引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會的不斷發(fā)展與進(jìn)步,城市規(guī)模不斷擴(kuò)大,人口越來越密集。出行是否方便,關(guān)系到社會效率的高低。許多大型城市正逐步發(fā)展自己的城市軌道交通,軌道交通成為城市交通的重要組成部分,且在今后的發(fā)展中將占據(jù)更大的比重。本文將對軌道交通牽引整流變壓器特點以及在軌道交通電網(wǎng)中如何整流進(jìn)行簡要分析。

1軌道交通供電系統(tǒng)的組成

集中式供電方式是城市軌道交通系統(tǒng)最近幾年來常采用的方式,電源直接來自于城市電網(wǎng)的220kV或110kV電壓,經(jīng)主變將電源電壓降為35kV,再經(jīng)過牽引整流變壓器及整流器為軌道交通提供1500V的直流電。軌道交通牽引整流變壓器在軌道交通電網(wǎng)中起到人體心臟的作用,如圖1所示。

2軌道交通牽引整流變壓器與普通變壓器異同

軌道交通牽引整流變壓器與普通變壓器的基本原理相同,都是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律設(shè)計的靜止的供電設(shè)備,其最核心的原理相同。等效12脈波變壓器的基本結(jié)構(gòu)均采用低壓線圈套繞鐵芯柱上、高壓繞組套繞低壓繞組的結(jié)構(gòu)形式,在外觀樣式上與普通雙繞組變壓器類似。

但等效12脈波變壓器軌道交通牽引整流變壓器的線圈采用軸向分裂的結(jié)構(gòu),兩個高壓網(wǎng)側(cè)的高壓線圈一般均為角接,兩個高壓線圈的結(jié)構(gòu)形式以及匝數(shù)完全相同,上下對稱布置,兩只高壓線圈并聯(lián)接入電網(wǎng)中。兩只低壓線圈也為軸向分裂,一只低壓線圈為星接,一只低壓線圈為角接。這是其與普通雙繞組變壓器的最大區(qū)別。

等效24脈波變壓器軌道交通牽引整流變壓器則是由2臺等效12脈波變壓器軌道交通牽引整流變壓器組合而成的一個系統(tǒng),其中一臺變壓器相位角前移+7.5o,另一臺變壓器后移-7.5o,則兩臺變壓器相位角相差15o。兩臺變壓器除移相角不同外,其余參數(shù)完全相同。

3變壓器整流方式的選擇

在現(xiàn)實中,常采用的移相方式主要有6種,分別為單半波整流電路、單相全波整流電路、單相橋式整流電路、三相半波整流電路、三相橋式整流電路和三相雙反星形帶平衡電抗器整流電路。整流電路主要是利用晶閘管的單向?qū)ㄐ栽?在正半周期中,當(dāng)上端的次級繞組相對于下端為正時,二極管處于正向偏置狀態(tài)并導(dǎo)通電流。在正半周期中,當(dāng)假定二極管的正向電阻為零時,輸入電壓直接施加到負(fù)載電阻。輸出電壓和輸出電流的波形與交流輸入電壓的波形相同。在負(fù)半周期中,當(dāng)下端的次級繞組相對于上端為正時,二極管處于反向偏置狀態(tài)并且不傳導(dǎo)電流。在負(fù)半周期間,負(fù)載兩端的電壓和電流保持為零,反向電流的幅度非常小,并且被忽略,所以在負(fù)半周期內(nèi)沒有功率輸出。

下面針對三相電路中的整流電路分別進(jìn)行分析。

3.1三相半波整流電路

圖2為未經(jīng)整流電路輸出的三相電流波形圖,圖3為三相半波整流電路的原理圖以及經(jīng)整流電路整流后輸出的電流波形圖。在周期時,ea>eb并且ea>ec:因此二極管D1單向?qū)?其余的二極管因受反向電壓而閉合。同理,在周期時,二極管D2單向?qū)?在周期時,二極管D3單向?qū)?。在后續(xù)的周期中,這個過程不斷地進(jìn)行重復(fù)。電源的每個周期長度為2m,每一相只有在周期長度的時才會單向?qū)?在周期的其余時間段是閉合的,沒有輸出。如圖3中輸出電流波形所示,在2m周期內(nèi),三相電流只有3個波頭的輸出,輸出波動較大。

3.2三相橋式整流電路

圖4為三相橋式整流電路的原理圖以及經(jīng)整流電路整流后輸出的電流波形圖。結(jié)合圖2,在周期時,eab的電壓差最大,因此除二極管D1和D5單向?qū)?其余的二極管因受反向電壓而閉合,此時電流依次流經(jīng)a、D1、Z、D5、b。同理,在周期時,eac的電壓差最大,因此除二極管D1和D6單向

導(dǎo)通,其余的二極管因受反向電壓而閉合,此時電流依次流經(jīng)a、D1、Z、D6、C:在周期時,ebc的電壓差最大,因此除二極管D2和D6單向?qū)?其余的二極管因受反向電壓而閉合,此時電流依次流經(jīng)b、D2、Z、D6、C:在周期時,eba的電壓差最大,因此除二極管D2和D4單向?qū)?其余的二極管因受反向電壓而閉合,此時電流依次流經(jīng)b、D2、Z、D4、a:在周期時,eca的電壓差最大,因此除二極管D3和D4單向?qū)?其余的二極管因受反向電壓而閉合,此時電流依次流經(jīng)c、D3、Z、D4、a:在周期時,ecb的電壓差最大,因此除二極管D3和D5單向?qū)?其余的二極管因受反向電壓而閉合,此時電流依次流經(jīng)c、D3、Z、D5、b:在后續(xù)的周期按照前面的敘述不斷地循環(huán)。

如圖4所示,在每一線路導(dǎo)通時,總會有共陽極的一個晶體管和共陰極的晶體管串聯(lián)在電路中,在2π周期內(nèi),三相電流有6個波頭的輸出,輸出波動較小。

3.3三相雙反星形帶平衡電抗器整流電路

圖5為三相雙反星形帶平衡電抗器整流電路的原理圖以及經(jīng)整流電路整流后輸出的電流波形圖。

如圖5所示,三相雙反星形帶平衡電抗器整流電路可以視為兩個三相半波整流電路與平衡電抗器并聯(lián)組成,平衡電抗器與負(fù)載串聯(lián)后并聯(lián)在三相半波電路的中性點上。在某一時刻m點時,ea1的電勢最高,ec2的電勢第二高,當(dāng)有平衡電抗器時,由于平衡電抗器的作用,兩者的電勢相同,二極管D1和D6同時單向?qū)?。由波形圖可知,在2π周期內(nèi),三相電流有6個波頭的輸出,輸出波動較小。

4結(jié)語

因半波整流電路是將電源的負(fù)半周期過濾掉,得到的一個周期只有3個脈波,對電網(wǎng)電能的損耗較大,電能利用率低,現(xiàn)在已經(jīng)不再使用。三相橋式整流電路可以得到一個周期6個脈波,位于負(fù)周期的電能得到充分利用,比半波整流的效率提高一倍,但是結(jié)構(gòu)卻沒有太復(fù)雜。三相雙反星形帶平衡電抗器整流電路與其他整流電路相比較,結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜,但整流效果卻沒有很好的改善,因此使用也較少。綜上所述,橋式整流電路應(yīng)用最為廣泛。