HXD3型電力機(jī)車四象限整流器的控制研究

王秀清 鐘恩松 單紹平

摘? 要：HXD3型電力機(jī)車采用交-直-交的變流方式，利用四象限整流器實(shí)現(xiàn)整流、升壓及功率因數(shù)近似等于1的原理特性。文章通過研究四象限整流器的工作原理，利用仿真軟件PSCAD/EMTDC進(jìn)行了仿真研究，并在我校HXD3型電力機(jī)車綜合實(shí)訓(xùn)室的建立開發(fā)中加以應(yīng)用驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：四象限整流器;升壓斬波;脈沖寬度調(diào)制;功率因數(shù)

中圖分類號(hào)：U264? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）36-0122-03

Abstract： The converter mode of the HXD3-type electric locomotive is AC-DC-AC. The 4-quadrant converter is used for rectifying and boosting voltage， and the Power Factor of the circuit is approximately equal to 1. The operating principle was researched in this paper. The software named PSCAD/EMTDC was used to simulate the circuit. The result was tested and verified， and the comprehensive training room of the HXD3-type electric locomotive was built.

Keywords： 4-quadrant converter; boosting voltage; pulse width modulation; power factor

1 概述

HXD3型交流傳動(dòng)貨運(yùn)電力機(jī)車牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)采用交-直-交傳動(dòng)形式，其中的整流環(huán)節(jié)采用四象限整流器，把單相1450V交流電整流、升壓為2800V的直流電。利用四象限整流器的四象限控制，可以實(shí)現(xiàn)電力機(jī)車對(duì)牽引電機(jī)四象限運(yùn)行的控制，是HXD3型電力機(jī)車主電路的重要組成部分。

2 四象限整流器的原理

四象限整流器可將AC轉(zhuǎn)換為DC，整流器的功率因數(shù)可控制為1近似值，且DC輸出電壓可高于AC輸入電壓的有效值。四象限整流電路的工作狀態(tài)描述如下。

2.1 功率因數(shù)控制

為了將四象限整流器的功率因數(shù)控制在近似等于1.0，必須采用相量控制方法，使電力機(jī)車接觸網(wǎng)側(cè)電流接近正弦波，使接觸網(wǎng)電壓Us和電力機(jī)車電流Is同相。為了控制電流Is與接觸網(wǎng)電壓Us、牽引變壓器的等效電感同相，即：使電感Ls的電壓是輸入電路中一個(gè)非常重要的參數(shù)，其相角也滯后90度。必須控制整流器輸入電壓Uc和電源電壓Us之間的相位，才能使Is與Us同相。圖1所示矢量圖表明了四象限整流器這些參數(shù)間的關(guān)系。

2.2 升壓斬波器

由于牽引變壓器等效電感Ls的存在，而且，四象限整流器采用了PWM脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，因此四象限整流器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)升壓的直流斬波器。

當(dāng)IGBT在接觸網(wǎng)電源電壓為正半個(gè)正弦波周期之內(nèi)導(dǎo)通時(shí)，電力機(jī)車電源經(jīng)由牽引變壓器的內(nèi)部等效感抗Ls形成短路，并且在等效電感Ls之內(nèi)累積電磁能。當(dāng)半導(dǎo)體開關(guān)IGBT關(guān)斷時(shí)，蓄積在牽引變壓器等效電感Ls之內(nèi)的電磁能釋放，流入直流電路的濾波穩(wěn)壓電容C中，電容兩端的直流電壓Ud升高。半導(dǎo)體開關(guān)IGBT重復(fù)上述這些操作，就可以實(shí)現(xiàn)直流側(cè)的電壓值高于牽引變壓器輸出的牽引繞組的電壓幅值。

3 四象限整流器的控制策略研究

HXD3型電力機(jī)車的四象限整流器的等效電路原理圖如圖2所示，其中L為HXD3型電力機(jī)車牽引變壓器牽引繞組側(cè)的等效電感。四象限整流器等效電路的電壓方程為：

對(duì)圖2所示HXD3型電力機(jī)車四象限整流器的等效電路中，半導(dǎo)體開關(guān)S1、S2、S3和S4的輸出的矢量關(guān)系共有四種組合，可分別表示為：矢03，其中：=udc，此時(shí)半導(dǎo)體開關(guān)S1和S4開通，開關(guān)S2和S3關(guān)斷;2=-udc，此時(shí)半導(dǎo)體開關(guān)S2和S3開通，開關(guān)S1和S4關(guān)斷為零矢量，此時(shí)，半導(dǎo)體開關(guān)S1和S3開通，或者S2和S4開通。

當(dāng)為零的矢量起作用時(shí)，四象限整流器的直流側(cè)的電壓不會(huì)輸出能量，但可以使輸出的電流構(gòu)成導(dǎo)通回路，所以在控制中是必須的。當(dāng)四象限整流器需要輸出的電壓時(shí)，可以按照如下的式子表示

T0=Ts-T1（4）

當(dāng)T0大于或者等于零時(shí)，式（3）完全能夠滿足，四象限整流器在一個(gè)控制周期Ts內(nèi)半導(dǎo)體開關(guān)A、B均動(dòng)作一次，就可以輸出比較精確的輸出矢當(dāng)T0小于零時(shí)，則式（4）不能成立，變流器的輸出不能跟蹤的變化，因此（4）中T0大于等于零是單相變流器是否完全可控的條件[5]。

4 控制策略的研究

在軟件仿真電路的過程中，在一個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)開斷周期內(nèi)，因?yàn)榘雽?dǎo)體開關(guān)IGBT開通的時(shí)間非常短，因此，能夠假設(shè)：當(dāng)四象限整流器在這個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，電力機(jī)車牽引變壓器輸出的電源電壓和直流側(cè)儲(chǔ)能電容兩端的電壓，都可以看作不變量，即：等于采樣點(diǎn)時(shí)刻的物理值。這樣，通過式子（2）和（4），就能夠計(jì)算出，在這個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)的控制周期內(nèi)，四象限整流器等效電路需要輸出的非零矢量和零矢量的時(shí)間，因此，就可以把等效電路矢量電壓的矢量圖量轉(zhuǎn)化為脈沖開通的時(shí)間量。

因?yàn)?，?duì)半導(dǎo)體開關(guān)的控制策略不同，因此，有半導(dǎo)體開關(guān)的單極控制和雙極控制兩種控制方法。在雙極控制方法中，斜對(duì)的半導(dǎo)體開關(guān)（S1，S3或者S2，S4）同時(shí)被控制觸發(fā)開通，而位于同一個(gè)橋臂上的半導(dǎo)體開關(guān)（S1，S2或者S3，S4）則為互補(bǔ)方式的觸發(fā)導(dǎo)通。

本課題在研究時(shí)，使用了半導(dǎo)體開關(guān)單極控制方法。因此，當(dāng)牽引變壓器輸出的電源電壓Us>0時(shí)，半導(dǎo)體開關(guān)S3在前半個(gè)控制周期內(nèi)持續(xù)開通，而半導(dǎo)體開關(guān)S1和S2則交替開通和關(guān)斷;而當(dāng)牽引變壓器輸出的電源電壓Us<0時(shí)，半導(dǎo)體開關(guān)S4又被開通，半導(dǎo)體開關(guān)S1和S2在每個(gè)周期內(nèi)，交替被開通和關(guān)斷。

在式子（1）中含有di/dt這一項(xiàng)，因此，在電力機(jī)車電機(jī)電流變化比較快的控制周期內(nèi)，中間直流環(huán)節(jié)的高次諧波含量，就會(huì)導(dǎo)致四象限整流器的控制系統(tǒng)產(chǎn)生過度調(diào)制的故障，造成半導(dǎo)體開關(guān)器件的高頻次觸發(fā)開通。

基于此原因，在微分控制環(huán)節(jié)前面，必須增加必須的慣性控制環(huán)節(jié)或者延長(zhǎng)控制系統(tǒng)的采樣時(shí)間，用來防止電力機(jī)車的負(fù)載-牽引電機(jī)的電流變化過快產(chǎn)生的震蕩。

假設(shè)：慣性控制環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：

在用PSCAD/EMTDC編寫程序時(shí)，積分控制環(huán)節(jié)采用了梯形積分的計(jì)算方法，則慣性控制環(huán)節(jié)的等價(jià)離散數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

其中：y（t）-輸出變量，y（為前一個(gè)步長(zhǎng)內(nèi)的輸出變量，e（t）=G·x（t）-y（t-？駐t），e（t-？駐t）為e（t）在前一個(gè)步長(zhǎng)內(nèi)的輸出變量，？駐t為計(jì)算步長(zhǎng)。

在仿真中，在把電流變量轉(zhuǎn)換為電壓變量時(shí)，需要的微分功能是通過編寫程序構(gòu)建自定義模塊來實(shí)現(xiàn)的。是按照微分的定義來實(shí)現(xiàn)的，

（7）

其中，f（t-h）為前一個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)值，f（t）為現(xiàn)在采樣點(diǎn)的數(shù)值，h為微分的時(shí)間常數(shù)。

在控制PWM各管子導(dǎo)通的設(shè)計(jì)中，我們利用一個(gè)脈沖發(fā)生器，這樣就可以控制PWM各管子的導(dǎo)通時(shí)間。驅(qū)動(dòng)模塊中g(shù)1到g4分別控制T1到T4。使實(shí)際波形uf滿足指令電壓u的要求，從而使補(bǔ)償電流可以快速準(zhǔn)確地跟蹤指令電流。

采用PSCAD/EMTDC軟件進(jìn)行仿真，矢量控制預(yù)測(cè)電流檢測(cè)的仿真電路如圖3所示，四象限整流器側(cè)的PWM脈沖序列的仿真波形如圖4所示。

5 仿真研究的應(yīng)用

我校機(jī)車車輛學(xué)院重點(diǎn)投入建設(shè)的 HXD3型電力機(jī)車綜合實(shí)訓(xùn)室，包含了HXD3型電力機(jī)車的主變流器電路。在HXD3電力機(jī)車的主變流器電路中，包括了四象限整流器，中間直流環(huán)節(jié)和三相逆變器。

因?yàn)閷W(xué)校實(shí)際條件的限制，只有單相的220V交流電，而且該綜合實(shí)訓(xùn)室，既要可以正常升弓，合主斷路器，起動(dòng)主壓縮機(jī)，而且司機(jī)臺(tái)還要可以進(jìn)行模擬駕駛，另外主變流器部分又要可以真的帶動(dòng)模擬牽引電機(jī)的模型電機(jī)。

所以，在進(jìn)行實(shí)際改造的過程中，利用四象限整流器把單相220V整流、升壓為DC420V，然后，經(jīng)過三相逆變器之后，輸出可以變壓變頻調(diào)節(jié)的三相交流電，提供給模型電機(jī)，從而在進(jìn)行電力機(jī)車的模擬駕駛中，通過司機(jī)控制器手柄對(duì)變流器電路進(jìn)行控制。

6 結(jié)束語

本文研究的四象限整流器的控制策略，經(jīng)過仿真軟件EMTDC/PSCAD的仿真研究，然后在我校HXD3型電力機(jī)車綜合實(shí)訓(xùn)室的建設(shè)中加以驗(yàn)證。

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