二十四脉波整流资料.docx

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12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 33kV 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°C，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衡度小 于10%。直流侧空载情况下，整流变压器施加35x(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，分别移相土 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。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。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。变压器阀侧绕组同名端线电压的相位差为2n/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2n/24(电角度为15°)，阀侧电压相量图如图3-3所示。aXA21a2图3-2轴向双绕组双分裂变压器绕组布置b2a2>b3a3 bf一b4c4 4b2cC a c2a2 c a3k X 厂 c1b1c3b3<c2b2- c4b4apa3b3、a2b2a4b4111 1 ac a c a c4 42 23 3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-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。ABCa2 b2 c2BCa2c2a3c3b3(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U1BCA AA A(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的结构及相量图图3-7变压器T2的结构及相量图分析图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UA1B】的相位角为112.5°；二次侧电压相量Ua2b2的相位角为142.5° （y结），Ua3b3的相位角为112.5°（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），Ua3b3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。Ua2b2(T1)u “(tDUA1B1图3-8两台变压器的相量关系图NIy y30°30°-。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和移相角a之间的关系。由网侧电压相量及三角函数关系可知(a=7.5°):U y sin a 2 .一-=sin aU1sin120o堂% = sin(60°-a) =_2sin(60。-a)(3-1)(3-2)则 %_sin(60° -a)U1sin120osin120osin120osin a2cos30 osin(30o-a)2sin(30 o-a)(3-3)总 3 . v3sin(30o-a)项 co0 sin asin asin a<332tg a 2(3-4)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:但线圈的匝数必须取整数(3-5)(3-6)因此当确定了 Nd和Ny之后，还必须校核移相角a及线电势U1的幅值。由(3-4)可得:tg-1指2曳+ 3Ny(3-7)同时由相量图3-6可知:(U + U J + U2 2% + U ).U cos120oU'=1H 3N2 + 3NyN + N;e(3-8)U1sin120o v3因此其幅值(3-9)2. 网侧绕组中的基波电流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 为:I =、Iy d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:N I + N I = N Iy y d d 2 2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：N、1、_% I dsin P sin(30o - P)由此导出：N I sin(30o - p) v3sin(30o-p) d y N I sin psin p（3-10）（3-11）（3-12）而由式(3-4)可知：（3-13）N U <3 sin(30 -a)d 铝 d N U sin ay y两式比较可知。二a，将磁势平衡方程进行分解，可得两组磁势平衡组：N I cos（30o-a） + N I cos a N I纵向分量（3-14）J y yd d2 2N I sin（30o -a） N I sin a正交分量（3-15）yydd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U=N，可得：NI/ 2 2d N cosa + %3N cos(30o -a)U I牝_2 2U cos a + 史U cos(30o -a)(3 况)UI 2 22U sin(30o - a)cos a + 2U sin a cos(30o -a)UI UI -22 222U1 sin30oUI =3I -思U22(3-17)y d U1网侧绕组的基波容量为：S 容UI 总UI 3U I S(3-18)11 11 y 2 22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。S = 3（U I + U I ）=应 I （应 + U ）1cy y d d1 1y d=V3UI12sin 以 + 2sin（30 o 以）=* K其中材料容量系数：K = 2sina + sin（30o a） = 4sin15 ocos（15o a）（3-19）当移相角a=7.5°时，Ksc=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L =上牝0.408，电压因素Ud0 = 巨总1.35U3。I d<6U 兀那么阀侧二组绕组的总的交流等效容量为：S' = 2 x 加 I = 2 x0 .二 U -LI2 v v3t2 d0 瑚6 dn（3-20）=3 Ud01d 牝 1.0472匕由于二绕阀侧中除了 Y=kp±1（k=1, 2,）特征谐波外的其他高次谐波都相互抵消I1 +、.''313了，因此网侧归算到阀侧的电流因素为，=也3 。则网侧绕组的交流等效容量为:I2.：3ds '=、冗u I' = 43 1+ I , uv 12寸3 d 3、Q d0=3Ud01d 牝 1.0472匕（3-21）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: 1S- = 2 （S1 + S2）牝 1.03匕 牝 1.092PdN（3-22）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。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 /A+7.5°和 14-7.5。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。powergui三相电压源图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200Q 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U d。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2000)1500(压 1000 电5000.02°.025时献S)0.0350.04图4-2 T1桥6脉波整流电路的空载输出电压波形2000)1500(压 1000电5000.020.025时觥S)0.0350.04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，换相导通角 为n/3，输出脉波的宽度为n/3，如图4-2所示，脉波幅值等于也倍的阀侧“”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n/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。整流机组阀侧“”接线电压空载电压输出脉波的幅值等于也倍的阀侧“Y”接 线电压。由于“Y”绕组的匝数是“”绕组匝数的1/寸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，它们都等于帼倍的阀 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n/6，幅值仍为也倍的阀侧线电压。图4-4 T1整流机组12脉波空载输出电压波形图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n/12，其脉波幅值仍然 等于也倍的阀侧线电压。1700 1600 1500 1400 13000.020.022 0.024 0.026 0.02%寸尚.03s)。32 0.034 0.036 0.0380.04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2,整流机组的空载直流 输出电压为"d，贝（4-1）U = (1/ n)J 二旬 cos td®t = 1.35U（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，12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：U = (1/ -)j吉 V2U coswtdit = 1.398Ud 6 _皿212（4-2）（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：U = (1/ )f 如克U cos wtdwt = 1.41Ud 12 工 224（4-3）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，实际上四桥 单独交替运行后构成了 24脉波整流机组16。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。（a）6脉波)«!电（b）12脉波198 7 6 5 4 11111 )电131(202 0.022 0.024 0.026。2时歌3s)0.032 0.034 0.036 0.0380.04(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（助=Idmcos切t,周期口T二n/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:IdN 兀 n163 j : 12 C0S2 g E + 哭3(5-1)dmdm直流电流平均值Id为:I =习6 I coswtdwt = Id n x dm兀 dm-6(5-2)将id=Idmcos以展开成傅氏级数，其一般形式为:i = a +# (a cos n(t + b sin net)(5-3)d 2 0nnn =1a =j2 I cosetdet = I j60 T T dm兀 dm n-2- 6cosetd et = - I兀 dm（5-4）2 j =2 IT -n dm2cos et cos netd et =3Idm兀(n 2 1)(5-5)b = j2 I cosetsinnetdet = 0(5-6)n T n dm2所以i = I (1±Z i cosnet)，n=6k(k=1, 2, 3)(5-7)d 兀 dmn 2 1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=Idmcos/t，周期口T=nl6。从而可以求出直流电流均方根值IdN为:IdNf 12 12 C0S2 t - S + I n dm 2 2 n dm(5-8)直流电流平均值Id为:f 12 I cos 3td3t = sin I n _ -n dmn 12 dm12(5-9)id的傅氏级数为:-12sin 兰 I (1±Z 1 n 12 dmcos 河 t)， n 2 一 1n=12k(k=1, 2, 3)(5-10)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平均值 的 1.03%。(3) 24脉波直流电流图5-1为24脉波直流电流波形，其表达式id=IdmcosM 周期口T=nl12。从而可以求出直流电流均方根值IdN为:I - ：.f24 12 cos2t - + sin I dN | n 一w dm 2 n 12 dm(5-11)直流电流平均值Id为:I -皇 f 24 d 兀 工 dm 一 24I cos wtdwt - 24 sin 兰 I兀 24 dm(5-12)id的傅氏级数为:dm(1±Z 1cos nw n 2 一 1t)，n=24k(k=1, 2, 3)(5-13)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%。x 104L'1*_L ._L _ _|x 10405101520谐波次数（a）6脉波3035404550L -1_Lli_L_L _Ll. _ r543210543量含波谐对相量含波谐对相21(b) 12脉波谐波次数(c) 24脉波0051015"谐波次数量含波谐对相图5-2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 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，心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阀侧电流谐波分析流波形，其中输出负载为纯电阻性负载。的)0 n2nn_4n 5n 2n3 35 丁mn 2n n 4n 5 兀 2n3 3 T 3-rot图5-3 Y结电流波形图5-4 D结电流波形图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I cosdmn6(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:n40 一，n 一ni ( t)= <yzI cos( t + 6女 W 2n33(5-14)r n2n 4n5n， 3333将Y结阀侧绕组相电流iyz展开成傅氏级数为:.1.i (t) = a + # (a cos net + b sin nwt) yz2 0nnn =1(5-15)由于iyz(/t)=iyz(/t+n)，故不出现直流分量和偶次谐波分量，所以可得:a =2 i (et)cos netdet n T T yz 22 rf -J 3 I cos兀、6)cos net(5-16)一 I cos(et + n)cos netdet321 dm sin 竺 cos 竺(2sin 竺-旬) n(1-n 2)263将式(5-16 )代入式(5-15)得:3 3.,、3I i ( t)= dm (1+ yz2n11(5-17)cos t J - 2 cos5 t + 彳 cos 7 tcosll t + 上 cos13t -1 cos17 t + -!- cos19 t - L57810式中lyz1（Wt） = #1+吝）*回位基波分量其余各项为谐波分量。绕组电流均方根值：I = j : 12 cos23td3t =（+ 技I = 0.78041（5-18）yz 兀 先 dm'32 n dmdm基波电流均方根值：I （+=）I = dm 2七 耘 =0.74591（5-19）yz1.'2dm总谐波电流均方根值为：I = J * 七=0.22951d（5-20）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（妇/妇1危100%=104.63%。I ( t)= <Dz1 兀、-1 cos( t -)3 dm62 兀、_ I cos(t -)15n.-I cos( t-)3 dm6n4n0 _，3n J3r n2n4n5n nwJ3333r 2 nn5n， 2nJ33（5-21）（2）阀侧绕组为D结 图5-4中，电流波形的数学表达式为:将D结阀侧电流iDz展开成傅氏级数:,、,1 百3I1i (t) = (3 + 2 )I cos t +dm (cos5t(5-22)111-cos7 t - cos113t + cos13 t 81014+ -!- cos17t- cos19t -L )1620式中=（3+芸气严为基波电流其余为谐波电流。绕组电流均方根值：I = f 6 (ZI cos t)2 d®t + 2f 6 (上 I cos 皿)2d皿DZ * 兀弋 血一"dm(5-23)=+ I = 0.45061 9 2 寸 3兀 dmdm基波电流均方根值为：I = dm(3_2兀)=0.43061(5-24)Dz1：2dm总谐波电流均方根值为:ID =J Id 4 = 0.1328I d(5-25)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（IDz/IDzi）x100%=104.63%。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6k±1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工iN=iy（gNy+iD3）ND，其中匝 数ND=v3Ny，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y可展开成如下的傅氏级数:i （ t）=wz3£m （1+兰）cos t - cosllwt +1COS13 t兀 3、.：357I _1一 一cos 23 t + cos 25 t II 13（5-26）式中iwz1 =。（1+靠）cos 31为基波电流，其余为谐波电流。绕组电流均方根值为:I =、6 +0 X U + 31 = 1.50761 wz 232n dmdm（5-27）基波电流均方根值为:1 wz1 = （1+ 熹）'忌 1 dm = 1.49171 dm（5-28）总谐波电流均方根值=yj I wz I wz1 = 0.218I dm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（Iwz/Iwz1）x100%=101.07%03 2 1 量含波谐对相r_005101520 谐波次数3035404550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经仿真得知:变压器网侧电流 中除了基波外，只含（12k±1）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:i (t) = 6。(1+)cos 3t- cos23t + cos25t-L (5-29)dwz兀 3：31113式中'dwz1伽）=% （1+ 3|）cos初为基波电流，其余为谐波电流。绕组电流均方根值为：/dwz=2.9894/dm基波电流均方根值为：/dwz1=2.9835/dm总谐波电流均方根值=yjIdwz -12wz1 = 0.1878Idm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（Idwz/Idwz1） x100%=100.20%。3 2 1 量含波谐对相_L_L005101520 谐波次数 3035404550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244±1（七1,2,3）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。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4额定容量/kVA2500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， 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脉波整流机组已成为我国城市轨道交通整流机组 的主流。参考文献I毛保华.城市轨道交通规划与设计.北京：人民交通出版社，2006. 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，2000.3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