。這樣，變壓器一次側(cè)繞組的絕緣就要按很高的電位去設(shè)計(jì)，加大了變壓器的制造成本。所以在實(shí)際應(yīng)用中往往加入調(diào)壓繞組。例如法制6Y2型電力機(jī)車就是采用帶有調(diào)壓繞組的變壓器高壓側(cè)調(diào)壓，其調(diào)壓原理如圖2-9所示。
圖2-9 高壓側(cè)調(diào)壓原理圖
圖中1為調(diào)壓繞組，通過機(jī)車受電弓與電網(wǎng)相接，2為高壓繞組，3為低壓繞組。因?yàn)檎{(diào)壓繞組的始端A點(diǎn)與電網(wǎng)聯(lián)接，所以A點(diǎn)電位與電網(wǎng)電壓UC相同。在調(diào)壓開始時(shí)，動(dòng)觸頭n與T點(diǎn)相連，高壓繞組2上的電壓為零，變壓器低壓繞組3無輸出。在調(diào)壓過程中，隨著動(dòng)觸頭n的逐漸上移，高壓繞組的電壓逐漸升高，其值為：
式中 WnT——調(diào)壓繞組中與高壓繞組相連部分匝數(shù)。
變壓器低壓繞組輸出電壓也隨之升高,其值為：
(2-14)
式中 W3——低壓繞組的匝數(shù);
W2——高壓繞組的匝數(shù)。
由式(2-14)可知，在調(diào)壓過程中不斷改變高壓繞組與調(diào)壓繞組相連的匝數(shù)WnT，牽引變壓器輸出電壓U2即隨之改變。在這種調(diào)壓方法中牽引變壓器為三繞組變壓器，也可以把變壓器視為一臺(tái)普通變壓器與一臺(tái)高壓自耦變壓器的組合體，用高壓自耦變壓器調(diào)壓，普通變壓器輸出。
2.高壓側(cè)調(diào)壓的特點(diǎn)
對(duì)于高壓側(cè)調(diào)壓，由于電流等級(jí)低，一般為幾百安，因此調(diào)壓電器開斷電流小，不需要滅弧裝置。但是由于變壓器電壓當(dāng)?shù)燃?jí)較高(網(wǎng)壓)，對(duì)絕緣的要求高，更重要的是動(dòng)觸頭在調(diào)壓繞組上的移動(dòng)不能象一般低壓自耦變壓器那樣進(jìn)行平滑移動(dòng)，只能在調(diào)壓繞組上安排一定數(shù)量的抽頭，使n與之相連，這樣的調(diào)壓器便只能是有級(jí)的，從而使變壓器的結(jié)構(gòu)和調(diào)壓電器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜。另外，加設(shè)了調(diào)壓繞組也使變壓器容量增加。
由于變壓器一次側(cè)繞組匝數(shù)較多，可以安排比較多的抽頭獲得較多的調(diào)壓級(jí)數(shù)。
二、低壓側(cè)調(diào)壓
1.低壓側(cè)調(diào)壓的原理
圖2-10 低壓側(cè)調(diào)壓原理圖
低壓側(cè)調(diào)壓就是變壓器高壓繞組匝數(shù)不變，利用改變低壓繞組匝數(shù)來改變變壓器輸出電壓的方法。圖2-10所示為低壓側(cè)調(diào)壓原理。圖中變壓器低壓繞組分為左右兩臂ao、ob，各有若干抽頭，每一組抽頭上接有調(diào)壓開關(guān)的觸頭，觸頭按次序交替地分為兩組。以左臂繞組ao為例，一組抽頭與觸頭1、5相連，接到轉(zhuǎn)換硅元件D3上;另一組抽頭與觸頭3、7、9相連，接到轉(zhuǎn)換硅元件D1上。硅元件Dl、D3組成級(jí)間轉(zhuǎn)換硅機(jī)組，用以完成級(jí)間電壓轉(zhuǎn)換，防止低壓繞組小分段被短接。右臂bo繞組與調(diào)壓開關(guān)的觸頭、級(jí)間轉(zhuǎn)換硅機(jī)組(D2、D4)的連接與左臂相似。
調(diào)壓過程是分級(jí)進(jìn)行的。
在調(diào)壓開始時(shí)，首先是觸頭9、10閉合，其它觸頭均斷開，變壓器二次側(cè)無輸出電壓。
在第一電壓級(jí)上，觸頭1、2閉合，9、10打開，此時(shí)變壓器繞組的抽頭1、2分別通過觸頭1、2接入整流電路，變壓器二次側(cè)正、負(fù)半周都有相同的輸出電壓U1，經(jīng)整流裝置D5、D6整流后給牽引電動(dòng)機(jī)M供電。
過渡到第二電壓級(jí)時(shí)，首先閉合觸頭3，此時(shí)變壓器左臂ao繞組的電壓經(jīng)變壓器抽頭3、觸頭3、轉(zhuǎn)換硅元件D1輸出，電壓提高到U1+ΔU。由于轉(zhuǎn)換硅元件D1、D3對(duì)接，故變壓器抽頭1、3間的一小段繞組13(△U)不致被短接。另外，在觸頭3閉合之后再打開觸頭1，觸頭1不開斷電流。此時(shí)變壓器右臂bo繞組的輸出電壓仍為U1不變，由于ao臂輸出電壓升高，故整流裝置D5、D6在正負(fù)半周輸出的平均電壓有所提高，即牽引電動(dòng)機(jī)的端電壓升高。
過渡到第三電壓級(jí)時(shí)，ao臂保持不變，bo臂先使觸頭4閉合，再打開觸頭2，于是bo臂輸出電壓也提高到U1+△U，經(jīng)整流裝置D5、D6整流后，輸出平均電壓又有所提高。以此類推，隨著變壓器二次側(cè)ao臂、bo臂接入抽頭的不同，變壓器二次側(cè)的輸出電壓也不同，因而達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。
分析上述調(diào)壓器線路可知，在奇數(shù)級(jí)上，變壓器二次側(cè)兩臂在正、負(fù)半周交替導(dǎo)通時(shí)輸出電壓相同;而在偶數(shù)級(jí)上，兩個(gè)半周輸出的電壓則不相同，其電壓波形如圖2-11所示，這種情況稱為不對(duì)稱調(diào)壓。
圖2-11 不對(duì)稱調(diào)壓的電壓波形圖
不對(duì)稱調(diào)壓會(huì)引起整流電流的脈動(dòng)增加，引起變壓器電流畸變，這對(duì)牽引電動(dòng)機(jī)和變壓器的工作都非常不利。但是，只要選擇較多的低壓繞組分段數(shù)目，其影響便不顯著。
2.帶固定繞組的低壓側(cè)調(diào)壓
為了增加調(diào)壓級(jí)數(shù)，而又不增加變壓器低壓繞組的抽頭數(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中，除了采用不對(duì)稱調(diào)壓方式外，還可以將變壓器二次側(cè)繞組的每臂分成兩部分，即基本繞組(又稱固定繞組)和可調(diào)繞組(又稱分級(jí)繞組)。通過基本繞組與可調(diào)繞組正、反接的轉(zhuǎn)換可將調(diào)壓級(jí)數(shù)增加一倍。SS1型電力機(jī)車就是采用這種調(diào)壓線路，其基本原理如圖2-12所示。
變壓器二次側(cè)繞組的一臂分成a1x1和1o1兩部分，另一臂分成a2x2、9o2兩部分。a1x1、a2x2為基本繞組，1o1、9o2為可調(diào)繞組?；纠@組部分的電壓比可調(diào)繞組的電壓略高。26為繞組轉(zhuǎn)換開關(guān)，它由26反和26正兩組開關(guān)組成。
圖2-12 SS1型電力機(jī)車低壓調(diào)壓原理圖
調(diào)壓開始時(shí)，繞組轉(zhuǎn)換開關(guān)26反閉合，26正打開。此時(shí)基本繞組與可調(diào)繞組接成反接狀態(tài)，加在整流電路上的電壓為基本繞組與可調(diào)繞組兩部分電勢(shì)之差(ea1x1-eⅠo1或ea2x2-eⅡo2)。為了提高變壓器輸出電壓，滑動(dòng)觸頭Ⅰ、Ⅱ逐級(jí)向變壓器可調(diào)繞組的o1、o2端移動(dòng)。當(dāng)兩個(gè)滑動(dòng)觸頭分別移動(dòng)到o1、o2端點(diǎn)時(shí)，加到整流電路上的電壓達(dá)到反接狀態(tài)的最大值為基本繞組的電勢(shì)。之后，繞組轉(zhuǎn)換開關(guān)26正閉合，26反打開，變壓器二次側(cè)繞組改為正接，此時(shí)加在整流電路上的電壓為基本繞組與可調(diào)繞組兩部分電勢(shì)之和(ea1x1+ eⅡo2或ea2x2十eⅠo1)。隨著滑動(dòng)觸頭Ⅰ、Ⅱ從o1、o2分別向可調(diào)繞組的另外端點(diǎn)1、9逐級(jí)移動(dòng)，輸出電壓繼續(xù)上升，當(dāng)兩個(gè)滑動(dòng)觸頭Ⅰ、Ⅱ分別移動(dòng)到端點(diǎn)1、9時(shí)，變壓器二次側(cè)輸出電壓最大。
3.低壓側(cè)調(diào)壓的特點(diǎn)
變壓器低壓側(cè)調(diào)壓也是有級(jí)調(diào)壓。采用低壓側(cè)調(diào)壓時(shí)，由于低壓側(cè)電壓較低，因而對(duì)調(diào)壓電器的絕緣要求相應(yīng)降低，但是因?yàn)槠涔ぷ麟娏鬏^大，故調(diào)壓電器體積較大且笨重。
由于變壓器低壓繞組匝數(shù)少，安排抽頭不太方便，為了得到較多的電壓級(jí)，就需增加調(diào)壓電器設(shè)備(如繞組轉(zhuǎn)換開關(guān))和采用不對(duì)稱調(diào)壓方式。
低壓側(cè)調(diào)壓工作電流較大，為了限制大電流，不得不提高低壓側(cè)輸出電壓的最大值，這樣牽引電動(dòng)機(jī)的端電壓就提高了。在設(shè)計(jì)牽引電動(dòng)機(jī)時(shí)，其額定電壓也得相應(yīng)提高。舉例說明，6Y2型電力機(jī)車采用高壓側(cè)調(diào)壓，機(jī)車上每臺(tái)牽引電動(dòng)機(jī)的功率為790kW，額定電壓為750V，而SS1型電力機(jī)車采用低壓側(cè)調(diào)壓，機(jī)車上每臺(tái)牽引電動(dòng)機(jī)的功率為700kW，額定電壓為1500V，牽引電動(dòng)機(jī)額定電壓提高了很多。這樣，就會(huì)使電機(jī)的絕緣和換向更加困難，而此兩點(diǎn)恰恰是目前牽引電動(dòng)機(jī)的薄弱環(huán)節(jié)，因而降低了牽引電動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，使運(yùn)用可靠性下降。