城市軌道交通整流機組幾個參數(shù)的分析與計算

于 波，周才發(fā)

0 概述

目前，國內(nèi)各大城市大力發(fā)展的城市軌道交通供電系統(tǒng)，其牽引整流系統(tǒng)大多采用2套12脈波整流機組并聯(lián)運行，構(gòu)成等效24脈波整流。同一組12脈波整流器中的2個三相全橋整流器的輸入三相交流電壓相位差為30°，每個三相全橋整流器將輸入的三相交流電壓變換成6脈波的直流電壓，并聯(lián)輸出后成為12脈波整流電壓，2個12脈波整流器再并聯(lián)后最終形成24脈波直流電壓。

1 理想空載整流系數(shù)與整流脈波數(shù)的關(guān)系

各種脈波整流電壓波形如圖1、圖2所示。

從圖中可以看出，對于12脈波整流，在推挽工況下，整流后的波形為一個正弦波周期內(nèi)有 12個相同的波紋，此時波紋周期為π/6。得出12脈波的理想空載電壓有效值

同理 24脈波的理想空載電壓有效值Udi=1.41U2e。

2 額定空載整流系數(shù)與整流脈波數(shù)的關(guān)系

當直流負載電流大于拐點（臨界）電流時，2組三相橋臂由推挽工況（任何時刻只有相當于一個橋臂導(dǎo)電，對于12脈波整流有6個橋臂）轉(zhuǎn)化為完全并聯(lián)工況（任何時刻2組三相橋臂中，各有一個橋臂同時導(dǎo)電）。

圖1 12脈波電壓波形圖

圖2 24脈波電壓波形圖

利用整流變壓器二次側(cè)漏抗或者接入平衡電抗器 LP后，當直流負載電流大于拐點（臨界）電流后，任意時刻平衡電抗器上的電壓為圖3中兩波形的差值。LP產(chǎn)生的感應(yīng)電壓使兩導(dǎo)電支路線間電壓相等，即使整流電壓ud相等。則ud= (u1+u2)/2。

從圖 3可假設(shè) 1組三相橋臂波形為u1=另1組三相橋臂波形為u2=

因此，12脈波額定空載電壓有效值為0.965 9×1.398U2e= 1.35U2e。

圖3 整流電壓與平衡電抗器電壓波形圖

同理可以推出24脈波整流時，額定空載電壓有效值也為1.35U2e。

從上面分析可知：當直流負載電流大于拐點（臨界）電流后，無論是12脈波整流還是24脈波整流，額定空載電壓都是1.35U2e。

3 牽引整流變壓器閥側(cè)與網(wǎng)側(cè)容量的關(guān)系

12脈波整流時，變壓器2組閥側(cè)均為橋式全波整流，在忽略換相時的重疊角，且負載為電感性負載等理想條件下，閥側(cè)2組繞組總的交流等效容量為

因為2組閥側(cè)中除γ=kp±1（k= 1，2，…）特征諧波外的其他高次諧波都相互抵消了，所以網(wǎng)側(cè)繞組的交流等效容量為

考慮到額定運行時系統(tǒng)的電壓降為額定直流電壓的6%左右，因此變壓器的等效交流容量為

故變壓器的額定容量一般為直流額定功率的1.1倍。

在24脈波整流中，工程上計算電流時，可以近似按12脈波整流計算。

4 整流變壓器閥側(cè)電壓的選取

當35 kV交流電壓波動與24脈波整流電路網(wǎng)壓波動時，各整流變壓器電壓比值對應(yīng)的理想直流空載電壓見表1。

表1 網(wǎng)壓波動時24脈波整流電路空載電壓表 單位：V

從表1中可知，若按照35 kV系統(tǒng)電壓正負偏差最小為5%，整流變壓變比為35/1.22時，空載電壓已經(jīng)超出了牽引系統(tǒng)允許電壓最高值1 800 V，由于整流器直流空載電壓過高還將影響車輛電力制動功能?？紤]到國家規(guī)范中對35 kV電壓的允許偏差的規(guī)定：“35 kV及以上供電電壓正、負偏差的絕對值之和不超過額定電壓的10%”，35 kV電壓的正偏差可能高于5%，達到7%。所以建議地鐵中的整流變壓器二次側(cè)電壓選1.18 kV。這個結(jié)論符合國內(nèi)整流變壓器變比為35/1.22或35/1.20地鐵線路運營中，網(wǎng)壓有時偏高的事實。

5 額定直流電壓調(diào)整率的計算

按照國家標準的定義，直流電壓調(diào)整率是額定空載直流電壓Udo與額定直流電壓Ude之差對理想空載直流電壓Udi為基準的相對值。

式中，Udo為額定空載直流電壓，dxe是由整流變壓器換相電抗產(chǎn)生的電壓調(diào)整率。dre是電阻壓降電壓調(diào)整率，即包括變壓器銅損、整流二極管正向功耗及連接電纜等壓降產(chǎn)生的電壓調(diào)整率。

按照國家標準定義有

式中，S為串聯(lián)換相組組數(shù)；q為換相數(shù)；Xh為換相阻抗（轉(zhuǎn)化為二次側(cè)的電抗）；g為分流Ide的換相組的組數(shù)（S= 2，q= 3，g= 2）。

其中Ide為負載電流，對于24脈波整流則是2套整流機組的直流負載電流。

dxe也可以用標么值表示：

鑒于希望因變壓器換相引起的直流電壓調(diào)整率低些，這樣可以提高整流裝置的效率，但由式（7）知道，這樣會降低穿越阻抗，影響變壓器的抗短路能力。綜合起來考慮，對于軸向分裂式牽引整流變壓器，穿越阻抗取7%～8.5%（標么值），則直流電壓調(diào)整率dxe取 3.64%～4.42%，建議穿越阻抗取8%（標么值）為佳，于是dxe為4.16%。實際的牽引整流系統(tǒng)的直流電壓調(diào)整率尚需考慮整流元件壓降、低壓引線漏抗、連接電纜及變壓器本身的電阻壓降等，所以對整個整流系統(tǒng)來說，直流電壓調(diào)整率約為6%。

其中Pk為整流機組試驗短路損耗（含整流元件損耗）；SN為整流變壓器容量。

由以上公式可以算出額定直流電壓調(diào)整率。

6 直流負載拐點（臨界）電流

6.1 直流負載拐點（臨界）電流的意義

圖4是整流機組的負載特性曲線，以12脈波為例，只有當負載電流大于拐點 G處的拐點電流時，2組三相橋臂并聯(lián)才能同時輸出，在拐點前，2組三相橋臂處于推挽工作狀態(tài)。

圖4 整流負載特性曲線圖

所以，在拐點前區(qū)域工作有如下缺點：輸出波形盡管是12脈波，但是電壓平均值突升較高；整流機組效率稍低；交直流側(cè)諧波含量也有所增加，由于在拐點前整流在推挽狀態(tài)，每一時刻只有一組回路（每組回路是2個橋臂串聯(lián)）導(dǎo)通，則每個橋臂必須承受此時的負載電流（瞬時值），在拐點后整流，對于12脈波，每一時刻是2組回路并聯(lián)導(dǎo)通，則每個橋臂承受此時負載電流（瞬時值）的一半；對于24脈波，每一時刻是4組回路并聯(lián)導(dǎo)通，則每個橋臂承受此時負載電流（瞬時值）的1/4，所以應(yīng)盡量減小臨界電流，這樣可以提高二極管的利用率，增加二極管的壽命。

為使臨界電流不至于太大，對于取消平衡電抗器的2組三相橋臂并聯(lián)，在整流變壓器設(shè)計選取參數(shù)時，必須盡量增加整流變壓器二次側(cè)繞組的漏抗即增加二次側(cè)繞組的短路電抗。

6.2 均衡電壓

12脈波整流變壓器二次側(cè)的 Y繞組和Δ繞組線電壓有效值相等，但2個繞組的線電壓相位差為30°，其瞬時值是不相等的。該瞬時電壓差被稱為均衡電壓。

圖5 整流電壓與均衡電壓波形圖

從圖5可看出均衡電壓uj周期為π/3。以均衡電壓過零時為時間零點，當ωt在-15°～+15°之間時，一組三相橋波形為另一組三相橋波形為則有：

同理，當ωt在15°～+45°之間時，有

均衡電壓有效值可以表示為

最大均衡電壓

6.3 均衡電流

均衡電流有效值則為Ij=Uj/Xj=Uj/ 6Xf

Xf為整流變壓器二次側(cè)分裂電抗，均衡電抗Xj= 6Xf（因為12脈波中，并聯(lián)運行的2個換相組件中的整流臂每換相一次均衡電流就改變一次方向，由于每個橋臂每相串聯(lián)換相組數(shù)為2，因此均衡電流基波頻率是電源基波頻率的6倍。）

6.4 2個換相組的負載電流

2個換相組的負載為

由于二極管的單向?qū)щ娦?，因?組三相橋并聯(lián)同時輸出必須滿足id2＞0，即由此可以得出拐點電流計算公式

也可以推出

IdN為單臺整流器輸出的額定直流電流。

對于相同短路阻抗和分裂系數(shù)的牽引整流變壓器，因為整流變壓器的耦合系數(shù)很小，所以4橋并聯(lián)24脈波系統(tǒng)的臨界負載電流幾乎是2橋并聯(lián)12脈波系統(tǒng)的臨界負載電流的2倍。由于24脈波整流是2套整流機組，所以單臺整流機組的臨界電流基本等于但略小于一套12脈波整流機組的臨界電流。

6.5 臨界電流的計算

例如：對于2 500 kV·A整流變壓器，制造廠提供的感抗參數(shù)（折算到10 kV側(cè)）為原邊X1=1.45 Ω，次邊X2= 3.61 Ω，X3= 3.63 Ω（計算時取X2=X3= 3.62 Ω）。

整流器額定電流為3 000 A。

則臨界（拐點）電流Idg與額定電流Ide的比值為1 173.5 / 3 000 = 39.2%。

6.6 對臨界電流計算結(jié)果的思考

牽引整流變壓器短路阻抗Xk=X1+ 0.5X2；換相阻抗Xh=X1+X2；耦合系數(shù)Kc=X1/Xh，分裂阻抗Xf=X2+X3；分裂系數(shù)Kf=Xf/Xk。

對于分裂式牽引整流變壓器，一般Kf取 3～3.4；按一般廠家的設(shè)計制造水平，取Kc= 0.1。

被試整流變壓器的Kc及Kf值：Kc=X1/（X1+X2）= 0.286（大于0.1）；分裂系數(shù)Kf=Xf/Xk= 2.22（不在3～3.4之間），如果將Kc及Kf控制在規(guī)定范圍內(nèi)，則臨界（拐點）電流與額定電流的比值會更小。

短路阻抗不變的情況下，耦合系數(shù)越小，分裂系數(shù)就越大，則分裂阻抗越大，這樣臨界（拐點）電流就越小。

分裂系數(shù)相同，穿越阻抗越小，則分裂阻抗也相應(yīng)變小，這樣臨界（拐點）電流就變大。

7 結(jié)束語

本文針對城市軌道交通整流機組一些重要參數(shù)的選取和計算方法進行了分析探討和總結(jié)，希望能對解決工程設(shè)計中的實際問題和積累城市軌道交通的設(shè)計經(jīng)驗、提高工程質(zhì)量有一定參考價值。

[1]王念同，魏雪亮.軸向雙分裂式12脈波牽引整流變壓器均衡電流的分析計算[J].變壓器，2000，（3-4）.

[2]丁光發(fā)，劉臻，余夢華.對整流機組聯(lián)調(diào)試驗若干問題的分析[J].都市快軌交通，2004，（6）.

[3]GB/T3859-93 半導(dǎo)體變流器應(yīng)用導(dǎo)則[S].

[4]中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司.杭州地鐵1號線初步設(shè)計文件[R].杭州，2008.