二十四脉波整流资料.doc

3． 24脉波整流机组 整流机组是地铁直流牵引供电系统中的重要设备之一。整流机组的设计、结构特点和保护方式关系到整个直流牵引供电系统的正常运行。目前，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，一般都由两台相同容量l2脉波的整流变压器[9]和与之匹配的整流器共同组成。 3.1 24脉波整流机组的作用及要求 在地铁供电系统中， 牵引变电所高压侧的电压多为35kV AC(或33kV AC)，而接触网的电压为1500V DC(或750V DC)，所以需要降压和整流。整流机组包括整流变压器和整流器，其作用是将35kV AC(或33kV AC)降压、整流，输出1500V DC(或750V DC)电压供给地铁接触网，实现直流牵引。地铁牵引变电所一般设于地下，所以整流机组也安装在地下室内。 整流变压器宜采用干式、户内、自冷、环氧树脂浇注变压器，其线圈绝缘等级为F级，线圈温升限值为70K/90K(高压，低压)，其承受极限温度为155℃，铁心温升在任何情况下不应产生损坏铁心金属部件及其附近材料的温度。在高湿期内可能产生凝露，应采取措施防止凝露对设备的危害。 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，二极管及其它元件的布置应考虑通风流畅、接线方便，同时便于维护、维修。整流器与外部连接的跳闸信号采用接点方式，报警信号采用数字方式。柜的上部及底部开口，采取措施防止小动物进入，正面和后面有门，各部件与柜应绝缘。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[10]。 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。整流器每个臂并联整流管的电流不平衡度小于10%。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。 3.2 24脉波整流机组的构成 24脉波整流机组的主电路原理图如图3-1所示。整流机组主要有两台12脉波轴向双分裂式牵引整流变压器和四组全波整流桥组成。每台变压器阀侧二套绕组分别接成d接法和y接法，其线电压天然形成30°的相差。两台变压器的网侧采用延边三角形接法，分别移相±7.5°，这样形成的两台变压器的四套阀侧绕组的线电压相量互差15°相位，分别经全波整流后，在直流侧并联运行，形成24脉波整流系统。 图3-1 24脉波整流机组主电路原理图 3.3 24脉波整流机组原理分析 图3-2为轴向双分裂式变压器的绕组布置示意图。这种变压器的网侧为一个不分裂的绕组，分为上下两个支路，两支路并联联结。两组阀侧绕组沿轴向布置于同一铁心柱上，其本身并没有串联或并联，而是将其头尾各自采用y联结和d联结分别引出，分裂成两个支路。这种阀侧绕组分裂为两个支路布置在同一个铁心柱上的轴向双分裂变压器可以使阀侧两个支路并联运行，同时向负载供电，即同时各供一三相桥式整流器。 阀侧绕组一组采用y联结，另一组采用d联结，使它们的线电压有效值相等。变压器阀侧绕组同名端线电压的相位差为2π/12(电角度为30°)，这就形成每周期含有12脉波的6相整流系统。如果有两台这样的变压器，一台移相+7.5°，另一台移相-7.5°，两台变压器组成一套移相变压器组，这就形成了12相24脉波的移相变压器，其阀侧同名端线电压的相位差为2π/24(电角度为15°)，阀侧电压相量图如图3-3所示。 图3-2 轴向双绕组双分裂变压器绕组布置 图3-3 阀侧电压相量图 在选择地铁整流机组的规格时，尽量考虑采用带三角形联结的变压器，同时尽可能的增加整流的相数，变压器采用Dy11d0-Dy1d2或Dy5d0-Dy7d2 都符合这一设想。变压器采用Dy11d0-Dy1d2联结的整流机组，单台变压器运行时只是12脉波，要获得24脉波，需两台并联运行。对于变压器采用Dy5d0-Dy7d2接线的整流机组同样如此。在实际运行时，一台变压器退出运行，则联跳另一台变压器，可通过邻近变电所实行大双边供电保证列车运行。如果只运行一台变压器，则电网谐波含量会较正常时增加。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，从Dy11d0-Dy1d2的结法可以看出，两台变压器的互换只需改变一次侧接入电网的相序即可。当励磁电流的3次谐波或零序分量能够流通时，三倍次谐波或三的整数次谐波电流就不注入电网，可选择两台轴向双分裂的变压器，一台(T1)联结组为Dy11Dd0，如图3-4所示；另一台(T2)为Dy1Dd2，其中D联结为延边三角形，如图3-5所示。根据两台变压器的接线，可绘制出其相量图如图3-6(T1)和图3-7(T2)所示[11]。 （a）高压绕组 （b）低压绕组 （a）高压绕组 （b）低压绕组 图3-4 T1整流变压器Dy11-d0绕组联结图 图3-5 T2整流变压器Dy1-d2绕组联结图 （a）一次侧D结绕组联结 （b）二次侧y结绕组相量图 （c）二次侧d结绕组相量图 图3-6 变压器T1的结构及相量图 （a）一次侧D结绕组联结 （b）二次侧y结绕组相量图 （c）二次侧d结绕组相量图 图3-7 变压器T2的结构及相量图 分析图3-6和3-7的相量图可知，若以水平右方向为参考方向，则可得其它电压相量的相位角分别为： (1) 对于变压器T1 一次侧电压相量UA1B1的相位角为112.5°； 二次侧电压相量Ua2b2的相位角为142.5°(y结)，Ua3b3的相位角为112.5°（d结）。 (2) 对于变压器T2 一次侧电压相量UA1B1的相位角为127.5°； 二次侧电压相量Ua2b2的相位角为97.5° (y结)，Ua3b3的相位角为67.5°(d结)。 观察图3-6和3-7的相量图并利用上述分析的结果可知，对于同一台变压器，其阀侧(二次侧)绕组同名端线电压的相位差为30°(142.5°-112.5°=97.5°-67.5°=30°)；而两台变压器的网侧(一次侧)并联接入电网时，相当于其一次侧各移相7.5°(不同的旋转方向)，使T1变压器一次侧三角形绕组电压与T2变压器原边三角形绕组线电压有15°的相位差(127.5°-112.5°=15°)，而两台变压器二次侧对应的线电压相位差为45°(142.5°-97.5°=112.5°-67.5°=45°)，上述结果如图3-8所示。 图3-8 两台变压器的相量关系图 图3-9 磁势平衡相量图 3.4 24脉波移相整流变压器网侧绕组分析 1. 网侧绕组电压、匝数及移相角的确定 网侧绕组的±7.5°移相是通过两种不同的延边三角形接线来实现的，其绕组接线原理图与相量图分别如图 3-4(3-5)和3-6(3-7)所示。 由于二台变压器的网侧仅接线方式不同，其它的参数都完全相同[12]。以下就一种接法来讨论三角段的电势Ud、延边段电势Uy和移相角α之间的关系。 由网侧电压相量及三角函数关系可知(α=7.5°)： 　　　　　　　　　（3-1） （3-2） 则 （3-3） （3-4） 如设计时取匝电势为et，那么三角段线圈匝数和延边段线圈匝数，可按式(3-5)及式(3-6)确定： （3-5） （3-6） 但线圈的匝数必须取整数，因此当确定了Nd和Ny之后，还必须校核移相角α及线电势U1的幅值。由(3-4)可得： （3-7） 同时由相量图3-6可知： （3-8） 2. 网侧绕组中的基波电流 由于延边段线圈电流Iy是三角形段线圈电流Id二相电流的相量和，因此其幅值为： （3-9） 且相位相差30°相角，正移相为-30°，负移相为+30°。 在忽略激磁电流的条件下，初次级绕组的磁势平衡如下式： （3-10） 其相位关系由相量图3-9所示。 由相量图3-9的几何关系可知： （3-11） 由此导出： （3-12） 而由式(3-4)可知： （3-13） 两式比较可知β=α，将磁势平衡方程进行分解，可得两组磁势平衡组： 其中纵向分量是与次级磁势平衡的基本分量，而正交分量是三角段线圈与延边段线圈相互平衡的附加部分。 将纵向分量式(3-14)代入式(3-9)，并考虑式(3-1)和(3-3)及U2=N2et，可得： （3-16） （3-17） 网侧绕组的基波容量为： （3-18） 可见变压器网侧与阀侧的交流基波容量是一致的，但是由于网侧采用了延边三角形接法，其设计时的材料容量是有所增加的。 其中材料容量系数： （3-19） 当移相角α=7.5°时，Ksc=1.02642即网侧绕组材料增加2.642%。 3. 考虑谐波电流时阀侧与网侧等效容量 变压器两组阀侧均为桥式全波整流，在忽略换相时的重叠角，且负载为电感性负载等理想条件下，阀侧电流因素，电压因素。 那么阀侧二组绕组的总的交流等效容量为： 　　　　　　　　　　（3-20） 由于二绕阀侧中除了γ=kp±1(k=1,2,…)特征谐波外的其他高次谐波都相互抵消了，因此网侧归算到阀侧的电流因素为。则网侧绕组的交流等效容量为： （3-21） 考虑到额定运行时系统的直流电压降为6%左右，因此变压器的等效交流容量为： （3-22） 故轨道交通牵引变压器的额定容量一般为直流额定功率的1.1倍。 4． 24脉波整流电路的仿真 4.1 24脉波整流电路的仿真 在MATLAB-simulink的环境下对24脉波整流电路进行仿真，Matlab7.5版本中的电力电子系统工具箱(Power System Blockset)可用于电力电子电路和系统的仿真，文中的模型就是基于该工具箱建立的[14]。 1. 24脉波整流电路建模 24脉波整流电路仿真模型如图4-1所示[15]，其中电源为三相对称交流电压源，电源侧绕组延边三角形接线以移相变压器△/△+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。 图4-1 24脉波整流电路仿真模型 由于三相桥式6脉波整流器输出电压谐波小，为了减少输出谐波，则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)以并联方式来构成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。 2. 模型参数设置 三相对称交流电压源参数设置：三相对称交流电压源的幅值设为35kV，频率为50Hz，相位分别为0°，120°，-120°。 移相变压器参数设置：与联结组号为Dy11Dd0相连的移相变压器移相+7.5°，与联结