HXD3型電力機車四象限整流器的控制研究

王秀清 鐘恩松 單紹平

摘? 要：HXD3型電力機車采用交-直-交的變流方式，利用四象限整流器實現整流、升壓及功率因數近似等于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進行了仿真研究，并在我校HXD3型電力機車綜合實訓室的建立開發中加以應用驗證。

關鍵詞：四象限整流器;升壓斬波;脈沖寬度調制;功率因數

中圖分類號：U264? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：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型交流傳動貨運電力機車牽引電傳動系統采用交-直-交傳動形式，其中的整流環節采用四象限整流器，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，可以實現電力機車對牽引電機四象限運行的控制，是HXD3型電力機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轉換為DC，整流器的功率因數可控制為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描述如下。

2.1 功率因數控制

為了將四象限整流器的功率因數控制在近似等于1.0，必須采用相量控制方法，使電力機車接觸網側電流接近正弦波，使接觸網電壓Us和電力機車電流Is同相。為了控制電流Is與接觸網電壓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非常重要的參數，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間的關系。

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脈沖寬度調制技術，因此四象限整流器實質上是一個升壓的直流斬波器。

當IGBT在接觸網電源電壓為正半個正弦波周期之內導通時，電力機車電源經由牽引變壓器的內部等效感抗Ls形成短路，并且在等效電感Ls之內累積電磁能。當半導體開關IGBT關斷時，蓄積在牽引變壓器等效電感Ls之內的電磁能釋放，流入直流電路的濾波穩壓電容C中，電容兩端的直流電壓Ud升高。半導體開關IGBT重復上述這些操作，就可以實現直流側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型電力機車牽引變壓器牽引繞組側的等效電感。四象限整流器等效電路的電壓方程為：

對圖2所示HXD3型電力機車四象限整流器的等效電路中，半導體開關S1、S2、S3和S4的輸出的矢量關系共有四種組合，可分別表示為：矢03，其中：=udc，此時半導體開關S1和S4開通，開關S2和S3關斷;2=-udc，此時半導體開關S2和S3開通，開關S1和S4關斷為零矢量，此時，半導體開關S1和S3開通，或者S2和S4開通。

當為零的矢量起作用時，四象限整流器的直流側的電壓不會輸出能量，但可以使輸出的電流構成導通回路，所以在控制中是必須的。當四象限整流器需要輸出的電壓時，可以按照如下的式子表示

T0=Ts-T1（4）

當T0大于或者等于零時，式（3）完全能夠滿足，四象限整流器在一個控制周期Ts內半導體開關A、B均動作一次，就可以輸出比較精確的輸出矢當T0小于零時，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，在一個半導體開關開斷周期內，因為半導體開關IGBT開通的時間非常短，因此，能夠假設：當四象限整流器在這個開關周期內，電力機車牽引變壓器輸出的電源電壓和直流側儲能電容兩端的電壓，都可以看作不變量，即：等于采樣點時刻的物理值。這樣，通過式子（2）和（4），就能夠計算出，在這個半導體開關的控制周期內，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間，因此，就可以把等效電路矢量電壓的矢量圖量轉化為脈沖開通的時間量。

因為，對半導體開關的控制策略不同，因此，有半導體開關的單極控制和雙極控制兩種控制方法。在雙極控制方法中，斜對的半導體開關（S1，S3或者S2，S4）同時被控制觸發開通，而位于同一個橋臂上的半導體開關（S1，S2或者S3，S4）則為互補方式的觸發導通。

本課題在研究時，使用了半導體開關單極控制方法。因此，當牽引變壓器輸出的電源電壓Us>0時，半導體開關S3在前半個控制周期內持續開通，而半導體開關S1和S2則交替開通和關斷;而當牽引變壓器輸出的電源電壓Us<0時，半導體開關S4又被開通，半導體開關S1和S2在每個周期內，交替被開通和關斷。

在式子（1）中含有di/dt這一項，因此，在電力機車電機電流變化比較快的控制周期內，中間直流環節的高次諧波含量，就會導致四象限整流器的控制系統產生過度調制的故障，造成半導體開關器件的高頻次觸發開通。

基于此原因，在微分控制環節前面，必須增加必須的慣性控制環節或者延長控制系統的采樣時間，用來防止電力機車的負載-牽引電機的電流變化過快產生的震蕩。

假設：慣性控制環節的傳遞函數為：

在用PSCAD/EMTDC編寫程序時，積分控制環節采用了梯形積分的計算方法，則慣性控制環節的等價離散數學表達式如下：

其中：y（t）-輸出變量，y（為前一個步長內的輸出變量，e（t）=G·x（t）-y（t-？駐t），e（t-？駐t）為e（t）在前一個步長內的輸出變量，？駐t為計算步長。

在仿真中，在把電流變量轉換為電壓變量時，需要的微分功能是通過編寫程序構建自定義模塊來實現的。是按照微分的定義來實現的，

（7）

其中，f（t-h）為前一個采樣點的數值，f（t）為現在采樣點的數值，h為微分的時間常數。

在控制PWM各管子導通的設計中，我們利用一個脈沖發生器，這樣就可以控制PWM各管子的導通時間。驅動模塊中g1到g4分別控制T1到T4。使實際波形uf滿足指令電壓u的要求，從而使補償電流可以快速準確地跟蹤指令電流。

采用PSCAD/EMTDC軟件進行仿真，矢量控制預測電流檢測的仿真電路如圖3所示，四象限整流器側的PWM脈沖序列的仿真波形如圖4所示。

5 仿真研究的應用

我校機車車輛學院重點投入建設的 HXD3型電力機車綜合實訓室，包含了HXD3型電力機車的主變流器電路。在HXD3電力機車的主變流器電路中，包括了四象限整流器，中間直流環節和三相逆變器。

因為學校實際條件的限制，只有單相的220V交流電，而且該綜合實訓室，既要可以正常升弓，合主斷路器，起動主壓縮機，而且司機臺還要可以進行模擬駕駛，另外主變流器部分又要可以真的帶動模擬牽引電機的模型電機。

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

6 結束語

本文研究的四象限整流器的控制策略，經過仿真軟件EMTDC/PSCAD的仿真研究，然后在我校HXD3型電力機車綜合實訓室的建設中加以驗證。

參考文獻：

[1]王兆安，楊君，劉進軍.諧波抑制和無功功率補償（第二版）[M].北京：機械工業出版社，2005.

[2]姜齊榮，趙東元，陳建業.有源電力濾波器——結構·原理·控制（第二版）[M].北京：機械工業出版社，2005.

[3]曾國宏.基于三/單相平衡變換的鐵道新型牽引供電系統研究[D].北京交通大學，2002.

[4]張興.PWM整流器及其控制策略的研究[D].合肥工業大學，2003.

[5]姜齊榮，謝小榮，陳建業.電力系統并聯補償——結構、原理、控制與應用[M].機械工業出版社，2004：145-150.

[6]袁濤，鄭建勇，曾偉，等.PSCAD/EMTDC中自定義模型研究及其在有源濾波器控制算法仿真中的應用[J].電氣應用，2006，25（11）：71-73.

[7]張曙光.HXD3型電力機車（第二版）[M].北京：中國鐵道出版社，2009.