牽引變流器單相橋式全控整流電路仿真

李朝陽

(湖南高速鐵路職業(yè)技術學院，湖南 衡陽 421002)

0 引言

牽引變流器做為高鐵的重要設備，將牽引變壓器的電流經過整流、濾波、穩(wěn)壓、逆變成牽引電機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，實現將交流電變?yōu)橹绷麟姡虼藰蚴饺卣麟娐返膶嶋H運行效果對電力機車的運營將產生至關重要的影響[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行詳細分析，說明如下：四個晶閘管構成了單相橋式全控整流電路的核心結構，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，經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VT4一對晶閘管構成，另一個橋臂回路由VT2與VT3一對晶閘管構成，電流從牽引變壓器正極流出，經過VT1到負載，再經過VT4流回到牽引變壓器的負極[2]。同樣的道理，牽引變壓器負極電流經過VT2到負載，再經過VT3流回牽引變壓器的正極。當VT1與VT4承受正向電壓，且有觸發(fā)脈沖時，VT1與VT4導通，否則處于關斷狀態(tài)[3]。當反向電壓施加在VT2與VT3上時，同時也施加觸發(fā)脈沖，則VT2與VT3處于打開狀態(tài)，否則就會成為關閉狀態(tài)[4]。通過VT1與VT4、VT2與VT3的交替導通與關斷，從而使得流過負載電流的方向保持不變，即產生脈動的直流電[5]。

圖1 單相橋式全控整流電路仿真系統

2 單相橋式全控整流電路仿真系統

根據整流電路電氣原理，利用Matlab/Simulink搭建仿真系統模型，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、負載、4個晶閘管(VT1-VT4)等構成。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通，所以，晶閘管也可以叫做通過門極信號觸發(fā)導通和關斷的半導體器件，但跟普通的晶閘管相比，其關斷的狀態(tài)是不一樣的，對于普通晶閘管而言，當流過a的電流為0時，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，即可實現GTO的斷開。

晶閘管VT1和VT3的觸發(fā)是在牽引變壓器二次側電壓在為正值的范圍內，晶閘管VT2和VT4的觸發(fā)是在牽引變壓器二次側電壓在為負值的范圍內，單向導電性是晶閘管的顯著特性，因此流過負載的電流方向保持不變，只要改變晶閘管的觸發(fā)腳，那么對于負載電壓和電流就可以實現調節(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載特性仿真

3.1 觸發(fā)角α=0°時負載特性仿真

當整流回路為純電阻負載，模擬負載電阻為0.5 Ω，仿真時間設置為0.6 s，GTO電阻為0.001 Ω，設置GTO的正向導通電壓為0.8 V，在仿真之前需選擇合適的算法，打開simulation/configuration設置窗口，本文優(yōu)先選擇ode23tb算法，同時設置仿真結束時間為0.1 s，負載側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斷，實現流過負載電流的方向不變，所以，負載側的電壓始終為正值，從圖上可以看出電壓最大值為140 V左右，在其它過0點時刻也為同樣的道理，故不再重復贅述。

圖2 負載電壓波形

由圖3可知，當晶閘管VT1和VT4導通時，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，故不再重復贅述。

圖3 晶閘管VT1和VT4電流波形

3.2 觸發(fā)角α=60°時負載特性仿真

當觸發(fā)控制角設置為60°時，電阻負載、GTO參數及仿真時間保持不變，負載側的電壓波形、負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 負載電壓波形

圖5 負載電流波形

圖6 晶閘管電壓波形圖

由圖4可知，負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時刻，晶閘管處于斷開狀態(tài)，負載上的電流值為0，所以負載兩端的電壓也為0。

由圖5可知，負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°時負載電壓和電流波形，隨著控制角的不同，圖4與圖5中對應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，因此流過晶閘管的電流為流過負載電流的二分之一，當晶閘管導通時，其作用可以等價于一根導線，其兩端電壓為0，當VT1與VT4斷開時，若VT2與VT3也斷開，則VT1、VT4承受牽引變壓器二次側電壓的一半，若VT2、VT3導通，則VT1、VT4承受的電壓即為牽引變壓器二次側電壓。

4 總結

本文以電力機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，對負載的電壓、電流以及晶閘管的電壓和電流進行了定性和定量分析，為牽引整流電流提供了參考依據。