第二章交直型电力机车功率因数.

西南交通大学磁浮列车与磁浮技术研究所交大第二章交直型电力机车的功率因数§2-1概述1、交直型电力机车的电路结构单相交流电单相整流电路二极管整流：SS1桥式整流不控整流：有级调速半控整流：无级调速全控整流：再生制动可见，我国绝大多数电力机车均采用桥式整流电路，也就是相控整流调压方式。西南交通大学磁浮列车与磁浮技术研究所交大2、相控整流调压的优点：(1)实现牵引电机端压平滑无级调节．可以减少调压过程中的电流冲击，使牵引电机力矩变化平滑，在机车起动时可以较好地利用轮轨粘着力，一般可使起动牵引力提高8％~10％；在运行中可以获得机车工作范围内的任意牵引力和机车速度；(2)无级调压具有快速性，有利于更好地利用机车的惯性，特别是在山区线路，坡道多变的情况下，由于无级调压的快速性可节省电能2％~3％。(3)采用相控调压，可取消笨重的有触点式调压开关，调压时不必切换主电路，故不需要限流元件，也不会有电弧产生。§2-1概述西南交通大学磁浮列车与磁浮技术研究所交大3、相控整流调压的缺点：交直型整流机车的最大缺点之一是功率因数较低和谐波分量较高。(1)功率因数低，系统的利用率低，引起电网压降，引起无功损耗。电网压降与负载的无功功率大小成正比。(2)谐波电流对通讯造成干扰，引起继电保护误动作。§2-1概述西南交通大学磁浮列车与磁浮技术研究所交大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：注意：这里的功率因数是总功率因数，与正弦波电路中的功率因数有区别。只有基波电流与输入电网电压同频率，可能产生有功功率，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。§2-1概述111111cosIcosIIUcosIUSPPF1视在功率有功功率西南交通大学磁浮列车与磁浮技术研究所交大111111cosIcosIIUcosIUSPPF1视在功率有功功率§2-1概述次谐波的程度）（表示电流波形含有高—电流波形畸变系数—的相位差—基波电压与电流之间——输入电流有效值——输入电流基波有效值—IIII111西南交通大学磁浮列车与磁浮技术研究所交大•谐波系数•相移系数基波电压与基波电流之间的相位系数。可见，机车整流电路的谐波和功率因数可以用PF、DF、HF来描述。212121IIIHF§2-1概述1cosDF西南交通大学磁浮列车与磁浮技术研究所交大§2-2-1不控整流电路的功率因数§2-2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。西南交通大学磁浮列车与磁浮技术研究所交大•根据假设，变压器原边绕组流过的方波电流与电网电压同相位。§2-2-1不控整流电路的功率因数4840190901211.HF.cosPFI.IIcosDF11）（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西南交通大学磁浮列车与磁浮技术研究所交大•实际情况中要考虑换向重叠角γ（即整流元件的导通和关断有一个时间过程，不可能瞬间完成，管子中的电流有一个上升/下降的过程）•因此，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。随着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。§2-2-1不控整流电路的功率因数321coscosDF西南交通大学磁浮列车与磁浮技术研究所交大§2-2-2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。西南交通大学磁浮列车与磁浮技术研究所交大•根据电压的波形，可以计算出整流电压的平均值:§2-2-2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。西南交通大学磁浮列车与磁浮技术研究所交大•对输入电流进行傅利叶分解，可得：10nnntnsinbtncosaIi§2-2-2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00I西南交通大学磁浮列车与磁浮技术研究所交大§2-2-2全控整流电路的功率因数12420211122knnsinnIknnsinnsinnIttdncosIttdncosIttdncostiaddddni1iwtIdαπ+α2π+α西南交通大学磁浮列车与磁浮技术研究所交大12420211122knncosnIknncosncosnIttdnsinIttdnsinIttdnsintibddddn同理：§2-2-2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。西南交通大学磁浮列车与磁浮技术研究所交大•根据以上推导，可得：n次谐波的移相角§2-2-2全控整流电路的功率因数nbaarctannnn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。西南交通大学磁浮列车与磁浮技术研究所交大•全控整流电路的参数:§2-2-2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：西南交通大学磁浮列车与磁浮技术研究所交大•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。§2-2-2全控整流电路的功率因数Ud/Ud0PF西南交通大学磁浮列车与磁浮技术研究所交大§2-2-3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。西南交通大学磁浮列车与磁浮技术研究所交大§2-2-3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。西南交通大学磁浮列车与磁浮技术研究所交大•与全控桥的分析方法一样，对半控桥输入电流进行傅利叶分解，可得：10nnntnsinbtncosaIi§2-2-3半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00I西南交通大学磁浮列车与磁浮技术研究所交大Idwti§2-2-3半控整流电路的功率因数1222022knnsinnIknnsinnIttdncosIadddn西南交通大学磁浮列车与磁浮技术研究所交大121220122knncosnIknncosnIttdnsinIbdddn同理：§2-2-3半控整流电路的功率因数西南交通大学磁浮列车与磁浮技术研究所交大§2-2-3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。西南交通大学磁浮列车与磁浮技术研究所交大•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，即与cosa成正比，在控制角a较小时，功率因数较大，在控制角a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，谐波含量较低。小结Ud/Ud0PF不控桥半控桥全控桥西南交通大学磁浮列车与磁浮技术研究所交大§2-3多段桥顺序控制§2-3-1二段半控桥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。西南交通大学磁浮列车与磁浮技术研究所交大ud1ud2a1x1a2x2AX§2-3-1二段桥顺序控制二段桥的工作过程：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）。ud1wtIdua1x1wtwtia1x1西南交通大学磁浮列车与磁浮技术研究所交大§2-3-1二段桥顺序控制二段桥的工作过程：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西南交通大学磁浮列车与磁浮技术研究所交大•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。10§2-3-1二段桥顺序控制第一调节区：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西南交通大学磁浮列车与磁浮技术研究所交大§2-3-1二段桥顺序控制输入电流有效值112dII114121122221121211111cosIIHFcoscosDFcoscosIIPFnncosnII111ndn谐波系数：相移系数：功率因数：相移角：谐波电流：西南交通大学磁浮列车与磁浮技术研究所交大§2-3-1二段桥顺序控制20第二调节区：01输出整流电压平均值202202220112134132222122122cosUcosUtdtsintdtsinUtdtsinUtdtsinUUUUdxaxaddd西南交通大学磁浮列车与磁浮技术研究所交大输入电流有效值4312dII2221222222223543161032323335cosIIHFcoscoscosDFcoscosIIPFncosnsinarctanncosnII111ndn谐波系数：相移系数：功率因数：相移角：谐波电流：§2-3-1二段桥顺序控制西南交通大学磁浮列车与磁浮技术研究所交大§2-3-1二段桥顺序控制根据推导的公式，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。西南交通大学磁浮列车与磁浮技术研究所交大§2-3-2四段半控桥顺序控制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。西南交通大学磁浮列车与磁浮技术研究所交大§2-3-2四段半控桥顺序控制XAx2a2x1a1ud2udo1/41/41/2控制顺序：1、第一段是控制由T1、T2和D1、D2所组成的半控桥，而T3~T6都闭锁，仅a1o段绕组有电流流过。当T1、T2满开放时