完整版)二十四脉波整流资料

完整版)二十四脉波整流资料
地铁直流牵引供电系统中的整流机组是重要的设备之一。

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。

该机组由两台相同容量12脉波的整流变压器和与之匹配的整流器共同组成。

整流机组的作用是将35kV AC（或33kV AC）降压、整流，输出1500V DC（或750VDC）电压供给地铁接触网，实现直流牵引。

整流变压器宜采用干式、户内、自冷、环氧树脂浇注变压器。

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，并应考虑通风流畅、接线方便，同时便于维护、维修。

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。

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。

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。

的相位角为-22.5°；
二次侧电压相量U
b3c3
的相位角为-157.5°。

2)对于变压器T2
一次侧电压相量U
A1C1
的相位角为-22.5°；
二次侧电压相量U
a3b3
的相位角为67.5°；
二次侧电压相量U
b2c2
的相位角为-112.5°。

在选择地铁整流机组的规格时，建议采用带三角形联结的变压器，并尽可能增加整流的相数。

具体来说，变压器可以采
用Dy11d0-Dy1d2或Dy5d0-Dy7d2联结。

对于采用Dy11d0-
Dy1d2联结的整流机组，单台变压器运行时只能产生12脉波，需要两台并联运行才能获得24脉波。

同样地，对于采用
Dy5d0-Dy7d2接线的整流机组也是如此。

在实际运行中，如果一台变压器退出运行，则可以联跳另一台变压器，以邻近变电所实现大双边供电，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，只需要改变一次侧接入电网的相序即可实现互换。

另外，可以选择两台轴向双分裂的变压器，一台联结组为Dy11Dd0，另一
台为Dy1Dd2，以防止励磁电流的3次谐波或零序分量流通，
从而避免注入电网的三倍次谐波或三的整数次谐波电流。

相应的变压器结构和相量图如图3-4和图3-5所示。

通过分析相量图，可以得出各个电压相量的相位角。

在MATLAB-simulink环境下，我们使用电力电子系统工
具箱（Power ___）对24脉波整流电路进行仿真。

该模型是基
于该工具箱建立的[14]。

24脉波整流电路的仿真模型如图4-1所示[15]。

电源为三
相对称交流电压源，电源侧绕组采用延边三角形接线，通过移
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。

为了减少输出谐波，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。

我们设置了三相对称交流电压源的幅值为35kV，频率为
50Hz，相位分别为0°，120°，-120°。

移相变压器的移相角度
分别为+7.5°和-7.5°。

整流变压器的三个绕组额定电压分别为
10kV，1180V，1180V。

使用默认值的三相二极管整流桥，以
及R=200Ω，L=0，C=inf的RLC负载。

通过以上参数设置，我们得到了24脉波整流电路的仿真
结果。

本文介绍了整流机组的空载输出电压波形分析和计算方法。

采用了ode23tb数值算法进行仿真，仿真时间为0.04s，周期
为0.02s。

在纯电阻负载情况下，观察到了输出电压Ud的波形，如图4-6所示。

在分析整流机组的直流输出波形时，需要考虑整流变压器二次侧“△”型绕组和“Y”型绕组相接的情况。

对于“△”型绕组，整流桥输出电压为6脉波，换相导通角为π/3，输出脉波的宽
度也为π/3.而对于“Y”型绕组，整流桥输出电压同样为6脉波，换相导通角也为π/3，但会滞后“△”桥整流机组空载输出电压
波形30°。

在计算整流机组阀侧“△”接线电压空载电压输出脉波的幅
值时，需要注意到“Y”绕组的匝数是“△”绕组匝数的1/√3，因
此它们的线电压是相等的。

整流变压器T1“△”桥和“Y”桥整流
机组空载电压叠加后得到12脉波的空载直流输出电压，其脉
波宽度为π/6，幅值仍为√2倍的阀侧线电压。

输出电压波形如
图4-4所示。

同理，T2整流机组的输出空载直流电压波形具有15°的相位差，如图4-5所示。

cosωt，周期ωT=π/6.与6脉波相比，12脉波直流电流的谐波含量更低，直流电流均方根值I
dN
为：
I
dN
3π133
226Icos td t I
dm
0.I
dm
5-8）
πdmπ
12
24π
直流电流平均值I
d
为：
3π3
I
d
12
π
I
dm
cos td t I
dm
5-9）
π
12
π
将i
d
I
dm
cosωt展开成___级数，其一般形式为：1
i
d
a(a
n
cosn t b
n
sinn t)（5-10）2
n 1
π2T126
a 2
T
I
dm
cos td t I dm
12
π
cos td t I dm
5-11）
T
2
ππ
12
3I
dm
2π
a
n
2
π
I
dm
cos tcosn td t（5-12）2T
2
π(n1)
2π
b
n
2
π
I
dm
cos tsinn td t（5-13）
T
2
所以
i
d
31
n=12k(k=1,2,3…)（5-14）I
dm
1
2
cosn t）
πn 1
等式右侧首项为直流分量，其等于直流电流平均值I
d
余项为交流分量，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2.7%。

3)24脉波直流电流
图5-1(c)为24脉波直流电流波形，其表达式i
d
I
dm
cosωt，周期ωT=π/12.与6脉波和12脉波相比，24脉波直流电流的谐波含量更低，直流电流均方根值I
dN
为：
I
dN
3π133
226Icos td t I
dm
0.I
dm
5-15）
πdmπ
24
24π
直流电流平均值I d
为：
3π3
I
d
24
π
I
dm
cos td t I
dm
5-16）
π
24
π
将i
d
I
dm
cosωt展开成___级数，其一般形式为：1
i
d
a(a
n
cosn t b
n
sinn t)（5-17）
2
n 1
π2T246
a 2
T
I
dm
cos td t I dm
24
π
cos td t I dm
5-18）
T
2
ππ
24
3I
dm
2π
a
n
2
π
I
dm
cos tcosn td t（5-19）2T
2
π(n1)
2π
b
n
2
π
I
dm
cos tsinn td t（5-20）
T
2
所以
i
d
31
n=24k(k=1,2,3…)（5-21）I
dm
1
2
cosn t）
πn 1
等式右侧首项为直流分量，其等于直流电流平均值I
d
余项为交流分量，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1.4%。

Cosωt的周期为ωT=π/6，根据公式可以计算得到直流电流均方根值IdN为：
IdN = π/612 √(13+22Icosωt)
直流电流平均值Id为：
Id = π/612 ∫π/2-Icosωtdωt = sinI dm
直流电流的___级数为：
Id = sinI dm (1±∑2cosnωt)，其中n=12k(k=1,2,3…)
公式右侧的第一项是直流分量，等于直流电流平均值Id，余项是交流分量，由n=12k(k=1,2,3…)次谐波电流之和组成，
当k为奇数时谐波为正，k为偶数时谐波为负。

由此可以计算
得到12脉波直流电源中总谐波电流均方根值约为直流电流平
均值的1.03%。

24脉波直流电源的直流电流均方根值IdN为：
IdN = π/1224 √(16+22Icosωt) = 16π/22 = 7.27I dm
直流电流平均值Id为：
Id = π/1224 ∫π/2-Icosωtdωt = sinI dm
直流电流的___级数为：
Id = sinI dm (1±∑2cosnωt)，其中n=24k(k=1,2,3…)
公式右侧的第一项是直流分量，等于直流电流平均值Id，余项是交流分量，由n=24k(k=1,2,3…)次谐波电流之和组成，
当k为奇数时谐波为正，k为偶数时谐波为负。

由此可以计算
得到24脉波直流电源中总谐波电流均方根值约为直流电流平
均值的0.26%。

图5-2展示了直流侧电流的频谱分析结果，可以看出随着
脉数的增加，谐波含量逐渐降低。

根据理想状态下的理论分析，对24脉波整流电路进行了
仿真，并对直流侧输出电流波形进行了频谱分析，结果如图
5-2所示。

总之，除了直流分量外，p脉波直流侧电源中所含
的谐波电流次数n均为p的整数倍，即n=kp，其中p为脉波数，k为1、2、3…等整数。

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）展示了在理想状态下，Y（D）结绕组在一
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。

其中，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：
i
___
ωt)=Icos(ωt-π/4)。

[0~π/2]
i
___
ωt)=I
dm
cos(ωt+)。

[π/2~π]
i
___
ωt)=0.[π~2π]
将Y结阀侧绕组相电流i ___
展开成___级数得：
i
___
ωt)=a
2+∑(a
n
cosnωt+b
n
___)（n=1,3,5…）
由于i
___
ωt)=i
___
ωt+π)，故不出现直流分量和偶次谐波分量，因此有：
a
b
n
2/T∫
T/2
T/2
i
___
ωt)sinωtdωt
带入公式得：
b
1
3I
dm
2πb 3 I dm 2πb 5 I dm 2πb 7 I dm 2πb 9 I dm
2π
b
11
I
dm
2π
将以上结果带入___级数公式得到：
i
___
ωt)=3I
dm
2π(1+cosωt)-I
dm
2πcos3ωt+I
dm
2πcos5ωt-I
dm
2πcos7ωt+I
dm
2πcos9ωt-I
dm
2πcos11ωt
其中，i
yz1
ωt)=3I
dm
2π(1+cosωt)为基波分量，其余各项为谐波分量。

绕组电流均方根值为：
I
___
2π/√13
式（5-29）中，基波电流为(1+cosωt)，其余为谐波电流。

绕组电流均方根值为2.9894I，基波电流均方根值为2.9835I，总谐波电流均方根值为0.1878I。

总谐波电流均方根值与基波电流均方根值的比值为0.063:1，而绕组电流均方根值占基波
电流均方根值的百分数为100.20%。

图5-7展示了24脉波牵
引整流变压器注入电网的谐波含量，可以看出主要是
24k±1(k=1,2,3…)次谐波，而直流侧输出的直流电流谐波含量
对基波的比值很小，馈入电网的交流电力谐波含量也大为降低。

广州地铁一号线车辆段牵引变电所内设置了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。

变流器等非线性电力设备
接在电网中使用时，它们向电网注入谐波电流，从而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，减少整流装置产生的谐波可以减少地铁供电系统110kV侧注入公用电网的谐波量。

24相轴向双分裂整流变压器是地铁牵引供电系统中的主
要设备之一，其技术参数如表6-1所示。

该变压器采用环氧树
脂浇注绝缘介质，有4个绕组，额定容量为2500kVA，移相
角度为±7.5°，联结组别为Dd0-y5或Dd2-y7，额定电压为
33/1.18/1.18kV，短路阻抗为8.01，绝缘等级为F级。

12] ___在《上海工程技术大学学报》上发表的文章研究了24脉波移相牵引整流变压器网侧绕组。

13] ___和___在《变压器》上发表的文章分析计算了轴向双分裂12脉波牵引整流变压器的均衡电流。

14] ___的著作《电力电子与电力拖动控制系统的MATLAB仿真》由机械工业出版社出版。

15] ___、___和___在《城市轨道交通研究》上发表的文章仿真了24脉波整流器的外特性，并探讨了其在城市轨道交通中的应用。

16] ___在《铁道勘测与设计》上发表的文章分析了等效24脉波整流机组的原理。

17] ___、___和___等在《变压器》上发表的文章计算分析了24脉波整流变压器的谐波。

18] ___、___和___在《变压器》上发表的文章介绍了24相轴向双分裂整流变压器。