国内外电力牵引传动与控制技术的现状与发展

1、 国内外电力牵引传动与控制技术的现状与发展交通设备1003班叶文斌宋文强卢志文康杨摘要：始于上世纪70年代初的交流电传动技术已经从晶闸管技术发展到GTO技术。交流电传动技术的不断成熟，使其真正成为所有新机车动车的标准。在最近几年中实现了IGBT取代GTO晶闸管的重要技术转型。作为最新进步，该技术转型现在还涵盖了大功率应用范围。德国铁路公司新型的BR189四电流制电力机车最早将该项革新技术应用于极限功率范围。我国电力牵引技术在不断引进和消化吸收国外先进技术的同时，自主创新，也取得了长足的进步。关键词：电力牵引传动晶闸管GTO技术IGBT技术IGCT技术直直传动交直传动交直交传动Abstract:

2、Startingatbeginningoftheseventiesofthelastcenturythethree-phaseacdrivetechnologywasdevelopedfromThyristorTechnologytoGTOtechnology.Withitshighmaturitythree-phaseacdrivetechnologyhasbecomethestandardforpracticallyallnewvehicles.DuringthelastyearsthereplacementofGTO-ThyristorsbyIGBTs(insulatedgatebipo

3、lartransistor)wascarriedoutasanotherimportanttechnologychange.Nowasthelaststepthistechnologychangealsocoversthehighpowerapplications.Thenewclass189four-systemslocomotiveofGermanRail(DBAG)formstheleadingapplicationforthisinnovationinthehighpowerrange.ElectrictractiontechnologiesinChinacontinuetointro

4、duceandabsorbadvancedforeigntechnology,independentinnovation,havealsomadegreatprogress.Keywords：ElectrictractiondrivethyristorGTOtechnologyIGBTtechnologyIGCTtechnologyDC-DCdrivetechnologyAC-DCdrivetechnologyAC-DC-ACdrivetechnology引言铁道牵引电传动技术是牵引动力设备的核心技术，其发展目标一直是致力于改善机车牵引和电制动性能，提高运用可靠性和能源的有效利用率，减少对环境

5、的影响，降低运营成本，更好地满足铁路运输市场的需求。自上世纪50年代末，我国第1台干线电力机车问世至今，我国机车电传动技术随着电力电子和功率电力电子器件技术的发展和应用，经历了从第1代SS1型电力机车的低压侧调压开关调幅式的有级调压调速技术，到第2代的SS3型电力机车调压开关分级与级间晶闸管相控平滑调压相结合的调压调速技术，再到第3代的SS4SS9型电力机车的多段桥晶闸管相控无级平滑调压调速技术，直到全新一代的“和谐”型交流传动机车的跨越式发展历程。电传动技术与功率电力电子器件技术紧密相关。一代功率电力电子器件，产生一代牵引设备。只有在GTO、IGBT等全控型大功率电力电子器件及先进的控制技术

6、出现后，才真正确立了现代交流传动技术的优势，使机车电传动技术发生了根本变革，由直流传动向交流传动转变。国外技术发展现代电力电子技术的迅猛发展，新型电力电子器件不断问世为交流传动奠定了坚实的物质基础。控制理论（交流传动系统的重要武器）的逐步完善大大提高了交流传动系统性能，现代信息技术日新月异的发展为控制系统技术的进步提供了保障。交流电机自身无可争辩的优势是拓展交流传动系统的良好基础。在机车车辆行业交流传动的优越性得到了充分的现。在历经技术准备期（19701979年）技术成熟期（19801987年）品质提升期（1988年后）之后，西方发达国家已将牵引动力转向交流传动。1、从晶闸管到GTO技术BBC

7、公司创建了当今用异步电动机作为理想牵引电动机的交流传动技术的基础，用逆变器（WR）和对电网友好的、可再生制动的四象限变流器（4QS）（位于直流电压中间直流环节旁）向牵引电动机供电。1980年，采用该技术的BR120型试验机车投入运行。1987年，BBC公司供应了首批60台这种机车。随后应用该技术的有丹麦国家铁路（DSB）的EA3000型电力机车和德国联邦铁路的部分ICE1系列电动车组。当时自换向和脉动的变流器（4QS和WR）需使用“快速”或高频晶闸管、强迫换向用的辅助整流阀和振荡电路。起初可供使用的快速晶闸管反向电压只有1400V，为了控制当时采用的2800V中间直流环节电压（避免用并联电路）

8、，必须串联4只元件以致变流器结构较复杂。80年代，微处理器承担了越来越多的电子控制任务，尽管功能增多，但体积却缩小了。日本首先开发了GTO晶闸管，它大大简化了变流器结构，在首次使用的2500VGTO的基础上，BBC（瑞士）公司开发了首台1400V中间直流环节电压的机车传动变流器（1987年起向BT/SZU铁路提供了8台使用这种GTO变流器的机车从1989年起向瑞士联邦铁路（SBB）、苏黎世城市高速铁路提供了115台用这种GTO变流器的Re450型电力机车）。80年代末有了可供使用的4500V/3000A的GTO，可以实现2800V中间直流环节电压或更高电压的大功率应用。6.1MW功率的SBB机

9、车2000（Re460型）采用了三电平变流器（每台逆变器用12只GTO元件）。投入首批应用的部分ICE1电动车组（19891990年）、挪威国家铁路（NSB）的IC70型电动车组（1992年）和CL7000欧洲穿梭式电力机车（1992年）使用了西门子和庞巴迪公司开发的用4.5kVGTO的中间直流环节电压为2800V的二点平GTO变流器（无串联连接每台逆变器6只GTO元件）此时使用了Marquart-Undeland电路。后来用4.5kV元件、2800V中间直流环节电压的二电平变流器成了西门子和庞巴迪公司的标准产品，直到2001年所有批量生产的机车和动车用的变流器都采用了这种电路。个别用6.5k

10、VGTO元件的变流器直接用于3kV直流电网。但相对日益成熟的6.5kVIGBT技术它们就退居次要地位了在铁路用静止变流器上硬驱动控制的GTO技术，可直接用GTO串联电路但在欧洲还未用于铁路传动中。2、从GTO技术到IGBT技术GTO是具有很细梳条门极结构的晶闸管。导通时，门极触发单元（GU）向门极提供几安培的控制电流，关断时，GU从门极吸收很大的电流，约为关断GTO电流的1/5。耗尽载流子后，门极呈高阻状态。为可靠地关断GTO,GU应使门极电压大至保持为-15V。根据门极-阴极特性曲线上的高阻性，GU能识别GTO的关断状态，并将该信息反馈给电子控制装置。开关指令和反馈信号通过2根光纤电缆传输。

11、变流器中所有GU共用的电源为GU提供48V、16kHz矩形电压，功率约为30W。GU中的电位是隔离的（试验电压llkV）。最大反向电压为4500V、最大关断电流为3000A或4000A的标准GTO平板元件，其硅片和接触直径为75mm或85mm（外壳直径为108mm或120mm）必须用约4t的外力压紧以保证正常的电和热接触。GTO和二极管及其散热器和接线端子组装在一起。螺旋管散热器用油或酯浸渍冷却，金属散热盒用去离子水冷却，氮化铝AIN散热盒用工业用水冷却。用限流电抗器将导通电流的上升率限制为500A/us,用无感的电容电路将关断后的电压上升率限制为500V/us,以便GTO重复峰值电压不超过其

12、耐压值，高频GTO（FGTO）允许有较快的电压上升率,可使用较小的吸收电容。吸收电路的阻尼时间、开/关过程后GTO的恢复时间和保护时间要求最小导通和关断时间的数量级为50-200uso因为整个GTO的导通压降随温度而变化所以并联连接时电流的热分布是稳定的，用于机车动车传动的大功率GTO通常既不需并联，又不需串联。在一相电路的2只GTO都导通的故障情况时，电流迅速升至很高，以致关断试验引起GTO损坏。此时GTO变流器的保护对保护击穿作出反应，连续降低支撑电容器的能量。采取一系列预防措施可避免保护击穿。进一步预防击穿的关断保护需要一个瞬间过电压限制器（MUB）。IGBT是一种绝缘栅双极型晶体管。利

13、用加在栅极和发射极之间的电场来控制，导通和关断集电极和发射极间输出时，可根据栅极电压特性曲线来控制电流上升率和电压上升率IGBT不需要吸收电路，但电流和电压同时存在时，IGBT必须承受开关损耗。大功率IGBT的开关动作时间为1-2us。大多数制造商都在致力于生产无需外接吸收电路的IGBT。这样就可以大大简化IGBT-SRBG的结构（相对GTO的SRBG而言），但也保留个别例外即IGBT有小量的吸收电路。IGBT在满电流时导通电压约为4V。虽然这比GTO的要高些，但开关频率较高时，IGBT变流器从空载至满载时的损耗比GTO变流器的要小，因为没有式（1）中与负荷有关的线路损耗。过流时，IGBT去饱

14、和，电压远大于4V，损耗功率过大，造成IGBT损坏。为防止过流，门极驱动单元GDU监控集电极-发射极电压，在临界状态时立即接通关断电路。与GTO技术采用的防止击穿方式不同，IGBT技术用保护关断电路来防止过电流，为防止中间直流环节的过电压通过IGBT接入负荷电阻作为瞬间电压限制器或阻尼电阻。由于导通电压为正温度系数，IGBT并联电路是热稳定的，这也是大功率工作时所需要的。通过并联电路中的对称阻抗力求电流尽可能均匀分布。相对于压接式平板元件，大功率IGBT也采用了模块结构。其冷却面和有效装配面绝缘，大大简化了SRBG的结构o1700V（用于750V的轻载近郊运输车辆）、3300V（用于至1500

15、V的重载近郊运输车辆）和6500V（用于至3kV的大功率）电压等级的IGBT模块已成为欧洲的标准。对4500V电压等级（中间直流环节电压2800V）,庞巴迪公司使用集成水冷式模块（集成功率模块IPM等）。模块内半导体芯片通过底板上的导线并联连接，以符合在宇宙辐射时对热循环强度和耐压强度等的特殊要求。如同高电位的GTO门极触发单元（GU）,IGBT的控制单元GDU亦在发射极上,它们有电位隔离的直流电压电源（功率等级10W）。为防止IGBT去饱和，GDU必须检测集电极-发射极电压。通过光纤与电子控制装置进行双向通信，GDU控制导通和关断过程以及保护关断电路。如果GDU可编程，其参数就容易与各种不同

16、的IGBT特性相匹配。IGBT的GDU虽然比GTO的门极触发单元GU小些，但功能要求却很高，以确保IGBT变流器可靠运行。3、从IGBT技术到IGCT技术集成门极换流晶闸管IGCT是一种新型电力电子器件。它是将GCT芯片与门极驱动器在外围以低电感方式集成在一起，综合了晶体管的稳定关断能力和晶闸管低通态损耗的优点，在导通阶段发挥晶闸管的性能，关断阶段呈现晶体管的特性。IGCT具有电流大、电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、损耗低等特点，而且成本低、成品率高，具有很好的应用前景。IGCT不需要吸收电路，可以像晶闸管一样导通，像IGBT样关断，并且具有最低的功率损耗IGCT在使用时只需将它连接到

17、一个20V的电源和一根光纤就可以控制它的开通和关断。由于IGCT结构设计上采用了新技术，使得IGCT的开通损耗可以忽略不计，再加上它的低导通损耗，使得它可以在以往大功率半导体器件所无法满足的高频率下运行。尽管IGCT变频器不需要限制dv/dt的缓冲电路，但是IGCT本身不能控制di/dt（这是IGCT的主要缺点），所以为了限制短路电流上升率，在实际电路中常串入适当电抗。在国外，瑞士的ABB公司已经推出比较成熟的高压大容量产品。日本三菱公司在1998年也开发了直径为88mm的6kV/4kA的IGCT晶闸管。在国内，目前株洲电力机车研究所正在开发用于电力机车牵引的IGCT变流系统，有望在不久的将来

18、成为交流传动的主角。还有清华大学在内的少数几家科研机构也在自己开发的电力电子装置中应用了IGCT。IGCT即有GTO高阻断能力和低通态压降，又具备了和IGBT类似的开关性能，因此是一种较理想的兆瓦级、中压开关器件。国内技术发展多年来，我国电力机车制造事业在总结、优化国产电力机车成熟技术和经验的同时，不断在引进和消化吸收国外电力机车的先进技术。1、直直传动内燃或电力机车采用直流牵引发电机或直流电网直接向数台直流牵引电动机供电的传动方式。由直流接触网供电，机车采用直流牵引电机。直流电经直流变换器（DC-DC）向直（脉）流牵引电机供电。直-直流电力机车采用直流制供电，牵引变电所内设有整流装置，它将三

19、相交流电变成直流电后，再送到接触网上。因此，电力机车可直接从接触网上取得直流电供给直流串励牵引电动机使用，简化了机车上的设备。直流制的缺点是接触网的电压低，一般为1500V或3000V,接触导线要求很粗，要消耗大量的有色金属，加大了建设投资。我国使用直直传动的车型主要有DF,DF2,DF3,ND1，ND2等。2、交直传动AT内燃或电力机车采用交流牵引发电机或单相交流网及变压器，通过整流器向数台直流牵引电动机供电的传动方式。由交流接触网供电，机车采用直流牵引电机。交流电经整流器整流为直流电，向直(脉)流牵引电机供电。1948年普通晶体管(transistor)的发明引起了电子工业革命，1957年

20、第一只晶闸管(thyristor)的问世，为电力电子技术的诞生奠定了基础。从此，交直传动系统为人们所接受并广泛应用。交流感应电机要满足车辆牵引特性要求的调速手段非常复杂，而直流电机很容易满足要求。1900年开始，机械整流装置开始用于纽约的地铁供电，直流传动系统开始受到青睐。1949年，第一辆引燃管(ignitron)整流的电传动机车诞生,交直流传动系统开始发展。到了1950年代，硅整流器电传动系统动车问世，标志着交直流牵引传动时代的到来。1960年代初期，大功率硅整流器迅速取代了引燃管，具有调压开关的硅整流器交-直流系统电力机车得到了广泛应用。电传动车在牵引工况，牵引电机大多采用了串励方式，也

21、有采用它励和复励的情况；在制动工况，牵引电机大多采用它励方式。通过调压开关改变硅整流桥交流侧电压来改变牵引电机的端电压，实现机车的控制。晶闸管(俗称可控硅)发明并获得应用以后，于1970年除，提出了“经济多桥段”可控硅相控机车。这样电机端电压可以获得无级调节，从而实现了电力机车的无级调速。我国1958年诞生了第一台引燃管整流的6Y1型电力机车，1966年在6Y1型电力机车上用硅二极管取代引燃管获得成功，并于1968年定型为韶山1(SS1)型电力机车，第一台韶山1型电力机车整流机组采用ZP-300A/600V二极管，每个整流臂用14个期间串联和16个支路并联组成，全车两组整流机组共用448个二极

22、管，随着硅二极管反向耐压的提高和导通电流的增大，从0131台SS1机车开始，全车只用108只二极管。1978年研制成功的韶山3型电力机车采用了级间晶闸管相控调压技术。1985年研制成功的以PK管为开关器件的韶山4型电力机车标志着无极调速国产相控机车的诞生。3、交直交传动整浣器逆变器内燃机车交-直-交电传动平引电动机奉引变压饕电力机车交-直-交电传动内燃或电力机车采用交流牵引发电机或单相交流电网及变压器，经整流器将交流电变换成直流，再通过逆变器将直流电变换成频率和幅值按列车运行控制要求变化的交流电，向数台交流牵引电动机供电的传动方式。由交流接触网供电，车辆采用交流牵引电机。交流电经整流器整流为直流电（中间直流环节），再经逆变器将直流电转换为可调压、变频的三相交流电，向交流牵引电机供电。交-直-交流电力机车采用交流无整流子牵引电动机（即三相异步电动机），这种电动机在制造、性能、功能，体积、重量、成本、维护及可靠性等方面远比整流子电机优越得多。交直交电力传动系统具有良好的粘着性能，适用于大功率。它之所以迟迟不能在电力机车上应用，主要原因是调速比较困难。这种机车具有优良的牵引能力，很有发展前途。我国现有车型主要有DF4DAC,NJ1,DJ,DJ2,DJJ1，DJ4，CRH等。展望我国机车电传动技术已走过50