地鐵24脈波整流機組特性研究

楊艷萍 陳振

摘 要：整流機組是地鐵直流牽引供電系統(tǒng)的重要設(shè)備之一，起到為城軌車輛提供所需直流電源的重要作用。本文以濟南地鐵三號線路八澗堡牽引變電所兩臺整流機組為例，介紹整流機組的工作原理，采用MATLAB-Simulink虛擬仿真軟件建立等效模型，對直流側(cè)輸出的等效24脈波整流電源性能進行分析。

關(guān)鍵詞：整流器;等效24相整流;整流機組

中圖分類號：U231.8 文獻標識碼：A

0 引言

地鐵直流牽引供電系統(tǒng)中，牽引變電所承擔(dān)著降壓和電能變換的作用，將外部電網(wǎng)AC35 kV高壓電經(jīng)過降壓和整流后，變換為DC1 500 V直流電源，經(jīng)過直流電纜饋送到接觸網(wǎng)（或接觸軌）上，地鐵車輛通過受電弓與接觸網(wǎng)（或通過受電靴與接觸軌）接觸取流，再由車輛輪對將電流傳遞到走行軌，最后流回牽引變電所，形成閉合的電流回路。因此直流電源的供電質(zhì)量直接關(guān)系到電客車電機的工作性能，為了降低直流電源的紋波系數(shù)，優(yōu)化直流供電質(zhì)量，通常采用多相整流方法，最基本的就是六相整流（6脈波），隨著整流器件的成倍增加又有采用十二相整流（12脈波），二十四相整流（24脈波）或四十八相（48脈波）整流。我國新開通的地鐵線路多采用24脈波整流機組，逐步代替落后的12脈波整流機組，但48脈波整流機組投入和維護成倍大，經(jīng)濟效益較差，目前地鐵企業(yè)應(yīng)用的較少。

1 等效24脈波整流機組的原理

地鐵牽引變電所整流變壓器采用三繞組結(jié)構(gòu)變壓器，變壓器二次側(cè)分別采用△和Y接線方式，能產(chǎn)生兩組幅值大小相等但相位角差30°的兩組三相交流電。12脈波整流機組由兩個三相6脈波整流電路組成12脈波整流機組的一個三相6脈波整流電路接入變壓器二次側(cè)△繞組，另一個三相6脈波整流電路接入變壓器二次側(cè)Y繞組，經(jīng)整流后輸出的直流電在交流電源周期（一般不改變交流電源頻率，周期為0.02 s）內(nèi)連續(xù)波動12次。等效24脈波整流是由兩套整流機組實現(xiàn)的[1]。兩臺變壓器的一次側(cè)繞組加延長繞組，采用延邊三角形接法分別產(chǎn)生+7.5°和-7.5°的相位移。改變外部接線使兩臺整流變壓器二次側(cè)電壓相差15°，分別送入并聯(lián)運行的兩套整流器，輸出等效24脈波直流電。

2 24相整流機組建模仿真

采用MATLAB-simulink虛擬仿真軟件進行建模仿真。根據(jù)濟南地鐵三號線某整流機組參數(shù)設(shè)置，變壓器1接線組別Dy11d0（+7.5°），變壓器2接線組別為Dy1d2（-7.5°）;額定變比為35 kV/1 180 V;交流電源相數(shù)為3 相;電源額定頻率為50 Hz。 設(shè)置仿真時間為10 s，通過示波器模塊查看等效24相整流器輸出電壓波形圖。

從圖2、圖3可知，在三相交流電的一個周期0.02 s內(nèi)，整流機組輸出電路電壓波動24次，每個脈動為15°。

3 24相整流機組諧波分析

整流輸出的脈動直流電壓都是周期性的非正弦函數(shù)，它可用傅氏級數(shù)的形式分解成各次正弦函數(shù)，即基波和有害諧波[2]。為了衡量直流電壓脈動大小，研究直流電壓中所含諧波的詳細情況，我們引入紋波因數(shù)這一重要概念。

紋波電壓UR有效值為：

電壓紋波因數(shù)γ定義為ud中諧波分量有效值UR與整流電壓平均值Ud之比[3]：

其中m為整流相數(shù)，紋波因數(shù)與整流相數(shù)的關(guān)系如表1所示。

可以看出，相數(shù)越大，紋波因數(shù)越低，當?shù)刃?2脈波時，紋波因數(shù)為0.994，當?shù)刃?4脈波整流時，紋波因數(shù)很小，僅為0.796×10—5，相比起12相整流，24相整流抑制諧波效果明顯。

4 結(jié)論

通過仿真分析可知，電網(wǎng)的三相交流電經(jīng)過整流機組降壓變換為電客車運行所需的直流電，采用24相整流器后該直流電電源電壓的脈動數(shù)增加了，脈動減弱，紋波因數(shù)下降，諧波含量隨之減少，可見，等效24相整流器獲得了良好的諧波抑制性能，降低了地鐵牽引供電系統(tǒng)對城市電網(wǎng)的諧波污染，提高整流機組的功率因數(shù)。

參考文獻：

[1]黃俊，王兆安.電力電子變流技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，1995.

[2]楊素文，董斌，高勁.等效24相整流在廣州地鐵的應(yīng)用[J].機車電傳動，2002（2）：43.

[3]于松偉，楊興山.城市軌道交通供電系統(tǒng)設(shè)計原理與應(yīng)用[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2008.