第二章 交直型电力机车功率因数

1、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810 ；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、； (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23。 (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

3、 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 1 11 1 11 cos I cosI IU cosIU S P PF 1 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 1 11 1 11 cos I cosI IU cosIU S P PF 1 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

4、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 I I I I 1 1 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。 2 1 2 1 2 1 I II HF 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 u wt wt i i1 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。 西南交通大学磁浮列车与磁浮技术研究所 交大 根据假设

5、，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 4840 1 90 90 1 2 1 1 .HF .cosPF I. I I cosDF 1 1 ）（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（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

6、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 3 2 1 coscosDF 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 id i u T1 T3 T2 T4 + Ud - i1 i wt wt u Id wt ud 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。 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 cosU cosU ttdsin

7、UU d d 0 22 2 1 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。 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： 1 0 n nn tnsinbtncosaIi 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 0 0 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 12 4 20 2 11 1 2 2 knnsin n I kn nsinnsin n I ttdncosIttdncosI ttdncostia d d dd n i1 i wt Id +

8、2+ 西南交通大学磁浮列车与磁浮技术研究所 交大 12 4 20 2 11 1 2 2 knncos n I kn ncosncos n I ttdnsinIttdnsinI ttdnsintib d d dd n 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 n b a arctan n n n 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

9、-2-2 全控整流电路的功率因数 0 1 2 1 90 90 48430 d d 1 2 1 U U .0.9cosDFPF . I I . I II HF coscosDF 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/Ud0 PF 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 u i id ud wt Id u wt wt

10、 i i1 假设：L=，整流电流平直，不 考虑换向重叠角，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: 2 1 2 122 2 1 0 cos U cos U ttdsinUU d d 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。 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： 1 0 n nn tnsinbtncosaIi 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

11、 0 0 I 西南交通大学磁浮列车与磁浮技术研究所 交大 Id wt i 2-2-3 半控整流电路的功率因数 12 2 20 2 2 knnsin n I kn nsin n I ttdncosIa d d dn 西南交通大学磁浮列车与磁浮技术研究所 交大 121 2 20 1 2 2 knncos n I kn ncos n I ttdnsinIb d d dn 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 1 12 1 14 2 1 1 2 22 2 1 2cos PF cos HF coscosDF ItdII

12、 n cos n I I n dd d n n 可见，电流基波滞后电源 电压的角度是/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/Ud0 PF 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 i i ud ud2 a1 x1 a2 x2 A X 电路结构: 变压器副边绕组分

13、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 ud1 ud2 a1 x1 a2 x2 A X 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1为 ），第二段桥RM2闭锁（即T3、 T4的控制角2为）。 ud1 wt Id ua1x1 wt wt ia1x1 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1为0 ），第二段桥 RM2工作（即T3、T4的控制角2为）。

14、 wt ud1 wt wt ud2 ua1x1 ua2x2 ud1+ud2 wt wt ia1x1 ia2x2 wt i AX wt Id Id Id/2k Id/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。 1 0 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 10 12 1 2 1 11 21 1 4 1 1 2 2 2 21 02 1 cosU cosU td tsinU td tsinU UUU d xa ddd 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

15、值 Ud0 -RM1、RM2满开放时输 出的最大电压平均值 20 22 UU d 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 1 1 2 d I I 1 14 1 2 1 12 2 2 2 1 1 2 1 2 1 1 1 1 1 cosI I HF coscosDF cos cos I I PF n n cos n I I 1 1 1 n d n 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 2 0第二调节区：0 1 输出整流电压平均值 20 22 0 2 22 0

16、11 21 3 4 1 3 2 2 2 21 22 1 2 2 cosU cosU td tsintd tsinU td tsinUtd tsinU UUU d xaxa ddd 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 4 3 1 2 d II 2 2 2 1 2 2 2 2 2 2 2 2 35 4 3 1 610 3 2 3 2 3 3 35 cosI I HF cos cos cosDF cos cos I I PF ncos nsin arctan ncos n I I 1 1 1 n d n 谐波系数： 相移系数： 功率因数： 相移角： 谐波电流： 2-3-1 二

17、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 X A x2 a2 x1 a1 ud2 ud 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。 西南交通大学磁浮列车与磁浮技术研究

18、所 交大 2-3-2 四段半控桥顺序控制 X A x2 a2 x1 a1 ud2 ud o 1/4 1/4 1/2 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T3T6都闭锁，仅 a1o段绕组有电流流过。当T1、T2满开 放时，输出电压是1/4额定值。 2、第二段是控制由T3 、 T4和D1、D2 所组成的半控桥， 维持T1 、 T2满开放， 控制T3 、 T4，而T4、T5闭锁，a1x1 段绕组有电流流过。当T3、T4满开放 时，输出电压是1/2额定值。 3、第三段是控制由T1 、 T2和D1、D2 所组成的半控桥， 维持T5 、 T6满开放， T3 、 T4闭锁，a1o、 a2x2段绕组有电 流流过。当T1、T2满开放时，输出电压 是3/4额定值。 4、第四段是控制由T3 、 T4和D1、D2所 组成的半控桥， 维持T1 、 T2 、T5 、 T6