（电力系统及其自动化专业论文）基于静止无功补偿的单一三相电源变换研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第fi 页 a b s t r a c t t h et e c h n i c a lp r o b l e mo fc o n v e l l i n gf r o ma na c s i n g l e - p h a s et ot l - u - e e p h a s e e x i s t sn o to n l yi ne l e c t r i f i e dr a i l w a ys y s t e m i nf a c t ，s i m i l a rt e c l m i c a lp r o b l e m h a s n ts o l v e dw e l lf o ral o n gt i m ei ni n d u s t r ye l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n dc i v i l e l e c t r i cp o w e rs y s t e m w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g y i n v e n t o rh a sb e e nu s e dw i d e l y b u ti th a ss o m ed i s a d v a n t a g es u c ha sh i g hc o s t ， l o wd e p e n d a b i l i t ya n dd i f f i c u l tt om a i n t a i n ，a n dt h e s ed i s a d v a n t a g e sp r e v e n ti tt o h a v em o r ea p p l i c a t i o nt h et e c h n o l o g y c o n v e r t i n gf f m ns i n g l e p h a s et ot h r e e p h a s ew h i c hi sb a s e do ds t a t i cv a rc o m p e n s a t o rc a ns a r i s f yt h o s eo c c a s i o n s w h i c hn e e dn o th i g hr e q u e s ta n dr e a s o n a b l ep r i c e t 1 1 i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec o n t r o ll a wo f c o n v e r t i n gf r o ma i la c s i n g l e - p h a s e t ot h r e e - p h a s e ，g i v e so u tt h er e a l i z a t i o nw a y so fc o n v e r t i n gf r o ma i la c s i n g l e p h a s et ot h r e e p h a s e ，i n t r o d u c e st h ed s j 一1t r a n s f o r m e rc o n v e a i n gf r o ma l lac s i n g l e - p h a s et ot h r e e - p h a s ea n di t si m p r o v i n gw a y s t h ep a p e rg i v e so u tt h r e et h e o r ys c h e m e sc o n v e r t i n gf r o ma i ra c s i n g l e p h a s et ot h r e e - p h a s e t h r o u g hc o m p a r i s o n ，d r a wt h ec o n c l u s i o nt h a tt h e t h i r dw a yi sb e t t e rt h a nt h et w oo t h e rw a y s d e s i g nt h er e a l i z a t i o nw a y sc o n v e n i n g f r o ma na c s i n g l e - p h a s et ot h r e e - p h a s ew h i c ha r eb a s e do nt c ra n dt s c ，e d u c e t h eo n e - p h a s et ot h r e e - p h a s ec o n v e r t e rw h i c hi sc o n f o r m a b l et oe l e c t r i f i e dr a i l w a y i n t r o d u c et h ea n a l y s i so fe l e c t r o m a g n e t i cr e l a t i o n ，p r i n c i p l eo fp h a s ec o n v e r s i o n ， s e l f - c o n t r o lo ft h ev o l t a g eo fd s j 一1t r a n s f o r m e rb a s e do ns a t u r a t e dr e a c t o r d r a w t h ec o n c l u s i o nt h a tt h ei m p r o v i n gw a y sb a s e do ns a t u r a t e di r o nc o r ea n da l t e r a b l e c a p a c i t o ri sr e a s o n a b l e ，a n dg i v eo u tt h ef o u ri m p r o v i n gw a y sf o rt h et r a n s f o r m e r c o n v e r t i n gf r o ma na c s i n g l e p h a s et ot h r e e p h a s e d e s i g nt h ep a r a m e t e ro f s i n g l e - p h a s et ot h r e e - p h a s ec o n v e r t e r t op r o v et h er e s u l to fc o n t r o tl a w , as i m u l a t i o nm o d e lf o rs i n g l e p h a s et o t h r e e p h a s ec o n v e r t e ri se s t a b l i s h e du n d e rt h em a t l a b s i m u l i n kf l a t t h e s i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a ts y m m e t r yo ft h r e e p h a s ev o l t a g eo u t p u td o e s n t c h a n g ew h e nt h ep e a ka n dp h a s eo f v o l t a g ei n p u tc h a n g e k e yw o r d s ：e l e c t r i f i e dr m l w a y ；s i n g l e - p h a s et ot h r e e p h a s ec o n v e g e r ；s t a t i cv a t c o m p e n s a t o r ；t h y r i s t o rc o n t r o l l e dc o m p e n s a t o r ；c o n t r o ll a w 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 第1 章绪论 1 1 本文研究的目的和意义 把单相电源变换为三相电源的问题不仅仅广泛地存在于电气化铁道系统。 事实上，在大量工业电力系统和民用电力系统上，类似的技术问题长期以来并 未得到很好的解决。单相电源变换为三相电源的技术适用于用电密度小的山区 农村，可为养路机械化和沿线其他小容量动力负荷电源装置；适用于电力机车辅 助电源装置【56 】；甚至在电气化铁道接触网检测车网压电源供电系统上都是必须 的。 电力机车辅助系统是机车系统的重要组成部分，包括通风及冷却系统、压 缩机、空调等。这些都需要将单相电源变换为三相电源才能使用。早期电力机 车的辅助系统采用电动发电机组或劈相机向辅助电机供电的方式。这类系统 技术较简单，也较成熟，但存在着体积大、重量重、噪声大、维修工作量大、 不能节能运行等诸多缺点1 5 “。 电气化铁道沿线存在大量的非牵引用电负荷，长期以来现场对非牵引用电 负荷需求迫切，有的部门投资巨额也找不到电源，使非牵引用电得不到经济合 理解决。在电气化铁道沿线除了牵引用电之外，就铁路本身而言尚存在有大量 的不同类型如照明、动力等非牵引用电负荷，这些非牵引用电的需要贯穿在电 气化铁道建设的开始与整个运行期间，它直接关系到电气化铁道的建设、运行 和发展。但是，长期以来，非牵引用电的问题并未引起足够重视，缺乏足够深 入研究和讨论。在电气化铁道沿线有的地方长时间没有水泵电源，为了解决现 场生活用水不得不上山抬水，有的采用造价较高的发电设备，有的则用大容量 的变压器让“大马拉小车”，当前，现场对非牵引负荷的电源需要迫切。这样就 往往使非牵引用电困难或者得不到经济合理的解决【4 6 1 。 在一些山区农村，由于比较偏僻，如果采用三相供电方式则投资巨大，经 济上很不合算。但时，有时候居民的生活又离不开三相电源，这也是单相电源 变换为三相电源技术的适用场合之一。 由于电力电子技术的发展，交直交逆变器得到了广泛应用。但它也有成本 高、控制复杂、可靠性不高、维修困难等缺点而影响了它的进一步推广应用。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 特别是交直交逆变器的价格往往高于电机的好几倍，这一点已经成为普及交直 交逆变器的障碍所在【5 “。 为了满足那些要求不是很高而又希望有一个比较合理价格的使用场所，就 很有必要另寻他途，即不是采用交直交逆变器，而是采用交流元件的适当匹配 或者利用变压器那样的电磁耦合方式来解决此类问题【4 ”。本文正是试图在前人 研究的基础上在这方面有所发展。这样的单一三相变换技术肯定会有其应用场 所和市场前景。 1 2 国内外研究现状 如何研制出一种性能价格比高、质量可靠、易于维护的单一三相交流器， 一直是国内外学者和生产厂家所关注的一个焦点。纵观国内外的经验，把单相 交流电变换为三相交流电，其采用的方法有静止和旋转两大类。旋转变相器有 电动发电祝组和电容分相的旋转劈褶枧。静止变相器有各类静止逆变嚣、电容 分相的单一三相变压器和电感、电容劈相法。 撮早采用的劈相方法是电容劈相法，这种变流器虽然成本低、效率高、结 构简单。但只能在负载功率因数角为6 0 4 左右使用。 在日本，电动发电机使用的历史较长，但由于直流换向器电动机和发电机 用机械式换向，有定期维修滑环、换相器和电刷的缺点。为了不用这些机械式 换向装置和减少维修量，开发了无席 电动发电机。后来开发了利用半导体元件 的静止变流装置，就不用这种旋转发电机方式了。由于电力电子学的发展，开 发了取代电动发电机的静止变流装置。其所以叫静止型，是相对于旋转型电动 发电机而言的。东洋电机公司自1 9 6 5 年起就与日本铁道株式会社共同努力，将 容量为几k v a 的静止变流器作了装车试验并获得了稳定的实验结果，批量生产 的静止变流装置使用的是逆阻型晶闸管，因为晶闸管本身不能关断，所以必须 使用外部强迫关断电路，当初难以实现大容量的静止变流装置。后来出现了能 自己关断的大容量g t o 晶闸管，加上精确控制用的微机的发展，从而能开发 出大容量的静止变流装置。虽然开发了多种电路方式，但东洋电机公司采用的 是升压电路，即由电流源逆变器和电压源逆变器组成的升压变流器，相对接触 网电压的变化能产生恒定的直流电压，加上使用p w m 控制三相逆变器，输出 三相交流电。最近一般工业静止交流装置便用i g b t 已经成为主流。但是将 般i g b t 元件用于铁道车辆时，由于元件的电压和电流不够，使用时需将元件 串并联连接，伴随而来的缺点是串并联连接的控制复杂。现正在开发车辆用的 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 大容量压接结构的i g b t ，可望装置结构和电路简单。在欧美，s i e m e n s 公司和 a b b 工业公司等也发展了自己的电力机车辅助电源装置p ”。 辅助变流器的应用在我国始于2 0 世纪8 0 年代中期，当时，我国从欧洲引 进的8 k 型机车上装备了a b b 公司生产的辅助变流器。在购买机车及相关设备 的同时，我国也引进了相关的技术，包括该辅助变流器技术。至9 0 年代中期以 前，有关辅助变流器的工作主要围绕对该变流器的引进、消化和吸收及关键部 件国产化研究和试制展开，并相应研制出了整流器模块、g t o 逆变器模块等。 9 0 年代中期以后，针对8 k 型电力机车逆变器g t o 器件烧损偏多的问题，以当 时逐步成熟并兴起的i g b t 取代g t o 作为逆变器的功率开关器件，研制出了新 的i g b t 逆变器模块并在辅助变流器中加以应用。从1 9 9 8 年到现在，辅助变流 器在我国铁路机车上的应用取得了实质性的进展。1 9 9 9 年初株洲电力机车研究 所研制出t g f 5 型辅助变流器。这是我国第一种具有商业运营能力的并且实现 自主设计制造的机车辅助交流器。2 0 0 0 年，又研制出t g f 9 型辅助变流器，装 在d j 型交流传动电力机车上。2 0 0 1 年1 2 月，含有四象限变流器的t g f l l 型 辅助变流器由株洲电力机车研究所研制成功。它的研制成功将使我国的辅助变 流器技术水平与世界先进水平进一步接近，也使辅助变流器应用到辅助系统时 在技术经济方面的优越性得到更充分的体现。从而将加速辅助变流器在我国铁 路的推广应用i ，4 j 。 早期的电感一电容劈相法采用的是两个大小不变的无源元件( 电感和电 容) ，以后逐渐发展到使用一定方法来有级或无级调节等效感抗、容抗大小，使 三相负载电压自动跟随负载和网压的变化而始终保持对称和平衡，但分相用的 电感和电容必须和电机每相等效阻抗相匹配。这种变流器已在澳大利亚、新西 兰、马来西亚和英国形成系列产品【卯l 。 在单一三枢变压器方面，目前在国内实际运行的单一三相变压器，从电磁 结构上看，共有三种运行方式，即：( 1 ) 普通的单三相变压器，特点：高压 侧加电容移相，高、低压侧共有六个高、低压线圈，电路结构复杂，成本高： ( 2 ) 高压单圈、低压侧移相式单一三相变压器，特点：高压单圈，低压侧移相， 致使结构简单，运用方便、安全；( 3 ) 饱和电抗器式单一三相变压器，因本身 无变压作用，只能称之为变换器，特点：变压作用由前一级的单相变压器完成， 本身只完成低压侧的单相变三相作用 4 5 j 。由西南交通大学电气工程学院于8 0 年代初研制成功的d s 卜l 单一三相变压器采用的是高压单圈、低压侧移相的 电磁结构。它利用电磁感应、电容移相和并联铁磁谐振的原理，在变压与移相 的双重作用的同时由于与电容并联的饱和线圈的非线性，于是可以随负荷变化 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 在相当广的范围内自动改变线圈自感量来保持三相输出电压的对称度。这种变 压器经过多年现场运行考验、并通过了有关部门的技术鉴定和实践证明。但d s j 一1 单一三相变压器由于当时技术条件的限制，存在输出电压不能随负荷变化 而严格保持对称、电动机起动困难、空载电流大等缺点h6 1 。 随着电力电子技术和计算机技术的发展，动态地调整移相元件的值成为可 能。本文将对基于动态补偿的单一三相电源变换进行研究，以发展基于静止无 功补偿的单一三相变换器，并对原有的d s j 一1 型单一三相变压器进行改进， 以使其能在负荷变化过程中能主动地调整移相元件的值，从而能得到更好的三 相对称输出电压。 1 3 本文的主要工作 本文的核心内容是把单相交流电源变换为对称的e , f l 交流电源。本文分析 了单相交流电源变换为三相交流电源的原理，得出单一三相变换的控制规律： 对t c r 和t s c 的原理进行介绍，得出了基于t c r 和t s c 的单一三相变换器 的实现方式；详细给出高压单圈、低压侧移相式单一三相变压器的电磁关系， 并对该变压器进行了改进。以t c r 型单一三相变换器和d s j l 单一三相变压 器为例进行了参数计算。最后，对单一三相变换的控制规律及接触网电压波动 对它的影响进行了仿真验证。 本文完成的主要工作： 1 讨论了单相电源变换为三相电源的基本分相原理，并给出了几种单相电 源变换为三相电源的理论方案，通过比较，得出了“第三种方法比其他两种方 法具有明显的优越性。它不仅没有电压上的困难存在，又可以使负载运行在较 大范围的功率因数上。避免了第一种方法只有在功率因数角妒= 6 0 。时方能平衡 的缺陷，克服了第2 种方法需要调整电压的不足。”的结论和单相电源变换为三 相电源的系统控制原则。 2 基于静止无功补偿的几种主要类型，介绍了晶闸管控制电抗器( t c r ) 和晶闸管投切电容器( t s c ) 的工作原理，与单一三相变换原理相结合，提出 了分别基于t c r 和t s c 的单一三相变换器的实现方式，得出了适用于电气化 铁道的单一三相电源变换装置。 3 介绍了饱和电抗器的运行原理，给出了基于饱和电抗器的d s 卜1 单一 三相变压器的电磁结构，并对其分相原理、电压的自调性等电磁关系进行了详 细的分析。在分析d s j 一1 单一三相变压器的电磁结构及其优缺点的基础上， 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 得出了在旁柱a 、i 铁芯磁路深度饱和的基础上动态地调节与之并联的电容的容 抗是合理的改进方案的结论。提出了该单一三相变压器的四种改进方案，并得 出这四种改进方案也适用与单一三相变换器的结论。 4 以t c r 型单一三相变换器和高压单圈、低压侧移相式单一三相变压器为 例，对单三相变换器的参数选取进行了讨论。对t c r 型单一三相变换器，详 细介绍了单相变压器各电磁参数的选取，讨论了用于移相的电容、电感的电纳 值的选取，并且推导出随负荷变化时用于t c r 控制的晶闸管导通角的控制规律。 对高压单圈、低压侧移相式单三相变压器，对铁芯、绕组、配置电容的电磁 参数选取规律进行了讨论。以高压单圈、低压侧移相式单一三相变压器为例， 进行了电磁计算。 5 利用m a t l a b 6 5 s i m u l i n k 提供的电力系统模块，建立了单一三相变换 控制规律的仿真模型，并利用该模型对单一三相变换控制规律进行了仿真验证， 并对接触网电压波动对其影晌进行了仿真。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章单一三相电源变换原理及控制原则 2 1 单相交流电源变三相交流电源的分相原理 在正弦稳态电路中，动态元件l 、c 上电压、电流的相位差导致拓扑约束 中各电量间的运算按相量( 复数) 进行，其相量图为封闭多边形。如图2 1 所 示由k v l 得+ u + u = 0 。 a b 图2 - 1 单一三相变换原理图 可见u 。u 可以合成为一u ( 即u ) ；反之，u 。亦可分裂为有相差的 u 。，u 。进而，适当选择z ，、z ：的参数，就可以使相量图成为如图2 - 2 所 示的正三角形，即由u “可以得到一组对称三相电压【4 3 】。 事实上，只要u 。，u 一模值相等且相移1 2 0 。，就能与电源侧的反向电压组 成三相对称电压系统。这就是利用移相元件将单相交流电源变换成三相交流电 一 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 源的基本电路原理。同理，利用k c l 亦可得到相同的结论。 图2 - 2 单一三相变换原理的相量图 2 2 单相电源变换为三相电源的理论方案及比较分析 2 2 1 单电容变换原理 电容变换原理是基于电容的导角作用而提出的。图2 3 是这种变换原理示 意图h ”。 一厶 图2 - 3 单电容变换原理示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 在图2 - 3 中，当电容c 被调节到个适当量时，a 相负载电流j 。与c 相负 载电流，c ，会形成1 2 0 。的夹角并且大小相等，那么必然在b 相产生与a 、c 相 相差1 2 0 。角并且大小相等的电流，。 根据电路理论可以导出如下关系 - ，- ，( ，1 月= r + j ( x 一1 o , c ) ( r + 工r ) ( 2 1 ) 式中x 为三相平衡负载等效阻抗的电感部分，而r 为等效阻抗的电阻部分，珊 为输入电源的角频率。 由上式可以看出，要使三相负载电流达到大小相等且相角相差1 2 0 。，那么 必须满足 ! ：竺二麦班。 r 斗j x 即有 x 1 o x ：= x t 石1 c ) 2 + r2 = x 2 + r 2 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 由此可知，只有当1 ( 国c ) = 2 x 时方能使三相负载电流达到平衡状态，并且 使其幅值相互相等。 进一步分析还可以看出，一旦负载不处在6 0 。功率因数角上，则三相负载 电流和电压都无法达到平衡状态。换句话说，如果用电容法来实现单一三相动 力电源变换，无法满足高功率因数三相负载的要求，对于功率因数较低的三相 负载同样无能为力。 2 2 2 电容一电感及双电容变换原理 ( 1 ) 电容一电感变换原理 屯容具有滞后电压的作用，而电感具有滞后电流的作用。三相负载处在高 功率因数时表现为阻性部分相对地大于感性部分。现将电容和电感按图2 - 4 接 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 入三相负载系统。 图2 - 4 电容一电感变换法原理图 同样依据三相平衡的要求，可以引出如下几个必须成立的公式 i c ：姨+ j ( x 一1 c o c ) r + j ( x + c o l ) 一1 c o c ) 2 + r 2 = 伍+ 础) 2 + r 2 ( 2 5 ) ( 2 6 ) x 一1 o x ：= 一( x + m ) ( 2 7 ) t a n ( 一1 2 0 。) = ( x - 1 c o c ) r + ( z + 越) r 】 1 一 ( r 一1 c o c ) r ( x + 砒) r ( 2 - 8 ) 经化简可导出下列关系： 1 c = ( 了+ t a n 妒) 场n 妒】z 越= ( 打一t a n p ) t a i l 妒 ( 2 9 ) ( 2 一1 0 ) 其中口为负载的功率因数角。 显然，只有当妒 6 0 。的功率因 数角上，如图2 5 所示。 图2 - 5 双电容变换法原理图 按照同样的分析过程，最后导出： 1 葩l = ( 占+ t a l l p ) t a n 纠x ( 2 1 1 ) l 臣) c 2 = ( 一j + t a n 妒) t a n 妒】y ( 2 1 2 ) 其中，c ，为串入a 相的电容，c ：为串入c 相中的电容。 从这两个参数表达式可以看出，当妒 6 0 。时的c ，、c ：是可以找到的。当 然说明当负载功率因数小于0 5 时，借助双电容法可以使三相负载处于对称运 行之中。 2 2 3 第二秘电容电感及双电容变换原理 事实上，在第2 2 4 节中将会看到第2 2 2 节中所介绍变换原理的一个不利 方面是：如果负载运行在不大于o ，5 的功率因数上，其输入电压要比额定运行 平衡电压低一些：而当负载运行在大于0 5 的功率因数上，其输入电压却要比 额定平衡电压高出许多，比如，当负载的额定平衡电压为3 8 0 v ，工作在0 8 的 功率因数时，其输入电压应达到5 3 0 v 左右j 。很明显，如果负载是三相电机 的话，这给电机的起动及正常运行的实现带来困难。因为电机在起动过程中， 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 其功率因数是变化的。 当然，我们希望能找到一种方法，使起动过程不需调整输入的单相电压， 而只需对匹配到负载上的元件参数加以调整即可。这就是下面的介绍的方法。 ( 1 ) 电容一电感方法 如图2 - 6 所示，在a 相和c 相问并入一个电感元件。 e 图2 - 6 第二种电容电感变换法原理图 根据三相输出对称电压幅值相等的要求和相角相差1 2 0 。的要求，可导出： 1 ：! 垫竺! 型! 竺! 竺二! ! 呈竺! ( 2 - 1 3 ) c o l3 x 以：堕煎生型型 (2一14，3x 从这两个式子可以发现，当p 6 0 。时，可以利用双电容使系统达到平衡状态， 而运行电压等于输入单相电压【4 l 】。 2 2 4 不同变换方法中的输入电压与运行电压 单电容变换方法：只有当妒= 6 0 。时负载才能达到平衡运行状态，此时输入 电压等于运行电压。 电容、电感及双电容变换方法：通过电感或电容的调整使负载处于三相平 衡允许状态。要使这种运行状态得以实现，通过电路分析可以导出，其平衡运 行电压与输入电压之间具有如下关系： ，： ，一 u i = 4 ( s i n 伊) 2 + 9 ( c o s 妒) 2 ( u 4 3 ) ( 2 1 7 ) 其中u ，为输入的单相电压；为三相电压对称平衡时施加在负载上的线电压： 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 口为负载运行时的功率因数角。 由此式可以发现，当负载处于小于o 5 的功率因数时，输入电压应小于额 定运行电压：当负载处于大于o 5 的功率因数时，其输入单相电压应大于额定 运行电压。这种变换方法必须根据功率因数的改变来调整输入电压和匹配参数 的大小。 第二种电容、电感及双电容变换方法：输入电压总是等于平衡运行电压。 这是十分有利的，因为只要调整匹配参数就可以了。 三种方法的电压分析说明，第三种方法比其他两种方法具有明显的优越性。 它不仅不必根据负载功率因数的改变来调整输入电压，又可以使负载运行在较 大范围的功率因数上。避免了第一种方法只有在功率因数角p = 6 0 。时方能平衡 的缺陷，克服了第2 种方法需要调整电压的不足。 2 3 单相电源变换为三相电源的系统控制原则 由上节可见，方法3 是一种比较好平衡方法，将其简化整理如下。图2 - 8 、 图2 - 9 为方法3 提出的平衡措施，其中z 为三相平衡负载。 c 1 e c 2 图2 - 8 功率因数0 c o sq o 0 5 时 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 嚣e l l 堡妊手c 。 图2 - 9 功率因数0 5 c o s 1 时 当平衡时，其匹配元件c 。、l 、c ：与负载z 及负载功率因数c o s o 之间有 如下关系： c o c ：垫坚粤掣( 2 - 1 8 ) 3 x 1 一s l n o ( 4 3c o s ( o s i n 纠，110 、 c o l ，3 z 17 ， ，c、 以：= 竺型等等坚型 ( 2 - 2 0 ) j 假定z 是一个不变的常量，则匹配元件的选择是确定的，此时我们不需要 对系统实施控制。但是，在大多数情况下，三相电源用来带动的三相电机负载 是变化的，特别是在起动过程中问题更为突出。在这种情况下，为了确保电机 可靠起动，并能高效发挥功率，根据式( 2 1 7 ) 、式( 2 1 8 ) 、式( 2 1 9 ) ，则在 起动过程中，必须根据电机运行参数的变化及时调整匹配元件参数。从控制的 意义上考虑，则控制系统必须满足以下四点要求【4 2 1 ： a 具有获取三相负载感性部分x 及功率因数c o s p 的功能。 b 以获取的c o s i p 及x 为基础，按照式( 2 1 7 ) 、式( 2 1 8 ) 、式( 2 1 9 ) 进行计算c 、l ，、c ：的功能，并且产生相应调控信号。 c 具备c 、l ，切换功能，因为c ，、l ，是性质不同的储能元件。 d 上述复杂的计算功能和计算能力要求控制必须以计算机为基础。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 2 4 小结 这一章讨论了单相电源变换为三相电源的基本分相原理，并给出了几种单 相电源变换为三相电源的理论方案，通过比较，得出了“第三种方法比其他两 种方法具有明显的优越性；不仅没有电压上的困难存在，又可以使负载运行在 较大范围的功率因数上。避免了第一种方法只有在功率因数角妒= 6 06 时方能平 衡的缺陷，克服了第2 种方法需要调整电压的不足。”的结论，并且得出了单相 电源变换为三相电源的系统控制原则，为以后单一三相变换器的实现形式及参 数计算的研究打下了坚实的基础。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第16 页 第3 章基于t c r 和t s 0 的单一三相变换器 的实现方式 3 ，1 静止无功补偿的主要类型 无功功率控制元件的基本类型如下，由它们几乎可组成任何静态v a r 系统 【】： 饱和电抗器( s r ) ： 可控硅控制电抗器( t c r ) ： 可控硅投切电容器( t s c ) ： 可控硅投切电抗器( t s r ) ： 可控硅控制变压器( t c t ) 自整流转换器( s c c ) 或线路整流转换器( l c c ) 。 在以上几种无功功率控制元件中，常用的主要有饱和电抗器( s r ) 、可控 硅控制电抗器( t c r ) 、可控硅投切电容器( t s c ) 三种。 在单褶交流变换为三相交流的变换过程中，最主要的是使三相输出电压对 称，补偿负序成为最主要的目标。随着电力电子技术和计算机技术的发展，动 态地调整移相元件的值成为可能，即使负荷变化，我们也有可能得到比较严格 的- - , f l 对称输出电压。本章将主要介绍可控硅控制电抗器( t c r ) 、可控硅投切 电容器( t s c ) 两种静止补偿的原理，并提出基于这两种静止补偿方式的单 三相变换器的实现方式。同时，为使该单一三相变换器适用于电气化铁道增 加变压环节。从而得到可用于电气化铁道的单一三相交换装置。 3 2 基于t c r 的单一三相变换器 3 ，2 1 可控硅控制电抗器( t o r ) 运行原理 可控硅控制电抗器( t c r ) 的基本原理如图3 1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 u 图3 - 1 简单的可控硅控制电抗器 控制元件是晶闸管，在图中表示成两个以相反极性并联的即反并联的晶闸 管( 也可以用一个双向晶闸管) ，它们在电源电压的不同半周轮流导通。如果晶 闸管在电源电压峰值时准确地触发，就可以使电抗器完全导电，其中的电流就 和晶闸管被短路掉了一样。电流基本上是无功的，滞后于电压约9 0 。控制角口 的计量以电压过零时为基准，完全导通是在控制角为9 0 。时获得的。当控制角 在9 0 。到1 8 0 。之间时则得到部分导通，增大控制角，其效果是减少了电流中基 波分量，这相当于增大电抗器的等效感抗，减少其无功功率和电流。对电流的 基波分量而言，可控硅控制电抗器是一个可控电纳，因而可用作静止补偿器。 电流的瞬时值由下式决定 f _ 掣( c o s a 堋s c a ) ， 口 耐( 口+ 盯 z ，、 ( 3 - 1 ) i = 0 ， 口+ 盯 0 0 t 口+ 石 【3 2 ) 式中u 是电压有效值；x ，= c o l 是电抗器的基频电抗( 以q 计) ，甜= 2 ：口 是触发延迟角( 即控制角) ，时间原点选定为电压朝正向变化的过零点。基频分 量由付立叶分析法求出，如下所示 ，：r - s mc r u( 3 3 ) 似l ，为基频电流的有效值，单位为安( a ) 。盯为导通角，由下式与口相关联 西南交通大学硕士研究生学位论文 第18 页 a + 0 - 2 = z ( 3 4 ) 我们可以将式( 3 - 3 ) 写成 ，l = b l ( c r ) u ， ( 3 - 5 ) 式中b ，( a ) 为可调节基频电纳，它由导通角按照下式所决定的规律来调节 b ，f 盯、：o - - s l l t y ( 3 6 ) 硝。 b ，( 盯) 的最大值是a x 。，当盯= 厅或1 8 0 。时，亦即晶闸管安全通电时出 现；最小值为零，当仃= 0 。 = 1 8 0 。) 时得到。 在t c r 中，确保两个反并联晶闸管的导通角相同，是非常重要的。导通角 不同，就会在电流中出现包括直流成分在内的偶次谐波，也可能在反并联的晶 闸管中引起不相等热应力1 8 1 。 3 2 2 基于 l 0 r 的单一三相变换器的实现方法 运用晶闸管控制电抗器( t c r ) 的原理，与第2 章的单一三相变换的控制 规律的第3 种方法相结合，我们可以提出基于晶闸管控制电抗器( t c r ) 的单 一三相变换嚣的实现方式，其原理如图3 2 所示。 。 f1z c 1 ： z e 2 一 = 专 z b 图3 - 2 基于t c r 的单一三相变换器 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 图3 - 2 中，z 表示三相平衡负载，c ，、c ，为电容，厶、上，为线性电抗器 ( 电感) ，在a 、b 端口间加入单相交流电源。 基于t c r 的单一三相变换器的工作原理：随着负载z 的变化，检测装置 检测出三相负载感性部分及功率因数c o s 妒，根据公式计算出所需要的c i 、l 。 并联环节以及c ，、厶并联环节的等效阻抗。从而进一步计算出在t c r 控制下 上，、l 应该具有的基频电纳，以决定晶闸管的导通角和触发延迟角。根据计算 出的导通角和触发延迟角去触发晶闸管，就能得到对称的三相输出电流和三相 输出电压。 3 2 3 适用于电气化铁道的t c r 型单一三相变换器 单一三相变换器的主要应用场合在于不容易得到三相交流的场合，其中电 气化铁道采用工频单相交流制，电气化铁道沿线施工机器和机车上的辅助用电 都需要单一三相交换。电气化铁道采用2 7 ，5 k v 的单相交流供电制式，在t c r 型单一三相变换器前加一个单相变压器，以得到合适的电压是完全必要的。适 用于电气化铁道的t c r 型单一三相变换器如图3 。3 所示。 1 j j p a ：气 i】z c 1 ： z l 1 c 2 ： jz 2 b 图3 3 适用于电气化铁道的t c r 型单一三相变换器 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 0 页 其中，单相变压器把电压从2 7 5 k v 降为4 2 0 v ，而单相变压器后面的t c r 型单一三相变换器把单相交流变换为三相交流，从而实现把取自接触网的 2 7 5 k v 的单相交流电变换为符合三相异步电动机3 8 0 v 三相交流电的目的。 3 3 基于t s c 的单一三相变换器 3 ，3 1 可控硅投切电容器( t s c ) 的运行原理 可控硅投切电容器( t s c ) 的原理图示于图3 - 4 中，等效电纳值可通过调 节投入运行的的并联电容器的数目来调整。 图3 - 4 t s c 的运行原理 每一个电容器常常通电若干个周波。若k 个电容器并联，每一个电容器都 由开关控制，则总电纳值可能等于每次取0 个、1 个、2 个、3 个或k 个电 容器时的并联电纳值。所以总电纳值是分级变化的。在原理上，希望这些级数 要多么小就可以做到多么小，希望多少级就可以做到多少级，只要有足够数目 的单独控制的电容器就行。给定k ，且没有任何两种电容器的组合相同时( 这 最低限度要求每一个电纳都不相同) ，就可以确定最大级数。在补偿器中，通常 都不追求这种灵活性，因为这样一来控制装置过于复杂。另一方面，使大多数 导纳相同，一般来说要经济得多。如果忽略操作暂态过程，则电流是正弦的， 即不包含高次谐波p 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 3 ，3 2 基于t $ c 的单一三相变换器的实现方法 运用晶闸管投切电容器( t s c ) 的原理，与第2 章的单一三相变换的控制 规律的第3 种方法相结合，我们可以提出基于晶闸管投切电容器( t s c ) 的单 一三相变换器的实现方式，其原理如图3 5 所示。 图3 5 基于t s c 的单一三相变换器 l i c 图3 5 中。z 表示三相平衡负载c ，、c ，、c ，、c 。为电容，厶、厶为线 形电抗器( 电感) ，在a 、b 端口间加入单相交流电源。 基于t s c 的单一三相变换器的工作原理：随着负载z 的变化，检测装置检 测出三相负载感性部分z 及功率因数c o s 9 ，根据公式计算出所需要的c ，、c ，、 厶并联环节以及c ；、c 。、工：并联环节的等效阻抗。进而决定该投入的电容容 抗和电容的数目，更进一步贝胸定该鄹些晶闱管导通。根据得出的结论去触发 相应的晶闸管。就能得到对称的三相输出电流和三相输出电压。当然，由于t s c 投入电容的阶梯性，要得到连续对称的输出电压和电流是不可能的。单一三相 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 2 页 变换器的主要负载是三相异步电动机，国标电机基本技术要求( g b 7 5 5 2 0 0 0 ) 规定：三相交流电动机应能在三相电压系统的电压负序分量不超过正序 分量的1 的条件下可以长期运行。为满足国标的要求，对t s c 中电容的分组 方式和每一组中电容的容抗大小有一定的要求，这有待于以后更进一步进行研 究。 3 3 3 适用于电气化铁道的t s 0 型单一兰相变换器 同t c r 型单一三相变换器一样我们可以构造出适用于电气化铁道的单 三相变换器，如图3 - 6 所示。 图3 - 6 适用于电气化铁道的单一三相变换器 l 1 e 其中，单相变压器把电压从2 7 5 k v 降为4 2 0 v ，而单相变压器后面的t s c 型单一三相变换器把单相交流变换为三相交流，从而实现把取自接触网的 2 7 5 k v 的单相交流电交换为符合三相异步电动机3 8 0 v 三相交流电的目的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 3 4 小结 这一章首先介绍了静止无功补偿的几种主要类型，然后重点说明晶闸管控 制电抗器( t c r ) 和晶闸管投切电容器( t s c ) 的工作原理，并且与第二章所 得出的单一三相变换原理相结合，提出分别基于t c r 和t s c 的单一三相变换 器的实现方式，在其前加一个单相变压器就得出了适用于电气化铁道的单一三 相电源变换装置。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 第4 章基于饱和电抗器的单一三相变压器 的电磁关系及改进 4 1 饱和电抗器( s r ) 的运行原理 饱和电抗器的原理性结构图，如图4 - 1 所示，它的基本原理是利用电抗器 铁心的饱和磁化特性f 5 1 。 饱和铁心 图4 - 1 饱和电抗器的原理图 在工程上，铁心的磁化特性多用磁通和电流的非线性关系曲线表示。设咖 为铁心的饱和磁通，则理想的饱和磁化曲线如图4 - 2 所表示。当磁通值小于矽 铁心未饱和之值时，磁化曲线可用直线段近似，其斜率与铁心的导磁率成正比； 当磁通庐值大于庐，铁心饱和后之值时，磁化曲线可由折线的另一直线段近似， 其斜率与空气的导磁率成正比。 s r 懿电压电流特性：在电抗器的铁心饱和时，假定电流为正弦波，则磁 通近于梯形波，其幅值几乎与电流幅值的大小无关，而电压只在磁通的波形有 工 梯度变化时竺兰才不等于零，即电压为脉冲波形，而且电压的方均根值( 或基 讲 波分量) 也几乎与电流幅值的大小无关，即电压的方均根值在铁心饱和时也接 近恒定的特性。若s r 在饱和段的动态电抗为工。，s r 的等效电源电压为u 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 则s r 的电压电流特性方程为 u = u r + j xr i p 1 卜 。 j i 一织 图4 2 饱和铁芯的理想磁化曲线 ( 4 1 ) 如同t c r 一样，s r 与f c 并联在一起应用便能将负荷的无功补偿扩充到 超前的范围，如图4 3 所示【5 1 。 【， 丝兰 k 以 厂 s r 彩奋 、 、 、 超前 。 滞后， 图4 - 3f c + s r 的电压一电流特性图 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 4 2基于s r 的单一三相变换器的电磁结构及电磁关系分析 饱和电抗器式单一三相变换器的电磁结构原理图，如图4 - 4 所示f 4 5 】。 图4 - 4 单一三相变换器的电磁结构原理图 4 2 1 分相原理及空载运行 在如图4 - 4 所示的单一三相变换器的电磁结构原理图中，单相变三相的作 用是靠并联了电容的a 相绕组与未并电容( 或并极少量的电容) 的c 相绕组按 图示中条件( 注意两绕组问的相对极性) 串联起来完成的。只要”。与“。模值相 等且相移1 2 0 。，就能与输入电源的反向电压组成三相对称电压系统。因而分析 单一三相变换器的分相原理，实质上就是分析a 相、c 相绕组的物理过程。 1 等值电路 饱和电抗式单三相变换器的等值电路如图4 5 所示【4 ”。试验结果表明， 工作于磁化曲线饱和线段上的a 相、c 相线圈间互感不仅存在，而且其量值达 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 7 页 到不可忽视的地步。所以，在等值电路和所作的分析中均定性地考虑了互感影 叫句。 b p i 产出于 a c | _ j ”( = 一秘 ) 知、 一 ，。r ， 图4 - 5 单一三相变换器的等值电路 2 微分方程 依据电路基本定理，从图4 5 等徨电路不难列出下列关系式( 瞬时值) 和 有关微分方程 i i = k + k 一= i “ ( 4 - 2