交流电力机车谐波特性及治理初探
交流电力机车谐波特性及治理初探
1 谐波的概念
谐波是电气量频率为基波整数倍的正弦波分量。对于我国使用的 50Hz 电源来说基波为
50Hz，三次谐波为 150Hz，5次谐波为 250Hz，以此类推。产生谐波的主要原因是正弦电压加
压于非线性负载，基波电流发生畸变。主要非线性负载有整流装置、逆变装置、斩波装置、变
频装置、开关电源等。直流电力机车中的整流装置，交流电力机车中的整流、逆变装置，牵引
变电所直流屏充电模块均可产生谐波。
2 HXD 型电力机车简介
HXD 系列电力机车是南车集团和北车集团与国外企业合作，引进消化技术并国产化的新
一代交流电力机车，设计最高时速均为 120km/h。HXD 系列电力机车主电路由受电弓、主断路
器、变压器、整流器、逆变器及辅助变流器等组成。受电弓完成从交流牵引网到机车的高速受
流；主断路器接通断开 25kV 主回路，并具备机车过载、短路、接地等保护功能；变压器完成
高低电压转换、电气隔离，同时还集成了变流器电感和二次谐波滤波电感；牵引整流器将变压
器次变电压转换为直流电压提供给逆变器，同时保证次边电流与电压相位相同或相反；牵引逆
变器完成对交流电机的驱动控制；辅助变流器提供通风机、压缩机、各种泵、空调、加热器、
蓄电池充电机、冰箱、计算机等辅助设备电源。
HXD 系列电力机车牵引整流器和牵引逆变器均采用四象限变流及 PWM 技术，所以牵引整
流器和牵引逆变器也被称为四象限变流器或 PWM 变流器。四象限变流器采用单相全桥电路，
可实现能量的双向流动并保证网侧功率因数近似为 1。设四象限变流器的开关频率为 f，采用单
极性调制策略，则从变流器交流侧输入电流（牵引网电流）谐波特性分析来看可视等效开关频
率为 2倍的 f。机车容量较大，无法采用单个四象限变流器实现该容量的能量变换，通常采用
基于机车变压器的多重化策略，一方面实现容量拓展；另一方面实现谐波优化。若机车采用 n
重四象限变流器，则等效开关频率为 2nf。
3 HXD 型电力机车谐波特征
第一，等效开关频率为 2nf 的机车变压器原边电流（牵引网电流）主要谐波边带集中在
2nf±1、2nf±3 等区段，低次谐波基本被抵消，从而实现谐波优化。HXD 型电力机车上线运行
后，牵引网电流中的 3、5、7次等低次谐波含量显著减少，但谐波频谱变宽，通常在 1～10kHz
范围都存在可测谐波电流。
第二，HXD 机车牵引电流谐波畸变率随着负载增大而减少。当机车处于满载时，电流谐
波畸变率值较小，通常小于5%，但当机车处于轻载或空载时，电流谐波畸变率值达到最大，
这时甚至超过100%，也就是说基波电流小于谐波电流。谐波畸变率是表征电压或电流谐波含
量的参数，其定义为各次谐波含量的方均根值与其基波分量的方均根值之比（用百分数表
示）。
第三，HXD 机车网侧变流器的开关频率越高，主要谐波次数越高，且谐波总量也越少，
但变流器开关频率还受器件损耗和散热条件限制。HXD 机车网侧变流器重数越多，则等效开
关频率越高，低次谐波通过变压器磁路相互抵消，主要谐波次数往高次上移，而谐波总量缩
小。网侧变流器交流侧输入电感越大，牵引电流主要谐波次数不变，但谐波总量变少，但输入
电感还受变流器容量和制造工艺和体积限制。
4 牵引网谐波传递特性
任何含有电感、电容元件的系统网络都存在谐振点，从机车往牵引变电所看，牵引网可以
视为一个包含电感和电容元件的复杂无源网络，任何牵引网均存在多个串联谐振点和多个并联
谐振点，但存在谐振点并不一定发生谐振，是否引发谐振取决于谐波源向该网络中注入的谐波
频率是否恰好满足该网络发生谐振所需的条件。当谐波源注入系统的谐波频率等于网络谐振频
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交流电力机车谐波特性及治理初探 1 谐波的概念 谐波是电气量频率为基波整数倍的正弦波分量。对于我国使用的50Hz电源来说基波为50Hz，三次谐波为150Hz，5次谐波为250Hz，以此类推。产生谐波的主要原因是正弦电压加压于非线性负载，基波电流发生畸变。主要非线性负载有整流装置、逆变装置、斩波装置、变频装置、开关电源等。直流电力机车中的整流装置，交流电力机车中的整流、逆变装置，牵引变电所直流屏充电模块均可产生谐波。 2 HXD型电力机车简介 HXD系列电力机车是南车集团和北车集团与国外企业合作，引进消化技术并国产化的新一代交流电力机车，设计最高时速均为120km/h。HXD系列电力机车...
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作者：闻远设计
分类：其它行业资料
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