二十四脈波整流資料

--10-3．24脈波整流機組電質(zhì)量，降低直流電源的脈動量，城市軌道交通多數(shù)承受等效24脈波整流機組，一l2脈波的整流變壓器[9]和與之匹配的整流器共同組成。24脈波整流機組的作用及要求接觸網(wǎng)的電壓為1500VDC(或750VDC)，所以需要降壓和整流。整流機組包括整流35kVAC(或33kVAC1500VDC(或750VDC)電壓供給地鐵接觸網(wǎng)，實現(xiàn)直流牽引。地鐵牽引變電所一般設(shè)于地下，所以整流機組也安裝在地下室內(nèi)。F級，線圈溫升限值為70K/90K(高壓，低壓)，其承受極限溫度為155℃，鐵心溫升凝露，應(yīng)實行措施防止凝露對設(shè)備的危害。滿足國家標準的規(guī)定，并滿足我國電磁兼容相應(yīng)的標準[10]。依據(jù)IEC164規(guī)定，地鐵作為重型牽引負荷，其負荷等級為VI級，整流機組設(shè)備的負荷特性滿足如下要求：100%額定負荷時可連續(xù)運行；150%額定負荷時可持續(xù)運行2h；300%額定負荷時可持續(xù)運行1min1于10%。直流側(cè)空載狀況下,整流變壓器施加35×(1+0.05)kV的溝通電壓時,直流側(cè)輸出電壓不超過1800V。24脈波整流機組的構(gòu)成3-112脈波軸30°的相差。兩臺變壓器的網(wǎng)側(cè)承受延邊三角24脈波整流系統(tǒng)。AC(35kV)Dy11Dd0網(wǎng)側(cè)移相+7.5 T1

Dy1Dd2網(wǎng)側(cè)移相-7.5B1 B2 B3 B4+DC(1.5kV)-3-124脈波整流機組主電路原理圖24脈波整流機組原理分析圖3-2yd。閥側(cè)繞組一組承受y聯(lián)結(jié)，另一組承受d聯(lián)結(jié)，使它們的線電壓有效值相等。變2π/1230°)，這就形成每周期含有126+7.512242π/2415°3-3所示。ax1 1 XaxA

caca 3311ba44ba22ba33ba11bc44bc22

caca22 ca

4 cb11cb33cb22cb44ab11ab33ab22bc33b1c1aca 442 2

ab44acac ac 11322 33圖3-2軸向雙繞組雙分裂變壓器繞組布置 圖3-3閥側(cè)電壓相量圖Dy5d0-Dy7d2都符合這一設(shè)想。Dy11d0-Dy1d212脈波，要獲24脈波，需兩臺并聯(lián)運行。對于變壓器承受Dy5d0-Dy7d2接線的整流機組同樣如此。在實際運行時，一臺變壓器退出運行，則聯(lián)跳另一臺變壓器，可通過鄰近變電所增加。24脈波整流機組輸出直流電壓的紋波系數(shù)較12脈波小，Dy11d0-Dy1d2兩臺變壓器互換性好，從Dy11d0-Dy1d2的結(jié)法可以看出，兩臺變壓器的互換只需轉(zhuǎn)變一次3T1，如圖3-5所示。依據(jù)兩臺變壓器的接線，可繪制出其相量圖如圖3-6(T1)和圖3-7(T2)所示[11]。A B C A B Ca2 b2 c2a3 b3 c3

a2 b2 c2a3 b3 c3 〔a〕高壓繞組 〔b〕低壓繞組 〔a〕高壓繞組 〔b〕低壓繞組圖3-4T1整流變壓器Dy11-d0繞組聯(lián)結(jié)圖 圖3-5T2整流變壓器Dy1-d2繞組聯(lián)結(jié)圖A1UCA1UCUd1B1yAA1a2C1b2B1c2BAA1a3C1c3bB31BC B C U1〔a〕一次側(cè)D結(jié)繞組聯(lián)結(jié) 〔b〕二次側(cè)y結(jié)繞組相量圖 〔c〕二次側(cè)d結(jié)繞組相量圖圖3-6變壓器T1的構(gòu)造及相量圖A1CB11a1A1CB11a12c2b2B1C1B1ca33CbB131BC BC C一次側(cè)D結(jié)繞組聯(lián)結(jié) 〔b〕二次側(cè)y結(jié)繞組相量圖 〔c〕二次側(cè)d結(jié)繞組相量圖圖3-7變壓器T2的構(gòu)造及相量圖相量的相位角分別為：T1112.5°；a2b2142.5°(ya3b3T2UA1B1127.5°；

d結(jié)。Ua2b297.5°(y結(jié))，Ua3b367.5°(d結(jié))。3-63-7的相量圖并利用上述分析的結(jié)果可知，對于同一臺變壓器，其閥側(cè)(二次側(cè))繞組同名端線電壓的相位差為30°(142.5°-112.5°=97.5°-67.5°=30°)；而7.5°(不同的旋轉(zhuǎn)方向)，使T1T2變壓器原邊三角形繞組線電壓有15°127.5°-112.5°=15°)，而兩臺變壓器二次側(cè)對應(yīng)的線電壓相位差為3-8所示。UA1B1

(T1)

Ua3b3

(T1)NIyyUA1B1

(T2)

Ua2b2

(T2)

Ua3b3

(T2)

30°30°-βUa2b2

NI22NI(T1) ddβ圖3-8兩臺變壓器的相量關(guān)系圖 圖3-9磁勢平衡相量圖24脈波移相整流變壓器網(wǎng)側(cè)繞組分析網(wǎng)側(cè)繞組電壓、匝數(shù)及移相角確實定網(wǎng)側(cè)繞組的±7.5°移相是通過兩種不同的延邊三角形接線來實現(xiàn)的，其繞組接線3-4(3-53-6(3-7)所示。[12]UdUy之間的關(guān)系。由網(wǎng)側(cè)電壓相量及三角函數(shù)關(guān)系可知(α=7.5°)：Uy

sin

2sin

〔3-1〕)U1 sin120 )UdUy

sin(60 )

2sin(60

〔3-2〕則UdU1

U1 sin120 3

sin(60sin(60) sinsin120 sin1202cos30 sin(30)2sin(30sin120)Ud

3cos3sin) 2 2

3 3

〔3-4〕Uy sin sin 2tg 2如設(shè)計時取匝電勢為et，那么三角段線圈匝數(shù)和延邊段線圈匝數(shù)，可按式(3-5)及式(3-6)確定：N Ud e

d 〔3-5〕tUN yy e

〔3-6〕t但線圈的匝數(shù)必需取整數(shù)，因此當確定了Nd和Ny之后，還必需校核移相角α及線電U1的幅值。由(3-4)可得：′tg1

tg1 〔3-7〕33U N33

U′1

2 d 2 d3U Ny y

U2U22UU)U cos120d y y d y y 3N23NNN2ey y d網(wǎng)側(cè)繞組中的基波電流IyId二相電流的相量和，因此其幅值為：Iy 3Id 〔3-9〕30°相角，正移相為-30°，負移相為+30°。在無視激磁電流的條件下，初次級繞組的磁勢平衡如下式：NI NI NI 〔3-10〕yy dd 22

sin(30)ddNysin(30)dd

〔3-11〕sin由此導(dǎo)出：

Nd

Isin(30)y

3sin(30)

〔3-12〕3-4)可知：

N Isin siny dUNd dUN Uy y

)sin

〔3-13〕β=α，將磁勢平衡方程進展分解，可得兩組磁勢平衡組：NI yy

cos(30)NI)d)

cosNI22

縱向重量 〔3-14〕NyIy

sin(30

NIdd

sin

正交重量 〔3-15〕線圈相互平衡的附加局部。將縱向重量式(3-14)代入式(3-9)，并考慮式(3-1)和(3-3U2=N2et，可得：Ncos3Ncos3Ncos(30)22dd yUcosUcos3Ucos(30)22d y2Usin(302Usin(30)cos2Usincos(30)22UIUI22 22UUI

〔3-16〕1I 3I y d

1223UI 〔3-1722U網(wǎng)側(cè)繞組的基波容量為：S1

3UI11

1 3UI1y

S22 2

〔3-18〕形接法，其設(shè)計時的材料容量是有所增加的。S 1c yy

UIdd

) 11

( 3Uy

U)d

3U1

I[2sin2sin(30 )]SK1 1 scK 2[sinsin(30)]4sin15 cos(15) 〔3-19〕sc2.642%。考慮諧波電流時閥側(cè)與網(wǎng)側(cè)等效容量63 21 載等抱負條件下，閥側(cè)電流因素Iv 0.408，電壓因素d0 63 21 I U πd v那么閥側(cè)二組繞組的總的溝通等效容量為：π 1S′2 3UI2 vv

2

U I3 26d0 d3 26π U Iπ3 d0d

1.0472Pd0

〔3-20〕由于二繞閥側(cè)中除了γ=kp±1(k=1,2,…)特征諧波外的其他高次諧波都相互抵消123123[13]31Id

11 32 3S′ 3UI′v1

I U3 2d d03 2π U Iπ3 d0d

1.0472Pd0

〔3-21〕6%1S′ (S′S′)1.03P 1.092P

〔3-22〕2 1 2 d0 dN故軌道交通牽引變壓器的額定容量一般為直流額定功率的1.1倍。24脈波整流電路的仿真24脈波整流電路的仿真24脈波整流電路進展仿真，Matlab7.5版本中的電力電子系統(tǒng)工具箱(PowerSystemBlockset)可用于電力電子電路和系統(tǒng)的仿真，文中的模型就是基于該工具箱建立的[14]。24脈波整流電路建模244-1所示[15]，其中電源為三相對稱溝通電壓源，差。ContinuousContinuouspowerguiA+BABA+B+C+A-B-C-a3Ab3Ba2b2c2a3b3c3CABridge-C三相電壓源Ac3C+D+7.5 T1Dy11Dd0BC-+vBBridge-UdA+RScopeBA+B+C+A-B-C-a3ABc3Ca2b2c2a3b3c3CCBridge-b3A+IdD-7.5T2Dy1Dd2BCDBridge-i-+4-124脈波整流電路仿真模型21224脈波整流器。模型參數(shù)設(shè)置35kV，頻率為0°，120°，-120°。Dy11Dd0相連的移相變壓器移相+7.5°，與聯(lián)結(jié)組號為Dy1Dd2-7.5°，三個繞組的額定電壓分別為：35/2k35/2kV10kVL0，Cinf。仿真參數(shù)設(shè)置0.02sode23tb，完成上述步驟后運Ud。整流機組抱負空載直流輸出電壓計算整流機組直流輸出波形分析2023〕1500V〔壓1000電5000.02 0.025

0.03 0.035 0.04時間〔s〕4-2T16脈波整流電路的空載輸出電壓波形2023〕1500V〔壓1000電5000.02

時間〔時間〔〕4-3T1Y6脈波整流電路的空載輸出電壓波形6為π/3，輸出脈波的寬度為π/3，如圖4-2所示，脈波幅值等于√2倍的閥側(cè)“△”接Y6脈波，換相導(dǎo)π/330°4-3所示?！?倍的閥側(cè)“Y”接線電壓。由于“Y”繞組的匝數(shù)是“△”繞組匝數(shù)的1/√3，所以它們的線電壓是相等√2倍的閥側(cè)線電壓。整流變壓器T1“△”橋和“Y”橋整流機組空載電壓疊加后的輸出電壓波4-4所示，由于“△”橋和“Y30°，所以它們并聯(lián)疊加后得到12脈波的空載直流輸出電壓，其脈波寬度為π/6，幅值仍為√2倍的閥側(cè)線電壓。17001600V〕1500V〔壓1400電130012000.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.04時間〔s〕4-4T112脈波空載輸出電壓波形17001600〕V 1500〔壓1400電130012000.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.04時間〔s〕4-5T212脈波空載輸出電壓波形T2整流機組的輸出空載直流電壓波形如圖4-5T1整流機組的輸出空載15°的相位差。所以當把兩臺整流機組輸出的兩個1224脈波的整流機組空載直流電壓波形，如圖4-6所示，它的脈波寬度為π/12，其脈波幅值照舊等于√2倍的閥側(cè)線電壓。17001600V〕1500V〔壓1400電130012000.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.04時間〔s〕4-624脈波整流器空載輸出電壓波形整流機組空載直流輸出電壓的計算Y橋(6脈波)輸出電壓的計算2d△橋或Y橋(6脈波)輸出電壓的計算對于△橋或Y橋6脈波的整流輸出電壓波4-2(4-3U，整流機組的空載直流U，則2dππU (1/ )6 2Ucostdt1.35Uππ

〔4-1〕d 3 π 2 26單臺機組運行(12脈波)輸出電壓的計算d對于單臺整流機組運行狀況下，124-4(4-5)所示，空載直U為：dππU (1/ )12 2Ucostdt1.398Uππ

〔4-2〕d 6 π 2 212兩臺機組并聯(lián)運行(24脈波)輸出電壓計算d244-6所示，空載直U為：dU (1/

π π)24)

1.41U

〔4-3〕d 12 π 2 224d在抱負空載條件下，直流輸出電壓Ud

=1.35U

，依據(jù)以上計算我們可以得到24224脈波整流機組[16]。2諧波分析的則是含有諧波電流的非正弦電流。這里承受傅里葉分解對其進展諧波分析[17]。直流側(cè)電流諧波分析5-1是三種常用的帶紋波的直流輸出電流波形，輸出負載設(shè)定為阻性。20〕15A〔流1050.0250.020.0220.0240.0260.08.0s0.032 0.034 0.036 0.0380.04〔a〕6脈波19181716151413〕A〔流電120.02 0.022 0.024 0.026 8

.0s0.032 0.034 0.036 0.038 0.04〔b〕12脈波1918〕17A 16〔流15電1413120.02 0.022 0.024 0.026 8

.0s0.032 0.034 0.036 0.038 0.04〔c〕24脈波5-1直流側(cè)電流波形6脈波直流電流dm圖5-()為6脈波直流電流波形，其表達式為idt)I cot，周期T=π3ωdmdN為溝通側(cè)電源的角頻率(注：下文同)。從而可以求出直流電流均方根值I 為：dN3π3π I2π6π dmcos2tdt6I IdN 2 4π dm

0.95577Idm

〔5-1〕dd

I 6d 3 63

I costdtdm

3Iπ dm

〔5-2〕dm將id=I cosωt開放成傅氏級數(shù)，其一般形式為：dmi 1ad 2 (acostbn n1

sinnt) 〔5-3〕2a2 TI2

costdt6I πcostdt6I

〔5-4〕60 T T 26

π 6

π dmπ2 2Iπ

costcosntdt 3I

〔5-5〕dmn T π 2dm

π(n21)22πn T 2所以

I costsinntdt0 〔5-6〕dmi 3Id π

1n21

〔5-7〕d等式右側(cè)首項為直流重量，其等于直流電流平均值 d

，余項為溝通重量，由n=6k(k=1,2,3…)次諧波電流之和組成，且k為奇數(shù)時諧波為正，k為偶數(shù)時諧波為4.2%。12脈波直流電流dmdN圖5-1(b)為12脈波直流電流波形，其表達式id=I cosωt，周期ωT=π/6。從而可以求出直流電流均方根值I 為：dmdN6ππ126ππ12I cost22π dm12

13I

〔5-8〕dNdI為：d

2 2πdm6 I 12I6

costdt12sinπI

〔5-9〕di的傅氏級數(shù)為：d

d ππ 12

π 12dmi 12sinπI

(1

cosnt)，n=12k(k=1,2,3…)〔5-10〕d π 12 dm

n21dI，余項為溝通重量，是由n=12k(k=1,2,3…)次諧波電流之和組成，且k為奇數(shù)時諧波為正，k為偶數(shù)時諧波為12脈波直流電源中的總諧波電流均方根值約等于直流電流平均值1.03%。d24脈波直流電流dmdN圖5-1(3)為24脈波直流電流波形，其表達式id=I cosωt，周期ωT=π/12。從而可以求出直流電流均方根值I 為：dmdN12ππ2412ππ24I cost22π dm24

16sinπI

〔5-11〕dNdI為：d

2 π 12dm24I 12π I24

costdt

I

〔5-12〕di的傅氏級數(shù)為：d

d π π 24

π 24dmi 24sinπI

(1

cosnt)，n=24k(k=1,2,3…)〔5-13〕d π 24 dm

n21Id，余項為溝通重量，是由n=24k(k=1,2,3…)次諧波電流之和組成，且k為奇數(shù)時諧波為正，k為偶數(shù)時諧波為24脈波直流電源中的總諧波電流均方根值約等于直流電流平均值--16-0.26%。x1045量4含3波諧2對相100 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50諧波次數(shù)〔a〕6脈波x1045量4含3波諧2對相100 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50諧波次數(shù)〔b〕12脈波x1055量4含3波諧2對相100 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50諧波次數(shù)〔c〕24脈波5-2直流側(cè)電流的頻譜分析基于抱負狀態(tài)下的理論分析，進展24脈波整流電路的仿真，其直流側(cè)輸出電流5-2。總之，p脈波直流側(cè)電源中除了直流重量外，所npn=kp，p為脈波數(shù)，k=1,2,3…?？傊C波電流p值的增加而大幅度減小。閥側(cè)電流諧波分析--17-T內(nèi)閥側(cè)繞組中的相電流波形，其中輸出負載為純電阻性負載。yIdmyIdm0π 2π π 4π 5π 2πyImdImd230π 2πππ 4π3135π 233 3 3 3 3 3圖5-3Y結(jié)電流波形 圖5-4D結(jié)電流波形5-3中，電流波形的數(shù)學(xué)表達式為：I cos(tπ) [0~π，π~4π]dm 6 3 3π 2π 5πi (t)Iyz dm

cos(t ) [ ~π，~2π] 〔5-14〕6 3 30 [π

2π 4π 5π~ 3 Yiyz開放成傅氏級數(shù)為：

，~ ]3 3i (t)1a(acost

sinnt) 〔5-15〕yz 2 0

n nn1000n2a 2 Ti2

(t)cosntdtn T Tyz232[πI3π 0 dm

6

〔5-16〕π2π3

I cos(tdm

π)cosntdt]6 2I nπ dm sin cos (2sinπ(1n2) 2 6 3將式(5-16)代入式(5-15)得：2π3 3i (t)3Idm[(1 )cost]1cos5t1cos7t2π3 3yz 2π 2 4

〔5-17〕1cos11t1cos13t1cos17t1cos19t式中iyz1

I ( t) 2π

5 7 8 102π3 3(1 )cost位基波重量，其余各項為諧波重量。2π3 3繞組電流均方根值：2π2π I2π6π 6cos2tdtI Iyz 3 2πdm

0.7804Idm

〔5-18〕基波電流均方根值：

I yz1

0.7459I 〔5-19〕I (I (31)dm2π32I yzx

0.2295III2I2yz yz1

〔5-20〕總諧波電流均方根值/基波電流均方根值=0.308:1。ID結(jié)5-4中，電流波形的數(shù)學(xué)表達式為：

yz1)×100%=104.63%。1I cos(tπ) [0~π，π~4π]3dm 6 3 322i (t) Dz

cos(tπ) [π~2π 4π 5π] 〔5-21〕，~2 3 3 3 3，~1I cos(t5π) [2π~π5π

2π]33dm 6 3 ，~3DiDz開放成傅氏級數(shù)：3Idm1i (t)(1 3)I cost ( cos5t3Idm1Dz 3 2π dm π 41cos13t 〔5-22〕8 10 14)1cos17t1cos19t)16 20式中iDz1

(t)(1 3)I3 2π dm

cost為基波電流，其余為諧波電流。繞組電流均方根值：2π[2π[ππ66(2I3cos t)2d t2π16dmπ6( I3cost)dt]2dmDz191912 Idm dm

〔5-23〕基波電流均方根值為：

2I (1 3)2I Dz1

dm3 2π

0.4306Idm

〔5-24〕

I Dzx

0.1328III2 I2Dz Dz1

〔5-25〕總諧波電流均方根值/基波電流均方根值=0.308:1。繞組電流方均根值占基波電流方均根值的百分數(shù)為(繞組電流方均根值占基波電流方均根值的百分數(shù)為(I /IDz Dz1)×100%=104.63%。80量含波諧對相604020005101520諧波次數(shù)2530354045505-5閥側(cè)電流的頻譜分析6k±1次諧波，k=1,2,3…。網(wǎng)側(cè)繞組電流諧波分析3-4中，整流變壓器T1(或T2)接兩組三相整流橋輸出，閥側(cè)總電流磁勢之和為∑iN=iy(ωt)Ny+iD(ωt)ND，其中匝N3N--20-wz定輸出負載為純電阻性負載，則網(wǎng)側(cè)繞組電流i 可開放成如下的傅氏級數(shù)：wz i ( t) wz π

2π)cost1cos11t1cos13t3 3 5 71cos23t1cos25t] 〔5-26〕式中iwz1

11 133I 2π dm(1 )cost為基波電流，其余為諧波電流。π 3 3繞組電流均方根值為：I

6 2 1

1.5076I

〔5-27〕wz 2 3 2πdm dm基波電流均方根值為：I

(12π) 3 I 1.4917I

〔5-28〕wz1

3 3 2π dm dm總諧波電流均方根值= I2wz

I2wz1

0.218Idm總諧波電流均方根值/基波電流均方根值=0.1462:1。wz 繞組電流均方根值占基波電流均方根值的百分數(shù)(I /I wz 3量含2波諧對1相00 5 10 15

25 30 35 40 45 50諧波次數(shù)5-6網(wǎng)側(cè)電流的頻譜分析5-中除了基波外，只含(12k±1)次諧波，k=1,2,3…。5.3注入電網(wǎng)的諧波電流分析3-5中，T1T2兩臺變壓器的構(gòu)造參數(shù)完全全都，因此可以獲得一樣的漏電抗。不同的是T17.5°，T27.5°，它們之間對應(yīng)相的--21-運行時，兩組12脈波整流電路完全對稱，由T1和T2兩臺變壓器流入電網(wǎng)的合成電dwz的傅氏級數(shù)形式如下：i (t)6I [(12π)cost1cos23t1cos25tdm〔5-29〕dwzπ3 31113]式中i (t)6Idmdwz1(12π)cost為基波電流，其余為諧波電流。π 3 3繞組電流均方根值為：I =2.9894Idwzdm基波電流均方根值為：I總諧波電流均方根值dwz1I2=2.9835IdmI2 0.1878Idwz dwz1 dm總諧波電流均方根值/基波電流均方根值=0.063:1。繞組電流均方根值占基波電流均方根值的百分數(shù)為(I /Idwz dwz1)×100%=100.20%。3量含2波諧對相1005101520諧波次數(shù)2530354045505-7電網(wǎng)電流的頻譜分析245-7所示，從圖中清楚地看到，注入電網(wǎng)的主要是24k±1(k=1,2,3…)次諧波?？傊?，24脈溝通電力諧波含量大為降低。--22-24脈波整流機組在廣州地鐵中的應(yīng)用地鐵牽引供電系統(tǒng)概況廣州地鐵一號線車輛段牽引變電所內(nèi)設(shè)置兩套由整流變壓器和整流器柜組成的12脈波整流方式。兩套整流機組并列運行構(gòu)成等效24脈波整流方式。經(jīng)過變壓器整流后，輸出直流1500V電壓，通過接觸網(wǎng)向地鐵機車供電。諧波的產(chǎn)生及危害裝置是主要的諧波源。只要削減整流裝置