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)大功率整流器來說，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)。