论高压整流二极管在城轨牵引动力系统中的应用

  随着我国城市轨道交通的大力发展，对牵引动力的需求越来越大，因此，越来越多的城市开始修建城轨牵引变电所，对牵引变电所整流二极管的了解就成为设计、施工人员的当务之急。由于城轨牵引动力电压为1500V直流电，而城市电网基本为10kV及以上交流电，需要将城市电网的交流电转变为城轨供牵引动力系统所需要的直流电，因此在城轨牵引变电所中，整流电路的应用将越来越广。本文将重点介绍高压整流二极管在城轨牵引变电所的应用，而在此之前了解常见二极管在整流电路中的应用是非常必要的。通过本文，大家一定会对城轨牵引动力系统中高压整流二极管有更加深入的了解。
 
  1. 整流二极管工作原理
  整流二极管是一种将交流电能转变为直流电能的半导体器件。
  整流二极管通常包含一个PN结，有阳极和阴极两个端子。其P区的载流子是空穴，N区的载流子是电子，在P区和N区间形成一定的位垒。外加使P区相对N区为正的电压时，位垒降低，位垒两侧附近产生储存载流子，能通过大电流，具有低的电压降（典型值为0.7V），称为正向导通状态。若加相反的电压，使位垒增加，可承受高的反向电压，流过很小的反向电流（称反向漏电流），称为反向阻断状态。整流二极管具有明显的单向导电性。
  整流二极管可用半导体锗或硅等材料制造。硅整流二极管的击穿电压高，反向漏电流小，高温性能良好。通常高压大功率整流二极管都用高纯单晶硅制造。这种器件的结面积较大，能通过较大电流（可达上千安），但工作频率不高，一般在几十千赫以下。
 
  2. 常见整流电路分析
  城市电网提供给城市轨道交通的是交流电，而城轨电客车的牵引动力却是直流电，这就需要整流装置进行交直流整流，即把方向和大小交变的电流变换为直流电。下面就简单介绍利用晶体二极管组成的几种整流电路。
 
  2.1 半波整流电路

  单相半波整流电路是一种最简单的整流电路。它由电源变压器T、整流二极管V和负载电阻RL组成。变压器把城市电网（多为220V或380V）变换为所需要的交变电压V2，V再把交流电变换为脉动直流电。其整流原理为：变压器砍级电压V2，是一个方向和大小都随时间变化的正弦波电压。在0~π时间内，V2 为正半周即变压器上端为正下端为负。此时二极管承受正向电压面导通，V2通过它加在负载电阻RL上，在π~2π时间内，V2为负半周，变压器次级下端为正，上端为负。这时V承受反向电压，不导通，RL上无电压。在2π~3π时间内，重复0~π时间的过程，而在3π~4π时间内，又重复π~2π时间的过程。这样反复下去，交流电的负半周就被“削”掉了，只有正半周通过RL，在RL上获得了一个单一右向（上正下负）的电压VL，从而达到了整流的目的，这种除去半周、留下半周的整流方法，叫半波整流，其波形图如图2所示。不难看出，半波整流是以“牺牲”一半交流为代价而换取整流效果的，电流利用率很低（约 45%左右），因此一般很少使用，但是作为最简单的整流电路，理解和掌握半波整流电路的原理是具有重要意义的。  
  2.2 全波整流电路(单相桥式整流电路)
  如果把整流电路的结构作一些调整，可以得到一种能充分利用电能的全波整流电路。
  全波整流电路是由两个半波整流电路组合成的。变压器二次线圈中间引出一个抽头，把二次线圈分成两个对称的绕组，从而引出大小相等但极性相反的两个电压。如图3所示，全波整流不仅利用了正半周，而且还巧妙地利用了负半周，从而大大地提高了整流效率（约90%左右，比半波整流时大一倍）。  
  2.3 桥式整流电路
  桥式整流电路是目前使用最多的一种整流电路。这种电路，只要在原有基础上再增加两只二极管口连接成“桥”式结构，既具有全波整流电路的优点，又在一定程度上克服了它的缺点。
  桥式整流电路的工作原理如下：V2为正半周时，对V1、V3 加正向电压，V1、V3导通；对V2、V4加反向电压，V2、V4截止。电路中构成V2、V1、RL 、V3通电回路，在RL上形成上正下负的半波整洗电压。V2为负半周时，对V2、V4加正向电压，V2、V4 导通；对V1、V3加反向电压，V1、V3截止。电路中构成V2、V2、 RL、V4通电回路，同样在RL上形成上正下负的另外半波的整流电压。 如此重复下去，结果在RL上便得到全波整流电压。
  注：从图4中还不难看出，单相全波桥式整流电路其波形图和全波整流波形图是一样的。但是桥式电路中每只二极管承受的反向电压等于变压器次级电压的最大值，比全波整洗电路小一半。   需要特别指出的是，二极管作为整流元件，要根据不同的整流方式和负载大小加以选择。如选择不当，则或者不能安全工作，甚至烧了管子；或者大材小用，造成浪费。另外，在高电压或大电流的情况下，如果手头没有承受高电压或整定大电滤的整流元件，可以把二极管串联或并联起来使用。
  二极管并联的情况：两只二极管并联、每只分担电路总电流的一半，三只二极管并联，每只分担电路总电流的三分之一。理论上讲：总之，有几只二极管并联，流经每只二极管的电流就等于总电流的几分之一。但是，在实际并联运用时，由于各二极管特性不完全一致，不能均分所通过的电流，会使有的管子困负担过重而烧毁。因此需在每只二极管上串联一只阻值相同的小电阻器，使各并联二极管流过的电流接近一致。
  注：均流电阻R一般选用零点几欧至几十欧的电阻器。电流越大，R应选得越小。
  二极管串联的情况：理想上讲，有几只管子串联，每只管子承受的反向电压就应等于总电压的几分之一。但是，在实际并联运用时，由于每只二极管的反向电阻不尽相同，会造成电压分配不均：内阻大的二极管，有可能由于电压过高而被击穿，并由此引起连锁反应，逐个把二极管击穿。在二极管上并联的电阻R，可以使电压分配均匀。
 
  3. 城轨变电所整流二极管的运用
  目前国内大多数地铁牵引供电系统的整流电源，都是将牵引变电所内整流变压器输出的AC1180V交流电转换成DC1500V直流电向接触网供电。每座牵引变电所内，由整流变压器和整流器组成整流机组。24脉波整流电路由两组12脉波整流电路构成，12脉波整流由两个6脉波3相整流桥并联组成。其中一个3相整流桥接向整流变压器的二次侧星形绕组，另一个3相整流桥接向整流变压器的二次侧三角形绕组。由于每台整流变压器二次侧星形绕组和三角形绕组相对应的线电压相位错开π/6，便可以得到两个三相桥并联组成的12脉波整流电路。  
  3.1 地铁整流器二极管技术特点
  1）空载电压：1.652V。
  2）最高直流电压：1800V。
  3）额定电流、额定功率、连续额定功率损耗见下：
  额定功率：1800kW。
  额定电流：1 200A。
  连续额定功率损耗≤5kW。
  4）二极管型式：防尘型平板式。
  整流器提供的二极管反向重复峰值电压：≥4.4kV，二极管正向平均额定电流2360A，平板式。
  5）最大重复峰值反向电压≥4400V。
  6）每臂并联二极管数：2个。
  7）冗余度：满足一个二极管损坏时，能以100%额定负荷继续运行，同时报警。
  8）冷却方式：自然冷却。
  9）防护等级：IP20。
  10）保护措施：
  （1）内部短路：900A/1250V快速熔断器。
  （2）外部短路：中压断路器。
  （3）过电压：交流侧：RC回路。
  直流侧：压敏电阻、RC回路，回路熔断器采用进口元件。
  过电压保护主要采用RC吸收回路和压敏电阻保护。RC吸收回路，其连接型式为星型。压敏电阻、回路熔断器采用进口器件。
  11）信号：整流器提供7个信号，快速熔断器一只熔断报警，快速熔断器同臂二只熔断跳闸，压敏电阻熔断器熔断跳闸，整流管散热器温度140℃报警，整流管散热器温度150℃跳闸，导电排温度80℃报警，导电排温度90℃跳闸，以上信号除了在面板上的光信号指示外，同时各提供一付无源触点至端子。
  信号在柜面的显示方式采用7个黄色发光二极管指示灯分别显示7个故障信号。
  12）辅助电源：DC220V/2，照明采用AC220V/2A。
  13）整流器结构：柜体采用冷轧钢板，厚度不低于2mm，柜体表面采用喷塑处理，结构件采用镀锌处理。
  柜体绝缘安装，绝缘垫厚度5mm。
 
  3.2 地铁整流技术
  1）整流电路设置。目前，在建和已建地铁的每座牵引变电所都设两套整流设备(也称为整流机组)。由于地铁的直流牵引电压比较高(北京、武汉部分采用750V电压，其它城市均采用1500V电压)，所以整流设备几乎都是采用桥式整流电路。为了减少地铁谐波电流对城市电网的污染，除北京部分地铁线路采用三相桥式六脉波整流电路外，其余新建的地铁线路都采用三相桥式并联的十二脉波整流电路(简称双桥并联整流电路)。采用两台阀侧电压相位差30°的双绕组整流变压器牵引变压器与两台三相桥式整流器构成的等效十二脉波整流电路，用一台三绕组或四象限整流变压器，阀侧电压相位差同样为30°，与一台双三相桥式整流器构成一套十二脉波整流机组。两套十二脉波整流机组并联工作并不会改变整流脉波数，只有当两套机组的整流变压器网侧绕组分别移相+7.5°，-7.5°并联工作时，才形成等效二十四脉波整流。
  2）整流电路的特点。
  （1）对于各种整流电路，其二次绕组容量、一次绕组容量、网侧额定容量三者之间不尽相等，这是由于一次和二次绕组往往导电时间不等、电流波形不同、绕组利用率不一致所致。
  （2）各种整流电路的变频变压器磁势不一定平衡。
  3）六脉波三相桥式整流电路的特点。六脉波三相桥式整流电路是构成十二脉波整流电路的基础。其特点如下：
  （1）容量。对于各种单一的三相桥式整流电路(如Y/y、Y/d、D/y、D/d)，其阀侧绕组容量、网次绕组容量、网侧额定容量三者均相等。
  （2）磁势。对于上述四种形式的整流电路，只要一次或二次有一个D(d)接绕组，则三次谐波就构成通路，从而消除激磁磁势不平衡现象，所以，工程上优先采用有D(d)接线形式，以利于磁势平衡。
  4）单机组十二脉波整流电路
  （1）单机组十二脉波整流电路的特点。
  ①脉波数不受运行机组的影响，对五次及七次谐波的抑制较好。
  ②两阀侧绕组间存在符合分配不均问题。
  如果y接、d接的阀侧绕组匝数比偏离1/3较大，则理想直流空载电压不等，因而负荷分配不可能平均。
  （2）整流变压器接线组别。
  多种整流变压器接线组别都能满足十二脉波整流功能要求。目前，常用的四绕组整流变压器有：Dd0/Dy5，Dd0/Dy7， Dd2/Dy1。满足等效二十四脉波整流要求的两台整流变压器组(上海在建和已建地铁线路上均有采用)有两种组别组合，组别：-7.5°Dy5/Dd0，+7.5°Dy5/Dd0。两台变压器的组别虽是一样，但为了满足±7.5°的移相要求，它们内部的接线不完全一样，因此存在两个缺点：
  ①不能因改变外部接线来满足互换要求；
  ②两台变压器网侧三相接线端子相序不一致。
  针对上述缺点，目前，国内生产的产品克服了上述缺点，其组别为-7.5°Dy5/Dd0，+7.5°Dy7/Dd2。
  5）地铁牵引整流机组的并联运行。对于单机组十二脉波整流方式，牵引变电所中的两套牵引整流机组并联后一起向牵引网供电，总负载电流应在机组间合理平均分配。对于双机组等效十二脉波整流方式，是由变电所中两套相位差30°的单机组并联后，构成等效十二脉波整流系统，向牵引网供电。除要求负载在每个机组间合理分配外，还要求限制机组间均衡电流到适当程度。对于没有直流电压调节措施的机组，在条件相似即在同一地点并联运行及由同一交流电源供电的情况下，当其在90%的额定负载时，每台机组的直流电流与它应分配的负载电流的差别不应大于10%。
  如无特别需要，并联运行的整流机组，其交流侧不应由两个电源分别同时供电；如有必需，则对两个交流电源的供电特性，如电压水平、周波等应有严格要求，而且应该注意当其中一个电源故障时，由另一个电源供电的另一套机组发生严重过载的可能性，保证其满足标准IEC146的有关要求。
 
  4. 结论
  通过以上分析，笔者认为桥式整流在整流电路中的应用最为广泛，应有充分的发展空间，可广泛运用于城轨牵引动力系统。而在城轨牵引变电所中，采用两台整流变压器并联运行的方式，一旦一条支路出现故障，可快速切换到另一条支路进行不间断供电，这使得供电的安全、可靠性得到了极大的提高。
  另外，在高压整流二极管的选择上，采用单相十二脉波、两相二十四脉波的方式最为合适，这种方式的波形更平稳，相位差的把握上也更容易实现，整流后的直流电压波动更小，能有效减少谐波电流，可以保证城轨牵引动力系统高质量、高稳定运行。
  目前我国城市轨道交通发展迅速，其中的供电系统技术已经较为成熟，且形成了一定的体系，要对其进行改变是有相当难度的。但是，随着现在科学技术特别是二极管技术的发展，地铁整流装置的更新换代是必然的。我们要不断了解并掌握新的整流技术，并应用于城轨牵引动力系统中，这对城市轨道交通的运营、检修和事故处理都有着重要的意义。



上一篇：一种高电压快恢复二极管的设计与制造
下一篇：平面低压降肖特基二极管外延氧化工艺