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        利用并聯(lián)供電特點(diǎn)增加城軌交通整流脈波數(shù)的探討

        2022-09-07 08:48:32龔學(xué)長
        鐵道機(jī)車車輛 2022年4期
        關(guān)鍵詞:設(shè)備

        龔學(xué)長

        (中國鐵路成都局集團(tuán)有限公司 成都供電段,成都 610051)

        在城市地鐵與軌道交通中,為了減少整流電源中諧波電流對電力系統(tǒng)的影響,地鐵采用24 脈波、1 500 V,城市軌道交通采用12 脈波、750 V 整流方式。

        1 各脈波整流設(shè)備的特點(diǎn)

        1.1 電力系統(tǒng)對注入諧波電流的規(guī)定

        根據(jù)GB/T 14549—93 標(biāo)準(zhǔn)[1],公共電網(wǎng)連接點(diǎn)的諧波電流分量不應(yīng)超過表1 規(guī)定的允許值。各用戶向電網(wǎng)注入的諧波電流按式(1)分配:

        表1 注入公共電網(wǎng)諧波電流分量允許值

        式中:Si為用戶的協(xié)議容量;S2為供電設(shè)備容量;a為疊加系數(shù)。

        1.2 常用脈波整流設(shè)備的特點(diǎn)

        常 用 整 流 器 原 理 如 圖1 所 示[2]。12 脈 波 整 流如圖1(a)所示,利用變壓器次邊星形和三角形繞組的2 組6 脈波整流器并聯(lián),組成12 脈波整流。24脈波整流是在12 脈波整流器的基礎(chǔ)上,利用變壓器原邊三角形繞組的外延繞組,一臺移相+7.5°,另一臺移相-7.5°,將2 組12 脈波整流器的直流并聯(lián),組 成24 脈 波 整 流,如 圖1(b)所 示。48 脈波整流由4 組12 脈波整流器組成,每組移相為+3.75°、-3.75°、+11.25°、-11.25°,如 圖1(c)所示。

        圖1 常用整流器原理圖

        各脈波整流電源側(cè)的交流電流波形如圖2 所示。圖2 中24 脈波整流的交流電流還有明顯的階梯狀,48 脈波整流就是正弦波了。

        圖2 整流器交流電流波形

        各脈波整流器的交流輸入電流諧波含量見表2。

        目前我國城市軌道交通采用交流10 kV 進(jìn)線、12 脈波、750 V 整流方式[3]。城市地鐵采用110 kV進(jìn)線,經(jīng)降壓至35 kV 后輸送給各整流站,整流方式為24 脈波、1 500 V。

        從表2 看出:雖然城市有軌交通12 脈波整流的諧波含量基本滿足表1 中的規(guī)定。由于牽引負(fù)荷的變化率很大,在重負(fù)荷時要超過電力系統(tǒng)規(guī)定的諧波電流分配允許值。地鐵24 脈波整流的23、25 次諧波含量已經(jīng)超過表1 中110 kV 的標(biāo)準(zhǔn)。因此在城市軌道和地鐵交通中采用24 和48 脈波整流很有必要。

        表2 整流器交流側(cè)電流諧波含量

        2 12、24 脈波整流變24、48 脈波整流

        按照常規(guī)設(shè)計方案,將城市軌道交通中的12、24 脈波整流改進(jìn)為24、48 脈波整流,各整流站的設(shè)備數(shù)量要成倍增加,如圖1 所示。這樣不僅使整流設(shè)備接線復(fù)雜,而且大大增加了設(shè)備的投資成本和運(yùn)行檢修維護(hù)工作量。

        在不增加設(shè)備數(shù)量和不改變整流站主接線方式的情況下,利用城市軌道交通中牽引網(wǎng)并聯(lián)供電的特點(diǎn)和自身阻抗的濾波作用,將現(xiàn)有的整流設(shè)備略加改進(jìn),使每個整流站仍然如圖1 中的12、24 脈波整流,但在電力系統(tǒng)交接口和牽引網(wǎng)直流系統(tǒng)中,達(dá)到24、48 脈波整流效果。

        圖1(b)中,將24 脈波整流中的2 個12 脈波整流器,分別安裝在圖3 牽引網(wǎng)中的B1 和B2 這2個整流站中。B2 站整流站移相+7.5°,B1 站移相-7.5°。經(jīng)過接觸網(wǎng)和鋼軌將2 個相差15°的12脈波整流器并聯(lián)在一起,正好是圖1(c)中的24 脈波整流器。對每一個整流站來說,仍然是12 脈波整流器,但是對10 kV 進(jìn)線電源和直流輸出來說,就是一個標(biāo)準(zhǔn)的24 脈波整流器。

        圖3 城市有軌交通示意圖

        因此在城市有軌交通中,將各整流站的12 脈波整流器中變壓器的移相角按圖4 設(shè)計,即相鄰整流站的變壓器相位差15°,使相鄰2 整流站相互組成24 脈波整流,這樣在供電系統(tǒng)交接處和牽引網(wǎng)直流系統(tǒng)中,就達(dá)到24 脈波整流效果。

        圖4 有軌交通12 變24 脈波整流示意圖

        同樣在地鐵24 脈波整流中,各整流站的變壓器 按+11.25° 、-3.75° ;-11.25° 、+3.75° ;+11.25°、-3.75°;-11.25°、+3.75°;……設(shè)計,使相鄰兩站24 脈波整流相位差7.5°,并相互組成48 脈波整流,在供電系統(tǒng)和牽引網(wǎng)直流中,達(dá)到48 脈波整流效果,如圖5 所示。

        圖5 地鐵24 變48 脈波整流示意圖

        3 仿真模擬試驗(yàn)

        為了驗(yàn)證該方案的可行性,用計算機(jī)進(jìn)行了如下的仿真模擬試驗(yàn)。

        3.1 城市有軌交通12 脈波整流改進(jìn)為24 脈波整流

        仿真參數(shù)見表3[4]。

        表3 12 脈波改24 脈波仿真參數(shù)

        按圖6 所示的負(fù)荷分布,用Protel99se 軟件進(jìn)行計算機(jī)仿真試驗(yàn)[5],圖中電阻和電感是牽引網(wǎng)的等效參數(shù)。各負(fù)荷取流及車輛電壓見表4。

        表4 負(fù)荷電流

        圖6 12 變24 脈波整流仿真示意圖

        經(jīng)計算機(jī)仿真運(yùn)行,得到10 kV 進(jìn)線電流i1如圖7(a)所示,為24 脈波整流波形。各整流站進(jìn)線電流i2~i5波形如圖7(b)所示,為12 脈波整流波形。雖然各整流站的進(jìn)線電流仍是12 脈波整流波形,但是10 kV 進(jìn)線電流就是標(biāo)準(zhǔn)的24 脈波整流波形了。

        圖7 交流電流波形

        3.2 城市地鐵24 脈波整流改進(jìn)為48 脈波整流

        仿真參數(shù)見表5。

        表5 24 脈波改48 脈波仿真參數(shù)

        仿真電路如圖8 所示。當(dāng)I1~I(xiàn)5負(fù)荷按重、輕、重、輕、重分布,仿真電流見表6,降壓變電所35 kV側(cè)電流波形如圖9 所示,是很好的48 脈波整流波形。

        圖9 35 kV 電源電流波形

        表6 負(fù)荷電流

        圖8 12 變24 脈波整流仿真示意圖

        4 牽引網(wǎng)自身電感在12、24 脈波整流變24、48 脈波整流中的濾波作用

        牽引網(wǎng)自身的電感在12、24 脈波整流改進(jìn)為24、48 脈波整流后,起到良好的濾波作用。

        圖6 中當(dāng)I3號電流對應(yīng)的車輛正好運(yùn)行至區(qū)間中部,牽引網(wǎng)兩邊電流基本相等時,由于兩邊整流站相位相差15°,在牽引網(wǎng)中要產(chǎn)生脈動電流。

        如果兩邊牽引網(wǎng)的電感為0,仿真運(yùn)行結(jié)果如圖10 所示,圖中的r5011[i]、r5007[i]、r6003[i]分別為圖6 中I3右、左兩側(cè)牽引網(wǎng)中電流和I3車輛電流。

        從圖10(a)中看出,當(dāng)兩邊牽引網(wǎng)電流為335 A 時,脈動電流的峰值為420 A,谷值為250 A,峰谷差為170 A,12 脈波,兩邊脈動電流相位差15°。合成電流I3為24 脈波整流電流,有效值670 A,脈動電流為5 A(圖10(b)所示)。

        圖10 24 脈波整流器中各12 脈波電流波形

        這與圖1(b)中24 脈波整流的電流波形相同。因此如果牽引網(wǎng)沒有自身電感,牽引網(wǎng)中的脈動電流很大。

        如圖6 每邊引入牽引網(wǎng)電感1.3 mh 后,電感對直流分量的感抗為0,對12 脈波的感抗為4.9 Ω。引入牽引網(wǎng)自身電感后的仿真運(yùn)行電流波形如圖11 所示。

        圖11 中,兩邊牽引網(wǎng)電流仍為335 A、12 脈波,脈動電流僅9 A,為牽引網(wǎng)中電流的2.7%。電流I3為24 脈波整流電流,有效值670 A,脈動電流為2 A,為牽引電流的0.3%。所以牽引網(wǎng)的自身電感有效地減少了因2 個整流站輸出電流相位不同,牽引網(wǎng)中的脈動電流分量。

        圖11 有牽引網(wǎng)電感時的牽引網(wǎng)中電流

        5 結(jié) 論

        在不增加設(shè)備數(shù)量和不改變整流站主接線方式的情況下,利用牽引網(wǎng)并聯(lián)供電的特點(diǎn)和自身電感的濾波作用,改變各整流站的輸出相位,將城市有軌交通中的12、24 脈波整流改進(jìn)為24、48 脈波整流方式有如下優(yōu)點(diǎn):

        (1)整流站的設(shè)備數(shù)量(整流變、保護(hù)裝置、整流器、開關(guān)設(shè)備等)和主接線與現(xiàn)有的12、24 脈波整流相同。

        (2)在基本不增加設(shè)備投資的情況下,便將現(xiàn)有的12、24 脈波整流升級至24、48 脈波整流,特別是在新線建設(shè)中。

        (3)減少了電力系統(tǒng)輸入交流電流的諧波含量,滿足電力系統(tǒng)對諧波電流的要求。

        (4)可以減少原12、24 脈波整流設(shè)備中,在降壓變電所增加的諧波吸收裝置,減少了設(shè)備投資和設(shè)備的檢修維護(hù)工作量。

        (5)牽引網(wǎng)中的脈動電流和脈動電壓更低。

        因此利用牽引網(wǎng)并聯(lián)供電的特點(diǎn)和改變整流站輸出相位,將12、24 脈波整流改進(jìn)為24、48 脈波整流方案有著廣闊的前景。

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