交直型电力机车的功率因数

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章交直型电力机车的功率因数,第一节概述,、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：,电流（基波）相位滞后电网压，产生无功率；,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。,1,第一节概述,、无功的危害,增大电网电压降；,增加电网损耗；,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。,2,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补偿器提高功率因数。,3,第一节概述,、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。,4,第一节概述,5,一、 不控整流电路的功率因数,第二节整流电路的功率因数,u,wt,wt,i,i,1,u,i,id,假设：,L,=，,整流,电流平直，不考虑换向重叠角，则电流,i,为方波。,6,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,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,7,一、 不控整流电路的功率因数,实际情况中要考虑,换向重叠角,，,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。,8,一、 不控整流电路的功率因数,9,二、全控整流电路的功率因数,id,i,u,T,1,T,3,T,2,T,4,+,U,d,-,i,1,i,wt,wt,u,Id,wt,u,d,假设：,L,=，整流电流平直，不考虑换向重叠角，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,。,10,二、全控整流电路的功率因数,Ud0,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。,11,对输入电流进行傅利叶分解，可得：,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,12,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,。,13,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,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。,14,其它参数可算:,二、全控整流电路的功率因数,15,二、全控整流电路的功率因数,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。,16,三、半控整流电路的功率因数,u,i,id,u,d,wt,I,d,u,wt,wt,i,i,1,假设：,L,=，整流电流平直，不考虑换向重叠角,，则电流,i,为方波。,17,三、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:,Ud0,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。,18,三、半控整流电路的功率因数,可见，电流基波滞后电源电压的角度是,/2。,19,不,控整流桥功率因数恒定为,0.9,，较高；,全控桥功率因数与,U,d,/U,d0,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,U,d,/,U,d0,PF,不控桥,半控桥,全控桥,20,第三节 多段桥顺序控制,1,二段半控桥,i,i,u,d,u,d,2,a1,x1,a2,x2,A,X,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。,21,u,d1,u,d,2,a1,x1,a2,x2,A,X,1 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）。,u,d1,wt,I,d,u,a1x1,wt,wt,i,a1x1,22,1 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,）。,wt,u,d1,wt,wt,u,d2,u,a1x1,u,a2x2,u,d1,+u,d2,wt,wt,i,a1x1,i,a2x2,wt,i,AX,wt,I,d,I,d,I,d,/2k,I,d,/k,23,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。,1 二段半控桥,第一调节区：,输出整流电压平均值,U,a1x1,-第一段变压器副边绕组额定输出电压有效值,U,2,-整个副边绕组额定输出电压有效值,U,d0,-RM1、RM2满开放时输出的最大电压平均值,24,1 二段半控桥,输入电流有效值,25,1 二段半控桥,第二调节区：,输出整流电压平均值,26,输入电流有效值,1 二段半控桥,27,1 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。,28,、,四段半控桥顺序控制,X,A,x2,a2,x1,a1,u,d,2,u,d,o,1/4,1/4,1/2,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,。,29,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,30,