文献综述报告
（2013 届本科）
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2013年 2 月
地铁整流器文献综述
1地铁整流器的研究背景
1.1地铁整流器的用途
牵引变流器是地铁列车的关键部件,主要由牵引控制单元和变流模块构成,在牵引方式上有直流（斩波器）和交流（逆变器）之分。以上海轨道交通1、2号线列车的门极可关断晶闸管（GTO）牵引变流器为技术背景,基于虚拟仪器技术,对控制器和变流模块的测试方法进行了整合,提出了GTO牵引变流器的综合测试方案。该方法不仅能够对各部件实施分部测试,还可以对整体进行综合测试。测试方法方便有效,使部件在现场维修、测试过程中能够模拟在线工作状态,便于查找故障信息,为列车牵引系统的各种检修和部件国产化开发提供了必要的技术准备。
地铁牵引供电系统多采用直流制，牵引直流电源是由牵引变电所通过整流机组降压整流而获得，因此，变流设备成为该系统中的重要设备，起着举足轻重的作用，是地铁牵引供电系统的核心。牵引变压器与硅整流器组成一套整流机组，其作用是将交流电变压整流为750V或1500V的直流电，作为牵引变电所向电动车辆供电的电源。整流机组的设计、结构特点和保护方式，将关系到整个直流牵引供电系统能否正常运行。鉴于我国轨道交通的发展状况，我国开始大力研究和推广应用国产设备。地铁整流机组就是目前国产化设备的代表之一。充分研究整流机组技术的特点、保护方式及运行维护要点，对于直流牵引供电系统可靠运行具有重要意义[1]。
1.2地铁整流装置的现状
城市地铁牵引供电系统采用二极管整流获得750V或1．5 kV直流供电方式，直流电压在交流电网侧存在大量的无功和谐波．因而对电网造成了严重的污染。另外，地铁列车的运行工况十分特殊：由于站间距离较短。地铁列车需要频繁地快速起动和制动，快速起动时，需要的牵引功率大，电压迅速跌落：快速制动时，列车再生制动能量只有一小部分被轨道上其他列车吸收．大部分制动能量回馈到直流电网侧，在采用二极管整流的牵引供电系统中．一般通过制动电阻将其消耗掉。而无法将其回馈到交流电网，造成了能量的大量浪费。
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、武汉采用750V电压，其它城市都采用1 500V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，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绕组整流变压器，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+7．50，一7．50并联工作时，才形成等效二十四脉波整流[2]。
2整流器的相关工艺
2.1半桥电路与全桥电路
①半桥电路由一个臂就可以形成正/负半波，每个逆变模块和其他臂上的功率管不发生任何关系。而全桥电路中是一个桥臂上的功率管和其它桥臂的功率模块同时导通，分时控制。
②半桥电路的输出本身就是具有中线的三相四线制结构，一般采用高频调制脉冲进行控制，不用加输出变压器。而全桥电路必须有输出变压器。
③半桥电路需要正负两组电池，直流电压高，需要单独的充电器，否则充电能力不足，而全桥电路只需一组电池，整流器具备大功率的充电能力。
④半桥电路的每一组输出电压均需经过一个高频lc滤波器将脉宽调制波解调成正弦波，在解调过程中，每次谐波经电容器的低阻抗旁路到中线n，又由于三相输出电压在相位上互差120o，不能将高次谐波互相抵消，所以其中线n上具有不易消除的高次谐波。全桥逆变器必然需要一个工频隔离变压器,其原边与电容构成低通滤波将脉宽调制波解调成正弦波，高次谐波不会传递到负载侧[3]。
2.1.1半桥逆变电路特点
优点：简单，使用开关器件少，电路实现简单；
缺点：输出交流电压幅值只有U d/2，直流侧需两电容器串联，工作时要注意两侧直流电压均衡，否则容易引起器件发生故障。
2.1.2全桥逆变电路特点
优点：电压不高，输出功率大。
缺点：使用的开关器件多，驱动较复杂，适用于大功率的逆变器。
若逆变输出功率为数千瓦到数百千瓦，一般都采用IGBT等高频自关断器件[4]。
2.2整流器的供电系统
12 脉波不控整流系统由1 个移相变压器、2 个三相整流桥及1 个平衡电抗器组成，如所示
移相变压器由1 个初级绕组和2 个次级绕组构成。初级绕组采用星形接法，2 个次级绕组分别采用星形和三角形接法，输出相位相差30°、幅值相等的两组三相电压并联到2 个三相不控整流桥，从而使输出整流电压在每个交流电源周期中脉动12 次，同时可消除移相变压器输入侧电流中的5，7 次谐波，降低交流电网侧谐波含量。两整流桥之间连接1 个平衡电抗器以消除两整流桥的交流瞬间压差，保证两整流桥均流。由于两整流桥输出电压之间总存在一定幅值差异和相位差异，而输出线路电阻很小，即使两整流桥的输出电压之间仅存在很小的直流电压差，也会产生一个较大的直流电流。此电流并不经过负载，而是在两整流桥之间形成环流，如图2 所示，当VD11，VD61，VD12，VD62导通时，若整流桥并联输出线电压uab，uab′不完全相同，则将出现虚线所示的环流。过大的直流环流会导致平衡电抗器电感饱和，使得平衡电抗器不能正常工作[5]。
3目前地铁整流器存在的问题及改进方法
3.1谐波危害分析
变流器等非线性电力设备接在电网中使用时，它们在从电网吸收有功电流和无功电流的同时，也向电网注入谐波电流，而谐波电流在电网阻抗上产生的谐波压降，使电网各点电压产生畸变，干扰了电网中其他设备的良好运行。地铁供电系统中，整流装置是主要的谐波源，只要减少整流装置产生的谐波，
就可以减少地铁供电系统110kV侧注入公用电网的谐波量。
3.2谐波产生的原因
谐波产生的主要原因是当线性负载施加正弦波电压时，电流是相同频率的正弦波，当非线性负载施加正弦波电压时，电流就不是正弦波，产生了谐波。电气设备中典型非线性设备有变压器、照明器具和各种含有变流电路的电源等。这些设备在向电网吸取基波功率的同时，也向电网注入谐波电流和谐波。理论上单台整流变压器和2 组全波整流桥组成12 脉波整流设备只产生12k±1 （k=1，2，3，…）次谐波电流，2 台整流变压器和4 组全波整流桥组成24 脉波整流设备只产生24k±1（k=1，2，3，…）次谐波电流[6]。
3.3谐波的危害
谐波的热效应、绝缘效应、干扰以及放大作用对配电系统本身和广大电力用户带来严重的危害，归纳起来主要有以下几方面。使补偿电容器大量损坏。为改善电压质量和降低功率因数，在配电系统中广泛采用并联电容器，其安装容量约为发电机装机容量（MW）的40%～50%。而且随着负荷的变化经常投切。当谐波存在使谐频容抗和电源等值谐频感抗接近或相等时，就会导致该谐波的严重放大或谐振，从而引起电流过载，或因畸变电压的尖峰值超过了局部放电熄灭电压，引起持续的局部闪络或电晕发生，最终导致电容器损坏。使变压器的铜耗增大，其中包括电阻损耗、导体中的涡流损耗与导体外部因漏磁通引起的杂散损耗都要增加。谐波还使变压器的铁耗增大，这主要表现在铁心中的磁滞损耗增加，谐波使电压的波形变得越差，则磁滞损耗越大。同时由于以上两方面的损耗增加，因此要减少变压器的实际使用容量，或者说在选择变压器额定容量时需要考虑留出电网中的谐波含量。除此之外，谐波还导致变压器噪声增大，变压器的振动噪声主要是由于铁心的磁致伸缩引起的，随着谐波次数的增加，振动频率在1KHZ 左右的成分使混杂噪声增加，有时还发出金属声。对继电保护、自动控制装置、计算机等产生干扰和造成误动作。这些设备一般都是按工作于所加电压和电流为50Hz 的正弦波形而设计的，谐波的存在使它们的正常工作条件受到破坏，造成不良后果。对于配电用断路器来说，全电磁型的断路器易受谐波电流的影响使铁耗增大而发热，同时由于对电磁铁的影响与涡流影响使脱扣困难，且谐波次数越高影响越大；热磁型的断路器，由于导体的集肤次应与铁耗增加而引起发热，使得额定电流降低与脱扣电流降低;电子型的断路器，谐波也要使其额定电流降低，尤其是检测峰值的电子断路器，额定电流降低得更多。由此可知，上述三种配电断路器都可能因谐波产生误动作[7]。
3.4抑制谐波的方法
关于城市轨道交通牵引供电系统中的谐波抑制，在方法上可分为两大类：一是现在正在使用的采用被动式的谐波抑制方式，如在电网侧加装滤波装置；另一类是采用主动式的谐波抑制方式，采用多相整流，增加直流侧输出电压的脉波数，现已广泛采用12脉波整流甚至等效24脉波整流，而高功率因数整
流器在其他领域的成功应用，为其在城市轨道交通中代替传统的不控整流成为可能，从而从源头上减少谐波的产生。我想通过利用实用的三相整流多重化技术原理，以期推动等效二十四脉波整流技术在城市轨道交通直流牵引供电系统的应用。针对目前城市轨道交通整流机组12脉波整流或24脉波整流中所存在的谐波污染问题，因此想出了利用电压型PWM整流器代替传统整流器的方案[8]。
4新型整流器的构思
4.1pwm整流
伴随着各种谐波标准逐步被工业界采纳，功率因数和谐波含量已成为设计电力电子设备时不得不考虑的因素。由传统的不控整流和相控整流过渡到PWM整流已成为发展趋势。与传统的整流方式相比，PWM整流采用PWM技术控制整流桥臂上各开关管的导通和关断，使电路的输入电流近似为正弦，且与输入电压同相位，因此具有功率因数高，输出电压纹波小，动态响应好等优点。
在高压大容量应用领域，三电平PWM整流器拥有明显的优势。与更高电平整流器相比，其控制相对简单，硬件成本较低；与同电压等级的两电平PWM整流器相比，则具有主功率开关管承受电压低，相同开关频率下电流谐波小等优点。基于现有IGBT的水平，采用二极管箝位型三电平PWM整流器可以稳定、可靠地实现1．5 kV的直流供电[9]。
4.2触发电路
目前，我国的可控硅触发电路分为三类：第一类是模拟型。该类型是80年代初出现的专用集成触发电路产品，此类可控硅触发电路易受元件参数分散性、同步电压波形畸变、温度变化等因数影响，电路较为复杂，可靠性低，抗干扰性差，而且输出不稳定，装置功率大等缺点；第二类是可编程数字型。此类型采用单片机、CPLD等设计，采用编程设置同步和移相．但该类型触发电路具有电路规模较大，技术要求高，软件抗干扰能力差等缺点，而且不易实现小型化、小量产，限制了其广泛应用；第三类是采用数字移相的集成电路。该类触发电路克服了以上两类的一些缺点，大大提高了移相精度和对称度，且易于控制，提高电路的稳定性和可靠性。这里给出一款用于可控硅的集成电路数字控制的三相移相触发电路。针对点电网及现场出现的噪声干扰问题，提出一种去抖动电路设计方案．阐述了移相电路的基本设计思路[10]。
参考文献
[1] 陈海军.地铁整流机组若干工程问题的研究.沈阳工业大学学位论文，2008
[2] 滕少卿.基于ARM7的数字化控制零电压零电流全桥PWM DC-DC变换器研究.上海海事大学，2010年
[3] 傅铭等.地铁牵引整流技术概述.上海电器技术，2005年
[4] 仇广钰.基于数字控制的移相全桥零电压零电流DC/DC变换器研究.机车电传动，2011年
[5] 胡浩峰.脉波不控整流系统中的环流分析。浙江大学学位论文，2010年
[6] 杨超.稳压电源计算机仿真技术的研究与应用.河南科技大学学位论文，2008年
[7] 毛文喜.城市轨道交通牵引供电系统整流器研究. 上海电器技术， 2007
[8] 冯丽超.三电平 PWM 整流器双闭环控制系统的研究.电力电子技术，2008 年 8 月
[9] 王少臣.24 相整流供电系统的谐波危害与抑制措施分析. 科技风，2011年8月
[10] 刘静.游梁式抽油机中高压三电平变频控制系统的研究与开发.苏州大学学位论文，2006年