轨道交通与电力电子

1879年德国建成第一条世界上电气化铁路和第一列电传动车。这列车虽然驱动功率只有10kW4个月内运送9万名乘客。由于变压器和沟通发电机于18831885年才得以有用，故当时的电力机车直接承受了原始的低效率直流电源供电和直流传动。1888年特斯拉〔NickolaTesla〕制造了有用化的沟通感应电机。该电机构造简洁、本钱低廉、维护量极少，于是西门子〔Siemens〕公司1891年制造了三相550V沟通电供电的动车，开头了沟通牵引传动的试验。沟通感应电机要满足车辆牵引特性要求的调速手段格外简单，而直流电机很简洁满足要求。1900年开头，机械整流装置开头用于纽约的地铁供电，直流传动系统开头受到青睐。1949年，第一辆引燃管〔ignitron〕整流的电传动机车诞生，交直流传动系统开头进展。到了1950年月，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宫来。1960年月初期，大功率硅整流器快速取代了引燃管，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，牵引电机大多承受串励方式，也有承受它励和复励的状况；在制开工况，牵引电机大多承受它励方式。通过调压开关转变硅整流桥沟通侧电压来转变牵引电机的端电压，〔俗称可控硅〕制造并获得应用以后力，于1970年初，提出了“经济多段桥”可控硅相控机车。这样电机端电压可以获得无级调整，从而实现了电力机车的无级调速。间比(占空比)来斩波调压。1971年，承受可控硅实现的DE-2500沟通电传动内燃机车在德国莱茵河畔试验成功，开头了变频调速的现代沟通传动的征程。随后由1台DE-2500加挂一节掌握车对四象限变流器和PWM逆变器构成的1983年生产出了5台世界上首批BR120沟通传动机车在德国投入运营。经过三年多试验、改进之后，在牵引领域中承受沟通传动的根本模式就确定了下来。1987年后，欧洲国家开头成批定货。如丹麦的EA3000、挪威的EL17、奥地利的1063和1064，德国的ICEBR121型电力机车等。1958年诞生了第一台引燃管整流的6Y1型电力机车。19666Y1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SS1电力机车整流机组承受ZP-300A/600V14个器件串联和16个支路并联组成。全车两组整流机组共用448只二极管。随着硅二极管反向耐压的提高和的导通电流的增大，从0131台SS1开头，全车只用108只二极管。1978年研制成功的韶山3型电力机车承受了级间晶闸管相控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级调速国产相控电力机车的诞生。19964轴4000kW、以KK管为逆变器开关器件的第一台国产沟通传动电力机车〔原型车〕，标志着我国的电力牵引技术也进入了沟通传动199810年左右时间完成从直流传动到沟通传动的转换。“中华之星”高速动车组的研制成功，说明我国已经把握了动车组变流技术在内的高速列车关键技术。2023年北京到天津城际高速列车的正式开通，以及大同到秦皇岛两万吨重载货运列车的成功开行，标志着我国已经拥有了世界上最先进的轨道交通变流技术。电力电子器件对轨道交通变流技术的影响电力电子技术在轨道交通牵引传动系统中的应用主要分为三个方面，它们是主传动系统、关心传动系统、掌握和关心系统中的稳压电源。因此，下面从这三个方面分析电力电子器件对轨道交通变流技术的影响。电力电子器件对牵引电传动系统的影响(PiN-Diode)〔PK-SCR〔KK-SCR(GTO)和绝缘栅极晶体管(IGBT)这几个阶段。1900年当安装在玻璃罩内的汞弧整流器(mercuryarcrectifier)诞生，并应用于纽约地铁的变电站整流后，电力电子器件在电领域的应用开头了漫长的历程。此后相继进展了金属槽整流器(metaltankrectifier)、栅格掌握整流器(gridcontrolledrectifier)、引燃管整流器(ignitron)、阴极充气二极管整流器(phanotron)和闸流管整流器(thyratron)等。由于器件故障率很高，虽然美国在1950年时生产出了引燃管整流器电传动系统机车，但电力电子器件在电传动系统中的应用并没有真正开头。1954年，PearsonFullerPiN195960年英国和美国分别把它用于电传动系统的整流电路中。我国1966年定型的韶山1(SS1)型电力机车就是承受这种级转变整流电流输入侧牵引变压器绕组匝比来实现。1956Moll等人制造了可控硅，1958GE公司把它商品化后，于1960年月应用在电传动系统上，通过转变可控硅的触发导通角来转变输出的直流电压。1970年初，提出了“经济多段”可控硅相控机车，这样电机端电压可以获得大范围的无级调整，从而实现了电力机车的无级调速，并维持沟通侧较高的功率因数。对于直流供电的地铁电传动系统来说，则通过可控硅调阻的方式来转变电机端电压，以及到了1970年月初开头了无轨电车和地铁车辆的节能型调压方式——斩波调压的系统试验。GTO器件的原理于1960年获得突破后，1977年日本东芝公司生产出了第一只商品化的大功率器件(1300V/200A)。到了1980年月初，以地铁为代表的直流供电的主传动系统主要承受了GTO斩波器，以干线铁路为代表的沟通供电的主传动系统主要承受多段桥的可控硅整流装置。1985年48轴电力机车就是其中的典型代表。1983年开头应用的电牵引沟通传动系统，其主电路主要是电机侧的三相逆变器和电源侧的四象限变流器(仅对沟通供电的电力机车而言)(KK)强迫关断器件。为简化系统电路，1980年月中后期，牵引变流器开头承受门极可关断晶闸管(GTO)。现在干线交直交电力机车上主要承受4500V、4000A等级的GTO器件。GTO属电流驱动型器件，开关频率较低、驱动损耗也比较大；特别是为了牢靠关断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。这就大大增加了GTO驱动电路的技术简单性经济本钱和驱动功耗。此外，GTO器件本身所能承受的di/dt和dv/dt不高，必需在变流器电路中设计di/dt和dv/dt的吸取电路。这大大增加了传动系统的简单程度和装置的体积。另外，与IGBT器件相比，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。1990年月中后期，随着IGBT器件的进展，单机容量相对较小的内燃机车和动车组的牵引变流机组已开头承受绝缘栅双极晶体管(IGBT)。IGBT器件是电压型掌握的自关断器件，开关频率高，器件本身dv/dt和di/dt的承受力大，这就使得IGBT变流器构造设计可以承受低感复合母排(lowinductancelaminatedbusbar)，降低回路电感，从而简化甚至取消吸取电路。另外，IGBT器作区的牵引用IGBT模块，使得传动系统IGBT牵引变流器牢靠性与GTO牵引变流器相比，牢靠性大大提高。一方面，象3300V/1200A〔或6500V/600A〕这样大容量的IGBT器件得到进一步开发，IGBT器件在可能的功率等级范围内，正在取代GTO器件。另一方面，由于IGBT是晶体管导通型器件，其通态压降比晶闸管型器件的GTO要高，同时IGBT的容量不如GTO，为此，对GTO的进展改进的器件也在不断涌现。一种对GTO构造和掌握电路进展改进的器件——IGCT得到了有关电力半导体器件厂家的推崇。IGCT是一种型器件。在GTO构造里引入了N缓冲层(BufferLayer)、薄层可穿透放射区(VeryThinTransparentEmitter)和反并联续流快恢复二极管，形成了的构造器件，称为门极换向晶闸管(GCT)；然后利用GTO硬驱动的优点，把硬驱动电路和GCT器件集成在一起，称为集成门极换向晶闸管(IGCT)GTO相比，主要有四方面的改进：GCT芯片集成在一起，GTO的300nH降到5nH，因而极大地提高了开关过程中的门极电流上升率，实现了GCT器件的硬驱动，器件的开关特性得到显著改善；由于IGCT通过“N”缓冲层+1/3件的通态损耗；通过设置“穿透阳极放射极”构造，大大提高了电子的抽出速度，又不引起空穴的注入，因而可实现晶体管式的关断。IGCT1～2μs；在减薄硅片厚度的根底上，在芯片中集成了反向续流二极管，形成GCT，简化了电路构造。所以承受IGCT的牵引变流器构造比GTO的牵引变流器要简洁的多。在兆瓦级以上的牵引电传动系统中，IGCT变流器比IGBT变流器更具吸引力。由于目前IGCT牵引变流器仍在小范围运行试验中，我国运输装备力量快速提升的高速列车和重在货运牵引变流器主要承受6500V/600AIGBT器件并联工作。电力电子器件对关心系统的影响供电的电力机车中，关心系统电源大多承受异步旋转劈相机，把单向沟通电变为三向沟通电。如韶山8型电力机车的YPX-280M-4型劈相机。在直流供电的地铁列车中，关心系统电源大多承受直流电动——同步发电机组来获得三相沟通电。如出口伊朗地铁列车的ZQD-14/TQF-14型关心发电机组。旋转劈相机在起动时，需要发电相进展分相起动。劈相机在工作时，为了到达三相线电压的大小变化而变化。另外，三相输出电压的不平衡和频繁起动简洁烧损旋转劈相机。地铁车辆关心发电机组中两电机同轴连接，占用空间大；同时为了到达输出三相电压的稳定和频率的稳定，需要增加简单的稳频稳压掌握屏。对于单相沟通牵引供电的电力机车，关心系统承受电力电子技术构成的静止劈相机。所谓静1986年开头进口的8KGTO逆变器。方法获得。斩波器用于稳定逆变器直流侧的电压，逆变器输出获得三相平衡的课变频率的电源。1990年月以来，关心系统开头间续承受IGBT作为逆变器的器件。我国1990年月中期投入运营的广州地铁和北京地铁复八线车辆等关心电源分别承受了德国和日本的IGBT逆变器。我国电力牵引的空调旅客列车原来特地挂一节柴油发电车负责给空调等列车电器供电。1990600VDC电压逆变的列车空调逆变器和600V到110V的DC/DC变换器，从而取消了发电车。由于承受IGBT器件容量等级的不同，关心系统的电路构造可以分为三种型式：第一种是交-直-交型；其次种是直-交-交型；第三种是直-直-交型。交-直-交型关心系统变流器是通过牵引变压器的关心绕组引出单相沟通电，通过晶闸管相控整流器或IGBT高功率因数PWM整流器来实现交-直变换，然后通过IGBT逆变器实现直-交变换。这种电路构造与牵引变流电路完全隔离，电路承受的晶闸管或IGBT器件一般承受1200V-交-交型关心系统变IGBT逆变器进展逆变，完成直-交变换，然后通过降压变压器完成交-交变换，输出380V或430V的关心电源电压IGBT器件一般承受3300V(对应1500VDC)的电压或6500V(对应3700VDC)的电压等级，与牵引变流器的IGBT电压等级一样。第三种直-直-交关心系统，也是由牵引变流器的直流侧供电，它先通过一个Buck电路完成直-直变换，把直流侧电压降为600VDC，然后通过IGBT逆变器完成直-交变换。这种电路构造需要两种电压等级的IGBT，Buck变换器的IGBT器件一般牵引变流器的IGBT3300V6500VIGBT器件一般承受1200V的电压等级即可。电力电子器件对掌握和关心电路稳压电源的影响随着电牵引传动系统中大功率电力电子器件的应用，掌握和关心电路中的直流稳压电源也增110Vdc110Vdc，现在国内和谐号高速列车和重载货运列车的110Vdc电源由IGBT器件构成DC/DC隔离开关电源获得，具有很好的电压精度和电压稳定性。同样，在地铁动车组中，IGBT和MOSFET等电力电子器件得到应用后，110Vdc电源也由相互隔离的DC/DC开关电源获得。110Vdc以后的稳压电源需求量很大，稳压电源的电压等级主要有±24V，±15V，+5V。这些电压等级由容量更小、开关频率更好的MOSFET构成的开关电源获得。这些开关稳压电源虽在功率上与主传动系统电路或关心系统电路的变流器相比差异甚远，但它仍是电力电子器件应用的一个重要分支。电力电子器件促进现代轨道交通变流技术的进展1964年，A.Schonung和H.Stemmler在《BBC评论》上发表文章，提出把PWM技术用于沟通传动逆变器中，产生了正弦脉宽调制(SPWM)技术，使得逆变器可以给沟通电机供给变频变压的正弦电压；1969年，Hasse提出了正弦电压矢量掌握概念，1971年Blaschke予以进展，形成了完善的沟通电机调速的磁场定向矢量掌握理论和方法，能大大改善电传动系统的动态性能；1973年，Depenbrock等提出了四象限变流器(即脉冲整流器)方案，既能改善沟通输入端的功率因数，又能普遍承受；1970年月中后期大功率可关断电力电子器件的消灭和应用，大大简化了电传动系统的电路构造；1985年Depenbrock又把直接力矩掌握技术引入到大惯性环节的电传动系统中，弱化了电机参数对电传动系统的调整性能的影响，从而简化了电传动系统的掌握环节。1998年G.Kratzand和H.Strasser器的电传动系统概念。促进电传动系统性能的优化比，主要有以下优点：优异的运行性能大持续功率。异步电动机体积小、重量轻，在转向架有限安装空间内可以设置更大的功率。电机重量/3.171.7；高起动力。能在静止状态下任意的时间内发出满转矩，利于简单条件及重载的启动；宽恒功率区。恒功区的最高速度/额定速度之比由直流传动的1.4~1.67增加到沟通传动的2.5~3；粘着系数高。比直流传动高10%，枯燥轨面可大于0.4。显著的节能效果与内燃直流传动相比，节约燃料10%～25%；电机效率和机车效率均提高；再生制动可反响能量10%，在峰谷穿插地段可达40%。(3)削减易损部件，降低运营本钱再生制动效果好。可从高速持续到5km/h(即1.389m/s)以下。丹麦统计过，机械制动闸瓦的消耗由承受直流传动时8.5万块/年降低到沟通传动时3万块闸瓦/年；有触点电器大大削减。不同的牵引工况和制开工况之间转换没有机械开关，特别是异步电机没有电刷和换向器，消退了电气活动触点。优良的牢靠性和修理性承受鼠笼式异步电机，几乎免维护；削减了磨耗件的种类和数量；广泛承受模块构造和诊断装置，提高了无故障运行的公里数。供电质量大大改善，接近抱负波形由于承受四象限变流器，沟通电网侧电流波形接近正弦形，功率因数接近l，机车近似于一个抱负纯电阻型负载。促进电传动系统装置的简约化了点传动系统装置的简约化。器件容量和性能的提高，促进主电路构造的简化器件从GTO到IGCT的改进，省去了主电路的dv/dt吸取电路和外接的反并联续流二极管，大大简化了主电路的构造，同时也简化了驱动电路单元；电传动领域中应用的器件假设能从IGCT过渡到MCT，甚或更大容量的IGBT，则还能省去主电路的di/dt吸取电路，主电路的构造将得到进一步简化；在现有的IGBT容量〔3300V/1200A或6500V/600A〕条件下，更大容量的牵引变流器假设承受IGBT器件，不得不承受三电平构造。三电平构造解决了IGBT串联难题，提高了中间电压和输出功率，改善了输出波形，但它有构造简单、掌握烦琐。上述优点将随着IGBT器件阻断电压和机车要求的条件下承受。纵观进展趋势，三电平构造是过渡性的。戴姆勒-克雷斯乐(DaimlerChryslerResearchandTechnology)1700V的肖特级(Schottky)碳化硅二极管代替现有反并联的快速恢复硅二极管后，试验说明，IGBT模块的开关损耗大大降低。IGBT的开通损耗只有现有器件的1/3，相对应的二极管的关断损耗只有现有器件的1/5。另外，SiC器件的芯片温度可从现在Si芯片的150oC提高到250oC。因此，碳化硅技术的进展，将使电传动系统更加简约。封装型式的改进，既降低了器件热阻，简化散热系统，又便利工程化安装对器件的封装型式提出了更高要求。IGBT绝缘基板的模块化构造与双面压接式GTO构造相比，在进展之中。为改善热阻，其生产家改用AlN代替Al2O3作为硅芯片衬底材料；为改善与AlN热膨胀系数的匹配，承受了AlSiC代替Cu55mm2衬底得大功率IGBT，承受AlSiC基板代替铜基板后，热膨胀差从70mm降到20mm，大大削减了负载循环时因材料热膨胀系数相差较大所引起的硅片与衬底之间、衬底与基板之间的焊接疲乏破坏。与此同时，通过使用改进的材料，解决了硅芯片上焊丝剥离问题。ABB、Fuji、Eupec和Toshiba四家公司近年来也开发了与GTO一样压接式构造的IGBT。能同时兼有绝缘模块外壳和压接式封装优点的一种型封装形式已初露端倪。这种的封装形式承受两边DCB绝缘的三明治(Sandwich)构造形式，然后在DCB上集成液冷的微通道散热器(Micro-channelHeatSink)，而IGBT的内部芯片以及芯片到电极的连接承受倒装晶片焊压技术(FlipChipSolderBumpTechnology)。这种型构造的IGBT不仅最大限度低减小了内部引线电感，而且极大地降低了器件从管芯导到外壳的热阻。这种3倍。功能单元模块化设计，增加了电磁兼容性，也便利了安装和拆卸电力电子器件工作在开关状态，产生很大的di/dt和dv/dt，电磁干扰很大。除了电路设计中实行不仅是强电磁干扰、强机械振动的，而且易被尘埃、油污、湿气等污染。全部这些，都促进了功能单元模块化技术的进展。促进沟通传动试验系统的进展大功率沟通传动系统争论和开发，需要对沟通传动系统的变流器、沟通牵引电机、变流器掌握系统以至轨道动车的全车掌握进展功率试验。沟通牵引传动系统试验台应当能完成如下试验：依据机车牵引特性进展不同级位的“恒流准恒速”考核运行试验。目前国内已建成和在建的沟通试验系统大都分为两种：一种是“能量消耗式”系统；另一种是“能量反响式”系统。第一种方式是在被测试的电动机输出轴上对接一个直流发电机，直流发电机的输出端〔定子端〕“直流发电机-直流电动机-沟通同步发电机”构成的能量反响系统，把电能回馈给50Hz“直流发电机-直流电动机-沟通同步发电机”能量反响系统的三个励磁，来调整它的输出转矩，即电动机的阻力矩，以及维持同步发电机的频率稳定。这两种试验系统本身存在有很多缺点，更重要的是全部完成上述要求的5个方面的试验。随5个方面试验要求的互馈式沟通传动试验系统得公司考察结果说明，国外传动系统生产产家都在承受该试验系统。我国也正在开发该试验系统。促进电传动系统的多器件化进展电力电子技术进展的一个重要趋势是，不断地增加以电力电子器件为核心的变流装置在电能和照明等系统。但牵引变压器格外重，比方国产韶山8电力机车中为11.5吨，进口8K电力机车中为12.6吨。由于机车的轴重对高速化运行影响很大。因此，为了到达轴重的要求，列车减重往变流器和多重化DC/DC变换器，可以用高频牵引变压器来取代现在的工频变压器。据测算，50%，效率也得到提高。这种概念装置的试验系统今年有望问世。促进牵引供电电能质量的改善晶闸管在轨道交通领域中的应用，始自电力机车的相控整流器。相控整流器在调电压过程中，功和谐波补偿装置。为了动态补偿无功和谐波，后面进展了晶闸管掌握的无功补偿装置(SVC)，如晶闸管掌握电抗器(TCR)和晶闸管投切电容器(TSC)等。随着可关断电力电子器件的进展，GTO和IGBT等器件先后开头在电力机车和牵引变电站中得到应用。电力机车网侧变流器由传动的晶闸管器件构成的相控整流器进展逐步进展成为由GTO构PWMIGBTPWMPWM整流器后，电力机流和