郭錦榮

（北京市軌道交通運(yùn)營(yíng)管理有限公司，北京 100068）

1 24 脈波整流在軌道交通中的應(yīng)用

1.1 城市軌道交通現(xiàn)狀

目前，中國(guó)的城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)大致劃分為牽引變電所和牽引網(wǎng)2 部分，把從主變電所或電源開(kāi)閉所傳遞過(guò)來(lái)的三相高壓交流電經(jīng)降壓、整流等功能后傳遞給地鐵列車。

每個(gè)變電所配置2 套整流機(jī)組，每套整流機(jī)組由1臺(tái)牽引變壓器和1 臺(tái)整流器組成[1]。等效24 脈波整流電路由2 套12 脈波的軸向雙分裂式牽引整流變壓器并聯(lián)而成；每臺(tái)12 脈波整流變壓器由2 個(gè)三相橋式整流器并聯(lián)，且其低壓側(cè)（閥側(cè)）繞組相位相差30°；每臺(tái)12 脈波整流變壓器的電源側(cè)（網(wǎng)側(cè)）繞組采用延邊三角形接線，各臺(tái)移相分別為+7.5°和-7.5°；2 套12 脈波整流機(jī)組輸出端并聯(lián)后向牽引網(wǎng)合成輸出等效24脈波直流電。

1.2 24 脈波整流的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

在工程實(shí)際應(yīng)用中，24 脈波整流器具有諧波抑制率高、直流輸出電壓質(zhì)量高、運(yùn)行可靠性高、設(shè)備成本低等優(yōu)勢(shì)。

1.2.1 諧波抑制率高

選取整流變壓器網(wǎng)側(cè)電流A 相做參考，對(duì)其進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)分解，可知24 脈波整流機(jī)組注入電網(wǎng)的諧波次數(shù)主要為24k±1，且諧波次數(shù)越高，諧波含量越少。相較6 脈波整流和12 脈波整流，24 脈波整流的諧波抑制效果更佳，對(duì)電網(wǎng)的污染更小。

1.2.2 直流輸出電壓質(zhì)量高

2 臺(tái)整流機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時(shí)輸出的等效24 脈波空載電壓為：

式（1）中：U2為整流變壓器閥側(cè)空載線電壓。

由式（1）可知，24 脈波整流機(jī)組直流側(cè)電壓在一個(gè)周期內(nèi)脈動(dòng)24 次，它的脈波寬度為，相比6 脈波和12 脈波，其電壓波形更平緩，紋波系數(shù)更小。

1.2.3 運(yùn)行可靠性高

城市軌道交通行業(yè)采用的整流器普遍配置快速熔斷器保護(hù)功能、過(guò)電壓保護(hù)、溫度保護(hù)、逆流保護(hù)等，當(dāng)發(fā)生過(guò)流、過(guò)壓、超溫等情況時(shí)，能有效保護(hù)設(shè)備運(yùn)行，且每組整流模塊由多個(gè)電力二極管組成。例如北京地鐵19 號(hào)線為每組3 個(gè)電力二極管，燕房線為每組2 個(gè)電力二極管，這樣，當(dāng)模塊內(nèi)的1 個(gè)二極管出現(xiàn)故障退出運(yùn)行時(shí)，剩余的二極管能繼續(xù)運(yùn)行，提高設(shè)備可靠性。

1.2.4 設(shè)備成本低

由于電力二極管為不可控器件，這樣就避免了復(fù)雜的控制電路，且國(guó)內(nèi)高功率電力二極管已技術(shù)成熟，成本較低。

2 LC 濾波回路在軌道交通中的應(yīng)用

2.1 LC 濾波回路的應(yīng)用

LC 濾波回路主要由線路電抗器與支撐電容器構(gòu)成。在直流回路加入電抗器，能將直流電流上疊加的交流分量過(guò)濾，使其限制在規(guī)定值內(nèi)，減小電流的脈動(dòng)。直流回路中的支撐電容能夠保持直流電壓穩(wěn)定，將電壓波動(dòng)限制在允許范圍內(nèi)，抑制電網(wǎng)電壓突變和操作過(guò)電壓。

此外，在支撐電容未充電的情況下，如果突然接入DC1 500 V 額定電壓，會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊電流，對(duì)電容器造成損傷。為避免上述情況發(fā)生，設(shè)置預(yù)充電電路，該電路由主接觸器、充電接觸器和充電電阻組成，通過(guò)控制主接觸器和充電接觸器的閉合順序即可完成對(duì)支撐電容的預(yù)充電過(guò)程[2]。

典型VVVF 型牽引逆變器主電路中的預(yù)充電電路及濾波回路主要器件有充電電阻R、線路電抗器L 和支撐電容C，如圖1 所示。

圖1 典型VVVF 型牽引逆變器主電路示意圖

2.2 LC 濾波回路的計(jì)算分析

將上述濾波回路等效為一個(gè)典型的RLC 二階零狀態(tài)電路，北京地鐵19 號(hào)線的該回路的參數(shù)如表1 所示。

表1 RLC 電路參數(shù)

該回路的狀態(tài)方程可寫為：

代入?yún)?shù)后，解得：

3 24 脈波整流器直流側(cè)濾波回路仿真分析

3.1 24 脈波整流機(jī)組建模

根據(jù)24 脈波整流機(jī)組電路拓?fù)?，搭建了如圖2 所示的MATLAB/SⅠMULⅠNK 仿真模型。首先接入三相電壓源，之后是2 臺(tái)移相變壓器，分別移相+7.5°和-7.5°，每個(gè)移相變壓器分別與2 臺(tái)整流變壓器相連，其中一臺(tái)變壓器繞組接成Dy11/Dd0，另一臺(tái)變壓器繞組接成Dy1/Dd2，能使最終各相之間相差15°，從而一個(gè)2π周期內(nèi)能夠產(chǎn)生24 個(gè)脈波；接著是4 組不控整流橋，各組橋都由三相二極管整流電路構(gòu)成，各橋直流輸出側(cè)所有正極相連，所有負(fù)極相連，并各自引出一條連接線與負(fù)載相連。

圖2 24 脈波整流機(jī)組仿真模型

3.2 濾波回路建模

圖3所示為基于MATLAB/SⅠMULⅠNK仿真軟件的直流側(cè)濾波回路仿真模型，主要器件有充電電阻R、線路電抗器L 和支撐電容C，參數(shù)按照表1 進(jìn)行設(shè)置。其中充電電阻R 串聯(lián)一個(gè)理想開(kāi)關(guān)，模擬充電接觸器，再并聯(lián)一個(gè)理想開(kāi)關(guān)，模擬主接觸器。

圖3 直流側(cè)濾波回路仿真模型

3.3 仿真分析

將上文所述的24脈波整流機(jī)組和直流側(cè)濾波回路分別進(jìn)行封裝，然后將直流側(cè)正極相連、負(fù)極相連。運(yùn)行仿真后，得到直流側(cè)電壓波形，電壓值穩(wěn)定在約1 650 V。將此電壓波形放大，視0.20～0.22 s 為一個(gè)周期，如圖4 所示，可以清晰看到24 個(gè)脈波。

圖4 直流側(cè)24 脈波電壓波形

整個(gè)仿真共持續(xù)25 s，得到的支撐電容電壓波形如圖5 所示。在開(kāi)始時(shí)，主接觸器和充電接觸器保持在斷開(kāi)狀態(tài)。在1 s 時(shí)，充電接觸器閉合，預(yù)充電回路接通，開(kāi)始支撐電容的充電過(guò)程。到20 s 時(shí)，支撐電容電壓已基本接近1 650 V，此時(shí)斷開(kāi)充電接觸器，閉合主接觸器，支撐電容兩端電壓穩(wěn)定在1 650 V。通過(guò)測(cè)量波形在1～20 s 的電壓，可以發(fā)現(xiàn)波形曲線與式（2）基本一致。

圖5 支撐電容電壓波形

當(dāng)不引入充電電阻時(shí)，運(yùn)行仿真，得到的充電電流波形如圖6 所示。根據(jù)北京地鐵19 號(hào)線的列車參數(shù)，充電電流峰值可達(dá)6 000～7 000A，充電過(guò)程為40～50 ms。

圖6 不含充電電阻時(shí)的充電電流波形

而當(dāng)引入充電電阻時(shí)，運(yùn)行仿真，得到的充電電流波形如圖7 所示。根據(jù)北京地鐵19 號(hào)線的列車參數(shù)，充電電流峰值為35～40 A，充電過(guò)程持續(xù)10 s 以上。

圖7 含充電電阻時(shí)的充電電流波形

由此可知，在濾波回路中設(shè)置預(yù)充電電路之后，直流側(cè)如果突然接入DC1 500 V 額定電壓，也能夠避免產(chǎn)生較大的沖擊電流，防止對(duì)電容器造成損傷和引起保護(hù)裝置誤動(dòng)作，但是充電的時(shí)間會(huì)相對(duì)延長(zhǎng)。