用于牵引机车性能测试的24脉冲直流机组及试验方法与流程

1.本发明属于列车试验电源技术领域，具体涉及用于牵引机车性能测试的24脉冲直流机组及试验方法。


背景技术：

2.通过试验线路对牵引机车各个性能指标的测试是检验机车性能指标优良的重要手段，其对试验电源有如下用于牵引机车性能测试的24脉冲直流机组要求：
3.1.牵引直流机组需求视在(额定)容量为6600kva；
4.2.牵引整流机组需采用24脉整流方式以有效抑制谐波；
5.3.直流输出电压可由1500v调整至约1650v，以完成电压突变试验中的牵引工况试验；直流输出电压可由1500v调整至约1350v，以完成电压突变试验中的电制工况试验；
6.4.直流输出电压可从1000v至1900v进行往复调整，调整步长112.5v，以完成电压波动试验；
7.5.可由遥控、遥信、遥调、遥测等方式实现远程控制。
8.上述对牵引直流机组的要求，主要体现牵引直流机组功率大，电压调整跨度大，电压挡位较多，而且各挡位均要求实现24脉冲整流。以往使用的24脉波牵引整流机组，阀侧直流额定输出电压基本为一个固定值，如750v或1500v，无法实现试验机车对直流输出电压的调整要求。
9.现有技术中通常采用两台整流变压器及与其一一对应连接的整流器结合的方式来实现24脉冲整流。具体来说，整流变压器高压网侧包括并联的外延三角形联接的两组线圈，低压阀侧包括两个轴向分裂线圈，一个为三角形联结，另一个为星形联结，构成6相12脉冲整流变压器。整流器包括两个3相6脉冲全波整流桥，每组整流形成独立的6脉冲整流电路，其中一个整流桥接至整流变压器阀侧y型绕组，另一个整流桥接至整流变压器阀侧型绕组，再将两个整流桥并联构成12脉冲整流。将两台整流变压器的网侧绕组分别移相+7.5
°
和-7.5
°
，使两台整流变压器阀侧电压相角差15
°
，通过整流器构成等效24脉波整流。
10.该直流机组只适用于小范围调压，且此种调压为无励磁调压方式，即调节分接挡位时，必须切断网侧电源，这种方式与牵引机车试验的实际工况差别较大，无法获得更为真实的试验结果。


技术实现要素：

11.本发明提供了一种用于牵引机车性能测试的24脉冲直流机组及试验方法，用以解决目前牵引机车试验电源无法准确模拟牵引机车试验工况的问题。
12.为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种用于牵引机车性能测试的24脉冲直流机组，其中，包括：自耦变压器，所述自耦变压器内包括轴向分裂并联设置的第一线圈组和第二线圈组；与所述自耦变压器电连的有载分接开关；以及两条并联的整流支路，所述整流支路与所述有载分接开关电连；所述整流支路包括与有载分接开关电连的断路
器、与断路器电连的整流变压器以及与整流变压器电连的整流器；所述自耦变压器引出所述24脉冲直流机组的入线端，所述整流器引出所述24脉冲直流机组的出线端。
13.本发明一个较佳实施例中，所述第一线圈组与所述第二线圈组的结构相同；所述第一线圈组呈y型连接，所述第一线圈组包括分接点一一对应的第一相线圈、第二相线圈以及第三相线圈；所述第一线圈组中的分接点与第二线圈组中对应的分接点相连；其中位于第一相线圈相连的分接点引出二次侧a接点，位于第二相线圈相连的分接点引出二次侧b接点，位于第三相线圈相连的分接点引出二次侧c接点。
14.本发明一个较佳实施例中，所述有载分接开关设置有九个分接级，相邻两分接级之间直流机组的输出电压差为112.5v。
15.本发明一个较佳实施例中，所述整流器包括第一整流器以及第二整流器，所述整流器包括第一输出端和第二输出端，第一整流器的第一输出端引出为24脉冲直流机组的正极输出端，所述第一整流器的第二输出端与所述第二整流器的第一输出端相连，所述第二整流器的第二输出端引出为24脉冲直流机组的负极输出端。
16.本发明还包括一种牵引机车性能测试方法，其采用权利要求1-4任一项所述用于牵引机车性能测试的24脉冲直流机组。
17.本发明一个较佳实施例中，包括以下步骤：
18.s1：根据性能测试要求确定整流器的目标输出直流电压值，从目标输出直流电压值确定整流变压器的阀侧空载电压值；
19.s2：根据整流变压器的阀侧空载电压值确定整流变压器的网侧输入电压值；
20.s3：根据整流变压器的网侧输入电压值确定自耦变压器的副边各挡位对应的电压、电流值；
21.s4：以原边额定电压值为自耦变压器供电，整流器的实际输出直流电压值为目标输出直流电压值，为牵引机车供电进行性能测试试验。
22.本发明一个较佳实施例中，步骤s1中：
23.通过式(1)获取约定空载直流电压u
doo
：
[0024][0025]
其中，6％为整流机组的电压调整率，u
dn
为整流机组额定电压；
[0026]
通过式(2)获取24脉理想空载直流电压u
doi
'：
[0027][0028]
其中，u
doo
为约定空载直流电压；
[0029]
通过式(3)获取整流变压器阀侧额定空载电压u
2l
与24脉理想空载直流电压u
doi
'的物理关系：
[0030][0031]
其中，为角频率；
[0032]
根据式(4)获取整流变压器阀侧额定空载电压u
2l
：
[0033]u2l
＝0.7143u
doi
'
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)。
[0034]
本发明一个较佳实施例中，步骤s2中：
[0035]
参照式(5)，根据实际工况需求，确定整流变压器网侧额定电压和阀侧额定电压，根据变压器的原副边电压与匝数变比关系、求出整流变压器网侧各挡位需要输入的电压，即自耦变压器副边各挡位需要输出的电压值；
[0036][0037]
其中，k为整流变压器网侧与阀侧的电压变比，n1为整流变压器网侧额定挡位绕组匝数，n2为整流变压器阀侧绕组匝数，u
1l
为整流变压器网侧额定空载电压，u
2l
为整流变压器阀侧额定空载电压，u
2n
·
整
为整流变压器阀侧需输出的各级电压，u
1n
·
整
为整流变压器网侧需输入的各级电压，n为有载分接开关的分接级。
[0038]
本发明一个较佳实施例中，步骤s3中，根据式(6)获取原边额定电流值i
1l
·
自
：
[0039][0040]
其中，sn·
自
为自耦变压器的额定容量，u1·
自
为自耦变压器原边的额定电压。
[0041]
根据式(7)获取自耦变压器副边各级电压电流值：
[0042][0043]
其中，sn·
自
为自耦变压器的额定容量，u
2n
·
自
为自耦变压器副边的各级电压值，u
2n
·
自
＝u
1n
·
整
。
[0044]
本发明一个较佳实施例中，所述有载分接开关设置的九个分接级对应直流机组的九个挡位的输出电压，从低到高依次为
[0045]
1000v/1112.5v/1225v/1337.5v/1450v/1562.5v/1675v/1787.5v/1900v；上述电压值对应有载分接开关的9挡至1挡，9挡为最小挡位，1挡位最大挡位。
[0046]
本发明一个较佳实施例中，有载分接开关的9挡、8挡和7挡时，自耦变压器的容量设定为4400kva，有载分接开关的其余挡位时，自耦变压器的容量设定为6600kva。
[0047]
本发明一个较佳实施例中，通过步骤s1-s3计算出各挡位中整流器的目标输出直流电压值所对应的自耦变压器的副边各挡位对应的电压、电流值，整理成表，测试时直接根据目标输出直流电压值查表获得对应的有载开关调节挡位。
[0048]
本发明一个较佳实施例中，进行电压突变试验时，模拟牵引工况下，根据目标输出直流电压值为1500v调整为1650v，查表将有载分接开关从4挡调节到3挡；模拟电制工况时，
根据目标输出直流电压值为1500v调整为1350v，查表将有载分接开关从4挡调节到6挡。
[0049]
本发明一个较佳实施例中，进行电压波动试验时，根据目标输出直流电压值为1000v至1900v往复调整，查表将有载分接开关从9挡逐级调整为1挡，再从1挡逐级调整为9挡，往复进行3次。
[0050]
本发明一个较佳实施例中，通过遥控、遥信、遥调或遥测有载分接开关调节挡位。
[0051]
本发明提供的技术方案在保留了24脉整流机组功能的基础上具有如下有益效果：
[0052]
1)具有容量大、调压范围广和线路可靠性高的特点；
[0053]
2)整流机组可实现同步调压及阶跃调压，可实现多次突升或突降变化；
[0054]
3)摆脱了调压控制器电流受限的问题，可实现整流机组阀侧直流电压输出1000v至1900v大范围调压；
[0055]
4)可实现现场手动和远程遥控在线调挡，现场和远程可分别控制；
[0056]
5)克服了整流变压器移相线圈和主线圈抽头过多无法空间布置的问题，整流机组设计非常简洁。
附图说明
[0057]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。
[0058]
图1是本发明一实施例中所述的用于牵引机车性能测试的24脉冲直流机组的接线示意图；
[0059]
图2是本发明一实施例中所述的用于牵引机车性能测试的24脉冲直流机组中自耦变压器与有载分接开关接线示意图。
[0060]
图中所示：1－自耦变压器；2－有载分接开关；3－断路器；4－整流变压器；5－整流器。
具体实施方式
[0061]
为了便于理解，下面结合实施例阐述所述一种24脉冲牵引直流机组的设计方法，应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位和位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0062]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0063]
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文
所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
[0064]
本发明所述用于牵引机车性能测试的24脉冲直流机组入线端接自耦变馈线柜，由自耦变馈线柜来对该机组进行供电，该机组的输出端接入牵引机车的电源模块，为牵引机车进行供电。
[0065]
如图1所示，所述用于牵引机车性能测试的24脉冲直流机组包括自耦变压器1、有载分接开关2以及并联的两整流支路，所述整流支路包括断路器3、整流变压器4以及整流器5。
[0066]
自耦变压器1的出线端与有载分接开关2的入线端连接，其中，每个接点均分为两个接头，可有效降低局部温度过高的概率，减少安全隐患。
[0067]
参照图1和图2所示，有载分接开关2一共设有九个分接级。有载分接开关2有两个出线端，每个出线端连接有一个整流支路。有载分接开关2的出线端与断路器3的入线端连接，断路器3的出线端与整流变压器4的入线端连接，整流变压器4的出线端与整流器5的入线端连接，整流器4包括第一整流器以及第二整流器，每个整流器4包括第一输出端和第二输出端，第一整流器的第一输出端引出为24脉冲直流机组的正极输出端，第一整流器的第二输出端与第二整流器的第一输出端相连，第二整流器的第二输出端引出为24脉冲直流机组的负极输出端。
[0068]
参照图2所示，本发明中的自耦变压器1中设置有两个线圈组，包括第一线圈组以及第二线圈组，第一线圈组与第二线圈组为轴向分裂并联结构。该结构有效降低单线圈工艺加工绕制的难度，减少导线的涡流损耗。第一线圈组与第二线圈组结构相同，以第一线圈组为例，所述第一线圈组呈y型连接，第一线圈组包括分接级一一对应的第一相线圈、第二相线圈以及第三相线圈；第一线圈组中的分接点与第二线圈组中对应的分接点相连，第一相线圈中分接点引出二次侧a接点，第二相线圈中分接点引出二次侧b接点，第三相线圈中分接点引出二次侧c接点。
[0069]
综上，有载分接开关2的输出端经隔离开关分别与两台整流变压器4的网侧输入端相连，故每台整流变压器4的容量为3300kva，两台并联或串联运行的整流变压器4一次侧绕组分别移相+7.5
°
和-7.5
°
，使两台整流变压器4阀侧电压相角差15
°
，通过整流器5构成等效24脉波整流，可有效抑制网压侧谐波，本发明中的两台整流器5串联输出。
[0070]
本发明所述的一种用于牵引机车性能测试的24脉冲直流机组的试验方法，其主要包括以下步骤。
[0071]
1.根据整流机组额定电压值，获取约定空载直流电压值。
[0072]
由于试验电源进线端电源为6kv，因电网电压波动，实际入口端电压范围为5.3kv至6.5kv。利用自耦变压器可以多挡位输出的特性，在自耦变压器二次侧设定9挡位分接，通过有载分接开关的调节，可实现整流机组直流侧不同直流电压的输出需求。根据直流电压的步长算出各挡位的直流电压输出，步长按照112.5v(dc)确定，则直流电压分接挡位如表1所示：
[0073]
表1整流机组的各挡位直流分接电压
[0074]
挡位9挡8挡7挡6挡5挡4挡3挡2挡1挡2u
dn
10001112.512251337.514501562.516751787.51900
[0075]
直流电压由两组整流机组串联实现，则每套整流机组的直流分接电压如表2所示：
[0076]
表2每套整流机组的各挡位直流分接电压
[0077]
挡位9挡8挡7挡6挡5挡4挡3挡2挡1挡u
dn
500556.25612.5668.75725781.25837.5893.75950
[0078]
通过式(1)获取约定空载直流电压u
doo
：
[0079][0080]
其中，6％为整流机组的电压调整率，u
dn
为整流机组额定电压。
[0081]
其次根据约定空载直流电压值，获取24脉理想空载直流电压值；
[0082]
通过式(2)获取24脉理想空载直流电压u
doi
'：
[0083][0084]
其中，u
doo
为约定空载直流电压。
[0085]
再根据24脉理想空载直流电压值，获取整流变压器阀侧空载电压值；
[0086]
通过式(3)获取整流变压器阀侧空载电压u
2l
与24脉理想空载直流电压u
doi
'的物理关系：
[0087][0088]
其中，为角频率；
[0089]
由此可得式(4)：
[0090]u2l
＝0.7143u
doi
'
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0091]
根据式(4)获取整流变压器阀侧空载电压u
2l
。
[0092]
根据整流机组额定电压、约定空载直流电压值、24脉理想空载直流电压值、整流变压器阀侧空载电压值整理为表3。
[0093]
表3整流机组各挡位空载电压
[0094]
挡位9挡8挡7挡6挡5挡4挡3挡2挡1挡u
dn
500556.25612.5668.75725781.25837.5893.75950u
doo
531.9591.8651.6711.4771.3831.1891.0950.81010.6u
doi
550.7612.7674.6736.5798.5860.4922.4984.41046.3u
2n
·
整
394438482526570615660704748
[0095]
2.首先根据变压器的原副边变比关系，获取整流变压器网侧输入电压值。
[0096]
根据实际工况需求，整流变压器阀侧额定空载电压设定为615v，网侧额定空载电压设定为9377v，考虑到电压波动，提升输出电压精度，整流变压器原边的分接挡位仍保留，设定值为
±2×
3％。
[0097]
参照式(5)，根据变压器的原副边变比关系，依次求出整流变压器网侧需要输入的电压，即自耦变压器副边需要输出的电压值。
[0098][0099]
其中，k为整流变压器网侧与阀侧的电压变比，n1为整流变压器网侧额定挡位绕组匝数，n2为整流变压器阀侧绕组匝数，u
1l
为整流变压器网侧额定空载电压，u
2l
为整流变压器阀侧额定空载电压，u
2n
·
整
为整流变压器阀侧需输出的各级电压，u
1n
·
整
为整流变压器网侧需输入的各级电压，n为有载分接开关的分接级。
[0100]
根据获取到的不同分接级的整流变压器阀侧电压、网侧电压及自耦变压器副边电压值整理为表4。
[0101]
表4自耦变压器副边电压值
[0102]
挡位1挡2挡3挡4挡5挡6挡7挡8挡9挡u
2n
·
整
394438482526570615660704748u
1n
·
整
600066787349802086919377100631073411405u
2n
·
自
600066787349802086919377100631073411405
[0103]
根据实际工况，以上各值均符合安全要求。
[0104]
3.根据整流变压器网侧输入电压值，获取自耦变压器的原边额定电流值以及副边各挡位对应的电流值。
[0105]
由于自耦变压器的额定容量为6600kva，根据式(6)获取原边额定电流值i
1l
：
[0106][0107]
其中，sn·
自
为额定容量kva，u1·
自
为原边额定电压v；再根据式(7)获取副
[0108]
边各挡位的电流值i
2n
·
自
：
[0109][0110]
其中，sn·
自
为额定容量，u
2n
·
自
为自耦变压器副边输出电压，也是整流变压器网侧各挡位的输入电压。
[0111]
4.根据获取到的自耦变压器不同分接级的原副边电流值制表。
[0112]
表5自耦变压器原副边电流值
[0113][0114]
因有载分接开关的最大电流限制为500a，结合实际工况，第9挡～第7挡自耦变压器降功率输出，输出功率为4400kva。至此自耦变压器的输入、输出电压及容量已全部确定。整理为表6。
[0115]
表6自耦变压器输入、输出电压及容量
[0116][0117]
整流变压器磁通密度应按照最高分接电压11405v设计，网侧、阀侧的导线横截面积应按照网侧输入电压8020v考虑，第9至第7挡容量为4400kva。
[0118]
参照上述表格，即可按需对自耦变压器的进行整体设计。
[0119]
5.进行电压突变试验，列车以牵引/电制方式运行，分别在下列条件下，通过调压远程控制器迅速带电调整网压。牵引工况时，网压由1500v调整至约1650v，即将有载分接开关从4挡调节到3挡，自耦变压器的输入电压为9377v至10063v；电制工况时，网压由1500v调整至约1350v，即将有载分接开关从4挡调节到6挡，自耦变压器的输入电压为9377v至8020v，并通过整流变压器自身的分接挡位进行精调，满足实际工况。需要说明的是，自耦变压器通过有载分接开关、遥控、遥信、遥调或遥测调节电压，以此实现远程控制。
[0120]
6.进行电压波动试验，将网压从1000v调整至1900v，再由1900v调整至1000v。查表1得，从9挡逐级调整为1挡，再从1挡逐级调整为9挡，调整步长112.5v，电压调整一个来回为一次，试验共进行3次。
[0121]
本发明在保留了24脉整流机组功能的基础上，具有容量大、调压范围广、线路可靠性高、整流机组同步调压、阶跃调压，克服调压控制器(有载分接开关)电流局限性、现场和远程可分别控制等优点。本发明克服调压控制器(有载分接开关)的电流局限性，可实现整流机组阀侧直流电压输出1000v-1900v的大范围调压。可实现现场手动和远程遥控在线调挡，并通过软件的二次开发可实现挡位阶跃式调节，可实现多次突升、突降变化。同时克服整流变压器移相线圈和主线圈抽头过多无法空间布置的局限性，保持了整流机组设计的简洁性。
[0122]
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。