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1、变压器滤波方案的改进摘要：在电力机车中，由于牵引变压器与整流装置和逆变装置的连 接，使机车中非线性负载产生的各种高次谐波注入电网而使 电网遭到污染。我公司的变压器中滤波电路主要是针对二次 谐波进行滤波，且与负载共用一个牵引线圈，因此，不便于 装设更多的针对更高次谐波的滤波电路。本文针对现有变压 器的结构进行仿真，阐述改进的必要。关键字：谐波滤波器 牵引变压器1.1变压器滤波的研究背景电力机车中，牵引变压器的副边因为有整流装置从而会有非常多 的谐波流入电网而使电网遭到污染。机车注入电网的谐波电流，对行 驶在铁路线上的其他机车都能产生影响。因此，从受害者的角度，为 了不使从电网注入的谐波电流使变压
2、器原边的基波电压产生畸变，人 们又想方设法的抑制由此产生的不良后果。这个肇事者与受害者的统 一，是机车行业乃至电力行业比较有趣的现象。因此，研究电力机车 中牵引变压器的滤波是一个很重要的课题。如果每一辆机车均有很好 的滤波效果，那么，注入电网的电流谐波便会减少，机车间的相互影 响也就小了很多。本次matlab的仿真即是仿真研究变压器滤波方案。 1.2 研究过程假设电力机车的副边在原边感应出的高频电流有如下成分： 1000Hz的电流大小为4A, 1500Hz电流为5A, 2000Hz电流大小为 7A, 2500Hz电流大小为6A, 3000Hz电流大小为5A。从以上数据可 以看出,变压器原边中存
3、在的谐波是高频谐波,它们都有一个共同特 点,即是基波的整数倍而且是高次谐波,由此,我们想到的基本思想 是利用 LC 电路构成基波谐振电路,让加入的装置对高频谐波产生较 高的阻抗从而达到抑制高频谐波的目的。从谐振的计算公式：f =12讥LC2可以得出LC满足的条件LC =丄，12兀f丿而由LC串联时的阻抗计算公式X = 2兀fL-，由于LC是一个12 兀 fC定值，设L增大了m倍，m 1，那么C便变为原来的丄倍，代入上式 mX二mX，因此，当LC为由对基波谐振算出来的定值时，L越大，那 1么它对高次谐波的抑制作用越明显，因此，在元器件的选择时，尽量 让l的值大些。利用串联谐振，可以求出LC的定值
4、为：1.0132X 10-5，在L、C值 匹配中，要始终满足这一条件。可实际中存在下列应用上的矛盾：滤波效果与电感（或电容）上电压限制的矛盾，由以上推导可以 得出，当电感值增大时，波阻抗增大，滤波效果就越明显。但是当电 路谐振时，基波电流在电感（或电容）上产生的电压为U二wLI,在电 力机车系统中，角频率w二314，电流I为一个数值约为500A的值，因 此，当电感上升到一定数值时，其产生的谐振电压在几十千伏级别， 对机车提出了很高的绝缘要求，故而，电感值不宜选得过大。基于以上的矛盾，我们找出求出匹配的电感L和电容C的方法。 由允许的谐振电压去推导出匹配的电感与电容。在W 一定时，波阻抗与电感值
5、的关系为X二（-丄）L，KK=1.0132X10-5为基波谐振时的LC值，它们的关系如下图示：图 1 =1000Hz 时的波阻抗与电感值的关系图仿真研究过程方案一 变压器原边滤波的仿真在变压器的滤波仿真研究中，由于是在原边进行滤波，故在仿真 时为了减少模型搭建的工作量，在变压器的副边利用谐波电源模拟实 际生活中电力电子器件产生的谐波。匚伽叫图2图2是matlab中模型简化简图，在变压器原边为25kv的交流电 压源，在副边，我们利用电阻和电感的串联来模拟电路中的负载和感 性无功负载。利用电压源与电阻的串联来模拟谐波的来源。适当调整 谐波电源的值，便能在变压器原边检测到我们假设大小的谐波电流。 图
6、形中只搭出了一个谐波电源，其他谐波电源完全可以在副边电路中 进行并联谐波电源而获得响应的谐波。仿真电路图为图 3 示：I, AC Voltage SourceJI-rferiFr_LDiscrete,Ts = 5e-005 s.powerguiMag FourierFourier4Scope3图3与变压器原边串联的 subsystem 模块是我们要加入的滤波系统 为 L 与 C 的串联。以 L 值为变量，下面是仿真的测量值。测L (C)1000H1500H2000H2500H3000H量值上基波电z谐波电流z谐波电流z谐波电流z谐波电流z谐波电流l压幅值(V)大小幅值大小幅值大小幅值大小幅值大
7、小幅值值(A)(A)(A)(A)(A)ImH8544.96.95.955.610mH8403.84.676.65.645.45100mH83002.63.014.343.63.321000mH660000.50.70.950.80.72500mH3300011.21.81.81.1分析以上数据，L上得基波电压的幅值与滤波效果是一堆比较尖 锐的矛盾，这个是基于理论的分析，理论上滤波效果是非常理想的。 该方案不仅可以抑制电力机车自身所产生的谐波电流向电网的注入， 而且能抑制从电网注入到牵引变压器原边的谐波电流。而且两者都达 到了比较良好的效果。可是在实际生产中，在变压器原边进行滤波时， 要取得很好
8、的滤波效果，必须要很高的电感，而如此大的电感，电感 的制作会使滤波成本很高，且产生非常高的谐振电压，对结缘材料有 较高的要求，从经济效益考虑是不可取的。若是能制造出相应的设备，那么这个方案的滤波效果是非常好 的。方案二方案二是利用变压器的高阻抗性和阻抗变换进行滤波的。利用变 压器的高阻抗与阻抗变换性来进行滤波，原理为：当从变压器的原边 等效时，变压器的副边电抗要乘变比的平方。而后与激磁电抗并联。如图 7 所示。图4由方案一的推导，当在副边加装一个使基波谐振的串联LC时， 该变压器对基波的阻抗是可以忽略的，适当调整L、C的值，使其对 高次谐波有一个比较大的电抗，当其与变比的平方相乘时，会使阻抗
9、放大，从而对高次谐波产生一个较大的谐波阻抗，进行滤波。仿真电路如图8 示。AC Voltage SourceDiscrete,Ts = 5e-005 s.powerguiLin ear Tra nsformerR1C LoadSeries RLC Loadl_LMagFourierFourier4RLC1-5 TfScope3滤波变压器的变比设为 2000/200,滤波后滤波电流为分别变为： 2，3，4.8，4.36，4.28。较原来的4，5，7，6，5 有所减小，但是减 小的程度是有限的。另外，它的成本较方案一应该会有所增加，因为 要增加一个专用滤波变压器和电感电容。但是，如果机车中的辅助变
10、压器，用来兼作滤波变压器，应该会 是一个不错的研究方向。方案三方案三的理论思维是这样的，在多绕组变压器中，根据变压器的 等效电路，如图4 示。如果变压器的谐波是来自负载非线性负载，那 在变压器的制造中加装一个滤波绕组，此绕组专门为滤波而设，不带 任何负载。图6图4中，变压器原边为L1,高压侧，L2为负载线圈，L3为滤波 线圈， Lm 为变压器的激磁电抗和等效电阻，牵引变压器的其他绕组 未画出，它们的连接和 L2 一致。当在 L2 中产生高次谐波时，其等 效为在L2处施加了谐波电源，该谐波电源产生的电流要耦合至L1,和 L3 。由电源的独立性，当在 L2 中产生的谐波耦合至原边而使电网 污染时，
11、加装滤波电感L3。从谐波电源的回路上看，假设L3的电压 等级高于L2,则L1和L3对谐波均是升压变压器。由变压器的阻抗 归算， L3 加装高频谐波滤除装置时，对高频谐波的阻抗是非常低的 因此耦合到原边的谐波电流就会变小。其仿真电路图如图5 示。Multi-WindingTransformerseries RLCSubsystem2|Mag Fourieri-RLC11RLC2JMagF r*1 1FourierMagFourier图7 仿真波形为:图8从图中的仿真波形可以看出，该方案的滤波效果非常好。关于方案三图9在图示意中，UJ为牵引变压器原边电压，UJ负载电压，UJ为滤1 2 3 波线圈电压。有示意图及参考方向所示：J = k UJ , k = N / N1 1 2 1 1 2U = k UJ , k = N / N1 2 3 2 1 3设滤波电容的阻抗为：x ,则其产生的无功为Q二U2，设变压器 Cc Xc的容量为S，功率因数为0.98，S = 0.98S + j0.2S，进行滤波后，电容对电路进行无功补偿S = 0.98S + j (0.2-U2，)则变压器容量变为 Xc：(0.98S)2 + (0.2S -U22)2 ,使所需变压器容量减小，因此，该滤波方案c是基于两得。从以上的各种分析，方案三是比较好的滤波方案，因此，后续工 作主要研究它。参考文献
