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n第一节概述n、电气化铁道机车引起的问题问题n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：n电流基波相位滞后电网压，产生无功率；n电流非弦，有谐波电流；n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。nn无功、谐涉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n、无功的危害n增大电网电压降；n增加电网损耗；n降低电网和电气设备的利用率。n对机车而言，电网电压低，机车牵引力不能充分发挥。n就目前我同高速开展铁道交通，重点开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、谐波有危害对电网邻近的通讯线路干扰；导致继保护装置误动作；使变压器、电气线路、电容等绝缘老化，寿命减小；引起电网上其它旋转电机附加损耗和噪声；激发电网局部振荡，引起谐波电流放大；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。补偿器提高功率因数。第一节概述n、功率因数的定义n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n功率因数：nn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。111111111coscoscosIIIUIIUIUPF视在功率有功功率第一节概述211221111111111111)(cos1.coscoscosIIIHFHFTHDDFIIIIUDFPFIIIUIUIUIUPF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，那么电流i为方波。n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484.019.0.9.01cos211FDFPFIIDF）（根据傅利叶分解可得可见不控整流电路的功率因数较高，到达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n实际情况中要考虑换向重叠角，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二、全控整流电路的功率因数idiuT1T3T2T4+Ud-i1iwtwtuIdwtud假设：L=，整流电流平直，不考虑换向重叠角，那么电流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。二、全控整流电路的功率因数cosUcosUttdsinUUdd02221Ud0 为=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。n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021200tdiId12420211122knncosnIknncosncosnIttdnsinIttdnsinIttdnsintibddddn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。n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。n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n结论：n1、全控桥的功率因数与输出电压的平均值成正比。n2、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，那么电流i为方波。三、半控整流电路的功率因数n根据电压的波形，可以计算出整流电压的平均值:212122210cosUcosUttdsinUUddUd0 为=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/2。不控整流桥功率因数恒定为0.9，较高；全控桥功率因数与Ud/Ud0成正比，在控制角较小时，功率因数较大;在控制角较大时，功率因数较小；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1为，第二段桥RM2闭锁即T3、T4的控制角2为。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1为0，第二段桥RM2工作即T3、T4的控制角2为。wtud1wtwtud2ua1x1ua2x2ud1+ud2wtwtia1x1ia2x2wtiAXwtIdIdId/2kId/kn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10121211121141122221021cosUcosUtd tsinUtd tsinUUUUdxadddUa1x1-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2022UUd1 二段半控桥输入电流有效值112dII114121122221121211111cosIIHFcoscosDFcoscosIIPFnncosnII 111ndn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202202220112134132222122122cosUcosUtd tsintd tsinUtd tsinUtd tsinUUUUdxaxaddd输入电流有效值4312dII2221222222223543161032323335cosIIHFcoscoscosDFcoscosIIPFncosnsinarctanncosnII 111ndn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，如以下图。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。、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。不控整流功率因数高；半控桥比全控桥功率因数高；多段桥功率因数较一段高，但段数多控制复杂；现在多用三段桥。、四段半控桥顺序控制