地铁整流系统谐波分析及消除措施.

1、二电气技术与自动化二黄涛二地铁整流系统谐波分析及消除措施30。 30°I I L 基波l/3/drii阴波地铁整流系统谐波分析及消除措施 黄涛（南京地下铁道有限责任公司，江苏南京210012） 摘二要通过对整流系统交流侧谐波电流波形的傅里叶分析，阐述了整流变压器交流 侧谐波电流的组成及其对电网造成危害的原因以及抑制与消除谐波电流的措施。关键词整流，谐波，联结组别中图分类号:TM461Z匚文献标志码卫二二文章编号4671二5276(2009)06二0128二05 HainiomcAnalvsisandElimmatiouMeasureofRectifieiSvsteiiuiiSubwa

2、v HUANGTao(NaiijmgMetroCompauyLiiuited,Naiyuig210012.Cliuia) Abstiact:Thepapeiexpouudstliefoiiiiatiouoftheliuesideliaimoiuccurieiitoftlierectifieitraus foruiei;tliehaimfulieasoutoelecZtiicnenvorkaiidtlieeliiiiuiatiomiieasuie,basedouthelmesi deliaimomccuiieiitU'avefbrmaiialysisofiectifieisystem.K

3、eywoids:rectifieiliaimouic,con uectiousyiubol示。Y/二或二/Y时，则一次线电流如图2中波形二所示。0二引言目前城市电网交流输送电压一般为10kV35kV,不 能满足城市地铁机车的使用要求，需通过整流系统将35 kV交流电压转换为可供地铁机车使用的1500V直流电 压、因此整流系统在城市轨道交通供电系统中起着举足轻 重的作用。然而大功率的整流装置势必会产生大量的谐 波电流对城市的电网供电品质造成严重的影响，因此必须 通过有效的措施抑制和消除谐波电流。以整流电路交流 侧谐波电流分析为依据，通过阐述减小和消除谐波的方 法逐步推导出24脉波整流系统的原理，

4、并结合整流机组 的接线方式与向图加以阐述。1二理想情况下网侧谐波电流分析L1匚理想情况下的假设町忽略换相电抗和内部电阻，整流装置自身不消耗能量输入输出能量相等，b)交流系统为理想的三相平衡系统,交流侧电压为正弦波不发生畸变，C)整流元件为理想元件，正向导通电阻为零反向截 止电阻为无穷大，d)整流元件导通角为零，且换相过程瞬间完成，换相重S角匚=0。图1-三相桥式整流系统二/匚接线电流波形图1.2二6脉波整流交流侧电流理想波形的谐波以6脉波整流系统为例,整流变压器一二次绕组按接线方式分为4种情况，分别是:Y/Y,匚/二,Y/二，二/Y。这4种接线其交流侧电流的理想波形可分为矩形波和阶梯波两大类,

5、Y/Y或二/二时，一次线电流如图1中的波形二所图2二三相桥式整流系统 Y/二接线电流波形图根据电路理论，我们可以用傅里叶级数将一个周期性的非正弦 波分解成基波和一系列谐波，傅里叶级数的一般作者简介潢涛(1982二二)，男，江苏南 京人助理工程师从事地下铁道高压供电维护工作。二 h【p;二 HD.chiuajounia.lu.ciiE 二 maLhiouma.liie 匸二机械制造与 自动化二二电气技术与自动化二表达式为：af(")=0+2式中$0=aii=bn=12 二 0黄涛二地铁整流系统谐波分析及消除措施以看出第一阶梯和第三阶梯幅值为Id第二阶梯幅值为n=lansm(n )+bn

6、cos(nZ)(1)F6(二);二 1F(J)sm(nZ)d(E);ElF(j)cos(iiZ)d (匚);匚2 二 02 二 02 =Id.各阶梯长度均为直流电流仍为Id。根据傅里叶3级数分析，它与前述矩形波的特点完全相同，即半波对称，可按奇函数处理无3及其倍数的谐波次数。因此按傅里叶级数进行计算、并注意上述无偶次及3的整数倍次谐波的特点,可得出i2=alsmZ+a5siu52+a7sui72+al Isml 12+al3siul3 2-t-二+ ausuiu 二 2aii=2Idu当 11=1 时,al=n=7 时,a7=lld;n=5 时,a5=ni;5dn=1.2,3»-o1

7、21二矩形波谐波分析图1中曲线二所示幅值为Id的矩形波,根据傅里叶级数分析可知；1）正负半波对称于横轴，即f（二尸f（二十匚）。因此傅里叶级数中无偶次谐波分量和直 流分量。2）适当选择坐标系，曲线为对称于坐标原点的奇函数，即f（二尸址二）,因此傅里叶级 数中无余弦分量。因此1二=Idsmn 二+二 32二3Idsmn 二+2 匚 3Idsinn 二d 二=11=1_a nsm（nZ）o2二3llZId;n=ll 时,all=ZI;711d3）在三相电流平衡且对称的条件下当导通角为时有: aii=lEIo 13d因此图2接线的线电流1二可以表示为:11=13 时,al3=llld(sin 二十

8、sm5 二 +sm7 Z+57(6)2 二Idsia(uZ)d(3)=Ism 二)d(二)=匚 6d5二6215 二二Id( cosu+cosu)n66 在没有偶次谐波的条件下：21 二二aii=Id-cos(n 二-n)+cos=41ZIdcosiui6111siull Z+sml3Z 十二+ sum 二)111311123二结论通过对网侧矩形波和阶梯波谐波的分析,根据式(5)和式(6)我们可以得出以下结论: 町理想条件卜Y/Y或匚/匚接线整流装置交流侧电流谐波次数的通式可表示为 n=6k 二 1其中 m：=6(2k+l)：l,即 11=5,7,17,19 等次谐波项为负号;u=6=2k=l

9、,即11丸11,13,23,25等次谐波项为正号。b) S想条件下Y/n或二/Y接线整流装置交流侧电流谐波次数的通式可表示为： u=6kZl包含1.5,7,11,13,17,19,23,25等次谐波，与式(5)不同之处在于所有谐波项均为正号。c) ii次谐波的幅值为基波幅值的1/m可见谐波次数越高，其幅值越小，因此谐波的危 害主要来自于低次谐波分量。从式(2)不难看出，当n等于3和3的倍数时,an均等于a因此线电流中无3及其倍 数谐波分量。因此图1中一次电流二可表示为iZ=alsiu 二+二 5sm5 二+37sm7 二十allsmll 二+a 13 sin 13 匚十二-t-ansmn 二其

10、中：an=41ZIdcosim6(3X4)当 11=1 时,al=lid二 11=5 时,a5=-2I;5d11ZIdu=ll 时,all=Z711当 11=7 时,a7=I:d当 11=13 时,al3=2匚抑制与消除谐波的措施lEIc 13d 通过上述对矩形波和阶梯波所含谐波的分析可知无论整流变是Y/Y或二/匚接线， 还是Y/二或二/Y接线,当整流机组直流侧输出电流Id相同时，其交流侧谐波幅值是 完全相同的，不同之处在于对Y/Y或二/二接线的整流变其交流侧ii=6(2k+l)二1次谐 波间11=5,7,17,19,匚等次谐波符号为负号。因此可以采用多重连接的方式将两台6 脉波整流电路并联构

11、成等效12脉波整流电路。如图3和图4所示。二 129 二由此式(3)可表示为11 Id(siii 二-siu5 二-sin7 二+5711 Isiul 1 二十 sinl3 二+二十 S1UU 二)111311122二阶梯波谐波分析图2的电流波形乙其交流侧线电流为】4阶梯波，可MBatioiKDec2009,38(6): 128132二电气技术与自动化二黄涛二地铁整流系统谐波分析及消除措施TABCL * * V*haln hl、JT*a2b2c2弘30°I JTlI I£尹15。合成p=l2直流电流1111III H交流电流T1«al bl cl a2 b2 c2

12、1号整流变压器DdOyll ABC2号整流变压器Dd2ylT2LJ*»al bl cl a2 b2 c2现。下面通过实际整流变压器的接线图和向量图具体分析24脉波整流的实现过 程。2.2匚24脉波整流机组原理图5为国内地铁直流供电系统常见的24脉波整流机组整流变压器的原理接线 图。首先、单台整流机组采用轴向双分裂结构的整流变压器，构成等效12脉波整流 电路、其中1号整流变的联结组别为Dd0ylk2号整流变的联结组别为Dd2yl,其次, 两台整流变压器的高压绕组采用延长三角形接线,1号整流变压器移相+7.53,2号 整流变压器移相-7.5H最后,两台整流器并联组成24脉波整流电路。其中

13、一台整流 变的接线为DdO,根据式(5)其交流侧电流为：11 lId(smZ-sin5Z-sin7Z+sinl 1 匚十571111SU1133 十匸十 Sinn 匚)13n另一台整流变的接线为Dyll,根据式(6)其交流ft电心流为：图3二并联多重结构的12脉波整流电路图111=3111Id(sui 二 +sm5 二 + SU17 匚 +sm 112+571111S1U13 二+二十 siuu 二)1311则合成后的交流侧电流(图5),为：dlsiuZt-t-sinllZt+lllllsml3Zt+sui23L：t-hsui25ZtZ132325i=ii+m=(7)从式(7)可以看出合成后的

14、电流其电流谐波次数的通式可表示为m=12k二1,消除了幅值较大的5,7,11,13,17,19次谐波，大大减小了电网 中的谐波含量。图4二等效12脉波系统电流波形图通过对6脉波和12脉波整流电路交流侧谐波电流的分析可以发现增加整流系统 的脉波数可以有效降低整流电路交流侧谐波电流。因此抑制与消除谐波的最常用 措施是增加整流系统的等效脉波数。图5二24脉波整流机组整流变压器原理接线图2.1224脉波整流系统6脉波系统的每一脉波宽度为二/3,因而只需将两6脉波机组问移相半个脉波，相当 于二/6,则可形成等值12脉波整流电路、而移相二/6 通过星形和角形绕组适当组合很 容易实现(图3)。24脉波整流系

15、统的每一脉波宽度为二/12,可以通过两台12脉波整 流机组的适当组合来实二2.3二高压侧绕组移相高压侧绕组移相可采用延长三角形接线的方法来实现(接线图见图6)。从电压向量图中可知加于m,p之间的电压为：Ump=aZ2sm(60 二-匚)iKip 二 HD.chiiiajouina.lu.ciiE 二 marluouma.lnei二机械制造与 自 动化匚二电气技术与自动化二延长绕组上的电压为；Uop=aZ黄涛二地铁整流系统谐波分析及消除措施2S1U 二(8)图7二高压侧移相十7.53的原理接线图和向量图图6二延长三角形接线整流移相变压器而电压Umq的有效值与Uop相等，只是相角差120二因此三角

16、形绕组的电压为Uqp=Ump-Umq=a 二2sm(60=-)-smZ根据分析可以看出通过改变延长绕组的容量可以很方便地进行 移相。假定输入电流为IU此电流在延长的绕组上流过、而三角绕组上流过的电流 为IL、因此可以算出延长三角形接线的移相整流变压器一次侧总的等效计算容量为IIL 1223 二 alL 二 sin 二十 3 二a二二sm(60 二-2二)-sm 匚=3EaILsm二十siu(60=-3)-smZ(9)E 82高压侧移相7.5匚的接线原理图和向量图 从式(9)可以看出，当二M)二时，延长绕组的容量为零、此时就是普通的三角形接线，其三角形绕组的容量为；3EaILsm60 二戶二 3

17、EaIL2当二=30二时,此时三角形绕组部分的容量为零而延长绕组的容量为:13EaILsm302 +sm(60Z 302) sm303-二 3EaIL2此时，三角形接线转变为星形接线。根据分析可以得出采用延长三角形接线，通过 改变延长绕组的容量可以在0二30二角范围内任意移相。将二=7.5匚带入式(8)可 以2siu(7.5二)二IL时高压侧绕组移相7.52;对于正负移相可以通过不同接线的延得出当 延长绕组的容量为a二长三角形来实现如图7为高压侧移相+7.5二的原理接线图和向量图，图8为高压侧 移相7.5匚的接线原理图和向量图。M供电 电源mO(6O*-)-sin9?|皿a备in卩焦遥sin

18、0(b)电压向tt图V' 接三相桥式整流器(8)接线图BBaiion,Dec2009,38(6); 1281322.4匚整流变压器联结组别接线原理图与向图二二根据图624脉波整流机组整流变压器的原理接线图、分别画出DdOyll联结组 別的接线原理图与向S图和Dd2yl联结组别的接线原理图与向塑图，如图9和图10。根据向fi图可对DdOyll接线,由于高压侧绕组移相十7二5二则若以UAB为参考向量，则UAOBO应在移相前相位的基础上顺时针旋转7 = 52;对于Dd2yl接线，由 于高压侧绕组移相-7.5二若以UAB为参考向量，则UA0B0应在移相前相位的基础 上逆时针旋转7.5匚。则两台

19、整流变压器4个低5绕组的线电压的向量图如图11 所示。图中角标11表示DdOyll接线的整流变的三角形绕组输出的线电压;角标12表示 DdOyll接线的整流变的星形绕组输出的线电压，角标21表示Dd2yl接线的整流变 的三角形绕组输出的线电压，角标22表示Dd2yl接线的整流变的星形绕组输出的 线电压，其余未标注的向量分别表示一个周波内与正向电压相对应的反向电压。由 此看出上述联结方式可在一个周期内形成等分的24个电压向量从而实规24脉波 整流。22131 二二电气技术与自动化二黄涛二地铁整流系统谐波分析及消除措施Ab2b|a】%aib2程序流程图图5主程序流程图图11 =两台整流变压器4个低压绕组的线电压的向量图 一台整流设备的脉动数为P，则在整流变交流侧产生的谐 波次数为n=kp=l次，且n次谐波的幅值为基波幅值的 l/Uo因此，增加整流系统的脉动数可以大大减小交流侧 输出的谐波分量。目前,