轨道交通与电力电子.pdf

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10kW ，但在 4 个月内运送9 万名乘客由于变压器和交流发电机于1883 年和 1885 年才得以实用，故当时的电力机车直接采用了原始的低效率直流电源供电和直流传动1888 年特斯拉（ Nickola Tesla ）发明了实用化的交流感应电机该电机结构简单、成本低廉、维护量极少，于是西门子（Siemens）公司 1891 年制造了三相550V 交流电供电的动车，开始了交流牵引传动的试验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宫来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，牵引电机大多采用串励方式，也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节，从而实现了电力机车的无级调速对于直流供电的地铁电动车组，为了调速， 直流电传动系统的电机端电压调节也随着电力电子技术的发展经历了三个阶段：机械开关调节电阻调压；可控硅调节电阻调压；可控硅等调节导通时间比 (占空比 )来斩波调压交流感应电机的低成本、几乎免维护的优势始终吸引着人们对交流牵引传动的向往1971 年，采用可控硅实现的DE-2500 交流电传动内燃机车在德国莱茵河畔试验成功，开始了变频调速的现代交流传动的征程随后由1 台 DE-2500 加挂一节控制车对四象限变流器和PWM 逆变器构成的现代电传动基本形式进行试验，并于 1983 年生产出了5 台世界上首批BR120 交流传动机车在德国投入运营经过三年多试验、改进之后，在牵引领域中采用交流传动的基本模式就确定了下来1987 年后，欧洲国家开始成批定货如丹麦的EA3000 、挪威的 EL17 、奥地利的1063 和 1064，德国的ICE 高速列车和BR121 型电力机车等。

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SS1 电力机车整流机组采用ZP-300A/600V二极管，每个整流臂用14 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级调速国产相控电力机车的诞生1996 年底，铁道部多家共同研制成功的4 轴 4000kW 、以 KK 管为逆变器开关器件的第一台国产交流传动电力机车（原型车） ，标志着我国的电力牵引技术也进入了交流传动时代 铁道部于1998 年底宣布， 电力牵引传动系统要用10 年左右时间完成从直流传动到交流传动的转换 “ 中华之星 ” 高速动车组的研制成功，表明我国已经掌握了动车组变流技术在内的高速列车关键技术2008 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。

2 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、辅助传动系统、 控制和辅助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2.1 电力电子器件对牵引电传动系统的影响至今为止， 电力电子器件在电牵引主传动系统的应用主要经历了大功率硅二极管(PiN-Diode) 、普通可控硅（PK-SCR ） 、 快速可控硅 （ KK-SCR ） 、 门极可关段晶闸管(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(mercury arc rectifier ) 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始了漫长的历程此后相继发展了金属槽整流器(metal tank rectifier) 、栅格控制整流器(grid controlled rectifier)、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始。

到了 1954 年，Pearson 和 Fuller 发明了 PiN 大功率硅二极管后，于 1959 年和 60 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)型电力机车就是采用这种二极管整流器电路为了获得可变的直流电压以满足机车调速的需要，通过有触头调压开关来分级改变整流电流输入侧牵引变压器绕组匝比来实现1956 年贝尔实验室的Moll 等人发明了可控硅，1958 年美国 GE 公司把它商品化后，于1960 年代应用在电传动系统上，通过改变可控硅的触发导通角来改变输出的直流电压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节，从而实现了电力机车的无级调速，并维持交流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改变电机端电压，以及到了1970 年代初开始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 年代初，以地铁为代表的直流供电的主传动系统主要采用了GTO斩波器，以干线铁路为代表的交流供电的主传动系统主要采用多段桥的可控硅整流装置。

1985年研制成功的我国韶山4 型 8 轴电力机车就是其中的典型代表1983 年开始应用的电牵引交流传动系统，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 (仅对交流供电的电力机车而言)电力电子器件开始采用快速晶闸管(KK) 强迫关断器件为简化系统电路，1980 年代中后期，牵引变流器开始采用门极可关断晶闸管(GTO) 现在干线交直交电力机车上主要采用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这就大大增加了GTO 驱动电路的技术复杂性经济成本和驱动功耗此外，GTO 器件本身所能承受的di/dt 和 dv/dt 不高，必须在变流器电路中设计di/dt 和 dv/dt 的吸收电路这大大增加了传动系统的复杂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 年代中后期，随着IGBT 器件的发展，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始采用绝缘栅双极晶体管(IGBT) 。

IGBT 器件是电压型控制的自关断器件，开关频率高，器件本身dv/dt 和 di/dt 的承受力大，这就使得IGBT 变流器结构设计可以采用低感复合母排(low inductance laminated bus bar) ，降低回路电感，从而简化甚至取消吸收电路另外，IGBT 器件模块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；同时开发了具有矩形安全工作区的牵引用IGBT 模块，使得传动系统IGBT 牵引变流器可靠性与GTO 牵引变流器相比，可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 的进行改进的器件也在不断涌现一种对 GTO 结构和控制电路进行改进的器件—— IGCT 得到了有关电力半导体器件厂家的推崇 IGCT 是一种新型器件在GTO 结构里引入了N 缓冲层 (Buffer Layer) 、薄层可穿透发射区(Very Thin Transparent Emitter)和反并联续流快恢复二极管，形成了新的结构器件，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) 。

它与 GTO 相比，主要有四方面的改进：(1)通过门极驱动单元和封装结构的优化设计，将门极驱动单元与封装后的GCT 芯片集成在一起，从而大幅度地降低了门极与阴极回路中的杂散电感驱动回路中的杂散电感由普通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；(2)由于 IGCT 通过 “ N”缓冲层 +穿透阳极结构， 将硅片的厚度降低了1/3 左右，大幅度地降低了器件的通态损耗；(3)通过设置 “ 穿透阳极发射极” 结构，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IGCT 的关断时间可达1～2μs；(4)在减薄硅片厚度的基础上，在芯片中集成了反向续流二极管，形成GCT，简化了电路结构所以采用IGCT 的牵引变流器结构比GTO 的牵引变流器要简单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，我国运输装备能力快速提升的高速列车和重在货运牵引变流器主要采用6500V/600A的 IGBT 器件并联工作。

2.2 电力电子器件对辅助系统的影响电牵引传动系统的辅助系统大多需要三相电源供电在电力电子器件得到应用之前，在单相交流供电的电力机车中，辅助系统电源大多采用异步旋转劈相机，把单向交流电变为三向交流电如韶山 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，辅助系统电源大多采用直流电动—— 同步发电机组来获得三相交流电如出口伊朗地铁列车的ZQD-14/TQF-14型辅助发电机组旋转劈相机在起动时，需要发电相进行分相起动劈相机在工作时，为了达到三相线电压的对称，必须在发电相和其中一个电动相之间并联电力电容器电容器的数量需随辅助系统的负载大小变化而变化另外， 三相输出电压的不平衡和频繁起动容易烧损旋转劈相机地铁车辆辅助发电机组中两电机同轴连接，占用空间大； 同时为了达到输出三相电压的稳定和频率的稳定，需要增加复杂的稳频稳压控制屏对于单相交流牵引供电的电力机车，辅助系统采用电力电子技术构成的静止劈相机所谓静止劈相机， 主要是采用单相相控整流桥获得基本稳定的直流电压，再通过一个三相逆变器变为所需的三相电压 国内最早应用的是1986 年开始进口的8K 电力机车， 当时采用的是GTO 逆变器。

也出现过另一种形式的静止劈相机它把单相交流电源看成两相，另一相交流电源通过两相整流和一个逆变桥臂的输出来获得对于直流牵引供电的地铁列车，辅助系统采用斩波器加逆变器的方法获得。