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摘 要：HXD3型电力机车采用交-直-交的变流方式，利用四象限整流器实现整流、升压及功率因数近似等于1的原理特性。文章通过研究四象限整流器的工作原理，利用仿真软件PSCAD/EMTDC进行了仿真研究，并在我校HXD3型电力机车综合实训室的建立开发中加以应用验证。
关键词：四象限整流器;升压斩波;脉冲宽度调制;功率因数
中图分类号：U264 文献标志码：A 文章编号：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型交流传动货运电力机车牵引电传动系统采用交-直-交传动形式，其中的整流环节采用四象限整流器，把单相1450V交流电整流、升压为2800V的直流电。利用四象限整流器的四象限控制，可以实现电力机车对牵引电机四象限运行的控制，是HXD3型电力机车主电路的重要组成部分。
2 四象限整流器的原理
四象限整流器可将AC转换为DC，整流器的功率因数可控制为1近似值，且DC输出电压可高于AC输入电压的有效值。四象限整流电路的工作状态描述如下。
2.1 功率因数控制
为了将四象限整流器的功率因数控制在近似等于1.0，必须采用相量控制方法，使电力机车接触网侧电流接近正弦波，使接触网电压Us和电力机车电流Is同相。为了控制电流Is与接触网电压Us、牵引变压器的等效电感同相，即：使电感Ls的电压是输入电路中一个非常重要的参数，其相角也滞后90度。必须控制整流器输入电压Uc和电源电压Us之间的相位，才能使Is与Us同相。图1所示矢量图表明了四象限整流器这些参数间的关系。
2.2 升压斩波器
由于牵引变压器等效电感Ls的存在，而且，四象限整流器采用了PWM脉冲宽度调制技术，因此四象限整流器实质上是一个升压的直流斩波器。
当IGBT在接触网电源电压为正半个正弦波周期之内导通时，电力机车电源经由牵引變压器的内部等效感抗Ls形成短路，并且在等效电感Ls之内累积电磁能。当半导体开关IGBT关断时，蓄积在牵引变压器等效电感Ls之内的电磁能释放，流入直流电路的滤波稳压电容C中，电容两端的直流电压Ud升高。半导体开关IGBT重复上述这些操作，就可以实现直流侧的电压值高于牵引变压器输出的牵引绕组的电压幅值。
3 四象限整流器的控制策略研究
HXD3型电力机车的四象限整流器的等效电路原理图如图2所示，其中L为HXD3型电力机车牵引变压器牵引绕组侧的等效电感。四象限整流器等效电路的电压方程为：
对图2所示HXD3型电力机车四象限整流器的等效电路中，半导体开关S1、S2、S3和S4的输出的矢量关系共有四种组合，可分别表示为：矢03，其中：=udc，此时半导体开关S1和S4开通，开关S2和S3关断;2=-udc，此时半导体开关S2和S3开通，开关S1和S4关断为零矢量，此时，半导体开关S1和S3开通，或者S2和S4开通。
当为零的矢量起作用时，四象限整流器的直流侧的电压不会输出能量，但可以使输出的电流构成导通回路，所以在控制中是必须的。当四象限整流器需要输出的电压时，可以按照如下的式子表示
T0=Ts-T1（4）
当T0大于或者等于零时，式（3）完全能够满足，四象限整流器在一个控制周期Ts内半导体开关A、B均动作一次，就可以输出比较精确的输出矢当T0小于零时，则式（4）不能成立，变流器的输出不能跟踪的变化，因此（4）中T0大于等于零是单相变流器是否完全可控的条件[5]。
4 控制策略的研究
在软件仿真电路的过程中，在一个半导体开关开断周期内，因为半导体开关IGBT开通的时间非常短，因此，能够假设：当四象限整流器在这个开关周期内，电力机车牵引变压器输出的电源电压和直流侧储能电容两端的电压，都可以看作不变量，即：等于采样点时刻的物理值。这样，通过式子（2）和（4），就能够计算出，在这个半导体开关的控制周期内，四象限整流器等效电路需要输出的非零矢量和零矢量的时间，因此，就可以把等效电路矢量电压的矢量图量转化为脉冲开通的时间量。
因为，对半导体开关的控制策略不同，因此，有半导体开关的单极控制和双极控制两种控制方法。在双极控制方法中，斜对的半导体开关（S1，S3或者S2，S4）同时被控制触发开通，而位于同一个桥臂上的半导体开关（S1，S2或者S3，S4）则为互补方式的触发导通。
本课题在研究时，使用了半导体开关单极控制方法。因此，当牵引变压器输出的电源电压Us>0时，半导体开关S3在前半个控制周期内持续开通，而半导体开关S1和S2则交替开通和关断;而当牵引变压器输出的电源电压Us<0时，半导体开关S4又被开通，半导体开关S1和S2在每个周期内，交替被开通和关断。
在式子（1）中含有di/dt这一项，因此，在电力机车电机电流变化比较快的控制周期内，中间直流环节的高次谐波含量，就会导致四象限整流器的控制系统产生过度调制的故障，造成半导体开关器件的高频次触发开通。
基于此原因，在微分控制环节前面，必须增加必须的惯性控制环节或者延长控制系统的采样时间，用来防止电力机车的负载-牵引电机的电流变化过快产生的震荡。
假设：惯性控制环节的传递函数为：
在用PSCAD/EMTDC編写程序时，积分控制环节采用了梯形积分的计算方法，则惯性控制环节的等价离散数学表达式如下：
其中：y（t）-输出变量，y（为前一个步长内的输出变量，e（t）=G·x（t）-y（t-？驻t），e（t-？驻t）为e（t）在前一个步长内的输出变量，？驻t为计算步长。
在仿真中，在把电流变量转换为电压变量时，需要的微分功能是通过编写程序构建自定义模块来实现的。是按照微分的定义来实现的，
（7）
其中，f（t-h）为前一个采样点的数值，f（t）为现在采样点的数值，h为微分的时间常数。
在控制PWM各管子导通的设计中，我们利用一个脉冲发生器，这样就可以控制PWM各管子的导通时间。驱动模块中g1到g4分别控制T1到T4。使实际波形uf满足指令电压u的要求，从而使补偿电流可以快速准确地跟踪指令电流。
采用PSCAD/EMTDC软件进行仿真，矢量控制预测电流检测的仿真电路如图3所示，四象限整流器侧的PWM脉冲序列的仿真波形如图4所示。
5 仿真研究的应用
我校机车车辆学院重点投入建设的 HXD3型电力机车综合实训室，包含了HXD3型电力机车的主变流器电路。在HXD3电力机车的主变流器电路中，包括了四象限整流器，中间直流环节和三相逆变器。
因为学校实际条件的限制，只有单相的220V交流电，而且该综合实训室，既要可以正常升弓，合主断路器，起动主压缩机，而且司机台还要可以进行模拟驾驶，另外主变流器部分又要可以真的带动模拟牵引电机的模型电机。
所以，在进行实际改造的过程中，利用四象限整流器把单相220V整流、升压为DC420V，然后，经过三相逆变器之后，输出可以变压变频调节的三相交流电，提供给模型电机，从而在进行电力机车的模拟驾驶中，通过司机控制器手柄对变流器电路进行控制。
6 结束语
本文研究的四象限整流器的控制策略，经过仿真软件EMTDC/PSCAD的仿真研究，然后在我校HXD3型电力机车综合实训室的建设中加以验证。
参考文献：
[1]王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制和无功功率补偿（第二版）[M].北京：机械工业出版社，2005.
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[5]姜齐荣，谢小荣，陈建业.电力系统并联补偿——结构、原理、控制与应用[M].机械工业出版社，2004：145-150.
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