牵引变流器单相桥式全控整流电路仿真

李朝阳

(湖南高速铁路职业技术学院，湖南 衡阳 421002)

0 引言

牵引变流器做为高铁的重要设备，将牵引变压器的电流经过整流、滤波、稳压、逆变成牵引电机所需要的电流与电压，牵引变流器的初始环节就是桥式全控整流电路，实现将交流电变为直流电，因此桥式全控整流电路的实际运行效果对电力机车的运营将产生至关重要的影响[1]。

1 工作原理

单相桥式全控整流电路如图1整流桥所示，为了对其基本工作原理进行详细分析，说明如下：四个晶闸管构成了单相桥式全控整流电路的核心结构，共阴极有VT1和VT2一对晶闸管，共阳极有VT3和VT4一对晶闸管，电源AC输入到牵引变压器的一次侧，经过牵引变压器降压后，再输入到单相桥式整流电路，其中一个桥臂回路由VT1和VT4一对晶闸管构成，另一个桥臂回路由VT2与VT3一对晶闸管构成，电流从牵引变压器正极流出，经过VT1到负载，再经过VT4流回到牵引变压器的负极[2]。同样的道理，牵引变压器负极电流经过VT2到负载，再经过VT3流回牵引变压器的正极。当VT1与VT4承受正向电压，且有触发脉冲时，VT1与VT4导通，否则处于关断状态[3]。当反向电压施加在VT2与VT3上时，同时也施加触发脉冲，则VT2与VT3处于打开状态，否则就会成为关闭状态[4]。通过VT1与VT4、VT2与VT3的交替导通与关断，从而使得流过负载电流的方向保持不变，即产生脉动的直流电[5]。

图1 单相桥式全控整流电路仿真系统

2 单相桥式全控整流电路仿真系统

根据整流电路电气原理，利用Matlab/Simulink搭建仿真系统模型，整个仿真模型主要由交流电源u1、示波器、脉冲触发器、牵引变压器、负载、4个晶闸管(VT1-VT4)等构成。晶闸管(GTO)共有4个接口，分别为阳极、阴极、门极、输出接口，其分别用代号表示为a、k、g、m，晶闸管的阳极用a表示，晶闸管的阴极用k表示，晶闸管的门极用g表示，晶闸管的输出用m表示。跟普通的晶闸管相比，用门极触发信号即可让晶闸管导通，所以，晶闸管也可以叫做通过门极信号触发导通和关断的半导体器件，但跟普通的晶闸管相比，其关断的状态是不一样的，对于普通晶闸管而言，当流过a的电流为0时，晶闸管才能断开，而对于GTO而言，可以在任何情况下让门极触发信号为0、丢失或施加反向电压，即可实现GTO的断开。

晶闸管VT1和VT3的触发是在牵引变压器二次侧电压在为正值的范围内，晶闸管VT2和VT4的触发是在牵引变压器二次侧电压在为负值的范围内，单向导电性是晶闸管的显著特性，因此流过负载的电流方向保持不变，只要改变晶闸管的触发脚，那么对于负载电压和电流就可以实现调节，搭建的仿真平台如图1所示。

3 单相桥式全控整流电路负载特性仿真

3.1 触发角α=0°时负载特性仿真

当整流回路为纯电阻负载，模拟负载电阻为0.5 Ω，仿真时间设置为0.6 s，GTO电阻为0.001 Ω，设置GTO的正向导通电压为0.8 V，在仿真之前需选择合适的算法，打开simulation/configuration设置窗口，本文优先选择ode23tb算法，同时设置仿真结束时间为0.1 s，负载侧的电压波形与晶闸管电流波形如下图所示。

由图2可知，在t=0.01s时刻，由于牵引变压器输入电压过0，通过VT1-VT4晶闸管的分别开通与关断，实现流过负载电流的方向不变，所以，负载侧的电压始终为正值，从图上可以看出电压最大值为140 V左右，在其它过0点时刻也为同样的道理，故不再重复赘述。

图2 负载电压波形

由图3可知，当晶闸管VT1和VT4导通时，流过VT1和VT4的最大电流值为270 A左右，在t=0.01 s-0.02 s之间，由于晶闸管关断，所以，流过VT1和VT4的电流值为0 A。VT1与VT3是同样的原理，故不再重复赘述。

图3 晶闸管VT1和VT4电流波形

3.2 触发角α=60°时负载特性仿真

当触发控制角设置为60°时，电阻负载、GTO参数及仿真时间保持不变，负载侧的电压波形、负载电流波形与晶闸管电压波形如图4，图5和图6所示。

图4 负载电压波形

图5 负载电流波形

图6 晶闸管电压波形图

由图4可知，负载电压幅值为正值的半波信号，电压最大值为140 V左右，在t=0.01时刻，晶闸管处于断开状态，负载上的电流值为0，所以负载两端的电压也为0。

由图5可知，负载电流幅值为正值的半波信号，电流最大值为270 A左右。相比于α=0°时负载电压和电流波形，随着控制角的不同，图4与图5中对应的电压和电流也跟随变化。

由图6可知，电流只存在于晶闸管的半个周期内，因此流过晶闸管的电流为流过负载电流的二分之一，当晶闸管导通时，其作用可以等价于一根导线，其两端电压为0，当VT1与VT4断开时，若VT2与VT3也断开，则VT1、VT4承受牵引变压器二次侧电压的一半，若VT2、VT3导通，则VT1、VT4承受的电压即为牵引变压器二次侧电压。

4 总结

本文以电力机车牵引变流器为研究对象，搭建了单相桥式全控整流电路仿真平台，对于不同的脉冲触发器触发角度，对负载的电压、电流以及晶闸管的电压和电流进行了定性和定量分析，为牵引整流电流提供了参考依据。