83 Simulink的SS_8型电力机车供电系统建模与仿真

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大文技求牟

基于 MalbSmuik的 S 8电力机车 t/i l a n S型供电系统建模与仿真李(北电力大学华

伟，朱凌，马治国0 03) 71 0

电气与电子工程学院，北保定河

摘

要：详细分析了 S 8电力机车电路的工作原理和特性，以及阻抗匹配平衡变压器的工作原理和牵引供 S型

电系统的构成，利用Malb软件中的 Smuik真平台建立了包括 S 8电力机车和阻抗匹配变压器在内的供电 t a i l仿 n S型

系统的仿真模型，最后对整个牵引供电系统的电能质量问题进行了仿真和分析，验证了模型的可行性。 关键词：牵引供电系统；S s S型电力机车；阻抗匹配平衡变压器；MalbSmuik t/i l a n中图分类号： 2 . U2 3 6文献标识码： A文章编号： 6 18 1(090 -0 6 0 17 -4 020 )6- 0 -5 0

M o ei g a i u a i n o y eS 8El c rcLo o o i ePo r d ln nd S m l t fT p S e t i c m tv we o S p l y t m s d o a l b S m u i k u p y S se Ba e n M ta/ i l nLI e, W iZHU Li g M A Zh - u n, ig o

( o e e f l t c n l t nc n ie r g Not C ia l t c o e U ies y B o i, e e 7 0 3 C ia C l g E e r dE e r i E g e i, r h e r w r nv ri, a dn H b i 1 0, h ) l o c ia co n n h n E c iP t g 0 n

Ab t a t h sp p r n l z st ewo k n rn i l d c a a trs c f y e S s lc r c mo v i u t t ewo k n r cp e s r c:T i a e a y e r i g p i cp e a h r ce it so p S e ti l o t e cr i h r i gp i i ls a h n i t e co i c, n o e a c— t h d b a cn a so me sa d t esr cu eo a t np we u p y s se i e al Th n t e smu a o d l f fi mp d n e mac e a n i g tn f r r t tr f c i o rs p l y tm d

ti. e i l t n mo e so l r n h u r t o n h i

p we u p y s s m ic u i gtp S ee t clc mo i ea di e a c— th dt n f r r r ul wi i lt np f r S mu ik o r p l y t s e n l d n y eS s l r o o t n c i v mp d n e mac e r so me a eb i a t t smu ai h o￣f m i l o no M al b F n l h esmu a o n da a y i r are o t ot ep we q a i o wh l r ci np we u p y s s m, ihv r e t e f t . i a yt i l t na n l ssa ec ri a l i d uth o r u l yf r oet t o t a o r p l t s ye wh c e f s i i h f a i i t f emo e . e sb l y o d 1 i h t

Ke r s ta t n p we u p y s se S 8 l ti c mo i e i e a c - th aa c n a s o me; a lb S mu i k y wo d: r c o i o r p l t m; S e r l o t; mp d n e mac e b l i g t n f r r M t/ i l s y ec c o v d n r a n

O引言 目前，国电气化铁路已达近 26万k居世界第我 . m,二位，预计到 2 2年我国铁路营业里程将达到 1万 k 00 2 m

将在供电系统中产生负序分量；其非线性将在供电系统中产生高次谐波；其波动性将使供电系统电压波动。 因此，入研究电气化铁路对电力系统的影响具有重深要意义。 人们对各种型号的电力机车的研究较多 u l但对包以，

以上，中电气化铁路比重将达到 6%。其 0电气化铁路牵引供电对象为电力机车，采用单相交一直( C DC整流 A/ )型传动系统的电力机车负荷是一种变化急剧、随机性强的单相非线性负荷，随机波动范围很大。其不对称性收稿日期：2 0— 8 0 090-4

括牵引变压器在内的整个供电系统的研究较少。本文除了对 S s S型电力机车进行分析研究外，还对包括牵引变压器和牵引供电网在内的整个供电系统进行仿真分析，这对于从整体上研究电气化铁路对电力系统的影响有一定意义。一般电力机车驱动电机的建模方法中，在通常以电感、电阻与反电动

势相串联来模拟H l但是此稳态模 ,

作者简介：李

伟( 9 2,,士研究生， 1 8一)男硕专业为电力电子与

电力传动，主要研究方向为新型功率变换技术；朱凌 ( 9 6 )男， 15一，副教授，专业为电机与电器，主要从事交流电机控制、电力电子技术应用等方面的工作。

型毕竟与实际中使用的直流串励电动机不同，尤其在电

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基于 M tI b Si gI k的 S 8电力机车供电系统建模与仿真 a a/ m i n S型

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机动态情况下不是特别准确。本文以S 8电力机车为 S型例，使用直流串励电动机，利用Ma a/i l k tbSmui建立了电 l n力机车的仿真模型和阻抗匹配平衡变压器的仿真模型，2/ 2/ u x2U+, 2d2: .

, (+cs )× 1。 。 。。

() 2

并对整个牵引变电站的电能质量问题进行了仿真研究。

当：兀 0时，= 1 Ua U

1 S 8电力机车电路的仿真模型 S型11 S 8电力机车电路的工作原理 . S型

电力机车性能与整流电路的选择有很大关系，供从电性能来说，车主要有两项指标，机其一是功率因数和谐波电流；其二是机车的运行效率。为了提高机车的功率因数，减少谐波电流，目前电力机车的晶闸管相控整流电路广为采用多段桥式结构， S型电力机车采用的 S 8

=

竽 +州IS (丁+ +、 c丁 7 C) 3 c【 O。 a )

是三段不等分桥整流调压电路 ( 1)其调压通过牵引图，绕组的投入与晶闸管相控角的变化来实现。图 1 I L 中L、 2为平波电抗器， 1 M2 M、为牵引电动机电枢绕组， L为励磁绕组，、 2 R1 R为固定分路电阻，其作用是分流电枢电流中的交流分量，减小电机机座及主极中的交变磁通，从厶= n mi

而减少涡流损耗，改善电动机的换向和降低主极温升。

{8 7三}一 . 5 v

4

式中： c=

C其中为传动齿轮传动比， e( D为车

轮直径， 电机常数 );——每极磁通量； C为 R——图 l S 8电力机车整流调压电路 S型F g 1 R c fc t nc r u t f y e S s l crclc mo i e i. e t a o i io p S

e t o t i i i c t e i o v

图1中网侧 2 V电压经主变压器降压，引绕组 5k牵 a -x和 a l l 2一x的出线电压均为 6 68而其中a -b 2 8 . V, l l和b -x的出线电压均为 3 3 上述绕组与相应的整 l l 4 . V。 4

流元件构成了三段不等分整流桥，调压原理分析如其下 (三段桥均投入且晶闸管全导通时的整流输出电设压为，绕组a一 2 2x两端电压为，绕组a l卜b与绕组b卜a c s r o( c _1 ) ( 6)

x两端电压均为， 1晶闸管触发角为 o: c) 第一段，投入绕组 a- 2移相品闸管 V 5 V 6整 2x, T、T。流输出电压为：l:J _ L

ac o ( lc s '

)

( 7)

￣ 1 cs ) (+ o a1

( ) 1

a cs r o( c

)

( ) 8

当冗÷时，d 0÷ 0= -0 Ul _亡。=二

第二段，晶闸管 VT、 T全导通时， 5V 6投入绕组 a卜

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基于 M tI b Si u i k的 S s电力机车供电系统建模与仿真 a a/ m In S型

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态进行仿真，本仿真对晶闸管采用以下控制方式：( ) 1若要使晶闸管在仿真时间段内截止，只需封锁该晶闸

Sg S型电力机车在 Malb t中的仿真模型如图2 a所示，

图中各元件的参数按照参考文献[】 6所给参数设置。当电力机车在第二段工作状态，晶闸管触发角为 6 o, O时直流端输出电压波形及电机回路电流波形如图 3图4及所刁。

管触发脉冲；(若要使晶闸管在仿真时间段内导通， 2) 只需过零触发导通该晶闸管； 3) (其余工作状态下晶闸管触发脉冲的移相角的大小可按式 (一 (计算。 6)式 8)

叵p ow er m g

二极管。触

J叵厂Jl

禹叵卜j I _触发脉冲5 I

起 l电 T J圭 lI

广.

广了

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—l‘ l 一I

_ J

I卜J肌 _一 —

。。

触脉发冲 _极 I I闸3 6 晶管二j匝卜， __ _——

示翌产电回电婆]机路流 l j匠 I_— .￣设，、嵛 2 J L1 r J

触发脉冲3二 4

触发脉冲4

图 2 S 8型电力机车电路

仿真图 SFg2 Smuainda rm f eS 8e ti c moie i. i lt iga 0哆p S r l o t o co v

次侧三相采用星形接线，其一次侧的中性点可与 l0k l V电网接线形式相匹配，我国电气化铁路中得到广泛在的应用。二次侧在三角形接线的中间一相的两端，增各加一个外延支臂，匝数为三角形相绕组匝数的 03 6其 .6 倍，两支臂引出端与三角形的另一结点构成两相输使出电压，在相量上形成 9。的相位差， 0这样就构成了三相变两相的接线方式。其主要优点在于，当两相供电臂s

图 3整流电压波形F g 3 R t id v l g V f n i- t i e 0 t ewa e b f a

负荷电流大小相同、功率因数相等时，一次侧电流负序分量为零，次侧三相电压波动值也相等。一根据参考文献【~】 7 9中的阻抗匹配变压器的等值电路和实现阻抗匹配的条件，置变压器的参数，设阻抗匹配平衡变压器在 Malb中的仿真模型如图6 t a所示。A R C

t

图 4电机回路电流波形 Fi 4 M o 0 oo u r ntwa f珊 s g. t rl p c r e Ve o

2阻抗匹配平衡变压器的仿真模型 阻抗匹配平衡变压器接线如图 5所示，该变压器一

图 5阻抗匹配平衡变压器接线图 F g 5 W iec n e石 nd a r i. r o n c 0 ig帅 0 e aIem曲： e a a dn f mp d I . i c h db ln g ta sb lr rn fm e

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进行傅立叶分析，次谐波电流含量及总谐波畸变率各如表 3所示。

由以上仿真结果可以看出，两相供电臂负载不在平衡的情况下，牵引变压器两绕组输出电流向三相供电系统注入了大量的奇次谐波电流，且造成了三相供

电系统的电流严重不平衡，电力系统造成危害。对

4结语本文分析了 s 电力机车和阻抗匹配平衡变压 S型 8

器的工作原理，并利用 Mal/i l k t bSmui I具构建整个牵 a n引供电系统仿真模型，仿真结果可知，从该模型对于研t

究电气

化铁路牵引负荷对电网的影响有借鉴意义，为电气化铁路的谐波治理提供了依据。参考文献：f】韩 l奕，建华，李黄石柱， .SS等型电力机车的动态模型及

图 1 系统侧三相电压波形 0F g 1 Th e— h s o t g v f r fs s m i e i .0 r e p a e v l ewa e o mso t s a y e d

随机谐波电流计算【】电力系统自动化， 0 l 2 J. 2 0 ( ):3 3 .卜 6 f 1廖 2德，李治. S型电力机车传动控制系统的仿真研究【】 S4 J.机车电传动，l 9 ( ):4 6 991—.【 3】李建华，豆凤梅，夏道止 .韶山Ⅳ型电力机车谐波电流的分析计算【】 J.电力系统自动化，l 9 2 (6 9 9, 3 1 ):1一l . 0 3【】黄石柱， 4李建华，赵娟， .于MAT等基 LAB的电力机车数字仿真模型[】电力系统自动化， 0 2 4 J. 2 0 ( ):5— 0 16.材s

【】赵 5

娟，李建华，黄永宁.基于MA AB II TL SMUL NK的 S 3型 I SB

图 1系统侧三相电流波形 lFi . Th e - ha e u r nt a e or sofs se i g 11 r e p s c re v f m y tm sde w

电力机车仿真模型【】机车电传动， 0 2 6 J. 2 0 ( ):2— 2 5 4. f】赵叔东.山8电力机车【 .京：中国铁道出版社， 0 4 6韶型 M】北 20 .【】吴命利， 7范瑜 .星形延边 _角形接线平衡变压器的阻抗匹一配与数学模型… .中国电机工程学报， 0 4 2 ( 1:1 0 1 6 20, 4 1) 6— 6 . 【】何小勇.阻抗匹配平衡变压器的应用【】电力自动化设备， 8 J.2 0 . 4 1 ):4— 5 0 4 2(2 34.

表 3系统侧三相电流各次谐波含量及谐波总畸变率 Ta . r o i o tn a dTHD o t r ep a ec re t f b3 Ham ncc ne t n f h e . h s ur n o

s se s e y tm d i谐波次数 3 5 7 9 l 1 l 3 1 5 l 7

( %)1 T 9 HD

【】郭 9

蕾.阻抗匹配平衡变压器的暂态仿真与分析【 . D】成都：

西南交通大学， 0 5 20.【0 1】李群湛，贺健

闽 .牵引供电系统分析【 . M】成都：西南交通大学出版社， 0 5 20.

A相 2 .5 .2 .7 30 .6 30 14 16 6 3 .9 80 6 0 84 .0 34 .1 .5 .2 0.5 04 B相 2 .O 1 .9 3O .4 20 10 15 05 8 2 .3 O4 34 .6 39 .2 .8 .9 .0 0.3 5 1 C相 2 .4 1 .4 6 3 .4 .5 .8 .4 .1 4 2 .0 54 08 .5 24 16 14 09 09 0.7 86

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