論高壓整流二極管在城軌牽引動(dòng)力系統(tǒng)中的應(yīng)用

  隨著我國(guó)城市軌道交通的大力發(fā)展，對(duì)牽引動(dòng)力的需求越來(lái)越大，因此，越來(lái)越多的城市開(kāi)始修建城軌牽引變電所，對(duì)牽引變電所整流二極管的了解就成為設(shè)計(jì)、施工人員的當(dāng)務(wù)之急。由于城軌牽引動(dòng)力電壓為1500V直流電，而城市電網(wǎng)基本為10kV及以上交流電，需要將城市電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)變?yōu)槌擒壒恳齽?dòng)力系統(tǒng)所需要的直流電，因此在城軌牽引變電所中，整流電路的應(yīng)用將越來(lái)越廣。本文將重點(diǎn)介紹高壓整流二極管在城軌牽引變電所的應(yīng)用，而在此之前了解常見(jiàn)二極管在整流電路中的應(yīng)用是非常必要的。通過(guò)本文，大家一定會(huì)對(duì)城軌牽引動(dòng)力系統(tǒng)中高壓整流二極管有更加深入的了解。
 
  1. 整流二極管工作原理
  整流二極管是一種將交流電能轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娔艿陌雽?dǎo)體器件。
  整流二極管通常包含一個(gè)PN結(jié)，有陽(yáng)極和陰極兩個(gè)端子。其P區(qū)的載流子是空穴，N區(qū)的載流子是電子，在P區(qū)和N區(qū)間形成一定的位壘。外加使P區(qū)相對(duì)N區(qū)為正的電壓時(shí)，位壘降低，位壘兩側(cè)附近產(chǎn)生儲(chǔ)存載流子，能通過(guò)大電流，具有低的電壓降（典型值為0.7V），稱為正向?qū)顟B(tài)。若加相反的電壓，使位壘增加，可承受高的反向電壓，流過(guò)很小的反向電流（稱反向漏電流），稱為反向阻斷狀態(tài)。整流二極管具有明顯的單向?qū)щ娦浴?br />   整流二極管可用半導(dǎo)體鍺或硅等材料制造。硅整流二極管的擊穿電壓高，反向漏電流小，高溫性能良好。通常高壓大功率整流二極管都用高純單晶硅制造。這種器件的結(jié)面積較大，能通過(guò)較大電流（可達(dá)上千安），但工作頻率不高，一般在幾十千赫以下。
 
  2. 常見(jiàn)整流電路分析
  城市電網(wǎng)提供給城市軌道交通的是交流電，而城軌電客車(chē)的牽引動(dòng)力卻是直流電，這就需要整流裝置進(jìn)行交直流整流，即把方向和大小交變的電流變換為直流電。下面就簡(jiǎn)單介紹利用晶體二極管組成的幾種整流電路。
 
  2.1 半波整流電路

  單相半波整流電路是一種最簡(jiǎn)單的整流電路。它由電源變壓器T、整流二極管V和負(fù)載電阻RL組成。變壓器把城市電網(wǎng)（多為220V或380V）變換為所需要的交變電壓V2，V再把交流電變換為脈動(dòng)直流電。其整流原理為：變壓器砍級(jí)電壓V2，是一個(gè)方向和大小都隨時(shí)間變化的正弦波電壓。在0~π時(shí)間內(nèi)，V2 為正半周即變壓器上端為正下端為負(fù)。此時(shí)二極管承受正向電壓面導(dǎo)通，V2通過(guò)它加在負(fù)載電阻RL上，在π~2π時(shí)間內(nèi)，V2為負(fù)半周，變壓器次級(jí)下端為正，上端為負(fù)。這時(shí)V承受反向電壓，不導(dǎo)通，RL上無(wú)電壓。在2π~3π時(shí)間內(nèi)，重復(fù)0~π時(shí)間的過(guò)程，而在3π~4π時(shí)間內(nèi)，又重復(fù)π~2π時(shí)間的過(guò)程。這樣反復(fù)下去，交流電的負(fù)半周就被“削”掉了，只有正半周通過(guò)RL，在RL上獲得了一個(gè)單一右向（上正下負(fù)）的電壓VL，從而達(dá)到了整流的目的，這種除去半周、留下半周的整流方法，叫半波整流，其波形圖如圖2所示。不難看出，半波整流是以“犧牲”一半交流為代價(jià)而換取整流效果的，電流利用率很低（約 45%左右），因此一般很少使用，但是作為最簡(jiǎn)單的整流電路，理解和掌握半波整流電路的原理是具有重要意義的。  
  2.2 全波整流電路(單相橋式整流電路)
  如果把整流電路的結(jié)構(gòu)作一些調(diào)整，可以得到一種能充分利用電能的全波整流電路。
  全波整流電路是由兩個(gè)半波整流電路組合成的。變壓器二次線圈中間引出一個(gè)抽頭，把二次線圈分成兩個(gè)對(duì)稱的繞組，從而引出大小相等但極性相反的兩個(gè)電壓。如圖3所示，全波整流不僅利用了正半周，而且還巧妙地利用了負(fù)半周，從而大大地提高了整流效率（約90%左右，比半波整流時(shí)大一倍）。  
  2.3 橋式整流電路
  橋式整流電路是目前使用最多的一種整流電路。這種電路，只要在原有基礎(chǔ)上再增加兩只二極管口連接成“橋”式結(jié)構(gòu)，既具有全波整流電路的優(yōu)點(diǎn)，又在一定程度上克服了它的缺點(diǎn)。
  橋式整流電路的工作原理如下：V2為正半周時(shí)，對(duì)V1、V3 加正向電壓，V1、V3導(dǎo)通；對(duì)V2、V4加反向電壓，V2、V4截止。電路中構(gòu)成V2、V1、RL 、V3通電回路，在RL上形成上正下負(fù)的半波整洗電壓。V2為負(fù)半周時(shí)，對(duì)V2、V4加正向電壓，V2、V4 導(dǎo)通；對(duì)V1、V3加反向電壓，V1、V3截止。電路中構(gòu)成V2、V2、 RL、V4通電回路，同樣在RL上形成上正下負(fù)的另外半波的整流電壓。 如此重復(fù)下去，結(jié)果在RL上便得到全波整流電壓。
  注：從圖4中還不難看出，單相全波橋式整流電路其波形圖和全波整流波形圖是一樣的。但是橋式電路中每只二極管承受的反向電壓等于變壓器次級(jí)電壓的最大值，比全波整洗電路小一半。   需要特別指出的是，二極管作為整流元件，要根據(jù)不同的整流方式和負(fù)載大小加以選擇。如選擇不當(dāng)，則或者不能安全工作，甚至燒了管子；或者大材小用，造成浪費(fèi)。另外，在高電壓或大電流的情況下，如果手頭沒(méi)有承受高電壓或整定大電濾的整流元件，可以把二極管串聯(lián)或并聯(lián)起來(lái)使用。
  二極管并聯(lián)的情況：兩只二極管并聯(lián)、每只分擔(dān)電路總電流的一半，三只二極管并聯(lián)，每只分擔(dān)電路總電流的三分之一。理論上講：總之，有幾只二極管并聯(lián)，流經(jīng)每只二極管的電流就等于總電流的幾分之一。但是，在實(shí)際并聯(lián)運(yùn)用時(shí)，由于各二極管特性不完全一致，不能均分所通過(guò)的電流，會(huì)使有的管子困負(fù)擔(dān)過(guò)重而燒毀。因此需在每只二極管上串聯(lián)一只阻值相同的小電阻器，使各并聯(lián)二極管流過(guò)的電流接近一致。
  注：均流電阻R一般選用零點(diǎn)幾歐至幾十歐的電阻器。電流越大，R應(yīng)選得越小。
  二極管串聯(lián)的情況：理想上講，有幾只管子串聯(lián)，每只管子承受的反向電壓就應(yīng)等于總電壓的幾分之一。但是，在實(shí)際并聯(lián)運(yùn)用時(shí)，由于每只二極管的反向電阻不盡相同，會(huì)造成電壓分配不均：內(nèi)阻大的二極管，有可能由于電壓過(guò)高而被擊穿，并由此引起連鎖反應(yīng)，逐個(gè)把二極管擊穿。在二極管上并聯(lián)的電阻R，可以使電壓分配均勻。
 
  3. 城軌變電所整流二極管的運(yùn)用
  目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)地鐵牽引供電系統(tǒng)的整流電源，都是將牽引變電所內(nèi)整流變壓器輸出的AC1180V交流電轉(zhuǎn)換成DC1500V直流電向接觸網(wǎng)供電。每座牽引變電所內(nèi)，由整流變壓器和整流器組成整流機(jī)組。24脈波整流電路由兩組12脈波整流電路構(gòu)成，12脈波整流由兩個(gè)6脈波3相整流橋并聯(lián)組成。其中一個(gè)3相整流橋接向整流變壓器的二次側(cè)星形繞組，另一個(gè)3相整流橋接向整流變壓器的二次側(cè)三角形繞組。由于每臺(tái)整流變壓器二次側(cè)星形繞組和三角形繞組相對(duì)應(yīng)的線電壓相位錯(cuò)開(kāi)π/6，便可以得到兩個(gè)三相橋并聯(lián)組成的12脈波整流電路。  
  3.1 地鐵整流器二極管技術(shù)特點(diǎn)
  1）空載電壓：1.652V。
  2）最高直流電壓：1800V。
  3）額定電流、額定功率、連續(xù)額定功率損耗見(jiàn)下：
  額定功率：1800kW。
  額定電流：1 200A。
  連續(xù)額定功率損耗≤5kW。
  4）二極管型式：防塵型平板式。
  整流器提供的二極管反向重復(fù)峰值電壓：≥4.4kV，二極管正向平均額定電流2360A，平板式。
  5）最大重復(fù)峰值反向電壓≥4400V。
  6）每臂并聯(lián)二極管數(shù)：2個(gè)。
  7）冗余度：滿足一個(gè)二極管損壞時(shí)，能以100%額定負(fù)荷繼續(xù)運(yùn)行，同時(shí)報(bào)警。
  8）冷卻方式：自然冷卻。
  9）防護(hù)等級(jí)：IP20。
  10）保護(hù)措施：
  （1）內(nèi)部短路：900A/1250V快速熔斷器。
  （2）外部短路：中壓斷路器。
  （3）過(guò)電壓：交流側(cè)：RC回路。
  直流側(cè)：壓敏電阻、RC回路，回路熔斷器采用進(jìn)口元件。
  過(guò)電壓保護(hù)主要采用RC吸收回路和壓敏電阻保護(hù)。RC吸收回路，其連接型式為星型。壓敏電阻、回路熔斷器采用進(jìn)口器件。
  11）信號(hào)：整流器提供7個(gè)信號(hào)，快速熔斷器一只熔斷報(bào)警，快速熔斷器同臂二只熔斷跳閘，壓敏電阻熔斷器熔斷跳閘，整流管散熱器溫度140℃報(bào)警，整流管散熱器溫度150℃跳閘，導(dǎo)電排溫度80℃報(bào)警，導(dǎo)電排溫度90℃跳閘，以上信號(hào)除了在面板上的光信號(hào)指示外，同時(shí)各提供一付無(wú)源觸點(diǎn)至端子。
  信號(hào)在柜面的顯示方式采用7個(gè)黃色發(fā)光二極管指示燈分別顯示7個(gè)故障信號(hào)。
  12）輔助電源：DC220V/2，照明采用AC220V/2A。
  13）整流器結(jié)構(gòu)：柜體采用冷軋鋼板，厚度不低于2mm，柜體表面采用噴塑處理，結(jié)構(gòu)件采用鍍鋅處理。
  柜體絕緣安裝，絕緣墊厚度5mm。
 
  3.2 地鐵整流技術(shù)
  1）整流電路設(shè)置。目前，在建和已建地鐵的每座牽引變電所都設(shè)兩套整流設(shè)備(也稱為整流機(jī)組)。由于地鐵的直流牽引電壓比較高(北京、武漢部分采用750V電壓，其它城市均采用1500V電壓)，所以整流設(shè)備幾乎都是采用橋式整流電路。為了減少地鐵諧波電流對(duì)城市電網(wǎng)的污染，除北京部分地鐵線路采用三相橋式六脈波整流電路外，其余新建的地鐵線路都采用三相橋式并聯(lián)的十二脈波整流電路(簡(jiǎn)稱雙橋并聯(lián)整流電路)。采用兩臺(tái)閥側(cè)電壓相位差30°的雙繞組整流變壓器牽引變壓器與兩臺(tái)三相橋式整流器構(gòu)成的等效十二脈波整流電路，用一臺(tái)三繞組或四象限整流變壓器，閥側(cè)電壓相位差同樣為30°，與一臺(tái)雙三相橋式整流器構(gòu)成一套十二脈波整流機(jī)組。兩套十二脈波整流機(jī)組并聯(lián)工作并不會(huì)改變整流脈波數(shù)，只有當(dāng)兩套機(jī)組的整流變壓器網(wǎng)側(cè)繞組分別移相+7.5°，-7.5°并聯(lián)工作時(shí)，才形成等效二十四脈波整流。
  2）整流電路的特點(diǎn)。
  （1）對(duì)于各種整流電路，其二次繞組容量、一次繞組容量、網(wǎng)側(cè)額定容量三者之間不盡相等，這是由于一次和二次繞組往往導(dǎo)電時(shí)間不等、電流波形不同、繞組利用率不一致所致。
  （2）各種整流電路的變頻變壓器磁勢(shì)不一定平衡。
  3）六脈波三相橋式整流電路的特點(diǎn)。六脈波三相橋式整流電路是構(gòu)成十二脈波整流電路的基礎(chǔ)。其特點(diǎn)如下：
  （1）容量。對(duì)于各種單一的三相橋式整流電路(如Y/y、Y/d、D/y、D/d)，其閥側(cè)繞組容量、網(wǎng)次繞組容量、網(wǎng)側(cè)額定容量三者均相等。
  （2）磁勢(shì)。對(duì)于上述四種形式的整流電路，只要一次或二次有一個(gè)D(d)接繞組，則三次諧波就構(gòu)成通路，從而消除激磁磁勢(shì)不平衡現(xiàn)象，所以，工程上優(yōu)先采用有D(d)接線形式，以利于磁勢(shì)平衡。
  4）單機(jī)組十二脈波整流電路
  （1）單機(jī)組十二脈波整流電路的特點(diǎn)。
  ①脈波數(shù)不受運(yùn)行機(jī)組的影響，對(duì)五次及七次諧波的抑制較好。
  ②兩閥側(cè)繞組間存在符合分配不均問(wèn)題。
  如果y接、d接的閥側(cè)繞組匝數(shù)比偏離1/3較大，則理想直流空載電壓不等，因而負(fù)荷分配不可能平均。
  （2）整流變壓器接線組別。
  多種整流變壓器接線組別都能滿足十二脈波整流功能要求。目前，常用的四繞組整流變壓器有：Dd0/Dy5，Dd0/Dy7， Dd2/Dy1。滿足等效二十四脈波整流要求的兩臺(tái)整流變壓器組(上海在建和已建地鐵線路上均有采用)有兩種組別組合，組別：-7.5°Dy5/Dd0，+7.5°Dy5/Dd0。兩臺(tái)變壓器的組別雖是一樣，但為了滿足±7.5°的移相要求，它們內(nèi)部的接線不完全一樣，因此存在兩個(gè)缺點(diǎn)：
  ①不能因改變外部接線來(lái)滿足互換要求；
  ②兩臺(tái)變壓器網(wǎng)側(cè)三相接線端子相序不一致。
  針對(duì)上述缺點(diǎn)，目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品克服了上述缺點(diǎn)，其組別為-7.5°Dy5/Dd0，+7.5°Dy7/Dd2。
  5）地鐵牽引整流機(jī)組的并聯(lián)運(yùn)行。對(duì)于單機(jī)組十二脈波整流方式，牽引變電所中的兩套牽引整流機(jī)組并聯(lián)后一起向牽引網(wǎng)供電，總負(fù)載電流應(yīng)在機(jī)組間合理平均分配。對(duì)于雙機(jī)組等效十二脈波整流方式，是由變電所中兩套相位差30°的單機(jī)組并聯(lián)后，構(gòu)成等效十二脈波整流系統(tǒng)，向牽引網(wǎng)供電。除要求負(fù)載在每個(gè)機(jī)組間合理分配外，還要求限制機(jī)組間均衡電流到適當(dāng)程度。對(duì)于沒(méi)有直流電壓調(diào)節(jié)措施的機(jī)組，在條件相似即在同一地點(diǎn)并聯(lián)運(yùn)行及由同一交流電源供電的情況下，當(dāng)其在90%的額定負(fù)載時(shí)，每臺(tái)機(jī)組的直流電流與它應(yīng)分配的負(fù)載電流的差別不應(yīng)大于10%。
  如無(wú)特別需要，并聯(lián)運(yùn)行的整流機(jī)組，其交流側(cè)不應(yīng)由兩個(gè)電源分別同時(shí)供電；如有必需，則對(duì)兩個(gè)交流電源的供電特性，如電壓水平、周波等應(yīng)有嚴(yán)格要求，而且應(yīng)該注意當(dāng)其中一個(gè)電源故障時(shí)，由另一個(gè)電源供電的另一套機(jī)組發(fā)生嚴(yán)重過(guò)載的可能性，保證其滿足標(biāo)準(zhǔn)IEC146的有關(guān)要求。
 
  4. 結(jié)論
  通過(guò)以上分析，筆者認(rèn)為橋式整流在整流電路中的應(yīng)用最為廣泛，應(yīng)有充分的發(fā)展空間，可廣泛運(yùn)用于城軌牽引動(dòng)力系統(tǒng)。而在城軌牽引變電所中，采用兩臺(tái)整流變壓器并聯(lián)運(yùn)行的方式，一旦一條支路出現(xiàn)故障，可快速切換到另一條支路進(jìn)行不間斷供電，這使得供電的安全、可靠性得到了極大的提高。
  另外，在高壓整流二極管的選擇上，采用單相十二脈波、兩相二十四脈波的方式最為合適，這種方式的波形更平穩(wěn)，相位差的把握上也更容易實(shí)現(xiàn)，整流后的直流電壓波動(dòng)更小，能有效減少諧波電流，可以保證城軌牽引動(dòng)力系統(tǒng)高質(zhì)量、高穩(wěn)定運(yùn)行。
  目前我國(guó)城市軌道交通發(fā)展迅速，其中的供電系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)較為成熟，且形成了一定的體系，要對(duì)其進(jìn)行改變是有相當(dāng)難度的。但是，隨著現(xiàn)在科學(xué)技術(shù)特別是二極管技術(shù)的發(fā)展，地鐵整流裝置的更新?lián)Q代是必然的。我們要不斷了解并掌握新的整流技術(shù)，并應(yīng)用于城軌牽引動(dòng)力系統(tǒng)中，這對(duì)城市軌道交通的運(yùn)營(yíng)、檢修和事故處理都有著重要的意義。



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