城市軌道交通24脈波整流機(jī)組的機(jī)理分析

李智威，邱瑞昌，李淑英，席海闊

（北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院 北京市軌道交通電氣工程技術(shù)研究中心，北京 100044）

城市軌道交通24脈波整流機(jī)組的機(jī)理分析

李智威，邱瑞昌，李淑英，席海闊

（北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院 北京市軌道交通電氣工程技術(shù)研究中心，北京 100044）

本文分析了城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)中24脈波整流機(jī)組的接線方式和工作原理，并利用MATLAB/SIMULINK對(duì)24脈波整流機(jī)組進(jìn)行仿真分析。采用傅立葉級(jí)數(shù)分析了交直流側(cè)諧波，結(jié)果表明：24脈波整流機(jī)組，不僅能夠有效減少對(duì)電網(wǎng)的污染，而且可以降低輸出直流電壓的紋波系數(shù)。

24脈波整流機(jī)組；軸向雙分裂變壓器；延邊三角形；諧波分析

隨著功率半導(dǎo)體器件和移相變壓器技術(shù)的發(fā)展，為了減少地鐵諧波電流對(duì)城市電網(wǎng)的污染，城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)由最初的6脈波整流器逐步升級(jí)為24脈波整流器，成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外主流的牽引供電裝置[1]。因此，充分研究24脈波整流機(jī)組的機(jī)理顯得特別重要。

1 24脈波整流機(jī)組主電路拓?fù)?/h2>

整流變壓器和整流器統(tǒng)稱為整流機(jī)組，如圖1所示，整流機(jī)組主要由兩臺(tái)12脈波軸向雙分裂式牽引整流變壓器和4組全波整流橋組成。每臺(tái)變壓器閥側(cè)二套繞組分別接成d接法和y接法。為獲得24脈波，每個(gè)牽引變電所內(nèi)并聯(lián)運(yùn)行的2臺(tái)整流變壓器的原邊繞組分別移相±7.5°，使2臺(tái)整流變壓器次邊4個(gè)繞組的線電壓相量互差15°，經(jīng)全波整流后，在直流側(cè)并聯(lián)運(yùn)行，輸出24脈波直流[2]。

圖1 24脈波整流機(jī)組主電路拓?fù)銯ig.1 Main circuit of 24-pulse rectifier unit

2 24脈波整流變壓器的移相原理

2.1 變壓器的選擇

（a）1號(hào)變壓器Dy11d0（網(wǎng)側(cè)移相+7.5°）

2號(hào)變壓器Dy1d2（網(wǎng)側(cè)移相－7.5°）

（b）1號(hào)變壓器Dy5d0（網(wǎng)側(cè)移相+7.5°）

2號(hào)變壓器Dy7d2（網(wǎng)側(cè)移相－7.5°）

限于篇幅，本文以（a）聯(lián)結(jié)組為例，（b）可以類推。

2.2 關(guān)于平衡電抗器的問(wèn)題

24脈波整流電路中4組整流橋輸出電壓的平均值相等，但瞬時(shí)值不等。為了使4組整流橋能夠同時(shí)導(dǎo)通，整流橋間必須接有均衡電抗器，以補(bǔ)償4組整流橋輸出電壓的差值[4]。

但是對(duì)大功率整流器來(lái)說(shuō)，平衡電抗器的存在對(duì)減小整流器體積，降低造價(jià)不利。由于變壓器的漏抗在一定范圍內(nèi)必然存在，實(shí)際應(yīng)用中，可以通過(guò)對(duì)整流變壓器的特殊設(shè)計(jì)，將變壓器的漏抗當(dāng)做平衡電抗器使[5]。

式中：Ud——整流器閥側(cè)電壓平均值；

U2L整流變壓器二次側(cè)線電壓。

2.3 整流變壓器移相的實(shí)現(xiàn)

基于以上考慮，可選擇兩臺(tái)變壓器，一臺(tái)聯(lián)結(jié)組別Dy11d0，另一臺(tái)聯(lián)結(jié)組別Dy1d2，其中D聯(lián)結(jié)繞組為延邊三角形，兩臺(tái)變壓器的接線如圖2所示。

圖2 Dy11d0—Dy1d2變壓器聯(lián)結(jié)圖Fig.2 Transformer Dy11d0—Dy1d2 connection diagram

1號(hào)變壓器Dy11d0：線電壓A1B1相位超前AB7.5°，a1b1超前A1B130°，a2b2與A1B1同相；

2號(hào)變壓器Dy1d2：線電壓A2B2相位滯后AB7.5°，a3b3滯后A2B230°，a4b4滯后A2B260°；

可依次類推線電壓a1c1、a2c2、a3c3、a4c4、b1c1、b2c2、b3c3、b4c4的相位，于是可得閥側(cè)電壓向量圖，如圖3所示[6]。

圖3 閥側(cè)電壓向量圖Fig.3 Vectorgram of value side voltage

3 24脈波整流機(jī)組MATLAB建模

3.1 仿真模型建立

24脈波整流電路仿真模型如圖4所示，其中電源為理想三相電源，接移相變壓器實(shí)現(xiàn)±7.5°相移，然后接入Δ-Δ/Δ-Y連接整流變壓器T1和T2。根據(jù)某地鐵24脈波整流機(jī)組的參數(shù)：整流變壓器額定容量為2 200 kVA，電壓比為35：1.18：1.18，依次設(shè)置模型參數(shù)。

圖4 24脈波整流電路仿真模型Fig.4 Simulation model of 24-pulse rectifier circuit

3.2 電壓輸出特性

24脈波整流機(jī)組輸出空載直流電壓波形如圖5所示。波形在一個(gè)交流周期內(nèi)脈動(dòng)24次，每個(gè)波動(dòng)的間隔為15°。

4 諧波分析

由于二極管的阻斷作用，在整流變壓器繞組中流過(guò)的是由基波電流和高次諧波電流組成的近似正弦波。直流側(cè)輸出電壓是脈動(dòng)直流，而饋入電網(wǎng)的電流則是含有諧波的非正弦電流。本文通過(guò)傅立葉分解對(duì)直流側(cè)空載電壓和注入電網(wǎng)的電流進(jìn)行諧波分析。

圖5 24脈波整流機(jī)組空載電壓波形Fig.5 The 24-pulse no-load voltage waveform

4.1 直流側(cè)空載電壓諧波分析

對(duì)于m脈波整流的輸出電壓[7]，若把縱坐標(biāo)選在整流電壓的峰值處，則在-π/m～π/m區(qū)間，整流電壓的表示式為

根據(jù)傅氏級(jí)數(shù)分析，整流電壓可分解為

由于整流電壓關(guān)于縱軸對(duì)稱，因此αn=0

又因Ud0以2π/m為周期重復(fù)出現(xiàn)，故應(yīng)有

cosn（ωt）=cosn（ωt+2π/m）=cos（nωt+2nπ/m）即 2nπ/m=2kπ（k=1，2，3…），所以n=mk，該結(jié)果表明在余弦項(xiàng)中n一定是m的整數(shù)倍。

根據(jù)傅氏級(jí)數(shù)分析，可求得

從上面的結(jié)果可知，脈波數(shù)m的增加使諧波中最低次諧波的頻率增加，同時(shí)其幅值迅速減小。12脈波整流只含有12k（k=1，2，3…）次諧波，最低次為12次；24脈波整流只含有24k（k=1，2，3…）次諧波，最低次為24次，且幅值比12脈波整流時(shí)大為減小。

整流電壓的有效值

整流電壓的諧波分量，即紋波電壓的有效值

設(shè)紋波因數(shù)為γU，則其值為

不同脈波數(shù)時(shí)的電壓紋波因數(shù)如表1所示。從表中數(shù)據(jù)可看出，隨著整流脈波數(shù)的增加，紋波因數(shù)值迅速減小。

表1 不同脈波數(shù)時(shí)的電壓紋波因數(shù)值（％）Tab.1 Voltage ripple factor values of different pulse

4.2 注入電網(wǎng)的諧波電流分析

帶負(fù)載（純電阻負(fù)載）運(yùn)行時(shí)[2，8]，兩組12脈波整流電路完全對(duì)稱，由T1和T2兩臺(tái)變壓器注入電網(wǎng)的合成電流 的傅氏級(jí)數(shù)形式如下：

整流器是電網(wǎng)中的主要諧波源，特征頻譜為n=kp±1 ，可知當(dāng)脈波數(shù)p增大，n也相應(yīng)增大。而In≈I1/P，故諧波電流將減少。12脈波整流機(jī)組注入電網(wǎng)的主要是12k±1（k=1，2，3…）次諧波，最低次為11、13次；24脈波整流機(jī)組注入電網(wǎng)的主要是24k±1（k=1，2，3…）次諧波，最低次為23、25次。

5 結(jié)束語(yǔ)

采用24脈波整流機(jī)組，網(wǎng)側(cè)電流諧波含量大大降低，減少了對(duì)電網(wǎng)的污染；同時(shí)輸出直流電壓的紋波系數(shù)較小，直流電壓質(zhì)量較高，為機(jī)車提供了優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定的電能。24脈波整流機(jī)組總的費(fèi)用雖然會(huì)較12脈波整流機(jī)組有所增加，但與其所獲得的性能提升相比是微不足道的。有資料顯示，使用國(guó)產(chǎn)24脈波整流機(jī)組，電流諧波的含量比12脈波整流機(jī)組減少了約50％，而其成本僅增加了約15％。因此，24脈波整流機(jī)組將在地鐵中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

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The mechanism analysis of 24-pulse recti fi er unit for city track traf fi c

LI Zhi-wei，QIU Rui-chang，LI Shu-ying，XI Hai-kuo
（Beijing Engineering Research Center of Electric Rail Transportation，The School of Electrical Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China ）

This paper analyzes the mode of connection and the principle of the 24-pulse rectifier of DC power supply system of city track.Taking advantage of SIMULINK in MATLAB，a simulation on 24-pulse rectifier unit is also taken；meanwhile harmonic current with Fourier series is analyzed.The results show that 24-pulse rectifier unit can reduce the pollution of the grid.At the same time，the output DC voltage ripple coefficients become smaller.

24-pulse rectifier unit；axial double split transformer；stretch triangle；harmonic analysis

TN710.1

A

1674-6236（2014）11-0057-04

2014-04-07 稿件編號(hào)：201404055

國(guó)家科技支撐項(xiàng)目（2013BAG24B01）

李智威（1988—），男，山西呂梁人，碩士研究生。研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)。