1、- 1 - 3 24 脉波整流机组整流机组是地铁直流牵引供电系统中的重要设备之一。整流机组的设计、结构特点和保护方式关系到整个直流牵引供电系统的正常运行。目前，为了提高直流电的供电质量，降低直流电源的脉动量，城市轨道交通多数采用等效 24 脉波整流机组，一般都由两台相同容量 l2 脉波的整流变压器 9和与之匹配的整流器共同组成。3.1 24 脉波整流机组的作用及要求在地铁供电系统中， 牵引变电所高压侧的电压多为 35kV AC(或 33kV AC)，而接触网的电压为 1500V DC(或 750V DC)，所以需要降压和整流。整流机组包括整流变压器和整流器，其作用是将 35kV AC(或 33
2、kV AC)降压、整流，输出 1500V DC(或 750V DC)电压供给地铁接触网，实现直流牵引。地铁牵引变电所一般设于地下，所以整流机组也安装在地下室内。整流变压器宜采用干式、户内、自冷、环氧树脂浇注变压器，其线圈绝缘等级为 F 级，线圈温升限值为 70K/90K(高压，低压)，其承受极限温度为 155，铁心温升在任何情况下不应产生损坏铁心金属部件及其附近材料的温度。在高湿期内可能产生凝露，应采取措施防止凝露对设备的危害。整流器采用自然风冷式，适用于户内安装。整流器柜宜采用独立式金属柜，二极管及其它元件的布置应考虑通风流畅、接线方便，同时便于维护、维修。整流器与外部连接的跳闸信号采用接点
3、方式，报警信号采用数字方式。柜的上部及底部开口，采取措施防止小动物进入，正面和后面有门，各部件与柜应绝缘。整流变压器应从结构上进行优化设计，以抑制谐波的产生，减少电磁波干扰。整流机组产生的谐波电流应满足国家标准的规定，并满足我国电磁兼容相应的标准 10。根据 IEC164 规定，地铁作为重型牵引负荷，其负荷等级为 VI 级，整流机组设备的负荷特性满足如下要求：100%额定负荷时可连续运行；150%额定负荷时可持续运行 2h；300%额定负荷时可持续运行 1min。整流器的设计应满足当任一臂并联的整流管有 1 个损坏时，能全负荷正常运行。整流器每个臂并联整流管的电流不平- 2 - 衡度小于 10
4、%。直流侧空载情况下,整流变压器施加 35(1+0.05)kV 的交流电压时,直流侧输出电压不超过 1800 V。3.2 24 脉波整流机组的构成24 脉波整流机组的主电路原理图如图 3-1 所示。整流机组主要有两台 12 脉波轴向双分裂式牵引整流变压器和四组全波整流桥组成。每台变压器阀侧二套绕组分别接成 d 接法和 y 接法，其线电压天然形成 30的相差。两台变压器的网侧采用延边三角形接法，分别移相7.5，这样形成的两台变压器的四套阀侧绕组的线电压相量互差 15相位，分别经全波整流后，在直流侧并联运行，形成 24 脉波整流系统。 AC(35kV)D10Dy1d2网 侧 移 相 +7.5网 侧
5、 移 相 -7.C(1.5k)-B234T图 3-1 24 脉波整流机组主电路原理图3.3 24 脉波整流机组原理分析图 3-2 为轴向双分裂式变压器的绕组布置示意图。这种变压器的网侧为一个不分裂的绕组，分为上下两个支路，两支路并联联结。两组阀侧绕组沿轴向布置于同一铁心柱上，其本身并没有串联或并联，而是将其头尾各自采用 y 联结和 d 联结分别引出，分裂成两个支路。这种阀侧绕组分裂为两个支路布置在同一个铁心柱上的轴向双分裂变压器可以使阀侧两个支路并联运行，同时向负载供电，即同时各供一三相桥式整流器。- 3 - 阀侧绕组一组采用 y 联结，另一组采用 d 联结，使它们的线电压有效值相等。变压器阀
6、侧绕组同名端线电压的相位差为 2/12(电角度为 30)，这就形成每周期含有 12 脉波的 6 相整流系统。如果有两台这样的变压器，一台移相+7.5，另一台移相-7.5 ，两台变压器组成一套移相变压器组，这就形成了 12 相 24 脉波的移相变压器，其阀侧同名端线电压的相位差为 2/24(电角度为 15)，阀侧电压相量图如图 3-3 所示。 a2AXa1xa1bc423123c1ab421423c1324421图 3-2 轴向双绕组双分裂变压器绕组布置 图 3-3 阀侧电压相量图在选择地铁整流机组的规格时，尽量考虑采用带三角形联结的变压器，同时尽可能的增加整流的相数，变压器采用 Dy11d0-
7、Dy1d2 或 Dy5d0-Dy7d2 都符合这一设想。变压器采用 Dy11d0-Dy1d2 联结的整流机组，单台变压器运行时只是 12 脉波，要获得 24 脉波，需两台并联运行。对于变压器采用 Dy5d0-Dy7d2 接线的整流机组同样如此。在实际运行时，一台变压器退出运行，则联跳另一台变压器，可通过邻近变电所实行大双边供电保证列车运行。如果只运行一台变压器，则电网谐波含量会较正常时增加。24 脉波整流机组输出直流电压的纹波系数较 12 脉波小，Dy11d0-Dy1d2 两台变压器互换性好，从 Dy11d0-Dy1d2 的结法可以看出，两台变压器的互换只需改变一次侧接入电网的相序即可。当励磁
8、电流的 3 次谐波或零序分量能够流通时，三倍次谐波或三的整数次谐波电流就不注入电网，可选择两台轴向双分裂的变压器，一台(T1)联结组为 Dy11Dd0，如图 3-4 所示；另一台 (T2)为 Dy1Dd2，其中 D 联结为延边三角形，如图 3-5 所示。根据两台变压器的接线，可绘制出其相量图如图 3-6(T1)和图 3-7(T2)所示 11。- 4 - a2bc3ABCa2bc3ABC（a）高压绕组 （b）低压绕组 （a）高压绕组 （b）低压绕组图 3-4 T1 整流变压器 Dy11-d0 绕组联结图 图 3-5 T2 整流变压器 Dy1-d2 绕组联结图A1A1CCBB1112cb1a3cb
9、Udy（a）一次侧 D 结绕组联结 （b）二次侧 y 结绕组相量图 （c）二次侧 d 结绕组相量图图 3-6 变压器 T1 的结构及相量图A1A1CCBB111c2b11a3cba（a）一次侧 D 结绕组联结 （b）二次侧 y 结绕组相量图 （c）二次侧 d 结绕组相量图图 3-7 变压器 T2 的结构及相量图- 5 - 分析图 3-6 和 3-7 的相量图可知，若以水平右方向为参考方向，则可得其它电压相量的相位角分别为：(1) 对于变压器 T1 一次侧电压相量 UA1B1 的相位角为 112.5；二次侧电压相量 Ua2b2 的相位角为 142.5(y 结)，U a3b3 的相位角为 112.
10、5（d 结）。(2) 对于变压器 T2一次侧电压相量 UA1B1 的相位角为 127.5；二次侧电压相量 Ua2b2 的相位角为 97.5 (y 结)，U a3b3 的相位角为 67.5(d 结)。观察图 3-6 和 3-7 的相量图并利用上述分析的结果可知，对于同一台变压器，其阀侧(二次侧)绕组同名端线电压的相位差为 30(142.5-112.5=97.5-67.5=30)；而两台变压器的网侧(一次侧)并联接入电网时，相当于其一次侧各移相 7.5(不同的旋转方向)，使 T1 变压器一次侧三角形绕组电压与 T2 变压器原边三角形绕组线电压有 15的相位差 (127.5-112.5=15)，而两
11、台变压器二次侧对应的线电压相位差为45(142.5-97.5=112.5-67.5=45)，上述结果如图 3-8 所示。Ua3b(T2a23b1ABU1T)a2b( 03-N2Idy图 3-8 两台变压器的相量关系图 图 3-9 磁势平衡相量图3.4 24 脉波移相整流变压器网侧绕组分析1. 网侧绕组电压、匝数及移相角的确定- 6 - 网侧绕组的7.5移相是通过两种不同的延边三角形接线来实现的，其绕组接线原理图与相量图分别如图 3-4(3-5)和 3-6(3-7)所示。由于二台变压器的网侧仅接线方式不同，其它的参数都完全相同 12。以下就一种接法来讨论三角段的电势 Ud、延边段电势 Uy 和移
12、相角 之间的关系。由网侧电压相量及三角函数关系可知(=7.5 )：（3-1）sin2ysi310（3-2）i(6)din(60)sn2U则 （3-3）)sin(60)ico30id 2si(3121U（3-4）sin3si()2n2tgy如设计时取匝电势为 et，那么三角段线圈匝数和延边段线圈匝数，可按式(3-5)及式(3-6 )确定：（3-5）dtUNe（3-6）yt但线圈的匝数必须取整数，因此当确定了 Nd 和 Ny 之后，还必须校核移相角 及线电势 U1 的幅值。由(3-4)可得：（3-7）11ddyy33tgt2U同时由相量图 3-6 可知：（3-8）21 t()cos1203dyyd
13、yUNe 2. 网侧绕组中的基波电流- 7 - 由于延边段线圈电流 Iy 是三角形段线圈电流 Id 二相电流的相量和，因此其幅值为：（3-9）yd3I且相位相差 30相角，正移相为 -30，负移相为+30。在忽略激磁电流的条件下，初次级绕组的磁势平衡如下式：（3-10）yd2NII其相位关系由相量图 3-9 所示。 由相量图 3-9 的几何关系可知：（3-11）ydsini(30)II由此导出：（3-12）yddsi()sin()nIN而由式(3-4 )可知：（3-13）3si(0)ndyUN两式比较可知 =，将磁势平衡方程进行分解，可得两组磁势平衡组： yd2cos(30)cos 3-14i
14、nin 5 III 纵 向 分 量 （ ）正 交 分 量 （ ）其中纵向分量是与次级磁势平衡的基本分量，而正交分量是三角段线圈与延边段线圈相互平衡的附加部分。将纵向分量式(3-14)代入式(3-9)，并考虑式(3-1)和(3-3)及 U2=N2et，可得：（3-16）2dy2dy21 121cos3cos(0)sin(30)cosincos(30)NIIUII - 8 - （3-17）2yd13UII网侧绕组的基波容量为：（3-18）111y233SIIS可见变压器网侧与阀侧的交流基波容量是一致的，但是由于网侧采用了延边三角形接法，其设计时的材料容量是有所增加的。1cyd1yd1 1sc3()
15、3()2sini0SUIIUSK其中材料容量系数：（3-19）scis(3)4sin5o()K当移相角 =7.5时，K sc=1.02642 即网侧绕组材料增加 2.642%。3. 考虑谐波电流时阀侧与网侧等效容量变压器两组阀侧均为桥式全波整流，在忽略换相时的重叠角，且负载为电感性负载等理想条件下，阀侧电流因素 ，电压因素 。d10.486vI13d02.5vU那么阀侧二组绕组的总的交流等效容量为：2 d013236vSUII（3-20）d0d01.47P由于二绕阀侧中除了 =kp1(k=1,2,)特征谐波外的其他高次谐波都相互抵消了，因此网侧归算到阀侧的电流因素为 。则网侧绕组的交流等效容1
16、31dI量为：1dd0332vSUIIU（3-21）d0d0.47P考虑到额定运行时系统的直流电压降为 6%左右，因此变压器的等效交流容量为：- 9 - （3-22）12d0dN().31.92SP故轨道交通牵引变压器的额定容量一般为直流额定功率的 1.1 倍。- 10 - 4 24 脉波整流电路的仿真4.1 24 脉波整流电路的仿真在 MATLAB-simulink 的环境下对 24 脉波整流电路进行仿真，Matlab7.5 版本中的电力电子系统工具箱(Power System Blockset)可用于电力电子电路和系统的仿真，文中的模型就是基于该工具箱建立的 14。1. 24 脉波整流电路
17、建模24 脉波整流电路仿真模型如图 4-1 所示 15，其中电源为三相对称交流电压源，电源侧绕组延边三角形接线以移相变压器/+7.5和/-7.5 组成，移相后接入-/ -Y 连接变压器 T1 和 T2，目的是在每台变压器的二组低压绕组间引入 30相位差。三三三三三ABCpowerguiContinuousUdv+-T2Dy1Dd2ABCa2b2c2a3b3c3T1Dy11Dd0ABCa2b2c2a3b3c3ScopeRIdi+-D-7.5A+B+C+A-B-C-a3b3c3D+7.5A+B+C+A-B-C-a3b3c3D BridgeABC+-C BridgeABC+-B BridgeABC+
18、-A BridgeABC+-图 4-1 24 脉波整流电路仿真模型由于三相桥式 6 脉波整流器输出电压谐波小，为了减少输出谐波，则每台整流变压器由两个 6 脉波桥式整流器 A Bridge、B Bridge(C Bridge、D Bridge)以并联方式来- 11 - 构成 12 脉波桥式整流机组 T1(T2)。2 台 12 脉波整流机组并联运行构成等效 24 脉波整流器。 2. 模型参数设置三相对称交流电压源参数设置：三相对称交流电压源的幅值设为 35kV，频率为50Hz，相位分别为 0，120，-120。移相变压器参数设置：与联结组号为 Dy11Dd0 相连的移相变压器移相+7.5，与联结
19、组号为 Dy1Dd2 相连的移相变压器移相-7.5 ，三个绕组的额定电压分别为：35/2kV，35/2kV，10kV；整流变压器参数设置：三个绕组额定电压分别为10kV，1180V，1180V；三相二极管整流桥参数设置：使用默认值；RLC 负载参数设置：R 取 200，L 取 0，C 取 inf。3. 仿真参数设置仿真时间设为 0.04s，周期为 0.02s，数值算法采用 ode23tb，完成上述步骤后运行仿真模型，从示波器中观察输出波形。图 4-6 为纯电阻负载情况下输出电压 Ud。4.2 整流机组理想空载直流输出电压计算1. 整流机组直流输出波形分析0.02 0.025 0.03 0.03
20、5 0.0450100150200压压压s压压压压V压图 4-2 T1桥 6 脉波整流电路的空载输出电压波形0.02 0.025 0.03 0.035 0.0450100150200压压压s压压压压V压图 4-3 T1Y 桥 6 脉波整流电路的空载输出电压波形与整流变压器二次侧“”型绕组相接的整流桥输出电压为 6 脉波，换相导通- 12 - 角为 /3，输出脉波的宽度为 /3，如图 4-2 所示，脉波幅值等于 2 倍的阀侧“”接线电压；与整流变压器二次侧“Y”型绕组相接的整流桥输出电压为 6 脉波，换相导通角也为 /3，它将滞后“”桥整流机组空载输出电压波形 30。如图 4-3 所示。整流机组
21、阀侧“”接线电压空载电压输出脉波的幅值等于2 倍的阀侧“Y”接线电压。由于“Y”绕组的匝数是“”绕组匝数的 1/3，所以它们的线电压是相等的，即“”桥和“Y”桥整流输出电压脉波的幅值是相等的，它们都等于 2倍的阀侧线电压。整流变压器 T1“”桥和“Y”桥整流机组空载电压叠加后的输出电压波形如图 4-4 所示，由于“”桥和“Y” 桥整流电压相差 30，所以它们并联叠加后得到 12 脉波的空载直流输出电压，其脉波宽度为 /6，幅值仍为2 倍的阀侧线电压。0.020.02 0.0240.0260.0280.030.0320.0340.0360.0380.04120130140150160170压压压
22、s压压压压V压图 4-4 T1 整流机组 12 脉波空载输出电压波形0.020.02 0.0240.0260.0280.030.0320.0340.0360.0380.04120130140150160170三三三s三三三三V三图 4-5 T2 整流机组 12 脉波空载输出电压波形T2 整流机组的输出空载直流电压波形如图 4-5 所示，同 T1 整流机组的输出空载直流电压波形具有 15的相位差。所以当把两台整流机组输出的两个 12 脉波电压并联叠加时，就能得到 24 脉波的整流机组空载直流电压波形，如图 4-6 所示，它的脉波宽度为 /12，其脉波幅值- 13 - 仍然等于2 倍的阀侧线电压。
23、0.020.02 0.0240.0260.0280.030.0320.0340.0360.0380.04120130140150160170压压压s压压压压V压图 4-6 24 脉波整流器空载输出电压波形2. 整流机组空载直流输出电压的计算(1) 桥或 Y 桥(6 脉波)输出电压的计算桥或 Y 桥(6 脉波)输出电压的计算对于桥或 Y 桥 6 脉波的整流输出电压波形如图 4-2(4-3)所示，设整流变压器的阀侧空载线电压为 U2，整流机组的空载直流输出电压为 Ud，则（4-1） 6d22(1/)cos1.353Utd(2) 单台机组运行(12 脉波)输出电压的计算对于单台整流机组运行情况下，1
24、2 脉波的整流波形如图 4-4(4-5)所示，空载直流输出电压 Ud 为：（4-2）12d 2(/)cos1.3986UtdU(3) 两台机组并联运行(24 脉波)输出电压计算对于双台整流机组并联运行情况下，24 脉波的整流波形如图 4-6 所示，空载直流输出电压 Ud 为：（4-3） 24d 2(1/)cos1.4UtdU在理想空载条件下，直流输出电压 Ud=1.35U2，根据以上计算我们可以得到 24脉波整流机组虽然是四个六脉波模块的并联运行，但输出电压并不是简单的并联，在实际空载条件下，由于二极管的单向导电性质，均衡电流是不能流通的，实际上- 14 - 四桥单独交替运行后构成了 24 脉
25、波整流机组 16。- 15 - 5 谐波分析由于二极管的阻断作用，在整流变压器绕组中流过的是断续的正弦波，其由基波电流和高次谐波电流组成，输出的直流电流是含有脉波成分的脉动直流，而馈入电网的则是含有谐波电流的非正弦电流。这里采用傅里叶分解对其进行谐波分析 17。5.1 直流侧电流谐波分析图 5-1 是三种常用的带纹波的直流输出电流波形，输出负载设定为阻性。0.020.02 0.0240.0260.0280.030.0320.0340.0360.0380.045101520三三三s三三三三A三（a）6 脉波0.020.02 0.0240.0260.0280.030.0320.0340.0360.
26、0380.041213141516171819三三三s三三三三A三（b）12 脉波- 16 - 0.020.02 0.0240.0260.0280.030.0320.0340.0360.0380.041213141516171819三三三s三三三三A三（c） 24 脉波图 5-1 直流侧电流波形(1) 6 脉波直流电流图 5-1(a)为 6 脉波直流电流波形，其表达式为 id(t)=Idmcost，周期T=/3， 为交流侧电源的角频率 (注：下文同)。从而可以求出直流电流均方根值IdN 为：（5-1）26dNdmdmdm313cos0.95724IItII直流电流平均值 Id 为：（5-2）6
27、ddmdm33cosIItI将 id=Idmcost 展开成傅氏级数，其一般形式为：（5-3）d01(cosin)2niatbt（5-4）60dmdmdm2 6TItIcstI（5-5） dd 22 3cos(1)naItntTn（5-6）dm2i0nbItdt所以- 17 - ，n=6k (k=1,2,3) （5-7）dm231(cosiInt）等式右侧首项为直流分量，其等于直流电流平均值 Id，余项为交流分量，由n=6k(k=1,2,3)次谐波电流之和组成，且 k 为奇数时谐波为正，k 为偶数时谐波为负。由此可以求出直流电源中的总谐波电流均方根值约等于直流电流平均值的4.2%。(2) 12
28、 脉波直流电流图 5-1(b)为 12 脉波直流电流波形，其表达式 id=Idmcost，周期 T=/6。从而可以求出直流电流均方根值 IdN 为：（5-8）21dNdmdm613cos2tI直流电流平均值 Id 为：（5-9）12dmdm61cossin2ItIid 的傅氏级数为：， n=12k(k=1,2,3) （5-10）ddm2sin(1cs)2iItn等式右侧首项为直流分量，其等于直流电流平均值 Id，余项为交流分量，是由n=12k(k=1,2,3)次谐波电流之和组成，且 k 为奇数时谐波为正，k 为偶数时谐波为负。由此可以求出 12 脉波直流电源中的总谐波电流均方根值约等于直流电流
29、平均值的 1.03%。(3) 24 脉波直流电流图 5-1(3)为 24 脉波直流电流波形，其表达式 id=Idmcost，周期 T=/12。从而可以求出直流电流均方根值 IdN 为：（5-11）24dNdmdm116cossin2ItI直流电流平均值 Id 为：（5-12）24dmdm14cossin2ItIid 的傅氏级数为：- 18 - ， n=24k(k=1,2,3) （5-13）ddm2241sin(cos)iItn等式右侧首项为直流分量，其等于直流电流平均值 Id，余项为交流分量，是由n=24k(k=1,2,3)次谐波电流之和组成，且 k 为奇数时谐波为正，k 为偶数时谐波为负。由
30、此可以求出 24 脉波直流电源中的总谐波电流均方根值约等于直流电流平均值的 0.26%。0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02 0.022 0.024 0.026 0.02815.51616.51717.5FFT window: 1 of 2 cycles of selected signalTime (s)0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50012345x 104三三三三三三三三三三（a）6 脉波0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02 0.022 0.024 0.026 0.02817.317.417.517.6
31、17.7FFT window: 1 of 2 cycles of selected signalTime (s)0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50012345x 104三三三三三三三三三三（b）12 脉波0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02 0.022 0.024 0.026 0.02817.717.7517.8FFT window: 1 of 2 cycles of selected signalTime (s)0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50012345x 105三三三三三三三三三三（c）24 脉波图 5-
32、2 直流侧电流的频谱分析基于理想状态下的理论分析，进行 24 脉波整流电路的仿真，其直流侧输出电流- 19 - 波形进行频谱分析，结果见图 5-2。总之，p 脉波直流侧电源中除了直流分量外，所含谐波电流的次数 n 为 p 的整数倍，即 n=kp，p 为脉波数，k =1,2,3。总谐波电流均方根值占直流电流平均值的比值，随着 p 值的增加而大幅度减小。5.2 阀侧电流谐波分析图 5-3(5-4)是 Y(D)结绕组在理想状态下，一个时间周期 T 内阀侧绕组中的相电流波形，其中输出负载为纯电阻性负载。 0324503245ty yIdmIdm1t图 5-3 Y 结电流波形 图 5-4 D 结电流波形
33、(1) 阀侧(整流变压器二次侧)绕组为 Y 结 图 5-3 中，电流波形的数学表达式为：（5-14）dmyz 4cos() 06325() 240 33Itit， ，将 Y 结阀侧绕组相电流 iyz 展开成傅氏级数为：（5-15）yz01()(cosin)2ntatbt由于 iyz(t)=iyz(t+)，故不出现直流分量和偶次谐波分量，所以可得：- 20 - （5-16）02yz3dm023dm()cos6cos()sin(2in3)(1)6nTabitntIttdI将式(5-16 )代入式(5-15 )得：（5-17）dmyz321()coss5cos7241cs1395780Iit ttt
34、t式中 位基波分量，其余各项为谐波分量。dmyz132()()oIit t绕组电流均方根值：（5-18）26yzdmdmdm13cos0.7842IItII基波电流均方根值：（5-19）dmyz1 dm()30.74592II总谐波电流均方根值为：（5-20）2yzxzy1d.III总谐波电流均方根值/基波电流均方根值=0.308:1。绕组电流均方根值占基波电流均方根值的百分数为(I yz/Iyz1)100%=104.63%。(2) 阀侧绕组为 D 结图 5-4 中，电流波形的数学表达式为：- 21 - （5-21）dmDzdm14cos() 0363225() 215cos() 363Iti
35、tIt， ，将 D 结阀侧电流 iDz 展开成傅氏级数：（5-22）dmDzdm11()cos(cos5324738011coscos9)62ItItttt式中 为基波电流，其余为谐波电流。Dz1dm3()2itIt绕组电流均方根值：（5-23） 2 26 6Dzdmdmdd1(cos)(cos)3310.4592IItItI基波电流均方根值为：（5-24）dmDz1 dm3()20.46II总谐波电流均方根值为：（5-25）2DzxzD1dm0.328III总谐波电流均方根值/基波电流均方根值=0.308:1。绕组电流方均根值占基波电流方均根值的百分数为(I Dz/IDz1)100%=104
36、.63%。- 22 - 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04-505Selected signal: 2 cycles. FFT window (in red): 1 cyclesTime (s)0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50020406080三三三三三三三三三三图 5-5 阀侧电流的频谱分析阀侧电流的频谱分析见图 5-5，从以上分析得出：阀侧电流中不含三次及三的整数次谐波，除基波外，只包括 6k1 次谐波，k =1,2,3。5.3 网侧绕组电流谐波分析根据变压器磁势平衡理论，网侧(整流变压器一次侧)各绕组负载
37、电流磁势总和应与阀侧各绕组负载电流磁势总和大小相等、方向相反。图 3-4 中，整流变压器T1(或 T2)接两组三相整流桥输出，阀侧总电流磁势之和为iN =iy(t)Ny+iD(t)ND，其中匝数 ND=3Ny，用上述傅式变换后的电流表达式代入，可以得到网侧绕组负载电流。设定输出负载为纯电阻性负载，则网侧绕组电流 iwz 可展开成如下的傅氏级数：dmwz321()(1)coscos1357Iit ttt（5-26）3tt式中 为基波电流，其余为谐波电流。dmwz132()cosIi t绕组电流均方根值为：（5-27）wz dmdm6213.5076III基波电流均方根值为：（5-28）wz1dm
38、dm23()1.497III- 23 - 总谐波电流均方根值= 2wz1dm0.8II总谐波电流均方根值/基波电流均方根值=0.1462:1。绕组电流均方根值占基波电流均方根值的百分数(I wz/Iwz1)100%=101.07%。0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06-202 Selected signal: 3 cycles. FFT window (in red): 1 cyclesTime (s)0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500123三三三三三三三三三三图 5-6 网侧电流的频谱分析网侧电流的频谱分析见图 5-6，在理论分析的基础上
39、经仿真得知:变压器网侧电流中除了基波外，只含(12k1)次谐波，k =1,2,3。5.3 注入电网的谐波电流分析在图 3-4 和 3-5 中，T1 和 T2 两台变压器的结构参数完全一致，因此可以获得相同的漏电抗。不同的是 T1 左移相位角 7.5，T2 右移相位角 7.5，它们之间对应相的相位差为 15，只是外部接线略有不同以便组成合适的联结组。带负载(纯电阻负载)运行时，两组 12 脉波整流电路完全对称，由 T1 和 T2 两台变压器流入电网的合成电流 idwz 的傅氏级数形式如下：（5-29）dmdwz6211()(1)coss23cos253It ttt式中 为基波电流，其余为谐波电流
40、。ddz1()()Iit t绕组电流均方根值为：I dwz=2.9894Idm基波电流均方根值为：I dwz1=2.9835Idm总谐波电流均方根值 2dwz1dm0.87I总谐波电流均方根值/基波电流均方根值=0.063:1。绕组电流均方根值占基波电流均方根值的百分数为(I dwz/Idwz1)100%=100.20%。- 24 - 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02 0.022 0.024 0.026 0.028-101FFT window: 1 of 3 cycles of selected signalTime (s)0 5 10 15 20 25 30
41、 35 40 45 500123三三三三三三三三三三图 5-7 电网电流的频谱分析24 脉波牵引整流变压器注入电网的谐波含量大大减少，其频谱分析如图 5-7 所示，从图中清晰地看到，注入电网的主要是 24k1(k=1,2,3)次谐波。总之，24脉波牵引整流变压器直流侧输出的直流电流谐波含量对基波的比值很小，而馈入电网的交流电力谐波含量大为降低。- 25 - 6 24 脉波整流机组在广州地铁中的应用1. 地铁牵引供电系统概况广州地铁一号线车辆段牵引变电所内设置两套由整流变压器和整流器柜组成的整流机组，接于同段 33kV 母线上，并联运行。每套整流机组为 12 脉波整流方式。两套整流机组并列运行构
42、成等效 24 脉波整流方式。经过变压器整流后，输出直流1500V 电压，通过接触网向地铁机车供电。2. 谐波的产生及危害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. 24 相轴向双分裂整流变压器的主要技术参数表 6-1 24 相轴向双分裂整流变压器的技术参数牵引整流变压器 24 脉波绝缘介质 环氧树脂浇注绕组数
43、4额定容量/kVA 2500移相角度/ 7.5联结组别 Dd0-y5 或 Dd2-y7额定电压 33/1.18/1.18短路阻抗 8.01绝缘等级 F 级4. 24 脉波整流变压器运行情况两台 24 脉波牵引整流变压器分别于 2000 年 12 月 25 日和 2001 年 1 月 5 日在广州地铁一号线车辆段 B 牵引变电所经空载合闸试验合格后，与整流器一起构成整流机组并列运行，负担整个车辆段范围的 1500V 直流牵引供电。在整个试运行期间，- 26 - 值班运行人员按要求相应地做好巡视、记录；其间，两台整流变压器经历了夏季高温、馈线遭雷击故障 4 起、列车故障短路引起馈线跳闸两起，但该整
44、流压器仍正常运行。为了检验整流变压器的负载能力，经调整运行方式，在 2001 年 2 月 28 日起试运行的两台整流变压器带正线负荷运行，并进行相应的谐波测试。主要测量 11 次、13 次、23 次、25 次特征谐波，然后与原 12 脉波整流变压器比较，经分析，整流装置产生的谐波污染明显降低，而且电流谐波随负载的增加而明显降低。我国广州(深圳)等城市的地铁已经采用了 24 脉波的整流机组 18，并且我国的牵引整流设备也已经开始走向国外，如伊朗德黑兰地铁采用顺德特种变压器厂生产的变压器，也说明了 24 脉波整流机组在地铁中的应用是合理的选择。随着城市轨道交通的蓬勃发展和用电负荷的增长，24 脉波
45、整流机组已成为我国城市轨道交通整流机组的主流。- 27 - 参 考 文 献1 毛保华城市轨道交通规划与设计北京：人民交通出版社，20062 孙章，何宗华，徐金祥城市轨道交通概论北京中国铁道出版社，20003 王晓东，奚国华，龙育才中国特大城市轨道交通系统研究与发展机车电传动，1999，40(3)4 吴汶麒轨道交通运行控制与管理上海：同济大学出版社，20045 中铁电气化局集团有限公司电气化铁道接触网北京：中国电力出版社，20046 朱攀峰一种自适应的地铁直流牵引供电系统微机保护的研究D天津：天津大学，20037 汪孔屏浅议轨道交通直流牵引供电系统的构成及保护配置轨道交通，20058 毛文喜城市
46、轨道交通牵引供电系统整流器的研究D湖南：湖南大学，20079 贺威俊，高仕斌等电力牵引供变电技术成都：西南交通大学出版社，200710陈海军24 脉波整流机组的原理及保护方式电工技术，200511陈海军，程小华地铁整流机组相量图及输出波形分析J变压器，2006，43(8) 12王念同24 脉波移相牵引整流变压器网侧绕组研究J上海工程技术大学学报，2002，16(2) 13王念同，魏雪亮轴向双分裂 12 脉波牵引整流变压器均衡电流的分析计算J变压器，2000，37(3)14洪乃刚电力电子与电力拖动控制系统的 MATLAB 仿真北京：机械工业出版社，200615李良威，李群湛，刘炜24 脉波整流器外特性仿真及其在城市轨道交通中的应用J城市轨道交通研究，2007，(10) 16龚孟荣等效 24 脉波整流机组原理分析铁道勘测与设计J，2008，(04) 17钱长生，齐嘉瞻，李国新等24 脉波整流变压器的谐波计算分析J变压器，2007，44(12)18林惠汉，凌文坚，吴世成24 相轴向双分裂整流变压器J变压器，2002，39(10)
