一种新型24脉波整流器的应用研究

出电压将变为:
VO, 1 = VO/ 2( 1+ 2/ N 2)
( 3)
VO, 2 = VO/ 2( 1- 2/ N 2)
( 4)
当整流器 2 输出电流大于整流器 1 输出电流
时, 注入电流反向, 注入电压变为同样幅值的负值。
两整流器输出电 流移相 30b, 注入电流 和电压与其
同步, 而且频率为供电频率的 6 倍。如图 3 所示, 注
本文所采用的整流器引入低功率谐波 注入电 路, 给整流电路 DC 侧注入电压, 使网侧输入电流得 到增强, 从而使一个 12 脉波系统呈现 24 脉波特性。 它无需常规 24 脉波电路的复杂移相设备和附加整
流桥, 降 低了成本。另外, 采用两整流桥串联的方 式, 克服了多脉冲整流器电流不平衡的问题[3- 5] 。
VR1G相同, 但是分别移相 120b和 240b。公共点电压
VNG由 式( 5) 决定, VR1N 也可由 式 VR1N = VR1G -
VNG 得出。
VNG =
VRIG + VY1G + VB1G 3
( 5)
整流器 2 输入端到输出直流侧中点的电压波形 VR2G和 VB2G 如图 4 所示。当输入电流 I R2为正时, R2 输 入 端 连 接 到整 流 电 路 输 出端 的 正 极, 电 压 VR2G等于 VO / 2; 当输入电流 I R2变为负时, R 2 整流 臂下桥臂导通, R2 连接到整流器 2 输出端的负端, 因此 VR2G 等于注入电压 Vi 。 VB2G 和 VR2G 波形也 相同, 但是移相 240b。电压 VRR1由式 VRR1= ( VR2G
表达式为:
VO, 1 = VO / 2 + Vi
( 1)
VO, 2 = VO / 2 - Vi
( 2)
当整流器 1 供给的电流大于整流器 2 供给的电
流时, 注入电流为负。根据变压器同名端的关系, 负
电流将流过感应线圈, 使二极管 D3 和 D4 导通。电 压 VO 将施加到感应线圈上, 折算到注入线圈上为 VO/ N 2。N 2 为注入变压器变比。因此主整流器输
时电流不相等。当输出滤波电容器的公共点和串联 整流器的公共点连到一起时, 将流过相当于 6 倍于 供电频率的电流。图 2 所示等效电路说明了电流的 形成。将整流后的电流用相 同的 6 脉 波电流源代 替, 变压器 2 原边的负端给整流器 1 供电, 角接变压 器给整流器 2 供电, 使图 2 中的 2 个电流源有相同 的均值, 但是相位相差 P/ 6。因两电流源瞬时值不
图 5 系统仿真模型
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城市轨道交通研究
仿真参数如下: 变压器 1 原边电压为 35 kV, 副 边电压为 997 V; 变压器 2 原边电压为 997 V, 副边 电压为 997 3 V; 变压器 3 原边电压设置为 371 V, 副边电压 1 500 V; C 1= C2= 141 LF; 负载为 4 8。
A Novel 242Pulse Rectifier in URT P ower Supply Xie Fang, Feng Xiaoyun, Liu Zhiming, Song Wengsheng Abstr act I n order to reduce the cost of r ectifier and the har2 monic of power supply curr ent, a thr ee phases, multi2pulse rec2 tifier circuit is applied in t he power supply circuit of urban mass t ransit. The circuit topology is simple, which adopts a low power har monic injection circuit to enhance the performance of t he circuit, and makes the circuit to have the 242pulse character2 istics. T hus, the sinusoidal curr ent in AC side is r ealized, the harmonic content is r educed to less than 3% of the total har2 monic distortion. The feasibility of the rect ifier is proved with SI MULINK. Key words urban rail transit; feeding; injection circuit; 242 pulse; rectifier Fir st2author . s address School of Electrical Engineer ing, Sout hwest Jiaotong University, 610031, Chengdu, China
此无源注入技术建立在两个串联连接的主整流 器瞬时电流不相等的基础上, 特征是产生 6 倍于供 电频率的方波电压。此电压注入到两整流器中点和 输出滤波电容中点之间。在主整流器输出端产生 3 电平阶梯波, 进而使变压器 1 的原边电压波形呈现 24 脉波特性。
2 整流电路工作原理
2. 1 无注入电路的整流器串联联接 串联连接的整流器在两整流器输出之间产生瞬
图 6 为直流侧输出电压 1 个周 期的波形, 图 7 为其谐波频谱分析。从图 6- 7 中可以看出, 输出电 压 1 个周期有 24 个脉波, 减小了脉动系数; 较明显 的谐波出现在第 24 次谐波, 呈 24 脉波电路的特性。 图 8 为网侧 A 相电流波形, 图 9 和图 10 为其谐波分 析。由图 8- 10 可以看出: 加入注入电路后, 电流波 形改善显著, I A 波形非常接近正弦, 而且仅比 A 相 电压滞 后一个 较小的 角度 ( A 相电压 初始 相角 为 零) , 说明网侧电流谐波小, 功率因素高。通过选取 适当的参数, 整流电路的功率因数可以大于 0. 985。 网侧电流较明显的谐波出现在 23 次和 25 次, 分别 仅为 1. 07% 和 0. 89% , 主 要谐波成为 24K ? 1 次 ( K = 1, 2, , ) , 减少了低次谐波含量。这对降低电 网谐波污染至关重要。
第2期
研究报告
一种新型 24 脉波整流器的应用研究
谢 方 冯晓云 刘志敏 宋文胜
( 西南交通大学电气工程学 院, 610031, 成都 M第一作者, 硕士研究生)
摘 要 为 降低整流器 成本, 减少供 电电网 谐波, 拟将 一种 新型三相、多脉波整流 器应用 到城市 轨道交 通供电 系统 中。 该电路拓扑结构简单, 采用一种低功率谐波注入电路 以增强 电路性能, 并使电路具有 24 脉波特性; 可实现网侧电 流正弦 化, 谐波含量减少, 整 个谐 波畸 变率 小于 3% 。通 过仿 真验 证了该应用的可行性。 关键词 城市轨道交通; 供电; 注入电路; 24 脉波; 整流器 中图分类号 U 231+ . 8; TM 461
参考文献
[ 1] 魏雪亮, 张宏, 史建华. 轴向双 分裂式 12 相 24 脉波移相牵 引
电流 注 入 电 路 中 将 产 生 24 脉 波 特性 的 输 入 电 流[ 3- 5] 。
图 1 24 脉波 电压注入整流电路
图 2 不带注入电路的等效电路 图 3 注入电路理想波形的形成
2. 2 注入电路的工作原理
如图 1 所示, 电流 Ii 流过变压器的注入线圈,
产生注入电压 Vi, O, 整流器输出电压 VO, 1和 VO, 2
- VB2G) / 3 得 出。 由图 4 可 以推 出 电压 VRN = VR1N+ VRR1, 而电压 VAN. = VA + N 1 @ VRN, 所以 其具有和 VRN一样特征的波形。在其它供电相位 时刻, 可 以 得到 相同 的 波形 组, 不 同 的只 是 移相 120b和 240b。
3 在城市轨道交通中的应用及仿真
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城市轨道交通研究
2008 年
相等, 电流差值即为电容器和整流器之间的电流 I i 。 如图 3 所示, 顶部波形代表整流器 1 的供电电流 I 1 和整流器 2 的供电电流 I 2; 第二个波形表示注入电 流 I i , I i 为 I 2 与 I 1 之差。如果取消中点之间的连
接, 电流不匹配将使整流器输出电压在 0 和 VO 之 间以 6 倍于供电频率的频率自然切换。此特征用在
为了降低整流机组一次侧交流电压波形畸变及 输出直流电压的纹波系数, 城市轨道交通中越来越 多地开发研制 24 脉波整流机组。通常采用的 24 脉 波整流机组由 2 套 12 脉波整流机组构成。2 个整 流变压器高压网侧并联的绕组分别采用 ? 7. 5b外延 三角形联接。其结构复杂, 使用元件较多, 因而造价 比较高[1, 2] 。
为了 验 证 理 论 分 析 的 正 确 性, 基 于 Mat lab/ Simulink 软件建立了如图 5 所示的仿真模型。图 5 中变压器 1 为原副边均为星接的双绕组变压器, 原 边供给 AC 35 kV 的三相交流电压 VA、VB、VC, 降 压为满足地铁供电要求的输入电压。变压器 2 为一 个星- 三角移相变压器, 由一个 12 端口的三相变压 器搭建而成。原边绕组串联在电路中, 正极接到变 压器 1, 负极接到整流器 1。副边绕组接成三角形, 抽头接到整流器 2。这样就形成星- 三角移相变压 器, 使得整流器 1 和整流器 2 的输出电压移相 30b。 2 个 6 脉波整流器串联连接, 其连接中点接入电压 注入电路, 正负端接到整流器输出的正负端。右端 接 2 个均压电容, 再接到负载。可以看出, 与常用的 24 脉波电路比较, 整个电路结构简单, 大大地降低 了成本。
图 4 24 脉波 VRN波形的产生
图 4 中前三个波形是整流器 1 输入端到输出直
流侧中点的电压波形 VR1G、VY1G和 VB1G。当输入
电流 I R1是负值时, R1 桥臂下端的二极管导通, VR1G 等于- VO/ 2; 当输入电流为正时, R1 上桥臂导通, VR1G等于注入电压 Vi 。波形 VY1G 和 VB1G 与波形
入电流相对于负载电流较小, 而且注入电压比输出
电压小 N 2 倍。所以注入电路的额定功率较小, 约 为整个输出功率的 2% 。
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第2期
研究报告
2. 3 24 脉波波形的产生 图 4 说明了如何改变 VO, 1和 VO, 2, 补偿 3 电平
阶梯波, 而在变压器 1 副边产生具有 24 脉波特性波 形的过程。
1 整流电路概述
整流电路原理如图 1 所示。两个三相桥式整流 器采用串联连接。其中一个由变压器 2 的星- 三角 移相变压器供电, 另一个与变压器 2 的原边绕组串 联。通过选择变压器 2 的原副边变比为 1/ 3, 供给 两整流器相同的电流幅值, 但是移相 30b。
若没有采用注入电路, 在移相变压器和两个串 联整流器的作用下, 电路在输出端将输出 12 脉波电 压。而引入注入电路, 将在变压器 1 副边产生一个 多电平的合成电压( 原边电压为合成电压的 N 1 倍) , 并与网侧电源叠加, 施加给变压器等效漏抗, 形 成多电平电流, 从而改善输入电流的特性。注入电 路由一个单相变压器和单相整流桥组成。其中变压 器原边线圈称作注入线圈, 副边线圈称作感应线圈。
2008 年 图 9 网侧电流谐波频谱
图 6 直流侧输出电压波形
图 7 直流侧输出电压频谱
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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图 8 网侧电流 IA 波形
图 10 网侧电流 FFT( 快速傅里叶) 参数分析
4 结语
本文拟将一种新的整流电路拓扑结构应用于城 市轨道交通供电电路中, 通过采用注入电路回馈部 分能量, 从而改善了网侧电流的波形。仿真结果表 明: 该整流电路拓扑结构在采用较少元器件的同时, 改善了网侧电流的质量, 减少了谐波含量, 保证了较 高的功率因数, 具有优越的性能。