二十四脉波整流资料全

3 24 脉波整流机组整流机组是地铁直流牵引供电系统中的重要设备之一。整流机组的设计、结构特 点和保护方式关系到整个直流牵引供电系统的正常运行。目前，为了提高直流电的供 电质量，降低直流电源的脉动量，城市轨道交通多数采用等效 24 脉波整流机组，一 般都由两台相同容量 l2 脉波的整流变压器9和与之匹配的整流器共同组成。3.1 24 脉波整流机组的作用及要求在地铁供电系统中，牵引变电所高压侧的电压多为35kV AC(或33kV AC),而 接触网的电压为1500V DC(或750V DC)，所以需要降压和整流。整流机组包括整流 变压器和整流器，其作用是将35kV AC(或 33kV AC)降压、整流，输出1500V DC(或 750V DC)电压供给地铁接触网，实现直流牵引。地铁牵引变电所一般设于地下，所 以整流机组也安装在地下室。整流变压器宜采用干式、户、自冷、环氧树脂浇注变压器，其线圈绝缘等级为F 级，线圈温升限值为70K/90K (高压，低压)，其承受极限温度为155°C，铁心温升在 任何情况下不应产生损坏铁心金属部件及其附近材料的温度。在高湿期可能产生凝 露，应采取措施防止凝露对设备的危害。整流器采用自然风冷式，适用于户安装。整流器柜宜采用独立式金属柜，二极管 及其它元件的布置应考虑通风流畅、接线方便，同时便于维护、维修。整流器与外部 连接的跳闸信号采用接点方式，报警信号采用数字方式。柜的上部及底部开口，采取 措施防止小动物进入，正面和后面有门，各部件与柜应绝缘。整流变压器应从结构上 进行优化设计，以抑制谐波的产生，减少电磁波干扰。整流机组产生的谐波电流应满 足国家标准的规定，并满足我国电磁兼容相应的标准10。根据 IEC164 规定，地铁作为重型牵引负荷，其负荷等级为 VI 级，整流机组设 备的负荷特性满足如下要求：100%额定负荷时可连续运行；150%额定负荷时可持续 运行2h； 300%额定负荷时可持续运行1min。整流器的设计应满足当任一臂并联的整 流管有 1 个损坏时，能全负荷正常运行。整流器每个臂并联整流管的电流不平衡度小 于10%。直流侧空载情况下，整流变压器施加35x(1+0.05)kV的交流电压时，直流侧 输出电压不超过 1800 V。3.2 24 脉波整流机组的构成24 脉波整流机组的主电路原理图如图 3-1 所示。整流机组主要有两台 12 脉波轴 向双分裂式牵引整流变压器和四组全波整流桥组成。每台变压器阀侧二套绕组分别接 成 d 接法和 y 接法，其线电压天然形成 30° 的相差。两台变压器的网侧采用延边三角 形接法，分别移相±7.5°，这样形成的两台变压器的四套阀侧绕组的线电压相量互差 15°相位，分别经全波整流后，在直流侧并联运行，形成 24 脉波整流系统。图 3-1 24 脉波整流机组主电路原理图3.3 24 脉波整流机组原理分析图 3-2 为轴向双分裂式变压器的绕组布置示意图。这种变压器的网侧为一个不分 裂的绕组，分为上下两个支路，两支路并联联结。两组阀侧绕组沿轴向布置于同一铁 心柱上，其本身并没有串联或并联，而是将其头尾各自采用y联结和d联结分别引出, 分裂成两个支路。这种阀侧绕组分裂为两个支路布置在同一个铁心柱上的轴向双分裂 变压器可以使阀侧两个支路并联运行，同时向负载供电，即同时各供一三相桥式整流 器。阀侧绕组一组采用y联结，另一组采用d联结，使它们的线电压有效值相等。变压器阀侧绕组同名端线电压的相位差为2n/12（电角度为30。），这就形成每周期含有12 脉波的 6 相整流系统。如果有两台这样的变压器，一台移相+7.5°，另一台移相-7.5°， 两台变压器组成一套移相变压器组，这就形成了 12 相 24 脉波的移相变压器，其阀侧 同名端线电压的相位差为2n/24（电角度为15。），阀侧电压相量图如图3-3所示。axiXb a -2 2ba33bfi 卜be亠4 4b e2a b2 2e3a3e2a2e4a4e b< 2 2eb441 1 ae ae ae 1 14 42 23 3图 3-2 轴向双绕组双分裂变压器绕组布置图 3-3 阀侧电压相量图在选择地铁整流机组的规格时，尽量考虑采用带三角形联结的变压器，同时尽可 能的增加整流的相数，变压器采用Dy11d0-Dy1d2或Dy5d0-Dy7d2都符合这一设想。 变压器采用 Dy11d0-Dy1d2 联结的整流机组，单台变压器运行时只是 12 脉波，要获 得24脉波，需两台并联运行。对于变压器采用Dy5d0-Dy7d2接线的整流机组同样如 此。在实际运行时，一台变压器退出运行，则联跳另一台变压器，可通过邻近变电所 实行大双边供电保证列车运行。如果只运行一台变压器，则电网谐波含量会较正常时 增加。 24 脉波整流机组输出直流电压的纹波系数较 12 脉波小， Dy11d0-Dy1d2 两台 变压器互换性好，从Dy11d0-Dy1d2的结法可以看出，两台变压器的互换只需改变一 次侧接入电网的相序即可。当励磁电流的 3 次谐波或零序分量能够流通时，三倍次谐 波或三的整数次谐波电流就不注入电网，可选择两台轴向双分裂的变压器，一台（T1） 联结组为Dy11Dd0,如图3-4所示；另一台（T2）为Dy1Dd2,其中D联结为延边三角 形，如图3-5所示。根据两台变压器的接线，可绘制出其相量图如图3-6（T 1）和图 3-7 （T2）所示11。ABCa2 b2 c2a3 b3 c3a2 b2 c2a3 b3 c3(a) 高压绕组(b) 低压绕组(a) 高压绕组(b) 低压绕组图 3-4 T1 整流变压器 Dy11-d0 绕组联结图图3-5 T2整流变压器Dyl-d2绕组联结图CUlC1C1b3C2Bl(a) 次侧D结绕组联结(b)二次侧y结绕组相量图(c) 二次侧d结绕组相量图AB1BCBA A"IC1-fClAA1:/a3(a) 次侧D结绕组联结(b)二次侧y结绕组相量图(c) 二次侧d结绕组相量图图 3-6 变压器 Tl 的结构及相量图图 3-7 变压器 T2 的结构及相量图分析图 3-6和 3-7 的相量图可知，若以水平右方向为参考方向，则可得其它电压 相量的相位角分别为：(1) 对于变压器 T1一次侧电压相量UAibi的相位角为112.5。；二次侧电压相量Ua2b2的相位角为142.5° (y结),Ua3b3的相位角为112.5°(d结)。(2) 对于变压器 T2一次侧电压相量UA1B1的相位角为127.5°；二次侧电压相量Ua2b2的相位角为97.5° (y结),Ua3b3的相位角为67.5° (d结)。图 3-8 两台变压器的相量关系图NINId d观察图3-6和3-7的相量图并利用上述分析的结果可知，对于同一台变压器，其 阀侧(二次侧)绕组同名端线电压的相位差为 30°(142.5°-112.5°=97.5°-67.5°=30°)；而 两台变压器的网侧(一次侧)并联接入电网时，相当于其一次侧各移相 7.5°(不同的旋 转方向)，使T1变压器一次侧三角形绕组电压与T2变压器原边三角形绕组线电压有 15°的相位差(127.5°-112.5°=15°)，而两台变压器二次侧对应的线电压相位差为 45°(142.5°-97.5°=112.5°-67.5°=45°)，上述结果如图 3-8所示。30°,NI2 2图 3-9 磁势平衡相量图3.4 24 脉波移相整流变压器网侧绕组分析1. 网侧绕组电压、匝数及移相角的确定 网侧绕组的±7.5°移相是通过两种不同的延边三角形接线来实现的，其绕组接线原理图与相量图分别如图 3-4(3-5)和3-6(3-7)所示。 由于二台变压器的网侧仅接线方式不同，其它的参数都完全相同12。以下就一种接法来讨论三角段的电势Ud、延边段电势Uy和移相角a之间的关系。由网侧电压相量及三角函数关系可知(a=7.5°):Uy sin a 2.= sin aU1sinl20°”3Ud + Uysin(60。-a)2 .(60。从=sm(60 -a)Usin1203sinl20°则辿=sin(6°°-a)- sina = 2cos3°°sin(3°°-a)= 2sin(30。-a)U1sinl20° sinl20°sinl20°33 .Ud _73sin(30°-a) = 丁cosa-2sinaUsin asin aysin a<332tg a 23-1)3-2)3-3)3-4)如设计时取匝电势为et，那么三角段线圈匝数和延边段线圈匝数，可按式(3-5) 及式(3-6)确定：UU det3-5)UN沁yyet3-6)但线圈的匝数必须取整数，因此当确定了Nd和Ny之后，还必须校核移相角a及线电势U的幅值。由(3-4)可得:a ' tg-1 -g 2 U2 dy沁 tg-13-7)同时由相量图3-6可知：U，= J(U + U+ U 2 -2(U + U )U cosl20°1' dyydy y3-8)2. 网侧绕组中的基波电流由于延边段线圈电流Iy是三角形段线圈电流Id二相电流的相量和，因此其幅值为：I (3-9)yd且相位相差 30°相角，正移相为-30°，负移相为+30°。在忽略激磁电流的条件下，初次级绕组的磁势平衡如下式：3-10)其相位关系由相量图 3-9 所示。 由相量图 3-9 的几何关系可知：由此导出：N I N Iy =-dsin $ sin(30 - P)3-11)I sin(30°-卩)yI sin PdV3sin(30 -P)smp3-12)而由式(3-4)可知：NUd U d N U打sin(30 -a)sin a3-13)yy两式比较可知”=a,将磁势平衡方程进行分解，可得两组磁势平衡组：N I cos(30°-a) + NI cos a N I 纵向分量(3-14)y yd d2 2N I sin(30 -a) NI sin a正交分量(3-15)y yd d其中纵向分量是与次级磁势平衡的基本分量，而正交分量是三角段线圈与延边段线圈相互平衡的附加部分。将纵向分量式(3-14)代入式(3-9)，并考虑式(3-1)和(3-3)及U=N2e，可得:,N Id N cos a + %3N cos(30°-a)dyU IU cos adyU I3-16) ? ?2 U sin(30°-a )cos a + 2 U sin a cos(30° -a) 11U I U I-2U sin 30° 一 U11I -3 -沁y d U13-17)网侧绕组的基波容量为：S =3U I 仝UI 3U I S11 11 y2 223-18)可见变压器网侧与阀侧的交流基波容量是一致的，但是由于网侧采用了延边三角形接法，其设计时的材料容量是有所增加的。S = 3(U I