电力电子技术在电力机车的运用

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摘要：本文通过分析电力电子技术的发展状况，再结合电力电子技术在我国电力机车牵引电传动系统中的应用情况，指出了宽禁带半导体技术是今后从事电力电子技术研究的重要方向，并提出了继续探究优化改型IGBT和SiC功率器件在电力机车上的应用研究，对促进我国电力机车的发展具有重大意义。

关键词:电力电子技术；电力机车；牵引电传动系统

随着电力电子技术的快速发展，电力机车牵引电传动系统发生了巨大的变化。20世纪中后期，采用交直传动系统的韶山型电力机车在我国铁路交通运输中占主导地位，但随着现代科学与技术的快速发展，采用交直交传动系统的和谐系列电力机车，在生产实际中得到广泛的应用，并逐渐取代了韶山型电力机车。在电力机车牵引电传动系统的发展历程中，电力电子技术承担着举足轻重的作用，因此，电力电子技术在电力机车牵引电传动系统中的应用研究具有重要意义。

1电力电子技术的发展

1947年，第一只晶体管的研制成功，开创了半导体固态电子学，20世纪50年代功率半导体二极管的出现，提高了整流电路的效率。1957年美国通用电气公司研制出第一只可控型电力电子器件———晶闸管，次年得以商业化，标志着对电能变换与控制的电力电子技术诞生。电力电子技术是一门新型技术，但是发展快速，其原因有两个：一是：人类电气化时代，电能在国民工业中的应用比重已成为衡量一个国家发展水平的重要指标，电力电子技术适应了当今世界人们对电能的巨大需求以及能源利用效率的不断追求，利用电力电子技术可以实现交流到直流（AC/DC）、直流到交流（DC/AC）、交流到交流（AC/AC）、直流到直流（DC/DC）等多形式的能量变换，这为太阳能、风能等清洁能源的利用，高效的交流传动，以及高压直流输电等各领域的应用打开了广阔的前景。二是：电力电子器件的发展极大地扩展了电力电子技术应用的功率范围，微处理器的出现实现了控制数字化，快速推进了电力电子技术的应用发展。1.1传统电力电子技术。晶闸管的发明扩展了半导体器件的功率控制范围，在二十世纪60年代得到快速推广，主要应用于大功率整流器。二十世纪60年代普遍较大功率的工业用电由工频交流发电机产生，其中有近20%的电力是给直流用电负载使用，而大功率硅整流器实现了将工频交流电转换成直流电。晶闸管具有体积小、功耗小、效率高、可控等特点，用它构成的变流装置具有寿命长、易维护等优点。因此，晶闸管的开发与应用在上世纪六、七十年代得到了快速发展。由于晶闸管的关断不可控，需要依靠外加电路或外加反向电压来实现关断，这就限制了晶闸管的应用。随着科技的发展，多种多样的负载不断涌现，对需求的电能提出了更高的要求，在二十世纪70年代，全控型器件出现了，并逐渐占据主导地位，如快速晶闸管、门极可关断晶闸管。全控型器件具有自身可关断性能和较高开关速度，在整流、逆变、斩波、变频电路中得到了广泛应用，电力电子技术得到突飞猛进的发展。但是快速晶闸管、门极可关断晶闸管工作频率不高，只能在中低频的范围内应用。1.2现代化电力电子技术。20世纪80年代初期，大功率绝缘栅双极晶体管（IGBT）的出现把电力电子技术的应用带入高频及中大功率领域。IGBT具有较高综合性能，开关频率方面，一般可达10kHz至20kHz，小功率的甚至高达100kHz；电压等级方面，最高电压已达到6500V，该电压下的电流可达750A，1700V电压等级的电流可达2400A；温度方面，最高可达175℃。开关器件的高频化也促进了电感器件体积的成倍缩小。大中型功率高频IGBT的发展持续促进着电力电子设备朝轻重量、小体积、高效能方面发展，再结合日益进步的微处理芯片技术，现代电力电子技术已实现了全控化、集成化、高频化、控制技术数字化和电路形式弱电化，应用场合越来越广泛。由于负载对供电电能的质量要求越来越高，科研工作者还在不断进行IGBT改型研究。经过多年应用发展Si器件为基础的电力电子技术相当成熟，Si器件在开关频率、通态压降以及结温等性能指标上难以继续提升，发展空间较小。新一代宽禁带半导体材料（如碳化硅）的电力电子器件具有比硅器件高得多的耐受高电压的能力、低得多的通态电阻、更好的导热性能和热稳定性以及更强的耐受高温和射线辐射的能力等。当前宽禁带半导体器件的发展一直受制于材料的提炼、制造以及半导体的制造工艺水平，尚处于起步阶段。目前，我国在应用宽禁带半导体方面也进行了初步的研究。宽禁带半导体在照明中应用已形成一定规模，2017年我国氮化物半导体照明产业的产值突飞猛进，突破了5000亿。同时，微波毫米波器件已开始应用于通讯、卫星通信、对抗、雷达等领域。未来，宽禁带半导体将在新能源汽车、电力转换等行业有着越来越广泛的应用。由此可见，宽禁带半导体技术是我们从事电力电子技术研究的一个重要方面。

2电力电子技术在我国电力机车牵引电传动系统中的应用

我国电力机车牵引电传动系统的发展是一个持续改进、不断进步的过程。随着电力电子技术的不断更新换代，我国电力机车牵引电传动系统主要经历两个阶段，依次为交直传动系统和交直交传动系统。2.1在交直传动电力机车中的应用。株洲电力机车厂于1958年试制成功6Y1电力机车，这是我国第1台电力机车。1968年，株洲电力机车厂成功研制SS1型电力机车。SS1型电力机车采用了有极调压、交直传动系统，从此我国电力机车电传动技术进入到交直传动时期。随着晶闸管的问世，电力机车传动系统上升了一个新的台阶，1978年株洲电力机车厂和电力机车研究所合作研制成功SS3型电力机车，此机车采用晶闸管级间相控调压与牵引变压器低压侧调压开关分级相结合的平滑调压调速技术，因此该机车调速性能得到极大的改善，标志着我国电力机车牵引电传动系统进入相控无极调压的时期。我国于1985年成功开发的SS4型机车，此机车采用相控无级调压、交直传动，是我国相控机车的典型代表，意味着我国相控技术成熟应用到机车电传动领域，与后续开发的SS5、SS6、SS7、SS8及SS9型电力机车等一起组成了系列电力机车。此系列机车采用相控整流调压、交直传动系统，标志我国交直传动系统电力机车已达到相当成熟的时期。2.2在交直交传动电力机车中的应用。随着新型电力电子器件应用及控制技术不断创新，我国电力机车经历技术探索、消化吸收、自主开发等几个阶段，完成了多种交流传动电牵引传动系统的开发，如大功率GTO牵引变流器、IGBT牵引变流器。1995年，我国完成了第一台1000kW交直交传动地面试验系统的核心部件变流器的研制，其采用了门极可关断晶闸管，为我国交流传动机车的研制提供了技术准备。2001年株洲电力机车研究所与株洲电力机车厂研制成功我国第一种拥有自主知识产权的交流传动电力机车———“奥星”号客运电力机车，采用我国自主研制的GTO水冷牵引变流器。IGBT自1982年问世起经历了30年的不断升级与优化，在高耐压、大电流、低饱和压降、高频化及可靠性等方面得到了很大提升，电力机车交流传动系统性能及可靠性随之也得到极大提升。在轨道交通领域，IGBT已逐步取代GTO。IGBT在我国和谐系列电力机车的应用实现了多频率的交流电牵引驱动，实现了铁路机车牵引动力的优化升级。由于和谐系列电力机车牵引变流器采用PWM技术，其功率因数接近于1.0，明显高于韶山型电力机车。PWM技术在和谐电力机车的牵引电传动系统中的应用大幅度地减少了变流器谐波电流对电网的污染，使接触网的供电品质更好，优化铁路机车牵引与制动之间的关系。由于SiC功率器件发明，SiC功率器件在电力机车牵引电传动系统的应用研究越来越受到重视。研究表明：与传统硅基功率器件相比，SiC功率器件提升系统多方面性能，如体积和重量的改善，提高系统整体性能；系统谐波的改善，提升系统效率。

3结语

电力电子技术与电力机车牵引电传动系统关系密切，两者是相互支撑和相互促进的协同关系。电力电子器件的发展支撑着机车牵引电传动新技术的应用，同时，电力机车牵引电传动技术会促进IGBT的优化与新型半导体器件的开发。与硅基半导体相比，宽禁带半导体具有高耐压、低通态电阻、更好的导热性能和热稳定性等。但是，宽禁带半导体器件的材料的提炼、制造以及半导体制造工艺的困难，宽禁带半导体的开发是亟待解决的问题。由于电力机车技术的不断发展，电力机车牵引电传动系统在大容量、高频化、集成化等方面提出了更高的要求，这也将大力推动电力电子器件快速发展。优化改型IGBT和SiC功率器件在电力机车上的应用研究是未来研究的趋势。

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作者:谭香玲 张骁 陈清化 颜毅斌 单位:湖南铁路科技职业技术学院