諧波偵測係為交流系統藉由比流器與比壓器進行訊號轉換取得之訊號，有許多文獻研究交流系統之諧波且有許多成果。至於在直流系統中的漣波之諧波，除了對漣波振幅與它的反應時間外，很少有在這個領域上的研究或調查。本文提出一個新穎的研究技術和分析的方法，可以運用在各種操作的條件下進行調查與研究工作，這個研究提出一個新的諧波量測方式，以探測器偵測捷運系統上的軌道電磁場，截取直流牽引電力系統漣波之諧波資料及分析，此研究工作以台北高運量捷運系統牽引電力之直流鏈進行訊號與諧波之量測與分析，這個作法係利用電聯車運轉於軌道上，並分別以靜態與動態等不同條件下進行量測與分析工作。
本研究提出新式探測器在直流牽引電力系統上能精確地量測漣波與諧波數據並加以分析且能消除雜訊與電磁干擾。本文係由捷運軌道電磁場量測結果展示出新式探測器在系統上的可應用性與適應性。直流漣波之諧波訊號能被應用在軌道系統上的信號特性與系統整合訊號相容性分析，對於軌道系統上的設備與訊號相容具有相當的助益。對於捷運電聯車、號誌與供電系統之設計與營運後之維修調整能獲得有效地控制及充份地協調，以利供電系統與電聯車負載系統皆能精確控制且提高系統運轉的可靠度與舒適性。

The harmonic detection for the alternating current system is performed by the fixed current and voltage ratio transformers as well as transducers. There are many literatures about the harmonics of the AC systems with innumerable results. As to the ripple harmonics in the direct current system, there are few investigations on the ripple harmonic except the ripple amplitude with its corresponding response time. This work present a novel technique and analysis method that can be utilized under various operating conditions. This study presents a new measurement method with a search probe to detect the magnetic field on the rails of the mass rapid transit systems for predicting the harmonics of the ripple in the DC traction power systems. This work measures the signals and harmonics on the DC link of the traction power of the Taipei Mass Rapid Transit System under the static and dynamic status as a train running the rail road. This study proposes a novel device named the search probe that can precisely analyze the ripple harmonic in the DC traction power and eliminate the noise and electromagnetic interference on the measurement data. The field measurement results demonstrate the adaptability of the presented search probe. The harmonics in the DC ripple signals can be appied to analyze the characteristics and compatibility with the signals in the railway.

目      錄

中文摘要	I
英文摘要	II
誌謝	III
目錄	IV
圖目	VIII
表目	XI

第一章 緒論
1.1研究背景	1
1.2文獻探討	2
1.3本論文之貢獻	4
1.4論文內容概述	5

第二章 捷運直流供電系統
2.1前言	8
2.2捷運供電系統架構	8
2.3直流牽引電力系統	10
2.3.1直流牽引供電設計準則	12
2.3.2牽引電力變電站	13
2.3.3牽引電力變壓器	16
2.3.4單一組6脈衝波換流器	20
2.3.5直流24脈衝波整流器	22
2.3.6相間變壓器	26
2.4牽引電力之諧波	28
2.5負迴流軌道共構	31
2.6本章結論	34

第三章 電聯車推進系統
3.1前言	35
3.2電聯車電力系統架構	35
3.3電聯車推進系統設計準則	37
3.4電聯車主要參數	37
3.5推進系統原理	39
3.6電聯車馬達	44
3.7變頻器設計理論	44
3.8段式推進系統控制	48
3.9直流鏈	50
3.10推進系統之諧波	51
3.11本章結論	55

第四章 直流牽引電力漣波之諧波探討
4.1前言	56
4.2諧波定義	57
4.3牽引電力漣波與諧波	57
4.3.1典型漣波模擬	60
4.4直流牽引電力漣波之諧波計算	63
4.4.1牽引電力諧波之計算	63
4.4.2直流牽引電力漣波與諧波計算	66
  4.4.2.1六脈衝波整流諧波分析	66
  4.4.2.2十二脈衝波整諧波分析	68
  4.4.2.3二十四脈衝波整流理論模擬	69
4.4.3電聯車變頻器模擬結果	71
4.5直流牽引電力系統漣波之諧波模擬	74
4.6本章結論	80

第五章 漣波之諧波量測探測器之研製與實驗
5.1前言	81
5.2諧波量測探測器設計與研製	81
5.3諧波探測器實驗	85
5.4本章節結論	91

第六章 直流牽引電力漣波之諧波量測與分析
6.1前言	92
6.2直流漣波之諧波量測探測器	93
6.3量測方法	94
6.4實際漣波之諧波量測	95
6.4.1量測前校正	96
6.4.2直流牽引電力靜態漣波之諧波量測	98
6.4.2.1電聯車靜止狀態下漣波之諧波量測值	99
6.4.2.2直流牽引電力漣波之諧波靜態頻譜分析	106
6.4.3電聯車動態運轉下直流漣波之諧波量測	107
6.4.3.1列車速度0~40km/hr間之直流漣波之諧波分佈	108
6.4.3.2列車速度40~80km/hr間之直流漣波之諧波分佈	113
6.5直流牽引電力漣波之諧波綜合分析	115
6.6本章結論	122

第七章 結論與未來研究
7.1結論	123
7.2未來研究	124

參考文獻	127
作者簡歷 133
 

圖      目

圖2.1   捷運供電系統架構圖	9
圖2.2   牽引電力供電系統圖	11
圖2.3   牽引電力變電站供電系統圖	15
圖2.4   直流供電系統與電聯車負載圖	15
圖2.5   整流變壓器Δ-Δ-Y接線相位角圖	17
圖2.6   單一組6脈衝波整流器電路圖	20
圖2.7   板南線6相整流以每一脈衝波使用4個並聯二極體電路圖	21
圖2.8   換流器12脈衝波使用2個6相並聯二極體電路圖	22
圖2.9   板南線12脈衝波以每一脈衝波使用4個並聯二極體電路圖	24
圖2.10  板南線24脈衝波以每一脈衝波使用4個並聯二極體電路圖	25
圖2.11  相間變壓器接線簡圖	27
圖2.12  相間變壓器電路接線圖	27
圖2.13  現階段台北捷運牽引電力諧波量測位置點	31
圖2.14  捷運機電系統軌道共同配置基本架構圖	32
圖3.1   電聯車六車聯結編組排列	35
圖3.2   電聯車上電力系統架構圖	36
圖3.3   電聯車推進系統架構圖	40
圖3.4   電聯車推進系統與推進馬達電路圖	41
圖3.5   電聯車推進系統換流器閘流控制順序編號圖	41
圖3.6   換流器整流模式之直流電壓與交流側電流波形	42
圖3.7   電聯車變頻器架構	45
圖3.8   推進系統的三段式控制波形、頻率與速度之關係	49
圖3.9   DC Link簡要基本架構圖	51
圖3.10  推進系統三相六脈衝波變頻器	52
圖3.11  電聯車變頻器產生各階次諧波	54
圖4.1   12脈衝波二極體整流輸出波形模擬	61
圖4.2   整流器直流側12脈衝波之漣波輸出波形模擬	61
圖4.3   24脈衝波二極體整流輸出波形模擬	62
圖4.4   整流器直流側24脈衝波之漣波輸出波形模擬	62
圖4.5   捷運牽引電力單相電流基本波示意圖	65
圖4.6   直流漣波之諧波輸出IRec大小之頻率角度模擬振幅譜	66
圖4.7   整流變壓器Δ-Δ接線6脈衝波整流圖	67
圖4.8   6脈衝波數諧波(第1-30階數)	67
圖4.9   整流變壓器Δ-Δ-Y接線12脈衝波整流圖	68
圖4.10  12脈衝波級數諧波(第1-30階數)	69
圖4.11  整流變壓器Δ-Δ-Y接線24脈衝波整流圖	70
圖4.12  24脈衝波級數諧波階次模擬(第1-30階數)	71
圖4.13  變頻器輸出電壓與電流迴流圖	72
圖4.14  PWM電壓波形模擬	73
圖4.15  六階電壓波形模擬	73
圖4.16  ΔiInv(t)電流波形模擬	74
圖4.17  DC Link模擬電路圖	75
圖4.18  直流牽引電力漣波之諧波分佈	77
圖5.1   漣波之諧波量測探測器設計圖	82
圖5.2   漣波之諧波量測探測器實體	83
圖5.3   漣波之諧波量測探測器實驗	84
圖5.4   探測器模擬諧波量測實驗現場圖	85
圖5.5   型式1探測器量測0~500Hz諧波頻譜圖	88
圖5.6   型式2探測器量測0~500Hz諧波頻譜圖	88
圖5.7   型式3探測器量測0~500Hz諧波頻譜圖	88
圖5.8   3種不同型式探測器量測60Hz波形比較圖	89
圖5.9   3種不同型式探測器量測60Hz波形比較照片	89
圖5.10   型式1探測器量測60Hz基本波之諧波0-500Hz頻譜照片	90
圖6.1   捷運直流牽引電力漣波之諧波量測探測器	93
圖6.2   直流牽引電力漣波之諧波量測方法	94
圖6.3   直流牽引電力漣波之諧波量測位置示意圖	96
圖6.4   直流牽引電力漣波之諧波探測器量測位置圖	96
圖6.5   量測用探測器現場量測前校正之一	97
圖6.6   量測儀器與探測器現場量測前校正之二	97
圖6.7   電聯車停止情況下牽引電力漣波之諧波第1~18次諧波	104
圖6.8   電聯車停止情況下牽引電力漣波之諧波第19~36次諧波	104
圖6.9   電聯車停止情況下牽引電力漣波之諧波第37~54次諧波	105
圖6.10  電聯車停止情況下牽引電力漣波之諧波第55~72次諧波	105
圖6.11  靜態情況下牽引電力漣波之諧波以360Hz倍頻展現之分佈	106
圖6.12  電聯車0~40km/hr動態運轉下-60dB以上第1~49次諧波分佈	112
圖6.13  電聯車40km/hr動態運轉下-60dB以上第54~198次諧波分佈	112
圖6.14  電聯車72km/hr動態運轉下-60dB以上第1~108次諧波分佈	115
圖6.15  靜態量測與模擬諧波第1~18階次諧波比較圖	116
圖6.16  靜態量測與模擬諧波第1~18階次諧波比較曲線圖	117
圖6.17  列車三種狀態下360Hz倍頻漣波之諧波變動比較圖	120
圖6.18  列車三種狀態下360Hz倍頻漣波之諧波變動比較立體圖	120
圖6.19  列車三種狀態下360Hz倍頻漣波之諧波曲折線變動比較圖	121


表     目

表2.1  整流變壓器三相變六相之相位移線圈接線與相位角圖	18
表2.2  台北高運量捷運牽引電力整流變壓器瑞士TRASFOR銘牌	19
表2.3  台電各次諧波標準規定	30
表3.1  列車主要性能與參數	38
表3.2  列車基本性能與參數	39
表3.3  推進系統換流器開關切換操作表	43
表3.4  台北高運量捷運兩種電聯車馬達規格	44
表3.5  推進系統換流器存在之各次諧波值	53
表4.1  換流器半波整流電路相位參數表	58
表4.2  換流器全波整流電路相位參數表	59
表4.3  DC Link模擬電路零件參數	76
表4.4  模擬DC-Link漣波之諧波第1~39階次	78
表4.5  模擬DC-Link漣波之諧波第40~78階次	79
表5.1  三種直流漣波之諧波探測模擬量測值	86
表6.1  量測儀器與探測器頻率校正參數之一	98
表6.2  量測儀器與探測器頻率校正參數之二	98
表6.3  第1~18次漣波之諧波對應頻率60~1080Hz	100
表6.4  第19~36次漣波之諧波對應頻率1140~2160Hz	101
表6.5  第37~54次漣波之諧波對應頻率2220~3240Hz	102
表6.6  第55~72次漣波之諧波對應頻率3300~4320Hz	103
表6.7  階數偶數諧波之360Hz倍頻	107
表6.8  列車動態40km/hr漣波之諧波頻率對應近似第1~49次諧波	110
表6.9  列車動態40km/hr漣波之諧波頻率對應近似第54~198次諧波	111
表6.10 列車72km/hr運轉下漣波之諧波頻率對應第1~108次諧波	114
表6.11 列車三種狀態下360Hz倍頻漣波之諧波分佈比較表	119

[1]楊振武，「輕軌系統供電電壓等級之研究」，碩士論文，國立台灣科技大學電機工程系，民國九十一年。
[2]台北市捷運工程局，板橋線第二階段及土城線第一區段工程CD313標供電系統工程特別技術規範，民國八十七年。
[3]General Consultant American Transit Consultants, Int. Taipei Metropolitan Area Rapid Transit System, Particular Technical Specification for CN333/CP343, Oct. 1990.
[4]巫文傑，「捷運三相交流/直流供電系統之整合模擬」，碩士論文，國立台灣科技大學電機工程系，民國八十九年。
[5]李育燊，「捷運直流供電系統故障偵測與保護之研究」，碩士論文，國立台灣科技大學電機工程系，民國九十五年。
[6]曾乙申，「台北捷運工程淡水-新店線供電系統之負載潮流與諧波分析」，博士論文，國立台灣工業技術學院電機工程研究所，民國八十四年。
[7]台北市捷運工程局，新莊線/蘆洲線/南港線東延段/新店小碧潭站以及台北捷運公司二十四列電聯車特別技術規範，民國九十一年十二月。
[8]Siemens, Converter Engineering--An Introduction to Operation and Theory, John Wiley & Sons Ltd, 1984.
[9]何宗軒、田榮生、黃智強及蔡玉麟，「電聯車電氣設備」，捷運技術第35期，台北市捷運局，95年8月。
[10]陳光立，「重運量電聯車推進及輔助電力系統簡介」，捷運技術第26期，91年2月，第173-200頁。
[11]台北市捷運局，CP341標電聯車工程特別技術規範（板橋線第二階段及土城線第一區段工程第三冊），86年11月4日。
[12]蕭瑛東和林廣傑，「捷運直流牽引電力諧波分析」，2001台灣電磁相容研討會，台北，90年10月11-12日，第121-126頁。
[13]Y.J. Wang and J.H. Wang, "Modeling of Frequency-Dependent Impedance of the Third Rail Used in Traction Power System", IEEE Transaction on power delivery, Vol. 15, No. 2, April 2000, pp. 750-755.
[14]L. Snider, E. Lo and T. Lai, "Harmonic Simulation of MRT Traction System by EMTP", Proceedings of the IEEE 1999 International Conference on Power Electronics Drive System, Hong Kong, PEDS’99, 27 July 1999, pp. 206~211.
[15]K.T. Wong, "Harmonic Analysis of PWM Multi-level Converter", IEE Proceedings Electrical Power Application, Vol. 148, No. 1, January 2001, pp. 35~43.
[16]C.S. Chang, J.S. Low and D. Srinivasan, "Application of Tabu Search in Optimal System Design and Operation of MRT Power Supply System", IEE 1999, IEE Proceeding Electrical Power Application, Vol. 146, No.1, January 1999, pp. 75-80.
[17]Yatsuo, T. Nagano, T. Fukui, H. Okamura, M. and Sakurada, S. " Ultra high-Voltage High-Current Gate Turn-off Thyristors", IEEE Transcation on Electron Device, Vol. 31, Issue 12, Dec. 1984, pp. 1681~1686.
[18]何宗軒，「淡水線電聯車推進系統」，捷運技術第九期，台北市捷運局，82年8月，第72-79頁。
[19]J. Arrillaga, B.C. Smith, N.R Watson and A.R. Wood, Power System Harmonic Analysis, WILEY, 1997.
[20]J. Arrillaga, D.A. Bradley and P.S. Bodger, Power System Harmonic, JOHN WILEY & SON, 1985.
[21]江榮城、顏世雄和劉志放，電力系統諧波量測與諧波管制辦法檢討，台灣電力公司八十二年度研究發展專題。
[22] IEEE Std. 519-1992, IEEE Recommended Practice and Requirement for Harmonic Control in Electric Power System, New York, 1993.
[23]何金滿和王村竹，「捷運供電系統之諧波分析」，第二十一屆電力研討會，台北，89年11月，第290-295頁。
[24]黃漢榮，「電聯車推進系統發展與技術展望」簡報，台北捷運局訓練課程，台北，95年12月15日。
[25]N. Mohan, T.M. Undeland and W.P. Robbins, Power Electronics, WILEY John & Sons, INC. 1995.
[26]台北市捷運局，CK371/CL601/CE631/CH321A/TAA001特別技術規範，新莊線/蘆洲支線/南港東延段/小碧潭站以及台北捷運公司二十四列電聯車工程，第六冊，92年1月28。
[27]張哲端，「軌道電路」，捷運技術第十一期，台北市捷運局，83年8月，pp. 7-18。
[28]林廣傑，「號誌系統音頻軌道電路分析」，1993台北都會區捷運系統工程研討會，82年3月，台北，第583-591頁。
[29]張哲端，「攸關捷運安全之行車控制系統」， 捷運技術第十八期，台北市捷運局，87年2月，第82-91頁。
[30]台北市捷運局，南港、板橋、中和線號誌系統工程技術規範附表（第六冊），83年5月。
[31]台北市捷運局，新店機廠增設G01A小碧潭站號誌工程特別技術規範（CH302C第四冊），91年3月。
[32]張哲端，"攸關捷運安全之行車控制系統"， 捷運技術第十八期，台北市捷運局，87年2月，pp. 82~91。
[33]林廣傑，「捷運系統機電整合電磁相容之研究」，碩士論文，淡江大學電機工程系，民國九十二年。
[34]T. Tanaka, S. Fujikawa and S. Funabiki, "A new method of damping harmonic resonance at the DC link in a large-capacity rectifier-inverter system", Electrical Engineering in Japan, Vol, 144, No. 2, 2003, pp. 53-62.
[35]Ognen J. Nastov and Jacob K. White, "Grid Selection Strategies for Time Mapped Balance Simulation of Circuits with Rapid Transition", Proceeding of the IEEE Custom Integrated Circuits Conference, San Diego, CA, USA, 16-19 May 1999, pp. 13-16.
[36]H. Shaibon, B. Susetyo, A.A.M. Zin, T.C. Heang and K. L. Lo, "A Harmonic Consideration for the Implementation of Light Rail Transit System in Kuala Lumpur", Proceedings of the IEEE 1997 4th International Conference on Advances in Power System Control, Operation and Management, APSCOM-97, Hong Kong, 11-14 November 1997, pp. 729-734.
[37]C.S. Chang, J.S. Low and D. Srinivasan, "Application of Tabu Search in Optimal System Design and Operation of MRT Power Supply System", IEE Proceeding Electrical Power Application, Vol. 146, No.1, January 1999, pp. 75-80.
[38]Y.S. Tzeng, R.N. Wu and N. Chen, “Electric Network Solutions of DC Transit System with Inverting Substations”, IEEE Transaction on Vehicular Technology, Vol. 47, No. 4, November 1998, pp.1405~1412.
[39]R.J. Hill, M. Fraechia, P. Pozzobon and G. Sciuuto, “A Frequency Domain Model for 3kV DC Traction DC-Side Resonance Identification”, Proceedings of IEEE 1994 ICHPS, Bologna, September 21-23, 1994, pp. 436-442.
[40]T.S. Key and J.S. Lai, " Comparison of Standards and Power Supply Design Options for Limiting Harmonic Distortion in Power System", IEEE Transcation on Industry Application, Vol. 29, No. 4, Aug. 1993, pp. 688-695.
[41]Taufiq, J.A., Mellitt, B. and Xiaoping, J., "Input Impedance of Inverter Equipment and Its Significance Inlow-frequency Track Circuits", IEE Proceedings of Electric Power Applications, Vol. 136, Issue 5, Sep 1989 , pp. 243 -248.
[42]Y.J. Wang and J.H. Wang, "Modeling of Frequency-Dependent Impedance of the Third Rail Used in Traction Power System", IEEE Transaction on Power Delivery, Vol. 15, No. 2, April 2000, pp. 750-755.
[43]N. Mohan, T.M. Undeland and W.P. Robbins, Power Electronics, WILEY John & Sons, INC. 1995.
[44]Railway Industry Association, "General Specification for Interference Testing for Electronic Equipment Used on Traction and Rolling Stock", Specification No.18, Fourth Draft, 1990.
[45]K. C. Lin and Y. T. Hsiao, " Practical Issues of System Integration on Taipei MRT System", Proceeding of ASME/IEEE 2006 Joint Rail Conference, April 4-6, 2006, Atlanta, GA, USA. ASME/IEEE RTD-Vol.31, pp. 305-313.
[46]Y. T. Hsiao and K. C. Lin, "Measurement and Characterization of Harmonics on Taipei MRT DC System", IEEE Transaction on Industry Applications, November/December 2004, Volume 40, Number 6, pp. 1700-1704.
[47]J. Allan and B. Mellitt, " Electromagnetic Compatibility on Rapid Transit Railways-A Systems Approach", Proceedings of the IEEE 1992 Eighth Internation Conference on Electromagnetic Compatibility, Edinburgh , UK, 21-24 Sep. 1992, pp. 227-234.
[48]台北市捷運局，CD312號誌系統特別技術規範（CD550板橋線第二階段及土城線第一區段工程），87年07月。
[49]台北市捷運局，CP341電聯車工程特別技術規範（板橋線第二階段及土城線第一區段工程），87年11月24日。
[50]高雄市捷運局，機電系統工程技術規範第二冊，90年。
[51]台北市捷運局，台北都會區捷運系統規劃手冊（機電篇），82年5月。
[52]台北市捷運局，CK373供電系統特別技術規範（CK570新蘆線機電工程），94年9月。
[53]台北市捷運局，CB370內湖線機電系統工程特別技術規範，91年12月。
[54]蕭瑛東和林廣傑，「捷運號誌系統電磁相容研究」，2003台灣電磁相容研討會，2003年10月12-16日，台北，第1053-1057頁。
[55]台北市捷運局，CH321/331/361電聯車工程技術規範第五冊，84年4月20日。