李朝陽

(湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽 421002)

0 引言

牽引變流器做為高鐵的重要設(shè)備，將牽引變壓器的電流經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓、逆變成牽引電機(jī)所需要的電流與電壓，牽引變流器的初始環(huán)節(jié)就是橋式全控整流電路，實(shí)現(xiàn)將交流電變?yōu)橹绷麟?，因此橋式全控整流電路的?shí)際運(yùn)行效果對電力機(jī)車的運(yùn)營將產(chǎn)生至關(guān)重要的影響[1]。

1 工作原理

單相橋式全控整流電路如圖1整流橋所示，為了對其基本工作原理進(jìn)行詳細(xì)分析，說明如下：四個晶閘管構(gòu)成了單相橋式全控整流電路的核心結(jié)構(gòu)，共陰極有VT1和VT2一對晶閘管，共陽極有VT3和VT4一對晶閘管，電源AC輸入到牽引變壓器的一次側(cè)，經(jīng)過牽引變壓器降壓后，再輸入到單相橋式整流電路，其中一個橋臂回路由VT1和VT4一對晶閘管構(gòu)成，另一個橋臂回路由VT2與VT3一對晶閘管構(gòu)成，電流從牽引變壓器正極流出，經(jīng)過VT1到負(fù)載，再經(jīng)過VT4流回到牽引變壓器的負(fù)極[2]。同樣的道理，牽引變壓器負(fù)極電流經(jīng)過VT2到負(fù)載，再經(jīng)過VT3流回牽引變壓器的正極。當(dāng)VT1與VT4承受正向電壓，且有觸發(fā)脈沖時(shí)，VT1與VT4導(dǎo)通，否則處于關(guān)斷狀態(tài)[3]。當(dāng)反向電壓施加在VT2與VT3上時(shí)，同時(shí)也施加觸發(fā)脈沖，則VT2與VT3處于打開狀態(tài)，否則就會成為關(guān)閉狀態(tài)[4]。通過VT1與VT4、VT2與VT3的交替導(dǎo)通與關(guān)斷，從而使得流過負(fù)載電流的方向保持不變，即產(chǎn)生脈動的直流電[5]。

圖1 單相橋式全控整流電路仿真系統(tǒng)

2 單相橋式全控整流電路仿真系統(tǒng)

根據(jù)整流電路電氣原理，利用Matlab/Simulink搭建仿真系統(tǒng)模型，整個仿真模型主要由交流電源u1、示波器、脈沖觸發(fā)器、牽引變壓器、負(fù)載、4個晶閘管(VT1-VT4)等構(gòu)成。晶閘管(GTO)共有4個接口，分別為陽極、陰極、門極、輸出接口，其分別用代號表示為a、k、g、m，晶閘管的陽極用a表示，晶閘管的陰極用k表示，晶閘管的門極用g表示，晶閘管的輸出用m表示。跟普通的晶閘管相比，用門極觸發(fā)信號即可讓晶閘管導(dǎo)通，所以，晶閘管也可以叫做通過門極信號觸發(fā)導(dǎo)通和關(guān)斷的半導(dǎo)體器件，但跟普通的晶閘管相比，其關(guān)斷的狀態(tài)是不一樣的，對于普通晶閘管而言，當(dāng)流過a的電流為0時(shí)，晶閘管才能斷開，而對于GTO而言，可以在任何情況下讓門極觸發(fā)信號為0、丟失或施加反向電壓，即可實(shí)現(xiàn)GTO的斷開。

晶閘管VT1和VT3的觸發(fā)是在牽引變壓器二次側(cè)電壓在為正值的范圍內(nèi)，晶閘管VT2和VT4的觸發(fā)是在牽引變壓器二次側(cè)電壓在為負(fù)值的范圍內(nèi)，單向?qū)щ娦允蔷чl管的顯著特性，因此流過負(fù)載的電流方向保持不變，只要改變晶閘管的觸發(fā)腳，那么對于負(fù)載電壓和電流就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，搭建的仿真平臺如圖1所示。

3 單相橋式全控整流電路負(fù)載特性仿真

3.1 觸發(fā)角α=0°時(shí)負(fù)載特性仿真

當(dāng)整流回路為純電阻負(fù)載，模擬負(fù)載電阻為0.5 Ω，仿真時(shí)間設(shè)置為0.6 s，GTO電阻為0.001 Ω，設(shè)置GTO的正向?qū)妷簽?.8 V，在仿真之前需選擇合適的算法，打開simulation/configuration設(shè)置窗口，本文優(yōu)先選擇ode23tb算法，同時(shí)設(shè)置仿真結(jié)束時(shí)間為0.1 s，負(fù)載側(cè)的電壓波形與晶閘管電流波形如下圖所示。

由圖2可知，在t=0.01s時(shí)刻，由于牽引變壓器輸入電壓過0，通過VT1-VT4晶閘管的分別開通與關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)流過負(fù)載電流的方向不變，所以，負(fù)載側(cè)的電壓始終為正值，從圖上可以看出電壓最大值為140 V左右，在其它過0點(diǎn)時(shí)刻也為同樣的道理，故不再重復(fù)贅述。

圖2 負(fù)載電壓波形

由圖3可知，當(dāng)晶閘管VT1和VT4導(dǎo)通時(shí)，流過VT1和VT4的最大電流值為270 A左右，在t=0.01 s-0.02 s之間，由于晶閘管關(guān)斷，所以，流過VT1和VT4的電流值為0 A。VT1與VT3是同樣的原理，故不再重復(fù)贅述。

圖3 晶閘管VT1和VT4電流波形

3.2 觸發(fā)角α=60°時(shí)負(fù)載特性仿真

當(dāng)觸發(fā)控制角設(shè)置為60°時(shí)，電阻負(fù)載、GTO參數(shù)及仿真時(shí)間保持不變，負(fù)載側(cè)的電壓波形、負(fù)載電流波形與晶閘管電壓波形如圖4，圖5和圖6所示。

圖4 負(fù)載電壓波形

圖5 負(fù)載電流波形

圖6 晶閘管電壓波形圖

由圖4可知，負(fù)載電壓幅值為正值的半波信號，電壓最大值為140 V左右，在t=0.01時(shí)刻，晶閘管處于斷開狀態(tài)，負(fù)載上的電流值為0，所以負(fù)載兩端的電壓也為0。

由圖5可知，負(fù)載電流幅值為正值的半波信號，電流最大值為270 A左右。相比于α=0°時(shí)負(fù)載電壓和電流波形，隨著控制角的不同，圖4與圖5中對應(yīng)的電壓和電流也跟隨變化。

由圖6可知，電流只存在于晶閘管的半個周期內(nèi)，因此流過晶閘管的電流為流過負(fù)載電流的二分之一，當(dāng)晶閘管導(dǎo)通時(shí)，其作用可以等價(jià)于一根導(dǎo)線，其兩端電壓為0，當(dāng)VT1與VT4斷開時(shí)，若VT2與VT3也斷開，則VT1、VT4承受牽引變壓器二次側(cè)電壓的一半，若VT2、VT3導(dǎo)通，則VT1、VT4承受的電壓即為牽引變壓器二次側(cè)電壓。

4 總結(jié)

本文以電力機(jī)車牽引變流器為研究對象，搭建了單相橋式全控整流電路仿真平臺，對于不同的脈沖觸發(fā)器觸發(fā)角度，對負(fù)載的電壓、電流以及晶閘管的電壓和電流進(jìn)行了定性和定量分析，為牽引整流電流提供了參考依據(jù)。