基于变压器延边三角形接法的城轨24脉波整流机组的研究

基于变压器延边三角形接法的城轨24脉波整流机组的研究陈欢;宋平岗;章伟;游小辉;周振邦

【摘要】分析了城轨交通牵引供电系统中基于移相整流变压器网侧绕组延边三角形接法的24脉波整流机组工作机理,对移相变压器的移相及其对网侧电流谐波相消进行了公式推导.基于Matlab/Simulink构建城轨24脉波整流机组模型并仿真.对整流机组网侧和直流侧的电流谐波进行FFT分析,得出其分布规律,验证了所推导的谐波电流相消公式的正确性.最后对整流机组输出的直流电压纹波系数进行计算,计算结果表明其输出的直流电压能够满足牵引网直流母线电压所需的供电质量要求.【期刊名称】《电气传动自动化》

【年(卷),期】2016(038)001

【总页数】6页(P1-6)

【关键词】牵引供电系统;24脉波整流机组;延边三角形接法;谐波;FFT

【作者】陈欢;宋平岗;章伟;游小辉;周振邦

【作者单位】华东交通大学电气与电子工程学院,江西南昌330013;华东交通大学电气与电子工程学院,江西南昌330013;华东交通大学电气与电子工程学院,江西南昌330013;华东交通大学电气与电子工程学院,江西南昌330013;华东交通大学电气与电子工程学院,江西南昌330013

【正文语种】中文

【中图分类】TM461

供电系统作为城轨交通中至关重要的一环，其主要包括牵引供电系统、中压环网系统以及低压供配电系统等3大部分［1］。而其最核心的部分就是牵引供电系统。它为城轨交通维持正常有序安全的运行提供了强有力的供电保障。牵引变电所中的整流机组经由城市中压交流系统引入供电电源（根据工程概况的不同，国内通常采用的城市中压供电系统电压有AC 10kV、33kV、35kV三种制式），然后经整流

机组降压整流成DC1500V或DC750V，输出至牵引网，为城轨列车提供牵引动力。然而以往采用的6脉波、12脉波整流机组在运行过程中产生的谐波电流会对

城市电网产生较大的谐波干扰。为减少其影响，同时改善整流装置输出的电压纹波，提高牵引网直流母线电压的供电质量，近年来，越来越多的城轨交通牵引变电所开始装设24脉波整流机组，因此对24脉波整流机组进行研究具有相当的实际应用

价值。

牵引变电所中的24脉波整流机组主要由2台相同容量的12脉波轴向双分裂式牵

引移相整流变压器和4组由三相全波整流桥构成的整流器2部分共同组成［2］，图1所示为其原理图。

整流机组中的每台整流变压器阀侧有两套低压绕组。分别采用Y型接线和△型接线，这样整流变压器阀侧的2套绕组的线电压就天然形成30°的相位角。2台整流变压器的网侧绕组采用2种不同的延边三角形接线方式进行移相，左延△接法实现移相＋7.5°，右延△接法实现移相－7.5°［3］。通过这种移相处理，得到的4套阀侧绕组的线电压就互差15°的相位角。它们各自经过由三相全波整流桥构成的整流器整流，在4组整流器的直流侧并联运行，组成2×12脉波整流系统，从而向牵引网

输出24脉波的直流电源，为城轨列车提供牵引动力。

24脉波整流机组采用移相整流变压器实现移相±7.5°。这种特殊的变压器一次侧绕组一般采用延边三角形接法，二次侧绕组采用Y型或者△型接法［4］。为了叙述

方便，将一次侧延边接法二次侧Y型接法的移相变压器简称Ⅰ类移相变压器，一

次侧延边接法二次侧△型接法的移相变压器简称Ⅱ类移相变压器。下面分别对这两种移相变压器如何实现移相进行研究。

3.1 Ⅰ类移相变压器移相

如图2（a）所示为Ⅰ类移相变压器的绕组接线图，如图2（b）所示为其向量图。图中θ为二次侧线电压Vab滞后一次侧线电压VAB的角度。

以一次侧线电压AB为参考电压，规定ab超前AB时，移相角度θ为正。从向量图AB、AY和N3构成的三角形中，根据正弦定理相关知识，得到：其中：VN3为N3线圈的电压有效值；VBY为B、Y两点间的电压有效值；θ的取值范围为考虑三相对称系统，VBY＝VAX，式（2）可改写成：

不考虑线圈磁通饱和情况，线圈上的电压与其匝数成正比，得到：

同理，可以推导得到：

由于VBY＝VAX，则得到：

将式（7）代入式（6），得到：

由于Vax＝Vab，则变压器一次侧延边绕组和△绕组的匝数比为：

式中：－30°≤θ≤0°。根据式（4）和式（9），可知：当变压器一、二次侧线电压VAB、Vab给定时，通过改变一次侧延边绕组、△绕组以及二次侧绕组的匝数，就可实现移相不同的角度θ。反之，当移相角θ给定时，N3、N2与（N1＋N3）的比例也就确定了。

3.2 Ⅱ类移相变压器移相

Ⅱ类移相变压器的绕组接线图及其向量图如图3所示。图中θ为二次侧线电压Vab滞后一次侧线电压VAB的角度。

基于与Ⅰ类同样的分析方法，可推导出变压器一次侧延边绕组匝数N3、△接绕组的匝数N1以及二次侧绕组匝数N2与移相角θ的关系式，式中

24脉波整流机组本质上是由2个分别移相±7.5°的12脉波整流器组成［5］。以

图4所示的24脉波串联型二极管整流器为例对移相变压器的网侧电流实现谐波消除进行了数学公式推导。为了分析方便，其中24脉波二极管整流器的输出端带大电感负载。

考虑三相对称系统，假定移相变压器网侧输入电压ea、eb、ec为：

式中：为网侧输入电压n次谐波的峰值。

以A相为例，网侧输入电压ea经过24脉波整流器中的移相变压器移相后，在变

压器的二次侧会得到4组相位依次相差15°的相电压ea1、ea2、ea3、ea4，分别表示为：式中：E赞′m为移相变压器的输出电压的峰值。

综合A、B、C三相，图中整流器的输出侧带有大电感负载，使得每组三相不可控

全波整流桥在一个周期内输入的相电流为120°的方波电流。

图4中移相角θ＝－7.5°的整流桥输入电流为：

同理可以推导出其它3组整流桥输入的A相电流Ia2、Ia3、Ia4：

则流入变压器一次侧A相的网侧电流IA为：

式（17）中，折算到变压器一次侧电流中的5、7、11、13、17、19…次谐波的

值为0，使得网侧电流只存在24k±1次谐波，从而实现网侧电流部分低次谐波相消。

变压器制造商常用以下2种联结组方式构成24脉波整流变压器：①1＃变压器采

用Dy11Dd0联结方式，2＃变压器采用Dy1Dd2联结方式（分别实现网侧A、B、C三相相电压移相±7.5°）；②1＃变压器采用Dy5Dd0联结方式，2＃变压器采

用Dy7Dd2联结方式［6－8］。

本文对基于第一种联结组方式构成的24脉波整流机组进行研究，它具有以下特征：

①两台整流移相变压器之间的互换只需改变变压器一次侧接入电网相序即可实现；

②电流的3的倍数次谐波在采用D接线网侧绕组中流通会形成环流，谐波电流不

能注入到电网，从而减小其对电网的危害［9－12］。