(中铁一局新运朔黄铁路肃宁分公司)
摘要：为了改善变压器绕阻内部的电流形态，补偿装置要并联在主变压器次边牵引绕阻上，在三次谐波的准谐振点处设计谐振支路，可以吸收电力机车整流器产生的非线性负载谐振电流。此外，基波容电流是在基波网压的作用下L-C谐波电路产生的，它能够补偿相控整流机车滞后的负载电流，所以对电力机车的相位点数进行了改变，最后提高了电力机车的功率因数。 本文将电力机车现代化的功率因数补偿手段和使用特点作为基础，分析了韶山4改型电力机车谐波对电流的干扰以及功率因数较低两个问题。诠释了电气化铁道的功率因数补偿、谐波抑制主要方法及功率因数补偿和谐波抑制谐波的基本原理。设计和实现了韶山4改型电力机车功率因数补偿装置，通过对功率因数补偿装置的应用效果分析，提出了补偿装置的投切过程和原则，最终达到了对电力机车装置的保护及补偿目的。
关键词： 电力机车；功率因数补偿；电流干扰
1 电气化铁道的功率因数补偿及谐波抑制主要方法
1.1 改变电力机车的电传动方式，使其不产生谐波，且控制其功率因数为1 该方法的主要目的是将电力机车的直流电机拖动变换为异步电机拖动，这种变换是通过变压变频来实现的。怎样才能达到变压变频的效果呢？随着自关断器件和晶闸管强迫关断技术发展，功率半导体变流器通过控制系统和脉宽调制技术可以实现。
首先，工频交流电通过接触网的输入，经牵引变压器与四象限变流器将其转换为直流。最后形成由负载侧三相逆变器实现的变压变频提供异步牵引电动机的交直交电传动系统。
目前，发达国家交流传动机车的生产模式逐渐使用流水线式的生产，我国也已经开始着力于交直交电力机车的生产，随着科技水平的提高，社会科技的发展，交直交电力机车已经迈向成熟并成为未来发展的方向。
1.2 装设功率因数补偿及谐波抑制装置 目前，需要引起我们注意的是，相控电力机车在使用过程中会出现无功和谐波的情况，当前，解决这一问题的最好办法就是安装功率因数补偿以及谐波抑制装置。
目前，我国关于电气化轨道方面进行的补偿措施，主要针对的是无源无功补偿，也就是在装设LC调谐滤波器的协助下，进行无功补偿、抑制谐波。它的某些优点（如并不复杂的结构、成熟的技术和器件）大体上是可以平衡补偿某些不足的（如滤波特性对电网和负载参数的依赖等），并且它的维护方便，同时能够补偿无功和抑制谐波，是目前国内最基本的应用手段。
在电气化轨道上运用无源功补偿装置时，有两种基本方式。第一种是把这种无源功补偿装置安装在机车上。不仅能够补偿无功，而且还可以通过3到5次调谐谐波附近来抑制谐波。
在SS系列机车上，用的是基于晶闸管投切的无源无功补偿装置，不仅无功补偿的效果很好，滤波效果也不错。第二种是牵引变电所并联补偿装置。在补偿无功的同时增加电感到3次调谐谐波附近，可抑制3次谐波。变电所目前普遍采用真空开关投切补偿装置的方式，缺点是不能频繁进行投切。
2 功率因数补偿和谐波抑制谐波的基本原理
机车电路中当出现超前电压向量或者滞后的电流向量时，说明电感性充当了正弦交流电路中的负荷，其中相移因数就是两者之间的夹角余弦。我们还可以这样定义相移因数，在非正弦交流电路中，像电力机车的整流电路，因为有平波电抗器，所以来在接触网的正弦电压因为有了整流器的存在出现了畸形的电流波，通过傅里叶计算将这些畸形电流波逐个分解为电流谐波分量，从而出现了电压向量和基波成分电流向量之间出现了一个夹角，这个夹角的余弦值为相移因数。因此，运用并联功率因数补偿装置可以有效改善电力机车的功率因数，即通过电容器的容性电流来提高电压向量和基波成分电流向量之间夹角余弦值，同时，为了减少电网中畸形电流的产生，还要使用谐振滤波装置将谐波电流分流。
3 SS4G电力机车功率因数补偿装置的设计与实现
设计要求：①该机车在特定工况下，需取用特定电流的谐波含量要求。比如持续制牵引，所取用电流的3次谐波含量不能超过10%。
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②在特定工况下的功率因数控制。比如在牵引或加馈制动工况的机车其额定功率若大于50%，功率因数应要大于0.9，其额定功率若小于50%，要求功率因数补偿和校正装置能自动投切。 ③针对SS4G电力机车，我们可以在其四个牵引绕组上各并联一个基于L-C功率因数补偿的装置。该装置可以降低机车的3次谐波分量，提高机车功率因数。它的组成方式是两个可控硅组成的无触点开关。设置QS故障隔离开关，确保机车故障时能够停止动作。设置1KM真空隔离开关，以保护、隔离可控硅开关的击穿、失控。
④确保PFC装置正常运转，首先应将故障隔离开关盒真空隔离开关闭合。
⑤司机取出钥匙后，为了保障生命安全，核实PFC装置有没有正常使用，关闭真空隔离开关，LC通过电阻快速放电。
SS4G电力机车主电路总共安装4组补偿装置，这4组补偿装置的功率因数是一模一样的。并分别装配在主变压器次边牵引绕组上。
4 功率因数补偿装置的应用效果分析
通过多角度的控制，在安装功率因数补偿装置之前，以及安装之后，都要对变压器次边绕组电流波形进行试验，通过实验可知道电流波形明显的变化了，补偿效果也非常明显。其中半控桥与机车主变压器次边的一段绕组相联，使次边绕组电压与变压器次边绕组接触网一侧的等效电感进行换算，由结果我们可以看到它是一个与机车牵引变电站距离有关的变量。不考虑电阻，机车主变压器换算到次边绕组的漏电感用LT来表示，谐波支路的谐振电感用L表示，电容用C来表示，直流回路的平波电抗器电感用La来表示，主变压器次边绕组电流用1来表示，谐波支路电容电流用I来表示，直流回路平均输出电流用Id来表示，电压用Ud来表示，那么直流输出功率可用公式Pd=Ud*Id来表示。
控制角>90°时变压器绕组内电流1的波形，没有安装功率因数补偿装置时，直流负载电流Ia可通过二级管进行续流，变压器绕组电流i=0，仅当T=90°时，晶闸管触发导通，才有负载电流Ia流经变压器次边绕组，安装了功率因数补偿装置后，尽管在t<90°期间，变压器次边绕组流过滤波支路的电容电流If。通过比较，我们可以得出结论，若安装功率因数补偿装置，电网电流在一个周期内大约呈现的是正弦波，功率传输P=U*i比较均匀，即使是脉动的，但不会间歇，滤波器可以用来储能和供能，进而达到调节的目的。综上所述，在电力机车上装有L-C组成PFC的无源滤波电路，使主变压器绕组内的谐波电流变小的同时，还能使电力机车的功率因数变大。
5 功率因数补偿装置投切及控制
补偿控制板是一块微机板，它是由外围电路PSD和215单片机组成。通过该控制板可以将无量功计算出来并对各种逻辑动作进行判定，对晶闸管开关投切和PFC接触器起决定作用，同时能实现PFC动作保护和故障显示。在整个电路中，提供模拟信号向形成信号或者数字信号转换的装置为补偿接口板，同时可以将系统的数字信号转换为模拟信号，用来判别晶闸管的过零时刻，同时可以监测PFC装置电流。
6 结论
为了改善变压器绕阻内部的电流形态，补偿装置要并联在主变压器次边牵引绕阻上，在三次谐波的准谐振点处设计谐振支路，可以吸收电力机车整流器产生的非线性负载谐振电流。此外，基波容电流是在基波网压的作用下L-C谐波电路产生的，它能够补偿相控整流机车滞后的负载电流，所以对电力机车的相位点数进行了改变，最后提高了电力机车的功率因数。
参考文献：
[1]Dallas Semiconductor. DS1302 Trickle charge timekeeping chip specification [EB/OL].[2018-01-12].
[2]IMP.IMP809/IMP810 3-Pin Microcontroller Power Supply Supervisor specification. [EB/OL].[2017-01-15].
论文作者:薛振华
论文发表刊物:《电力设备》2019年第1期
论文发表时间:2019/6/21
标签：功率因数论文; 谐波论文; 电力机车论文; 电流论文; 装置论文; 绕组论文; 变压器论文; 《电力设备》2019年第1期论文;