機(jī)車主變壓器及變流系統(tǒng)諧波特性分析

王洪智，李曉松，蔣云峰

(長(zhǎng)沙理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

機(jī)車主變壓器是交流電力機(jī)車的主要部件，一般為單相多繞組結(jié)構(gòu)，即一次側(cè)接入單相25 kV、二次側(cè)輸出多個(gè)電壓等級(jí)，分別供牽引、空調(diào)及照明等，其中，牽引輸出經(jīng)“交—(直)—交”變流裝置給牽引電機(jī)供電［1］。變頻裝置的非線性使得供電系統(tǒng)中出現(xiàn)較強(qiáng)的諧波，對(duì)此，眾多學(xué)者就變頻裝置的諧波特性及影響因素、設(shè)計(jì)優(yōu)化和諧波治理等做了大量和深入的研究［2－12］。筆者應(yīng)用MATLAB對(duì)機(jī)車主變壓器及其變流裝置系統(tǒng)的諧波特性進(jìn)行較深入的分析，并討論整流和濾波電路參數(shù)、調(diào)制比及載波比等因素對(duì)輸出特性的影響。

1 “交—直—交”變流主電路及仿真模塊參數(shù)設(shè)置

如圖1所示，機(jī)車主變壓器輸入為單相，經(jīng)“交—直—交”變換供牽引負(fù)載。其中整流為不可控橋式整流，直流濾波電路由電感和電容組成，逆變電路采用PWM控制，輸出經(jīng)LC濾波，輸出端接三相感性負(fù)載。變壓器一次側(cè)接單相交流25 kV，二次側(cè)輸出為1.65 kV，變流裝置輸出交流380 V。相應(yīng)的仿真電路如圖2所示，主要模塊的參數(shù)設(shè)置:變壓器需設(shè)置變比、額定容量、額定電壓峰值及頻率，分別為25/1.65，450 MV·A，35.36 kV和50 Hz;逆變器需設(shè)置載波頻率、調(diào)制波頻率及調(diào)制比等，分別為3 000，50 Hz及0.5。仿真輸出取變壓器二次側(cè)電流、整流和逆變輸出電壓。

圖1 “交—直—交”變流主電路Figure 1 Main circuit of"AC-DC-AC"

圖2 “交—直—交”變流仿真電路Figure 2 Simulation circuit of"AC-DC-AC"

2 有關(guān)輸出量受電路參數(shù)影響的分析

2.1 變壓器二次側(cè)電流及整流輸出電壓

某種工況下的變壓器二次側(cè)電流波形及其諧波分布情況如圖3所示，輸出電流波形諧波含量較為豐富，除基波外，含有各整數(shù)次諧波及直流分量，且奇數(shù)次諧波含量較偶數(shù)次諧波高，而奇數(shù)次諧波中又以3，5，7次較強(qiáng)。嚴(yán)格說來，變壓器二次側(cè)輸出電流的諧波含量與整流電路濾波參數(shù)、PWM控制方式的逆變器載波比和調(diào)制比以及逆變電路濾波參數(shù)等都有關(guān)，受到其不同程度的影響;類似，整流電路和逆變電路的輸出也受其影響。

1)整流濾波電路參數(shù)的影響。

設(shè)定載波比N=3 000 Hz/50 Hz，調(diào)制比K=0.5;逆變?yōu)V波電路參數(shù):L2=2 mH，C2=200μF，電容采用Y接，改變整流濾波L1和C1。在L1=200 mH時(shí)，3，5，7諧波次隨電容變化關(guān)系如圖4(a)所示;在C1=1 000μF時(shí)，諧波隨電感變化關(guān)系如圖4(b)所示。從圖4可見，在L1一定時(shí)，隨著C1的增大，各次諧波的變化規(guī)律不盡相同，其中3次諧波含量隨C1的增大有上升趨勢(shì)，而5和7次則相反。另外，當(dāng)給定電容時(shí)，3，5，7次諧波含量受電感參數(shù)變化的影響較電容為小。整流濾波后的脈動(dòng)直流電壓波形如圖5所示(L1=200 mH，C1=1 000μF;改變整流電路參數(shù)時(shí)，整流輸出電壓的紋波系數(shù)γ［13］分布如表1，2所示。

圖3 變壓器二次側(cè)電流波形及其諧波分布Figure 3 Transformer secondary current and its harmonics distribution

圖4 變壓器二次側(cè)電流諧波含量分布與整流電路參數(shù)的關(guān)系Figure 4 Relationship between current harmonics distribution of transformer secondary side and rectifier circuit parameters

圖5 整流輸出電壓波形Figure 5 Output voltage waveform of rectifier

表1 γ隨C1的變化關(guān)系(L1=200 mH)Table 1 Relationship between ripple coefficient and capacitance C1 under(L1=200 mH)

表2 γ隨L1的變化關(guān)系(C1=1 000μF)Table 2 Ripple coefficient variation with inductance L1(C1=1 000μF)

2)PWM控制參數(shù)的影響。

給定整流電路濾波參數(shù)(L1=200 mH，C1=1 000μF)及逆變電路濾波參數(shù)(L2=2 mH，C2=200μF)，改變PWM控制方式下的K和N。有關(guān)分析結(jié)果分別如圖6所示，由圖可知，在給定的濾波電路參數(shù)及載波比(調(diào)制比)條件下，變壓器二次側(cè)輸出電流諧波含量受調(diào)制比(載波比)變化的影響較小。這是因?yàn)檩d波比和調(diào)制比主要影響逆變部分的輸出(交流)，而逆變電路與變壓器二次側(cè)之間還存在整流環(huán)節(jié)，故對(duì)其影響要小些。

3)逆變?yōu)V波電路參數(shù)的影響。

給定L1=200 mH，C1=1 000μF，N=3 000 Hz/50 Hz，K=0.5，改變逆變器濾波L2和C2。有關(guān)分析結(jié)果如圖7所示，由圖可知，在所給定的電感、電容取值范圍內(nèi)，電感參數(shù)變化對(duì)諧波含量的影響較電容大。

圖6 變壓器二次側(cè)電流諧波含量與K，N的關(guān)系Figure 6 Relationship between harmonic contents of transformer secondary current and parameters of PWM controller inverter circuit

圖7 變壓器二次側(cè)電流諧波含量與逆變電路參數(shù)的關(guān)系Figure 7 Relationship between harmonic contents of transformer secondary and parameters of inverter circuit

2.2 逆變器輸出電壓

1)PWM控制參數(shù)的影響。

給定整流濾波參數(shù)(L1=200 mH，C1=1 000μF)及逆變?yōu)V波參數(shù)(L2=2 mH，C2=200μF)，改變PWM控制的K和N，對(duì)應(yīng)不同K和N的逆變輸出電壓諧波分布情況分別如圖8，9所示。從圖8可見，固定載波比和逆變?yōu)V波參數(shù)時(shí)，隨著調(diào)制比取值的增大，輸出電壓諧波的THD相應(yīng)減小;同時(shí)由圖9可知，給定逆變?yōu)V波參數(shù)和調(diào)制比，增大載波比時(shí)，THD減小，但是當(dāng)載波比足夠大時(shí)，這種變小趨勢(shì)有所減緩。理論上載波比越大輸出精度也越高，實(shí)際中過大的載波比意味著極高的開關(guān)頻率，隨之帶來的是開關(guān)管的高功率損耗。

圖8 逆變器輸出電壓諧波分布隨K的變化(N=2 000 Hz/50 Hz)Figure 8 Harmonic contents of inverter output voltage changing with modulation ratio

2)逆變電路濾波參數(shù)的影響。

給定N=3 000 Hz/50 Hz，K=0.5，改變C2(給定濾波L2)或改變L2(給定C2)的分析結(jié)果分別如圖10，11所示?？梢姡谝欢ǚ秶鷥?nèi)增大電容，輸出電壓諧波含量增大;但增大電感時(shí)，諧波含量卻有所減小，且在濾波L2=6 mH，C2=200μF時(shí)，THD僅為0.91%。

圖9 逆變器輸出電壓諧波分布隨N的變化(K=0.5)Figure 9 Harmonic contents of inverter output voltage changing with carrier wave ratio(K=0.5)

圖10 逆變器輸出電壓諧波含量與C2的關(guān)系L2=4 mH)Figure 10 Relationship between harmonic contents of inverter output voltage and capacitor(C2)of filtercircuit(L24 mH)

圖11 逆變器輸出電壓諧波含量與L2的關(guān)系(C2=200μF)Figure 11 Relationship between harmonic contents of inverter output voltage and filter inductance(C2200μF)

3 結(jié)語

筆者建立了基于MATLAB機(jī)車主變壓器及其變流系統(tǒng)的仿真模型，較詳細(xì)分析了整流及逆變?yōu)V波電路參數(shù)、PWM控制方式下的調(diào)制比、載波比等參數(shù)對(duì)機(jī)車變壓器二次側(cè)電流波形及逆變輸出電壓波形的影響。值得指出的是，較實(shí)際機(jī)車電氣變流系統(tǒng)，該文分析模型有所簡(jiǎn)化，如變壓器二次側(cè)有多個(gè)輸出電壓等級(jí)，即牽引系統(tǒng)也有多套變流系統(tǒng)，因此，有關(guān)問題值得深入研究。

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