電力電子技術在電力機車的運用

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摘要：本文通過分析電力電子技術的發展狀況，再結合電力電子技術在我國電力機車牽引電傳動系統中的應用情況，指出了寬禁帶半導體技術是今后從事電力電子技術研究的重要方向，并提出了繼續探究優化改型IGBT和SiC功率器件在電力機車上的應用研究，對促進我國電力機車的發展具有重大意義。

關鍵詞:電力電子技術；電力機車；牽引電傳動系統

隨著電力電子技術的快速發展，電力機車牽引電傳動系統發生了巨大的變化。20世紀中后期，采用交直傳動系統的韶山型電力機車在我國鐵路交通運輸中占主導地位，但隨著現代科學與技術的快速發展，采用交直交傳動系統的和諧系列電力機車，在生產實際中得到廣泛的應用，并逐漸取代了韶山型電力機車。在電力機車牽引電傳動系統的發展歷程中，電力電子技術承擔著舉足輕重的作用，因此，電力電子技術在電力機車牽引電傳動系統中的應用研究具有重要意義。

1電力電子技術的發展

1947年，第一只晶體管的研制成功，開創了半導體固態電子學，20世紀50年代功率半導體二極管的出現，提高了整流電路的效率。1957年美國通用電氣公司研制出第一只可控型電力電子器件———晶閘管，次年得以商業化，標志著對電能變換與控制的電力電子技術誕生。電力電子技術是一門新型技術，但是發展快速，其原因有兩個：一是：人類電氣化時代，電能在國民工業中的應用比重已成為衡量一個國家發展水平的重要指標，電力電子技術適應了當今世界人們對電能的巨大需求以及能源利用效率的不斷追求，利用電力電子技術可以實現交流到直流（AC/DC）、直流到交流（DC/AC）、交流到交流（AC/AC）、直流到直流（DC/DC）等多形式的能量變換，這為太陽能、風能等清潔能源的利用，高效的交流傳動，以及高壓直流輸電等各領域的應用打開了廣闊的前景。二是：電力電子器件的發展極大地擴展了電力電子技術應用的功率范圍，微處理器的出現實現了控制數字化，快速推進了電力電子技術的應用發展。1.1傳統電力電子技術。晶閘管的發明擴展了半導體器件的功率控制范圍，在二十世紀60年代得到快速推廣，主要應用于大功率整流器。二十世紀60年代普遍較大功率的工業用電由工頻交流發電機產生，其中有近20%的電力是給直流用電負載使用，而大功率硅整流器實現了將工頻交流電轉換成直流電。晶閘管具有體積小、功耗小、效率高、可控等特點，用它構成的變流裝置具有壽命長、易維護等優點。因此，晶閘管的開發與應用在上世紀六、七十年代得到了快速發展。由于晶閘管的關斷不可控，需要依靠外加電路或外加反向電壓來實現關斷，這就限制了晶閘管的應用。隨著科技的發展，多種多樣的負載不斷涌現，對需求的電能提出了更高的要求，在二十世紀70年代，全控型器件出現了，并逐漸占據主導地位，如快速晶閘管、門極可關斷晶閘管。全控型器件具有自身可關斷性能和較高開關速度，在整流、逆變、斬波、變頻電路中得到了廣泛應用，電力電子技術得到突飛猛進的發展。但是快速晶閘管、門極可關斷晶閘管工作頻率不高，只能在中低頻的范圍內應用。1.2現代化電力電子技術。20世紀80年代初期，大功率絕緣柵雙極晶體管（IGBT）的出現把電力電子技術的應用帶入高頻及中大功率領域。IGBT具有較高綜合性能，開關頻率方面，一般可達10kHz至20kHz，小功率的甚至高達100kHz；電壓等級方面，最高電壓已達到6500V，該電壓下的電流可達750A，1700V電壓等級的電流可達2400A；溫度方面，最高可達175℃。開關器件的高頻化也促進了電感器件體積的成倍縮小。大中型功率高頻IGBT的發展持續促進著電力電子設備朝輕重量、小體積、高效能方面發展，再結合日益進步的微處理芯片技術，現代電力電子技術已實現了全控化、集成化、高頻化、控制技術數字化和電路形式弱電化，應用場合越來越廣泛。由于負載對供電電能的質量要求越來越高，科研工作者還在不斷進行IGBT改型研究。經過多年應用發展Si器件為基礎的電力電子技術相當成熟，Si器件在開關頻率、通態壓降以及結溫等性能指標上難以繼續提升，發展空間較小。新一代寬禁帶半導體材料（如碳化硅）的電力電子器件具有比硅器件高得多的耐受高電壓的能力、低得多的通態電阻、更好的導熱性能和熱穩定性以及更強的耐受高溫和射線輻射的能力等。當前寬禁帶半導體器件的發展一直受制于材料的提煉、制造以及半導體的制造工藝水平，尚處于起步階段。目前，我國在應用寬禁帶半導體方面也進行了初步的研究。寬禁帶半導體在照明中應用已形成一定規模，2017年我國氮化物半導體照明產業的產值突飛猛進，突破了5000億。同時，微波毫米波器件已開始應用于通訊、衛星通信、對抗、雷達等領域。未來，寬禁帶半導體將在新能源汽車、電力轉換等行業有著越來越廣泛的應用。由此可見，寬禁帶半導體技術是我們從事電力電子技術研究的一個重要方面。

2電力電子技術在我國電力機車牽引電傳動系統中的應用

我國電力機車牽引電傳動系統的發展是一個持續改進、不斷進步的過程。隨著電力電子技術的不斷更新換代，我國電力機車牽引電傳動系統主要經歷兩個階段，依次為交直傳動系統和交直交傳動系統。2.1在交直傳動電力機車中的應用。株洲電力機車廠于1958年試制成功6Y1電力機車，這是我國第1臺電力機車。1968年，株洲電力機車廠成功研制SS1型電力機車。SS1型電力機車采用了有極調壓、交直傳動系統，從此我國電力機車電傳動技術進入到交直傳動時期。隨著晶閘管的問世，電力機車傳動系統上升了一個新的臺階，1978年株洲電力機車廠和電力機車研究所合作研制成功SS3型電力機車，此機車采用晶閘管級間相控調壓與牽引變壓器低壓側調壓開關分級相結合的平滑調壓調速技術，因此該機車調速性能得到極大的改善，標志著我國電力機車牽引電傳動系統進入相控無極調壓的時期。我國于1985年成功開發的SS4型機車，此機車采用相控無級調壓、交直傳動，是我國相控機車的典型代表，意味著我國相控技術成熟應用到機車電傳動領域，與后續開發的SS5、SS6、SS7、SS8及SS9型電力機車等一起組成了系列電力機車。此系列機車采用相控整流調壓、交直傳動系統，標志我國交直傳動系統電力機車已達到相當成熟的時期。2.2在交直交傳動電力機車中的應用。隨著新型電力電子器件應用及控制技術不斷創新，我國電力機車經歷技術探索、消化吸收、自主開發等幾個階段，完成了多種交流傳動電牽引傳動系統的開發，如大功率GTO牽引變流器、IGBT牽引變流器。1995年，我國完成了第一臺1000kW交直交傳動地面試驗系統的核心部件變流器的研制，其采用了門極可關斷晶閘管，為我國交流傳動機車的研制提供了技術準備。2001年株洲電力機車研究所與株洲電力機車廠研制成功我國第一種擁有自主知識產權的交流傳動電力機車———“奧星”號客運電力機車，采用我國自主研制的GTO水冷牽引變流器。IGBT自1982年問世起經歷了30年的不斷升級與優化，在高耐壓、大電流、低飽和壓降、高頻化及可靠性等方面得到了很大提升，電力機車交流傳動系統性能及可靠性隨之也得到極大提升。在軌道交通領域，IGBT已逐步取代GTO。IGBT在我國和諧系列電力機車的應用實現了多頻率的交流電牽引驅動，實現了鐵路機車牽引動力的優化升級。由于和諧系列電力機車牽引變流器采用PWM技術，其功率因數接近于1.0，明顯高于韶山型電力機車。PWM技術在和諧電力機車的牽引電傳動系統中的應用大幅度地減少了變流器諧波電流對電網的污染，使接觸網的供電品質更好，優化鐵路機車牽引與制動之間的關系。由于SiC功率器件發明，SiC功率器件在電力機車牽引電傳動系統的應用研究越來越受到重視。研究表明：與傳統硅基功率器件相比，SiC功率器件提升系統多方面性能，如體積和重量的改善，提高系統整體性能；系統諧波的改善，提升系統效率。

3結語

電力電子技術與電力機車牽引電傳動系統關系密切，兩者是相互支撐和相互促進的協同關系。電力電子器件的發展支撐著機車牽引電傳動新技術的應用，同時，電力機車牽引電傳動技術會促進IGBT的優化與新型半導體器件的開發。與硅基半導體相比，寬禁帶半導體具有高耐壓、低通態電阻、更好的導熱性能和熱穩定性等。但是，寬禁帶半導體器件的材料的提煉、制造以及半導體制造工藝的困難，寬禁帶半導體的開發是亟待解決的問題。由于電力機車技術的不斷發展，電力機車牽引電傳動系統在大容量、高頻化、集成化等方面提出了更高的要求，這也將大力推動電力電子器件快速發展。優化改型IGBT和SiC功率器件在電力機車上的應用研究是未來研究的趨勢。

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作者:譚香玲 張驍 陳清化 顏毅斌 單位:湖南鐵路科技職業技術學院