城市轨道交通牵引供电系统整流器应用研究

田爱军 江苏省徐州技师学院

1 引言

进入21 世纪以来，我国的交通运输行业发生了翻天覆地的变化，这使得交通运输成为了我国整个国民经济的大动脉，对我国的民生起到了非常大的作用。虽说我国的城市轨道交通发展速度在世界上都是空前的，但是由于我国的一些地铁技术和理论都还不算成熟，使得很多项目在技术和设备引进时还是考虑国外的一些企业，国产化设备利用率很低，这也是我国地铁工程造价昂贵的原因之一。基于以上的分析发展我国的城市轨道交通技术已经成为了目前所面临的任务，其中城市轨道交通牵引供电系统整流器的研究具有较大的理论和实践意义。

2 整流的相关知识整流技术概述

(1）整流技术基本知识

通俗的讲整流电路就是能够把交流电变成直流电的变换电路，这也是其最初的定义，整流电路在人们的日常生活中应用十分广泛很多充电器都是使用了变压和整流的器件，整流电路的可靠性直接影响着电网的运行以及用电的质量。

(2）整流电路的主要功能

调压：指直流输出电压随电网电压的变化而增减；

稳压：指电网电压不变时,直流输出电压应在网侧电压波动和负载变化时维持恒定。

目前很多的电子设备比如手机等，基本上都是使用家用220V 交流电进行供电，但是手机使用的是直流电，因此可以看出这些大量的电子设备中会含有整流电路。一般来说，整流电路包括二极管和电容。由于这种整流器只在交流电压高于滤波电容上的电压时吸收能量,所以输入端电流呈脉冲状,包含大量的谐波分量。高次谐波含量的升高使得基波分量降低,还会使功率因数降低,通常电容滤波二极管整流电路的输入端功率因数只能达到左右,而其中相移无功分量几乎为零整流器的输入端功率因数低,意味着需要吸收较多的无功功率,这会加重供电系统的负担,造成较大的线路损耗和容量浪费。

3 三相整流电路

由于三相整流的优点众多，因此在很多城市轨道交通供电系统中广泛的应用，三相整流电路值适合一些大功率的系统。它的工作原理是利用不同时间段二极管的导通顺序不同，来得到谐波较小的直流电压，变压器对各次不同谐波电流的移相作用,使其高次谐波在变压器次级相互叠加而抵消。这种方法在变压器负载平衡的情况下,对减小输入端的较低次的谐波是有效的,其拓扑结构和控制电路均比单相的复杂。

4 牵引变电所的整流机组

城市轨道交通牵引供电系统采用的是直流电，其主要包括高压交流供配电系统和直流供电系统，整流机组是进行交直流转换的重要环节，它包括整流变压器和整流器。在整个供电系统中牵引变电所的主要任务是将引进的交流电通过主变电所送到整流变压器上进行降压，然后把需要的电压等级整流成牵引供电系统中所需要的1500或750VDC。为了能够提高直流供电系统的质量，降低直流输出电压的脉动系数通常采用多脉波整流。目前所采用的整流方式为十二脉波整流或二十四脉波整流。

12 脉波整流电路中变压器一次侧为公用绕组，二次侧分别为Y和Δ 连接，形成30 相位差。实际中采用三绕组或四绕组特种结构变压器，绕组连接方式为Y/Δ-Y，Δ/Δ-Y 或Y-Y/Y-Δ，Δ-Y/ Δ-Δ。

利用副边或原、副边星形与三角形两绕组间各相间电压依次形成30 度相移,以及上述各相间电压的倒相,从而构成十二相脉动整流接线方式。

整流变压器绕组以Δ/Δ-Y 接线方式为例,十二相整流电路接线方式如图1。

图1 . 十二相整流电路接线方式

从图中可以看出,当不考虑平衡电抗器的作用时,相当于两组相位差为30 度的三相桥整流电路交替向直流负载供电,每个桥臂整流管导电时间为π/3,整流后的直流电压每工频周期有12 次脉动,形成十二相整流。这种情况下每桥臂整流管不能有效利用,是其缺点。

接入平衡电抗器后,由于其感应电压的存在,则两组三相整流桥相当于并联工作,同时向负载供电,且每个桥臂整流管导电时间为2π/3,提高了整流管的利用率。两组整流桥任意时刻并联工作的必要条件是,导电时刻两组桥路同时并联导电支路的电压必须相等。

目前我国城市轨道交通所用的12 脉波整流机组一般采用轴向双分裂式三绕组变压器,设计的漏抗较大,可等效平衡电抗器的作用。

(2）一种新型的二十四脉波整流机组

在城市轨道交通供电系统中一些大功率的设备是产生谐波的主要原因之一，由于谐波对整个供电系统的危害极大，因此为了能够避免谐波的产生，提高供电系统的功率因数，目前我国很多地铁公司开始用二十四脉波的整流电路代替十二脉波。这种方式可以有效的抑制谐波的产生，使得整个供电系统运行稳定、可靠。

图2.二十四脉波牵引整流变电站的主接线图

图2 是二十四脉波的牵引整流机组，从以上图中可以看出二十四脉波整流包含4 个六脉波整流器，在不改变整流器其他设备的同时把变压器一次侧的三角形绕组延长。1#整流变压器为Dy5/Dd0 联结,一次侧绕组移相-7.5 度；2#整流变压器为Dy7/Dd2 联结参见图,一次侧绕组移相+7.5 度。2 台整流变压器一次侧并联在同一电网中,二次侧线电压相同,相位相差15 度。各台二次侧分别连接两组三相全波桥式整流电路,输出等效12 脉波直流电压。两组等效12 相整流输出并联,构成等效24 相整流输出,与12 脉被整流最大的区别是其整流变压器应接成移相±7.5 度的联结方式,使其达到导通角相差15 度来组成24 脉波的整流电路的。

结论

城市轨道交通牵引供电系统在整个城轨供电系统中发挥着非常重要的作用，它是城轨运营的核心部分，它的技术创新急需突破，由于城市轨道交通牵引供电系统使用的是直流电，因此必须通过整流机组给接触网提供脉动系数小的直流电源，由于要减少脉动系数所以要增加整流的脉波数量，脉波数量越多谐波的含量就越少，因此目前很多地铁公司都使用二十四脉波整流来代替十二脉波整流，这样就能得到更加理想的直流电，减少脉动系数，提供供电系统的功率因数。