交直型电力机车的功率因数

第二章交直型电力机车的功率因数第一节概述１、电气化铁道机车引起的问题问题输入单相交流，采用二极管或相控整流，直流侧加平波电抗器。有如下问题：①电流（基波）相位滞后电网压，产生无功率；②电流非弦，有谐波电流；此外，电气化铁道采用单相供，会造成电网三相不对称，存在负序电流。无功、谐波及不对称问题是电气化铁道供电系统面临的三大问题，随着交流机车的采用不对称问题将是主要要问题。第一节概述２、无功的危害①增大电网电压降；②增加电网损耗；③降低电网和电气设备的利用率。对机车而言，电网电压低，机车牵引力不能充分发挥。就目前我同高速发展铁道交通，重点发展重载（货运）和高速（客运），电网的利用率变得非常重要。第一节概述３、谐波有危害①对电网邻近的通讯线路干扰；②导致继保护装置误动作；③使变压器、电气线路、电容等绝缘老化，寿命减小；④引起电网上其它旋转电机附加损耗和噪声；⑤激发电网局部振荡，引起谐波电流放大；⑥引起电网波形畸变。对机车而言，会引起保护误动作。机车采用：多段半控桥和加装功率因数补偿器提高功率因数。第一节概述４、功率因数的定义前提假设：电网电压无畸变为正弦波。（而电网电流为非正弦波）功率因数：这里定义功率因数，与学过的线性电路电路中的功率因数有区别。这里电流是非正弦的，只有基波电流与输入电网电压同频率，产生有功功率，其他高次谐波电流与电网电压频率不同，只能产生无功功率。111111111coscoscosIIIUIIUIUPF视在功率有功功率第一节概述211221111111111111)(cos1.coscoscosIIIHFHFTHDDFIIIIUDFPFIIIUIUIUIUPF基波电流谐波电流又称畸变率定义谐波系数电流的相移系数电流波形畸变系数输入电流的有效值输入的基波电流电网电压的有效值视在功率有功功率一、不控整流电路的功率因数第二节整流电路的功率因数uwtwtii1uiid假设：L=∞，整流电流平直，不考虑换向重叠角γ，则电流i为方波。根据假设，变压器原边绕组流过的基波电流与电网电压同相位。一、不控整流电路的功率因数484.019.0.9.01cos211FDFPFIIDF）（根据傅利叶分解可得可见不控整流电路的功率因数较高，达到0.9。相移系数电流畸变系数功率因数谐波系数一、不控整流电路的功率因数实际情况中要考虑换向重叠角γ，交流电流要滞后交流电压，近似认为相移系数换向重叠角取决于电压级位、变压器漏抗、负载电流。负载电流越大和电压极位越低，换向重叠角越大，相移系数越小，相应功率因数越低，但是不是正比关系。321coscosDF一、不控整流电路的功率因数DFPF理想实际DFId1(大)Id2(小)PFDF10.9Ud/Ud01二极管整流功率因数与输出电压关系二、全控整流电路的功率因数idiuT1T3T2T4+Ud-i1iwtwtuIdwtudαφ假设：L=∞，整流电流平直，不考虑换向重叠角γ，则电流i为方波。电流与电压不同相，电流滞后电压一个角度，此角度为电路的控制角α。二、全控整流电路的功率因数cosUcosUttdsinUUdd02221Ud0为α=0时的整流电压平均值，也是整流电路的最大输出电压平均值。对输入电流进行傅利叶分解，可得：10nnntnsinbtncosaIi二、全控整流电路的功率因数由于输入电流正负半波对称，所以其直流分量为零。即021200tdiId12420211122knncosnIknncosncosnIttdnsinIttdnsinIttdnsintibddddn同理：二、全控整流电路的功率因数可见，输入电流只存在奇数次谐波，不存在偶数次谐波。根据以上推导，可得：n次谐波的移相角二、全控整流电路的功率因数nbannnarctan可见，基波电流滞后于电源电压，基波电流相位角等于控制角。其它参数可算:二、全控整流电路的功率因数0121909048430dd121UU.0.9cosDFPF.II.IIIHFcoscosDF功率因数：电流波形畸变系数：谐波系数：相移系数：二、全控整流电路的功率因数PFDF0.9Ud/Ud01不控整流全控整流结论：1、全控桥的功率因数与输出电压的平均值成正比。2、在满电压时，功率因数为0.9，控制角越大，输出电压越低，功率因数越低。三、半控整流电路的功率因数uiidudwtIduwtwtii1假设：L=∞，整流电流平直，不考虑换向重叠角γ，则电流i为方波。三、半控整流电路的功率因数根据电压的波形，可以计算出整流电压的平均值:212122210cosUcosUttdsinUUddUd0为α=0时的整流电压平均值，也是整流电路的最大输出电压平均值。三、半控整流电路的功率因数112114211222212cosPFcosHFcoscosDFItdIIncosnIIndddnn可见，电流基波滞后电源电压的角度是α/2。①不控整流桥功率因数恒定为0.9，较高；②全控桥功率因数与Ud/Ud0成正比，在控制角α较小时，功率因数较大;在控制角α较大时，功率因数较小；③半控桥介于不控与全控之间，比全控桥功率因数高。三、半控整流电路的功率因数Ud/Ud0PF不控桥半控桥全控桥第三节多段桥顺序控制1二段半控桥iiudud2a1x1a2x2AX电路结构:变压器副边绕组分成电压相等的a1x1,a2x2;每段绕组接一个半控桥，RM1、RM2；两个半控桥串联。ud1ud2a1x1a2x2AX1二段半控桥二段桥的工作过程：1、第一段桥RM1工作（即T1、T2的控制角α1为α），第二段桥RM2闭锁（即T3、T4的控制角α2为π）。ud1wtIdua1x1wtwtia1x11二段半控桥二段桥的工作过程：2、第一段桥RM1满开放（即T1、T2的控制角α1为0），第二段桥RM2工作（即T3、T4的控制角α2为α）。wtud1wtwtud2ua1x1ua2x2ud1+ud2wtwtia1x1ia2x2wtiAXwtIdIdId/2kId/k由各段调节区的波形，可推导出各段调节区的运行性能参数。101二段半控桥第一调节区：2输出整流电压平均值10121211121141122221021cosUcosUtdtsinUtdtsinUUUUdxadddUa1x1----第一段变压器副边绕组额定输出电压有效值U2----整个副边绕组额定输出电压有效值Ud0----RM1、RM2满开放时输出的最大电压平均值2022UUd1二段半控桥输入电流有效值112dII114121122221121211111cosIIHFcoscosDFcoscosIIPFnncosnII111ndn谐波系数：相移系数：功率因数：相移角：谐波电流：1二段半控桥20第二调节区：01输出整流电压平均值202202220112134132222122122cosUcosUtdtsintdtsinUtdtsinUtdtsinUUUUdxaxaddd输入电流有效值4312dII2221222222223543161032323335cosIIHFcoscoscosDFcoscosIIPFncosnsinarctanncosnII111ndn谐波系数：相移系数：功率因数：相移角：谐波电流：1二段半控桥1二段半控桥根据推导的公式，可以描点画出二段半控桥的功率因数与输出电压的关系曲线，如下图。由曲线可见，二段桥的功率因数比一段桥的功率因数有显著提高。在Ud/Ud0=0.5时，二段桥的功率因数为0.9。２、四段半控桥顺序控制XAx2a2x1a1ud2udo1/41/41/2电路结构：1、三段绕组组成四段半控桥2、三绕组的电压分配是a1o和ox1，各为1/4额定值；a2x2为1/2额定值。①不控整流功率因数高；②半控桥比全控桥功率因数高；③多段桥功率因数较一段高，但段数多控制复杂；④现在多用三段桥。２、四段半控桥顺序控制