电力机车功率因数的改善

相控调压最大的优点是可以实现无级调速，避免调压过程中的电流冲击，使牵引电动机的力矩变化平缓，充分利用机车的黏着，发挥较大的牵引力。最大的缺陷是功率因数偏低，谐波干扰电流较大，对电网和通信设施产生不利影响，这就需要对机车功率因数进行补偿，对谐波电流加以限制。

一、评价相控调压的两个指标

评价相控调压性能有两个重要指标，即功率因数和谐波干扰。采用相控调压的电力机车在理想情况下，由于整流和平波电抗器的作用，使变压器二次侧电流 i2为一方波，从而使变压器一次侧电流 IT为非正弦波，造成接触网电流波形发生畸变，产生高次谐波电流，使机车功率数降低，降低了设备的利用率，影响了电网的供电质量，对电网造成严重污染。此外，国家电力和通信部门对电网用户的功率因数和谐波电流都有明确的要求，并作为强制标准必须贯彻执行。一般晶闸管相控机车的功率因数仅为0.78～0.80，谐波电流为Ipmax＞9.2A（等效干扰电流的最大值），远不能满足 PF＝0.9、I(3)＝3.9、I（5)＝4.0的限制要求。

二、提高机车功率因数的方法

根据机车功率因数PF=λcosφ1，要想提高机车功率因数就需要增大波形畸变系数λ，尽量减小高次谐波电流，同时减小基波电压与基波电流之间的相位差φ1。常用的方法为多段桥顺序控制和功率因数补偿装置。

1.多段桥顺序控制

为了改善机车的功率因数，降低谐波干扰，机车上广泛应用多段整流桥顺序控制，即把多段整流桥串联起来供电，常用的有二段半控桥、三段不等分桥和经济四段桥。下面仅以三段不等分桥为例分析其工作原理。

图1.8为三段不等分半控桥整流电路。图中，变压器二次侧绕组分成电压相等的两段 a2x2和a4x4，其中a2x2接成一般半控桥整流电路，a4x4接成中抽式半控桥，由于中抽式绕组可看成两段绕组a4b4和b4x4，故变压器二次侧绕组可视为三段不等分，各段绕组的比例为a2x2a∶4b4b∶4x4＝211∶∶。VD1～VD4提供直流续流通道。

三段半控桥顺序控制，其升压过程如下：

第I段桥：在机车起动时，需要逐步升高电压。a2x2-VT1VT2VD1VD2工作，大桥调压。晶闸管的控制角为α1，封锁晶闸管VT3～VT6的触发脉冲，即第II段桥晶闸管的控制角 α2和第III桥晶闸管的控制角 α3均为π。负载电流流经 a2x2、VT1VT2、VD1VD2、PK、M、VD3VD4。输出电压、电流、变压器绕组中电流的波形如图1.9（a）所示。

第I段桥整流输出电压的平均值为：

图1.8　三段不等分半控桥整流电路

当1α=π时，d0U=；当10α=时，

图1.9　三段不等分桥顺序调压波形

第Ⅱ段桥：维持VT1VT2满开放即 α1＝0，a4b4-VT3VT4VD3VD4投入工作，四臂小桥调压。晶闸管的控制角为α2，封锁晶闸管VT5VT6的触发脉冲即 α3＝π。负载电流流过a2x2、VT1VT2、VD1VD2、PK、M、a4b4、VT3VT4、VD3VD4。此时输出电压、电流、变压器绕组中电流的波形如图1.9（b）所示。第Ⅱ段整流输出电压的平均值为：

当a2=π时，当α2=0时，

第Ⅲ段桥：维持VT1～VT4满开放，即 α1＝α2＝0。b4x4-VT5VT6VD3VD4工作，调压桥调压。晶闸管的控制角为α3。负载电流流过a2x2、VT1VT2、VD1VD2、PK、M、a4b4x4、VT5VT6、VD3VD4。此时输出电压、电流、变压器绕组中电流的波形如图1.9（c）所示。第Ⅲ段整流输出电压的平均值为：当α3=0时，Ud=Ud0。

降压顺序控制过程与上述控制过程相反，从第Ⅲ段调压桥开始到第I段大桥结束，依次控制VT5VT6、VT3VT4、VT1VT2的控制相位角从满开放状态到关断状态（α＝0→π），顺序完成三段半控桥整流电路的降压调节过程。

图1.9 显示三段半控桥式整流电路的变压器原边电流由阶梯波代替了矩形波，波形接近正弦波，功率因数显著提高。国产的SS4改、SS3B、SS8、SS9型电力机车均采用三段半控桥式整流电路。

当3α=π时，

不同段数半控桥的功率因数如图1.10所示，从图中可以看出机车功率因数为：Ⅲ段桥＞Ⅱ段数＞I段桥，说明半控桥段数越多，机车功率因数越高。但半控桥段数过多会使变压器抽头数增加，整流装置复杂，在一定程度上降低了机车运行的可靠性，故干线电力机车一般不超过四段半控桥。

2.功率因数补偿器

功率因数补偿装置兼作滤波器，简称 PFC 装置，一般常用的形式有LC、RC、RLC，如图1.11所示。功率因数补偿装置跨接于机车主变压器二次侧绕组的两端，其工作原理如图1.12所示。

图1.10　不同段数半控桥的功率因数

图1.12　机车滤波器工作原理

图1.11　常用滤波电路

谐波电流主要是 3、5、7次谐波，加上功率因数补偿装置后，将 R、L、C 连接成某一频率的谐振电路（一般在靠近3次或5次谐波频率处）。在基波网压的作用下对基波呈容性，提供容性无功电流，减少滞后的负载电流，从而提高机车的功率因数。同时对3、5次谐波呈低阻性，使绝大部分3次、5次谐波电流通过功补装置被吸收掉，以减少流向电网的3次或5次谐波电流，也减少了等效干扰电流。机车加装了功率因数补偿装置以后，提高了机车的功率因数，降低了接触网和机车主变压器的损耗，同时也减少了接触网对沿线通信线路的干扰。