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电力机车无功补偿与谐波抑制系统的研究与设计

作　者: 李建峰
导　师: 黄建国；段登伟
学　校: 电子科技大学
专　业: 软件工程
关键词: 电力机车 无功补偿 谐波抑制 电气化铁道 仿真试验
分类号: U264
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


众所周知,铁路电力机车自诞生以来,就为人类经济发展和社会进步做出了巨大的贡献。其主要特征是牵引力较大,过载能力强、符合环保要求等,兼具满足重载货运、高速客运及客货两用运输要求。目前,我国干线铁路运行的电力机车大多是交—直型晶闸管相控电力机车,该机车采用了大量的相控整流装置,带来的一个主要问题就是功率因数偏低及谐波干扰问题。如果我们不加装功率因数补偿装置,任由功率因数降低及谐波干扰增大,就可能直接造成接触网25kV电压波形发生严重畸变。随着电力电子器件的快速发展,晶闸管和电力电容器的体积的减小,性能的不断加强,我们可以考虑利用晶闸管投切电容器(TSC)技术并达到无功就地补偿的目的。利用这种方案能够达到滤波和提高功率因数的要求,并能解决变电所装设固定电容补偿装置造成的过补偿问题。具体思路是在机车上按一定的寻优模式,设计多组某次或几次滤波器,根据牵引负荷的变化,改变补偿出力,使功率因数和谐波含量都能满足系统运行要求。本文主要针对8轴6400kW重载电力机车设计了一种电力机车动态无功补偿及谐波抑制装置。该装置在硬件方面设计了基于C8051F020单片机的控制器、控制器外围电路及主电路(滤波器组)三大模块。能够在机车牵引变的1kV侧进行快速、无冲击、低损耗的无功补偿。本文还分析了补偿装置的投切原则和投切过程的控制、保护措施、补偿装置的极限工作状态、补偿电路故障产生的原因以及需采取的措施。软件设计中采用了半波傅立叶算法、平均值滤波、强大的保护和故障判断模块等,提高了装置的运行效率和安全可靠性。最后介绍了本装置的仿真试验,仿真结果证明该装置对电气化铁道的功率因数有很大提高,并对3次和5次谐波有很好的抑制作用。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第一章 绪论  9-20
  1.1 电气化铁道系统构成和我国电气化铁道运营现状  9-12
    1.1.1 牵引机车的供电系统  9-10
    1.1.2 我国电气化铁道运营现状  10-11
    1.1.3 我国电力机车发展概况及其工作原理  11
    1.1.4 电气化铁道对公共电网的危害  11-12
  1.2 电气化铁道的功率因数及谐波问题  12-13
    1.2.1 功率因数标准  13
    1.2.2 谐波标准  13
  1.3 电气化铁道的功率因数补偿及谐波抑制主要方法  13-14
  1.4 国内外电气化铁道无功补偿技术的现状  14-15
  1.5 电力机车无功补偿及谐波抑制发展趋势  15-16
  1.6 牵引供电系统无功和谐波现状  16-18
    1.6.1 电力机车谐波电流  16-17
    1.6.2 牵引供电系统存在的问题  17
    1.6.3 无功补偿及谐波抑制装置安装位置选择  17-18
  1.7 本文拟采取的技术路线及方案  18
  1.8 本文要实现的最终目标  18-20
第二章 无功补偿与谐波抑制的原理研究与分析  20-26
  2.1 无功与谐波的理论分析基础  20-23
    2.1.1 谐波定义和分析方法  20-21
    2.1.2 谐波术语的数学表达式  21
    2.1.3 无功功率及功率因数  21-23
  2.2 电力机车无功补偿及谐波抑制的基本原理  23-26
    2.2.1 电力机车无功补偿的基本原理  23-24
    2.2.2 电力机车无源滤波的基本原理  24-26
第三章 电力机车无功补偿及谐波抑制的研究与设计  26-39
  3.1 主控单元设计与实现  26-33
    3.1.1 主控单元构成  26-27
    3.1.2 机车无功补偿主系统  27-29
    3.1.3 主电路元件参数的计算  29-33
  3.2 电力机车无功补偿及谐波抑制装置的投切  33-36
    3.2.1 投切开关的设计  33-34
    3.2.2 控制目标的选取  34-35
    3.2.3 控制策略和触发时刻的选取  35-36
  3.3 补偿装置主电路运行的可靠性  36-39
    3.3.1 补偿电路本身的可靠性措施  36
    3.3.2 防止晶闸管误导通的措施  36-37
    3.3.3 无功补偿装置的保护及故障  37-39
第四章 电力机车无功补偿及谐波抑制装置的控制系统设计  39-57
  4.1 控制系统硬件设计  39-50
    4.1.1 微控制器选型与设计  39-41
    4.1.2 数据采集电路设计  41-45
    4.1.3 其他控制器外围电路设计  45-46
    4.1.4 触发输出电路设计  46-48
    4.1.5 人机对话部分设计  48-50
  4.2 控制系统软件设计  50-57
    4.2.1 采样算法设计  50-54
    4.2.2 数字滤波  54-55
    4.2.3 主程序设计  55-57
第五章 仿真试验  57-61
第六章 结论与展望  61-62
致谢  62-63
参考文献  63-66
作者攻硕期间取得的成果  66-67

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中图分类: > 交通运输 > 铁路运输 > 机车工程 > 电力机车
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