第二章 交直型電力機(jī)車功率因數(shù)

1、西南交通大學(xué)磁浮列車與磁浮技術(shù)研究所交大第二章 交直型電力機(jī)車的功率因數(shù)2-1 概述1、交直型電力機(jī)車的電路結(jié)構(gòu)單相交流電單相整流電路二極管整流：SS1橋式整流不控整流：有級(jí)調(diào)速半控整流：無級(jí)調(diào)速全控整流：再生制動(dòng)可見，我國絕大多數(shù)電力機(jī)車均采用橋式整流電路，也就是相控整流調(diào)壓方式。西南交通大學(xué)磁浮列車與磁浮技術(shù)研究所交大2、相控整流調(diào)壓的優(yōu)點(diǎn)：(1)實(shí)現(xiàn)牽引電機(jī)端壓平滑無級(jí)調(diào)節(jié)可以減少調(diào)壓過程中的電流沖擊，使?fàn)恳姍C(jī)力矩變化平滑，在機(jī)車起動(dòng)時(shí)可以較好地利用輪軌粘著力，一般可使起動(dòng)牽引力提高810；在運(yùn)行中可以獲得機(jī)車工作范圍內(nèi)的任意牽引力和機(jī)車速度；(2)無級(jí)調(diào)壓具有快速性，有利于更好地利用

2、機(jī)車的慣性，特別是在山區(qū)線路，坡道多變的情況下，由于無級(jí)調(diào)壓的快速性可節(jié)省電能23。(3)采用相控調(diào)壓，可取消笨重的有觸點(diǎn)式調(diào)壓開關(guān)，調(diào)壓時(shí)不必切換主電路，故不需要限流元件，也不會(huì)有電弧產(chǎn)生。2-1 概述西南交通大學(xué)磁浮列車與磁浮技術(shù)研究所交大3、相控整流調(diào)壓的缺點(diǎn)： 交直型整流機(jī)車的最大缺點(diǎn)之一是功率因數(shù)較低和諧波分量較高。(1)功率因數(shù)低，系統(tǒng)的利用率低，引起電網(wǎng)壓降，引起無功損耗。電網(wǎng)壓降與負(fù)載的無功功率大小成正比。(2)諧波電流對(duì)通訊造成干擾，引起繼電保護(hù)誤動(dòng)作。 2-1 概述西南交通大學(xué)磁浮列車與磁浮技術(shù)研究所交大4、功率因數(shù)的定義前提假設(shè)：電網(wǎng)電壓無畸變?yōu)檎也?。（而電網(wǎng)電流為非正

3、弦波）功率因數(shù)：注意：這里的功率因數(shù)是總功率因數(shù)，與正弦波電路中的功率因數(shù)有區(qū)別。只有基波電流與輸入電網(wǎng)電壓同頻率，可能產(chǎn)生有功功率，其他高次諧波電流與電網(wǎng)電壓頻率不同，只能產(chǎn)生無功功率。2-1 概述111111cosIcosIIUcosIUSPPF1視在功率有功功率西南交通大學(xué)磁浮列車與磁浮技術(shù)研究所交大111111cosIcosIIUcosIUSPPF1視在功率有功功率2-1 概述次諧波的程度）（表示電流波形含有高電流波形畸變系數(shù)的相位差基波電壓與電流之間輸入電流有效值輸入電流基波有效值IIII111西南交通大學(xué)磁浮列車與磁浮技術(shù)研究所交大 諧波系數(shù) 相移系數(shù) 基波電壓與基波電流之間的相位

4、系數(shù)。 可見，機(jī)車整流電路的諧波和功率因數(shù)可以用PF、DF、HF來描述。212121IIIHF2-1 概述1cosDF 西南交通大學(xué)磁浮列車與磁浮技術(shù)研究所交大2-2-1 不控整流電路的功率因數(shù)2-2 整流電路的功率因數(shù)uwtwtii1uiid假設(shè)：L=，整流電流平直，不考慮換向重疊角，則電流i為方波。西南交通大學(xué)磁浮列車與磁浮技術(shù)研究所交大 根據(jù)假設(shè)，變壓器原邊繞組流過的方波電流與電網(wǎng)電壓同相位。2-2-1 不控整流電路的功率因數(shù)4840190901211.HF.cosPFI.IIcosDF11）（根據(jù)傅利葉分解可得可見不控整流電路的功率因數(shù)較高，達(dá)到0.9。相移系數(shù)電流畸變系數(shù)功率因數(shù)諧波

5、系數(shù)西南交通大學(xué)磁浮列車與磁浮技術(shù)研究所交大 實(shí)際情況中要考慮換向重疊角（即整流元件的導(dǎo)通和關(guān)斷有一個(gè)時(shí)間過程，不可能瞬間完成，管子中的電流有一個(gè)上升/下降的過程） 因此，交流電流要滯后交流電壓，近似認(rèn)為相移系數(shù) 換向重疊角取決于電壓級(jí)位、變壓器漏抗、負(fù)載電流。隨著負(fù)載電流越大和電壓極位越低，換向重疊角越大，相移系數(shù)越小，相應(yīng)功率因數(shù)越低，但是不是正比關(guān)系。2-2-1 不控整流電路的功率因數(shù)321coscosDF西南交通大學(xué)磁浮列車與磁浮技術(shù)研究所交大2-2-2 全控整流電路的功率因數(shù)idiuT1T3T2T4+Ud-i1iwtwtuIdwtud假設(shè)：L=，整流電流平直，不考慮換向重疊角，則電流

6、i為方波。電流與電壓不同相，電流滯后電壓一個(gè)角度，此角度為電路的控制角。西南交通大學(xué)磁浮列車與磁浮技術(shù)研究所交大 根據(jù)電壓的波形，可以計(jì)算出整流電壓的平均值:2-2-2 全控整流電路的功率因數(shù)cosUcosUttdsinUUdd02221Ud0 為=0時(shí)的整流電壓平均值，也是整流電路的最大輸出電壓平均值。西南交通大學(xué)磁浮列車與磁浮技術(shù)研究所交大 對(duì)輸入電流進(jìn)行傅利葉分解，可得：10nnntnsinbtncosaIi2-2-2 全控整流電路的功率因數(shù)由于輸入電流正負(fù)半波對(duì)稱，所以其直流分量為零。即00I西南交通大學(xué)磁浮列車與磁浮技術(shù)研究所交大2-2-2 全控整流電路的功率因數(shù)1242021112

7、2knnsinnIknnsinnsinnIttdncosIttdncosIttdncostiaddddni1iwtId+2+西南交通大學(xué)磁浮列車與磁浮技術(shù)研究所交大12420211122knncosnIknncosncosnIttdnsinIttdnsinIttdnsintibddddn同理：2-2-2 全控整流電路的功率因數(shù)可見，輸入電流只存在奇數(shù)次諧波， 不存在偶數(shù)次諧波。西南交通大學(xué)磁浮列車與磁浮技術(shù)研究所交大 根據(jù)以上推導(dǎo)，可得：n次諧波的移相角2-2-2 全控整流電路的功率因數(shù)nbaarctannnn可見，基波電流滯后于電源電壓，基波電流相位角等于控制角。西南交通大學(xué)磁浮列車與磁浮技

8、術(shù)研究所交大 全控整流電路的參數(shù):2-2-2 全控整流電路的功率因數(shù)0121909048430dd121UU.0.9cosDFPF.II.IIIHFcoscosDF功率因數(shù)：電流波形畸變系數(shù)：諧波系數(shù)：相移系數(shù)：西南交通大學(xué)磁浮列車與磁浮技術(shù)研究所交大 結(jié)論：1、全控橋的功率因數(shù)與輸出電壓的平均值成正比。2、在滿電壓時(shí)，功率因數(shù)為0.9，控制角越大，輸出電壓越低，功率因數(shù)越低。2-2-2 全控整流電路的功率因數(shù)Ud/Ud0PF西南交通大學(xué)磁浮列車與磁浮技術(shù)研究所交大2-2-3 半控整流電路的功率因數(shù)uiidudwtIduwtwtii1假設(shè)：L=，整流電流平直，不考慮換向重疊角，則電流i為方波。

9、西南交通大學(xué)磁浮列車與磁浮技術(shù)研究所交大2-2-3 半控整流電路的功率因數(shù) 根據(jù)電壓的波形，可以計(jì)算出整流電壓的平均值:212122210cosUcosUttdsinUUddUd0 為=0時(shí)的整流電壓平均值，也是整流電路的最大輸出電壓平均值。西南交通大學(xué)磁浮列車與磁浮技術(shù)研究所交大 與全控橋的分析方法一樣，對(duì)半控橋輸入電流進(jìn)行傅利葉分解，可得：10nnntnsinbtncosaIi2-2-3 半控整流電路的功率因數(shù)由于輸入電流正負(fù)半波對(duì)稱，所以其直流分量為零。即00I西南交通大學(xué)磁浮列車與磁浮技術(shù)研究所交大Idwti2-2-3 半控整流電路的功率因數(shù)1222022knnsinnIknnsinn

10、IttdncosIadddn西南交通大學(xué)磁浮列車與磁浮技術(shù)研究所交大 121220122knncosnIknncosnIttdnsinIbdddn同理：2-2-3 半控整流電路的功率因數(shù)西南交通大學(xué)磁浮列車與磁浮技術(shù)研究所交大2-2-3 半控整流電路的功率因數(shù)112114211222212cosPFcosHFcoscosDFItdIIncosnIIndddnn可見，電流基波滯后電源電壓的角度是/2。西南交通大學(xué)磁浮列車與磁浮技術(shù)研究所交大 不控整流橋功率因數(shù)恒定為0.9，較高； 全控橋功率因數(shù)與Ud/Ud0成正比，即與cosa成正比，在控制角a較小時(shí)，功率因數(shù)較大，在控制角a較大時(shí)，功率因數(shù)較

11、??； 半控橋介于不控與全控之間，比全控橋功率因數(shù)高，諧波含量較低。小結(jié)Ud/Ud0PF不控橋半控橋全控橋西南交通大學(xué)磁浮列車與磁浮技術(shù)研究所交大2-3 多段橋順序控制2-3-1 二段半控橋iiudud2a1x1a2x2AX電路結(jié)構(gòu):變壓器副邊繞組分成電壓相等的a1x1,a2x2;每段繞組接一個(gè)半控橋，RM1、RM2；兩個(gè)半控橋串聯(lián)。西南交通大學(xué)磁浮列車與磁浮技術(shù)研究所交大ud1ud2a1x1a2x2AX2-3-1 二段橋順序控制二段橋的工作過程：1、第一段橋RM1工作（即T1、T2的控制角1為 ），第二段橋RM2閉鎖（即T3、T4的控制角2為）。ud1wtIdua1x1wtwtia1x1西南交

12、通大學(xué)磁浮列車與磁浮技術(shù)研究所交大2-3-1 二段橋順序控制二段橋的工作過程：2、第一段橋RM1滿開放（即T1、T2的控制角1為0 ），第二段橋RM2工作（即T3、T4的控制角2為）。wtud1wtwtud2ua1x1ua2x2ud1+ud2wtwtia1x1ia2x2wtiAXwtIdIdId/2kId/k西南交通大學(xué)磁浮列車與磁浮技術(shù)研究所交大 由各段調(diào)節(jié)區(qū)的波形，可推導(dǎo)出各段調(diào)節(jié)區(qū)的運(yùn)行性能參數(shù)。102-3-1 二段橋順序控制第一調(diào)節(jié)區(qū)：2輸出整流電壓平均值10121211121141122221021cosUcosUtd tsinUtd tsinUUUUdxadddUa1x1 -第一段

13、變壓器副邊繞組額定輸出電壓有效值U2 -整個(gè)副邊繞組額定輸出電壓有效值Ud0 -RM1、RM2滿開放時(shí)輸出的最大電壓平均值2022UUd西南交通大學(xué)磁浮列車與磁浮技術(shù)研究所交大2-3-1 二段橋順序控制輸入電流有效值112dII114121122221121211111cosIIHFcoscosDFcoscosIIPFnncosnII 111ndn諧波系數(shù)：相移系數(shù)：功率因數(shù)：相移角：諧波電流：西南交通大學(xué)磁浮列車與磁浮技術(shù)研究所交大2-3-1 二段橋順序控制20第二調(diào)節(jié)區(qū)：01輸出整流電壓平均值202202220112134132222122122cosUcosUtd tsintd tsin

14、Utd tsinUtd tsinUUUUdxaxaddd西南交通大學(xué)磁浮列車與磁浮技術(shù)研究所交大輸入電流有效值4312dII2221222222223543161032323335cosIIHFcoscoscosDFcoscosIIPFncosnsinarctanncosnII 111ndn諧波系數(shù)：相移系數(shù)：功率因數(shù)：相移角：諧波電流：2-3-1 二段橋順序控制西南交通大學(xué)磁浮列車與磁浮技術(shù)研究所交大2-3-1 二段橋順序控制根據(jù)推導(dǎo)的公式，可以描點(diǎn)畫出二段半控橋的功率因數(shù)與輸出電壓的關(guān)系曲線，如下圖。由曲線可見，二段橋的功率因數(shù)比一段橋的功率因數(shù)有顯著提高。在Ud/Ud0=0.5時(shí)，二段橋

15、的功率因數(shù)為0.9。西南交通大學(xué)磁浮列車與磁浮技術(shù)研究所交大2-3-2 四段半控橋順序控制XAx2a2x1a1ud2udo1/41/41/2電路結(jié)構(gòu)：1、三段繞組組成四段半控橋2、三繞組的電壓分配是a1o和ox1，各為1/4額定值； a2x2為1/2額定值。西南交通大學(xué)磁浮列車與磁浮技術(shù)研究所交大2-3-2 四段半控橋順序控制XAx2a2x1a1ud2udo1/41/41/2控制順序：1、第一段是控制由T1 、 T2和D1、D2所組成的半控橋，而T3T6都閉鎖，僅a1o段繞組有電流流過。當(dāng)T1、T2滿開放時(shí)，輸出電壓是1/4額定值。2、第二段是控制由T3 、 T4和D1、D2所組成的半控橋， 維持T1 、 T2滿開放，控制T3 、 T4，而T4、T5閉鎖，a1x1段繞組有電流流過。當(dāng)T3、T4滿開放時(shí)，輸出電壓是1/2額定值。3、第三段是控制由T1 、 T2和D1、D2所組成的半控橋， 維持T5 、 T6滿開放，T3 、 T4閉鎖，a1o、 a2x2段繞組有電流流過。當(dāng)T1、T2滿開放時(shí)，輸出電壓是3/4額定值。4、第四段是控制由T3 、 T4和D1、D2所組成的半控橋， 維持T1 、 T2 、T5 、 T6滿開放，a1x1、 a2x2段繞組有電流流過