鸟的天堂课堂实录论文
班 级：电气XXX
姓 名：XXX
学 号：XXX
毛小芳
指导老师：黄 彧
浅析电力电子器件应用对电传动
技术发展的影响
XXX
(北京交通大学电气工程学院2010级，北京 100044)
摘要 将电传动技术交直传动（主要是有级与无级调压技术）到交直交传动的促进式发展，联系到电力电子器件不可控型、半控型、全控型的逐步发展，结合相关电力机车型号的传动方式主要特点分析比较电传动技术各阶段更新的优点，从中剖析出与电力电子器件的进步之间的关系，浅析电力电子应用对电传动技术发展变革的影响。
关键词 电传动技术 电力电子器件 各型号电力机车 晶闸管 GTO IGBT
前言 电传动技术电力牵引技术的核心，其发展目标一直是致力于改善机车牵引和电制动性能，降低运营成本，提高运用可靠性。电传动技术的发展经历直直传动、交直传动（有级调压、无级调压）、交直交传动阶段。电传动技术的发展与电力电子器件的发展密切相关，
电传动技术的进步无不是电力电子器件应用于铁路牵引领域后所促成的。电力电子器件，从不可控的功率二极管到半控的晶闸管，最后到全控的GTO、IGBT，朝着高电压、大功率、高性能的趋势发展。电力电子器件在电力机车主电路、变流器、逆变器、辅助电路等方面的应用直接促进电传动技术的成熟。可以说，IGBT等全控型大功率电力电子器件的出现确立了现代交流电传动技术的优势，使电力机车尤其是干线铁路机车的电传动技术发生了根本变革。
正文
1．晶闸管的应用促进调压方式从有级向无级的转变
上世纪60年代，电力电子技术在电力机车主传动系统上开始应用，主要是半导体功率整流二极管在调压系统和变流器上的应用，这类电力机车运用的是低压测有触点有级调压技术，主变流器采用中抽式全波整流电路，如高速列车的起点日本0系列机车，和我国研制的SS1型电力机车，其调压系统的主电路中和主变流器的整流元件都是应用功率二极管，起到整流和续流作用。
随着机车运行的稳定性、可靠性要求不断增强，有级调压逐渐暴露出缺点：电动机端电压间断地调节，造成电流波动大，影响电机运行。这时半控型电力电子器件——晶闸管的出现，使机车电传动技术跨上了一个新台阶，进入到相控无级调压阶段。晶闸管较于功率二极管的优势就是可以通过触发控制晶闸管的开通，这样的性能应用在电力机车调压技术上，如日本新干线100系列，我国研制的SS3型机车，采用牵引变压器低压侧调压开关分级与晶闸管级间相控调压相结合的平滑调压调速技术，使机车获得良好的调速性能。无级调压在晶闸管的应用下优点凸现[1]：
1) 实现端电压平滑调节，减少电流冲击
jstor
2) 获得机车工作范围内的任意牵引力和速度
3) 更好地利用了机车的惯性和粘着力
4) 取代了笨重的有触点式调压开关
进入70年代，大功率晶闸管性能的提高，加上不对称触发、多段桥顺序控制等相控技术的成熟应用，如日本新干线200系列，我国SS4至SS9型机车，进一步提高了机车功率因数，
减小了谐波等效干扰电流，装置的可靠性也有所加强，形成晶闸管相控调压、交直传动的典型系列产品。
2．GTO的应用为交直交电传动技术奠定基础
交通运输的载重量及速度的要求不断扩大，对电力机车的要求也越来越高，交直传动在干线铁路机车上的控制逐渐显出缺陷，特别是直流电机的牵引不再满足。于是进入80年代，电力机车牵引电机开始向交流电机发展。另一方面，由于晶闸管本身工作频率较低(只有几百赫兹)，而且关断这些器件需要强迫换相电路，使得整体重量和体积增大，效率和可靠性降低，从而大大限制了其应用[2]。因此那些小功率、低频、半控型器件的应用开始向超大功率、高频、全控型器件的应用过渡。
最早出现的标志性器件就是GTO——门极可关断晶闸管。GTO是一种高电压、大电流双极型全控型器件，继承了普通晶闸管通态压降比较小的优点，它与普通晶闸管的最大区别是可以通过向门极施加负脉冲电流进行关断[2]。在中大容量变流设备中，GTO 晶闸管具有较大优势，特别是在机车牵引、交流电机调速等领域被广泛推广应用。GTO结合PWM技术，
可实现变压变频和能量双向流动的性能，这就使异步电机在电力机车上的应用成为现实[3]。这时候出现了一种性能更高的电传动技术交直交传动(交流发电机或交流供电——硅整流——逆变器——交流电动机)，即所谓的交流传动，很自然地逐步取代了交直传动。这种技术进步，无不是电力电子器件应用于电传动技术后所促成的。
法国TGV-A系列，日本300系列、E1系列，德国ICE1系列等，都是在90年代里GTO成熟应用于电力机车，主要包括整流器、斩波器、电力制动、逆变器以及辅助传动系统。我国在21世纪初也研制出以GTO为变流器件的“先锋”、“中华之星”等电力机车[4]。由于全控型器件可以控制其开通与关断，所以大大提高了控制的灵活性。
3．IGBT的应用使交直交电传动技术的发展趋向成熟
GTO日益成熟的同时也存在不少影响电力机车运行性能的缺点：因关断增益较小、门极反向关断电流较大而需设置专门的缓冲电路，大大增加了传动系统的复杂程度和装置的体积；开关频率较低、驱动损耗也比较大，特别是为了可靠关断GTO，要求驱动端的关断电流峰值达GTO阳极电流的1/3，且电流的上升沿要很陡，大大增加了GTO驱动电路的技术
复杂性、经济成本和驱动功耗； GTO封装内没有集成反并联续流二极管，在变流器电路中需要外接，更加减小了GTO变流器的吸引力[2]。
到90年代新一代电力电子器件绝缘门极双极型晶体管IGBT开发后，由于其性能优越，已经应用到电传动系统中，并且逐步取代GTO。IGBT内部集成了反并联续流二极管，装置体积和重量进一步减小。IGBT模块中集成有必要的保护功能，如过流、过热等保护，提高了器件应用的可靠性，使得传动系统IGBT牵引变流器可靠性高于GTO牵引变流器。由IGBT作为逆变器件的变频器的载波频率一般都在10kHz以上，故电动机的电流波形比较平滑，基本无电磁噪声[5]。目前先进的电力机车如日本新干线800系列、法国AGV系列、德国ICE-T系列、我国的CRH5系列等，在电源、变流器、制动系统、辅助系统等电路中大多采用IGBT及其模块[4]，机车的速度、可靠性、经济性等多方面都处于先进的地位。
当IGBT应用到电传动技术中后，交流传动的地位也在电力牵引中占据主导，交直交传动的优越性也进一步得到体现：
1) 器件容量和性能的提高，促进电路结构的简化，功率损耗减小，成本大大降低
2) 封装形式的改进，简化散热系统，增加了更多的保护功能
3) 初中学法指导电源电压干扰更小，调压可靠性更高
ctd
结束语 一代电力电子器件成就一代电传动技术，电力电子器件的发展无形中促进了电力牵引技术的发展。无论直流传动，还是交流传动，电传动系统都离不开电力电子器件。显然，无论从器件、电路，还是控制手段，电传动技术的发展依赖于电力电子器件的发展。
电力电子器件的应用逐步改进了电传动系统的性能。从有级调压到无级调压，交直传动到交直交传动，牵引性能、节能效果、成本计量都存在着跨越发展。
参考文献
[1] 黄彧.电力牵引传动技术课件[M].北京:北京交通大学,2013.4.青岛科技大学校园网
[2] 王琛琛.电力电子应用技术课件[M].北京:北京交通大学,2013.4.
[3] Ruge W．从GTO变流器到IGBT变流器看传动技术的发展(一)[J] 变流技术与电力牵引，2006(5)．
[4] 钱立新.世界高速列车技术的最新进展[J].中国铁道科学,2003,(4):1一11.
[5] 黄济荣.电力牵引交流传动控制[M].北京:机械工业出版社,1998.9.
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议