軌道交通電力整流變壓器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與整流方式分析

引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展與進(jìn)步,城市規(guī)模不斷擴(kuò)大,人口越來(lái)越密集。出行是否方便,關(guān)系到社會(huì)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(duì)軌道交通牽引整流變壓器特點(diǎn)以及在軌道交通電網(wǎng)中如何整流進(jìn)行簡(jiǎn)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(lái)常采用的方式,電源直接來(lái)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(guò)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(jì)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(gè)高壓網(wǎng)側(cè)的高壓線圈一般均為角接,兩個(gè)高壓線圈的結(jié)構(gòu)形式以及匝數(shù)完全相同,上下對(duì)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(tái)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(gè)系統(tǒng),其中一臺(tái)變壓器相位角前移+7.5o,另一臺(tái)變壓器后移-7.5o,則兩臺(tái)變壓器相位角相差15o。兩臺(tái)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(shí)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(jí)繞組相對(duì)于下端為正時(shí),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(shí),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(jí)繞組相對(duì)于上端為正時(shí),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(méi)有功率輸出。

下面針對(duì)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(shí),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(shí),二極管D2單向?qū)?在周期時(shí),二極管D3單向?qū)āＴ诤罄m(xù)的周期中,這個(gè)過(guò)程不斷地進(jìn)行重復(fù)。電源的每個(gè)周期長(zhǎng)度為2m,每一相只有在周期長(zhǎng)度的時(shí)才會(huì)單向?qū)?在周期的其余時(shí)間段是閉合的,沒(méi)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(gè)波頭的輸出,輸出波動(dòng)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(shí),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(shí)電流依次流經(jīng)a、D1、Z、D5、b。同理,在周期時(shí),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(shí)電流依次流經(jīng)a、D1、Z、D6、C:在周期時(shí),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(shí)電流依次流經(jīng)b、D2、Z、D6、C:在周期時(shí),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(shí)電流依次流經(jīng)b、D2、Z、D4、a:在周期時(shí),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(shí)電流依次流經(jīng)c、D3、Z、D4、a:在周期時(shí),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(shí)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(shí),總會(huì)有共陽(yáng)極的一個(gè)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(gè)波頭的輸出,輸出波動(dòng)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(gè)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(diǎn)上。在某一時(shí)刻m點(diǎn)時(shí),ea1的電勢(shì)最高,ec2的電勢(shì)第二高,當(dāng)有平衡電抗器時(shí),由于平衡電抗器的作用,兩者的電勢(shì)相同,二極管D1和D6同時(shí)單向?qū)?。由波形圖可知,在2π周期內(nèi),三相電流有6個(gè)波頭的輸出,輸出波動(dòng)較小。

4結(jié)語(yǔ)

因半波整流電路是將電源的負(fù)半周期過(guò)濾掉,得到的一個(gè)周期只有3個(gè)脈波,對(duì)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(gè)周期6個(gè)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(méi)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(méi)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。