城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)整流器應(yīng)用研究

田愛(ài)軍 江蘇省徐州技師學(xué)院

1 引言

進(jìn)入21 世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)的交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)生了翻天覆地的變化，這使得交通運(yùn)輸成為了我國(guó)整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈，對(duì)我國(guó)的民生起到了非常大的作用。雖說(shuō)我國(guó)的城市軌道交通發(fā)展速度在世界上都是空前的，但是由于我國(guó)的一些地鐵技術(shù)和理論都還不算成熟，使得很多項(xiàng)目在技術(shù)和設(shè)備引進(jìn)時(shí)還是考慮國(guó)外的一些企業(yè)，國(guó)產(chǎn)化設(shè)備利用率很低，這也是我國(guó)地鐵工程造價(jià)昂貴的原因之一?；谝陨系姆治霭l(fā)展我國(guó)的城市軌道交通技術(shù)已經(jīng)成為了目前所面臨的任務(wù)，其中城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)整流器的研究具有較大的理論和實(shí)踐意義。

2 整流的相關(guān)知識(shí)整流技術(shù)概述

(1）整流技術(shù)基本知識(shí)

通俗的講整流電路就是能夠把交流電變成直流電的變換電路，這也是其最初的定義，整流電路在人們的日常生活中應(yīng)用十分廣泛很多充電器都是使用了變壓和整流的器件，整流電路的可靠性直接影響著電網(wǎng)的運(yùn)行以及用電的質(zhì)量。

(2）整流電路的主要功能

調(diào)壓：指直流輸出電壓隨電網(wǎng)電壓的變化而增減；

穩(wěn)壓：指電網(wǎng)電壓不變時(shí),直流輸出電壓應(yīng)在網(wǎng)側(cè)電壓波動(dòng)和負(fù)載變化時(shí)維持恒定。

目前很多的電子設(shè)備比如手機(jī)等，基本上都是使用家用220V 交流電進(jìn)行供電，但是手機(jī)使用的是直流電，因此可以看出這些大量的電子設(shè)備中會(huì)含有整流電路。一般來(lái)說(shuō)，整流電路包括二極管和電容。由于這種整流器只在交流電壓高于濾波電容上的電壓時(shí)吸收能量,所以輸入端電流呈脈沖狀,包含大量的諧波分量。高次諧波含量的升高使得基波分量降低,還會(huì)使功率因數(shù)降低,通常電容濾波二極管整流電路的輸入端功率因數(shù)只能達(dá)到左右,而其中相移無(wú)功分量幾乎為零整流器的輸入端功率因數(shù)低,意味著需要吸收較多的無(wú)功功率,這會(huì)加重供電系統(tǒng)的負(fù)擔(dān),造成較大的線路損耗和容量浪費(fèi)。

3 三相整流電路

由于三相整流的優(yōu)點(diǎn)眾多，因此在很多城市軌道交通供電系統(tǒng)中廣泛的應(yīng)用，三相整流電路值適合一些大功率的系統(tǒng)。它的工作原理是利用不同時(shí)間段二極管的導(dǎo)通順序不同，來(lái)得到諧波較小的直流電壓，變壓器對(duì)各次不同諧波電流的移相作用,使其高次諧波在變壓器次級(jí)相互疊加而抵消。這種方法在變壓器負(fù)載平衡的情況下,對(duì)減小輸入端的較低次的諧波是有效的,其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制電路均比單相的復(fù)雜。

4 牽引變電所的整流機(jī)組

城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)采用的是直流電，其主要包括高壓交流供配電系統(tǒng)和直流供電系統(tǒng)，整流機(jī)組是進(jìn)行交直流轉(zhuǎn)換的重要環(huán)節(jié)，它包括整流變壓器和整流器。在整個(gè)供電系統(tǒng)中牽引變電所的主要任務(wù)是將引進(jìn)的交流電通過(guò)主變電所送到整流變壓器上進(jìn)行降壓，然后把需要的電壓等級(jí)整流成牽引供電系統(tǒng)中所需要的1500或750VDC。為了能夠提高直流供電系統(tǒng)的質(zhì)量，降低直流輸出電壓的脈動(dòng)系數(shù)通常采用多脈波整流。目前所采用的整流方式為十二脈波整流或二十四脈波整流。

12 脈波整流電路中變壓器一次側(cè)為公用繞組，二次側(cè)分別為Y和Δ 連接，形成30 相位差。實(shí)際中采用三繞組或四繞組特種結(jié)構(gòu)變壓器，繞組連接方式為Y/Δ-Y，Δ/Δ-Y 或Y-Y/Y-Δ，Δ-Y/ Δ-Δ。

利用副邊或原、副邊星形與三角形兩繞組間各相間電壓依次形成30 度相移,以及上述各相間電壓的倒相,從而構(gòu)成十二相脈動(dòng)整流接線方式。

整流變壓器繞組以Δ/Δ-Y 接線方式為例,十二相整流電路接線方式如圖1。

圖1 . 十二相整流電路接線方式

從圖中可以看出,當(dāng)不考慮平衡電抗器的作用時(shí),相當(dāng)于兩組相位差為30 度的三相橋整流電路交替向直流負(fù)載供電,每個(gè)橋臂整流管導(dǎo)電時(shí)間為π/3,整流后的直流電壓每工頻周期有12 次脈動(dòng),形成十二相整流。這種情況下每橋臂整流管不能有效利用,是其缺點(diǎn)。

接入平衡電抗器后,由于其感應(yīng)電壓的存在,則兩組三相整流橋相當(dāng)于并聯(lián)工作,同時(shí)向負(fù)載供電,且每個(gè)橋臂整流管導(dǎo)電時(shí)間為2π/3,提高了整流管的利用率。兩組整流橋任意時(shí)刻并聯(lián)工作的必要條件是,導(dǎo)電時(shí)刻兩組橋路同時(shí)并聯(lián)導(dǎo)電支路的電壓必須相等。

目前我國(guó)城市軌道交通所用的12 脈波整流機(jī)組一般采用軸向雙分裂式三繞組變壓器,設(shè)計(jì)的漏抗較大,可等效平衡電抗器的作用。

(2）一種新型的二十四脈波整流機(jī)組

在城市軌道交通供電系統(tǒng)中一些大功率的設(shè)備是產(chǎn)生諧波的主要原因之一，由于諧波對(duì)整個(gè)供電系統(tǒng)的危害極大，因此為了能夠避免諧波的產(chǎn)生，提高供電系統(tǒng)的功率因數(shù)，目前我國(guó)很多地鐵公司開(kāi)始用二十四脈波的整流電路代替十二脈波。這種方式可以有效的抑制諧波的產(chǎn)生，使得整個(gè)供電系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。

圖2.二十四脈波牽引整流變電站的主接線圖

圖2 是二十四脈波的牽引整流機(jī)組，從以上圖中可以看出二十四脈波整流包含4 個(gè)六脈波整流器，在不改變整流器其他設(shè)備的同時(shí)把變壓器一次側(cè)的三角形繞組延長(zhǎng)。1#整流變壓器為Dy5/Dd0 聯(lián)結(jié),一次側(cè)繞組移相-7.5 度；2#整流變壓器為Dy7/Dd2 聯(lián)結(jié)參見(jiàn)圖,一次側(cè)繞組移相+7.5 度。2 臺(tái)整流變壓器一次側(cè)并聯(lián)在同一電網(wǎng)中,二次側(cè)線電壓相同,相位相差15 度。各臺(tái)二次側(cè)分別連接兩組三相全波橋式整流電路,輸出等效12 脈波直流電壓。兩組等效12 相整流輸出并聯(lián),構(gòu)成等效24 相整流輸出,與12 脈被整流最大的區(qū)別是其整流變壓器應(yīng)接成移相±7.5 度的聯(lián)結(jié)方式,使其達(dá)到導(dǎo)通角相差15 度來(lái)組成24 脈波的整流電路的。

結(jié)論

城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)在整個(gè)城軌供電系統(tǒng)中發(fā)揮著非常重要的作用，它是城軌運(yùn)營(yíng)的核心部分，它的技術(shù)創(chuàng)新急需突破，由于城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)使用的是直流電，因此必須通過(guò)整流機(jī)組給接觸網(wǎng)提供脈動(dòng)系數(shù)小的直流電源，由于要減少脈動(dòng)系數(shù)所以要增加整流的脈波數(shù)量，脈波數(shù)量越多諧波的含量就越少，因此目前很多地鐵公司都使用二十四脈波整流來(lái)代替十二脈波整流，這樣就能得到更加理想的直流電，減少脈動(dòng)系數(shù)，提供供電系統(tǒng)的功率因數(shù)。