電力電子技術(shù)在電力機(jī)車的運(yùn)用

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摘要：本文通過分析電力電子技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，再結(jié)合電力電子技術(shù)在我國(guó)電力機(jī)車牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用情況，指出了寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)是今后從事電力電子技術(shù)研究的重要方向，并提出了繼續(xù)探究?jī)?yōu)化改型IGBT和SiC功率器件在電力機(jī)車上的應(yīng)用研究，對(duì)促進(jìn)我國(guó)電力機(jī)車的發(fā)展具有重大意義。

關(guān)鍵詞:電力電子技術(shù)；電力機(jī)車；牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)

隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，電力機(jī)車牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生了巨大的變化。20世紀(jì)中后期，采用交直傳動(dòng)系統(tǒng)的韶山型電力機(jī)車在我國(guó)鐵路交通運(yùn)輸中占主導(dǎo)地位，但隨著現(xiàn)代科學(xué)與技術(shù)的快速發(fā)展，采用交直交傳動(dòng)系統(tǒng)的和諧系列電力機(jī)車，在生產(chǎn)實(shí)際中得到廣泛的應(yīng)用，并逐漸取代了韶山型電力機(jī)車。在電力機(jī)車牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展歷程中，電力電子技術(shù)承擔(dān)著舉足輕重的作用，因此，電力電子技術(shù)在電力機(jī)車牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究具有重要意義。

1電力電子技術(shù)的發(fā)展

1947年，第一只晶體管的研制成功，開創(chuàng)了半導(dǎo)體固態(tài)電子學(xué)，20世紀(jì)50年代功率半導(dǎo)體二極管的出現(xiàn)，提高了整流電路的效率。1957年美國(guó)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(yè)化，標(biāo)志著對(duì)電能變換與控制的電力電子技術(shù)誕生。電力電子技術(shù)是一門新型技術(shù)，但是發(fā)展快速，其原因有兩個(gè)：一是：人類電氣化時(shí)代，電能在國(guó)民工業(yè)中的應(yīng)用比重已成為衡量一個(gè)國(guó)家發(fā)展水平的重要指標(biāo)，電力電子技術(shù)適應(yīng)了當(dāng)今世界人們對(duì)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(shù)可以實(shí)現(xiàn)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(fēng)能等清潔能源的利用，高效的交流傳動(dòng)，以及高壓直流輸電等各領(lǐng)域的應(yīng)用打開了廣闊的前景。二是：電力電子器件的發(fā)展極大地?cái)U(kuò)展了電力電子技術(shù)應(yīng)用的功率范圍，微處理器的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了控制數(shù)字化，快速推進(jìn)了電力電子技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展。1.1傳統(tǒng)電力電子技術(shù)。晶閘管的發(fā)明擴(kuò)展了半導(dǎo)體器件的功率控制范圍，在二十世紀(jì)60年代得到快速推廣，主要應(yīng)用于大功率整流器。二十世紀(jì)60年代普遍較大功率的工業(yè)用電由工頻交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生，其中有近20%的電力是給直流用電負(fù)載使用，而大功率硅整流器實(shí)現(xiàn)了將工頻交流電轉(zhuǎn)換成直流電。晶閘管具有體積小、功耗小、效率高、可控等特點(diǎn)，用它構(gòu)成的變流裝置具有壽命長(zhǎng)、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。因此，晶閘管的開發(fā)與應(yīng)用在上世紀(jì)六、七十年代得到了快速發(fā)展。由于晶閘管的關(guān)斷不可控，需要依靠外加電路或外加反向電壓來實(shí)現(xiàn)關(guān)斷，這就限制了晶閘管的應(yīng)用。隨著科技的發(fā)展，多種多樣的負(fù)載不斷涌現(xiàn)，對(duì)需求的電能提出了更高的要求，在二十世紀(jì)70年代，全控型器件出現(xiàn)了，并逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，如快速晶閘管、門極可關(guān)斷晶閘管。全控型器件具有自身可關(guān)斷性能和較高開關(guān)速度，在整流、逆變、斬波、變頻電路中得到了廣泛應(yīng)用，電力電子技術(shù)得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展。但是快速晶閘管、門極可關(guān)斷晶閘管工作頻率不高，只能在中低頻的范圍內(nèi)應(yīng)用。1.2現(xiàn)代化電力電子技術(shù)。20世紀(jì)80年代初期，大功率絕緣柵雙極晶體管（IGBT）的出現(xiàn)把電力電子技術(shù)的應(yīng)用帶入高頻及中大功率領(lǐng)域。IGBT具有較高綜合性能，開關(guān)頻率方面，一般可達(dá)10kHz至20kHz，小功率的甚至高達(dá)100kHz；電壓等級(jí)方面，最高電壓已達(dá)到6500V，該電壓下的電流可達(dá)750A，1700V電壓等級(jí)的電流可達(dá)2400A；溫度方面，最高可達(dá)175℃。開關(guān)器件的高頻化也促進(jìn)了電感器件體積的成倍縮小。大中型功率高頻IGBT的發(fā)展持續(xù)促進(jìn)著電力電子設(shè)備朝輕重量、小體積、高效能方面發(fā)展，再結(jié)合日益進(jìn)步的微處理芯片技術(shù)，現(xiàn)代電力電子技術(shù)已實(shí)現(xiàn)了全控化、集成化、高頻化、控制技術(shù)數(shù)字化和電路形式弱電化，應(yīng)用場(chǎng)合越來越廣泛。由于負(fù)載對(duì)供電電能的質(zhì)量要求越來越高，科研工作者還在不斷進(jìn)行IGBT改型研究。經(jīng)過多年應(yīng)用發(fā)展Si器件為基礎(chǔ)的電力電子技術(shù)相當(dāng)成熟，Si器件在開關(guān)頻率、通態(tài)壓降以及結(jié)溫等性能指標(biāo)上難以繼續(xù)提升，發(fā)展空間較小。新一代寬禁帶半導(dǎo)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(tài)電阻、更好的導(dǎo)熱性能和熱穩(wěn)定性以及更強(qiáng)的耐受高溫和射線輻射的能力等。當(dāng)前寬禁帶半導(dǎo)體器件的發(fā)展一直受制于材料的提煉、制造以及半導(dǎo)體的制造工藝水平，尚處于起步階段。目前，我國(guó)在應(yīng)用寬禁帶半導(dǎo)體方面也進(jìn)行了初步的研究。寬禁帶半導(dǎo)體在照明中應(yīng)用已形成一定規(guī)模，2017年我國(guó)氮化物半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值突飛猛進(jìn)，突破了5000億。同時(shí)，微波毫米波器件已開始應(yīng)用于通訊、衛(wèi)星通信、對(duì)抗、雷達(dá)等領(lǐng)域。未來，寬禁帶半導(dǎo)體將在新能源汽車、電力轉(zhuǎn)換等行業(yè)有著越來越廣泛的應(yīng)用。由此可見，寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)是我們從事電力電子技術(shù)研究的一個(gè)重要方面。

2電力電子技術(shù)在我國(guó)電力機(jī)車牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用

我國(guó)電力機(jī)車牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展是一個(gè)持續(xù)改進(jìn)、不斷進(jìn)步的過程。隨著電力電子技術(shù)的不斷更新?lián)Q代，我國(guó)電力機(jī)車牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)主要經(jīng)歷兩個(gè)階段，依次為交直傳動(dòng)系統(tǒng)和交直交傳動(dòng)系統(tǒng)。2.1在交直傳動(dòng)電力機(jī)車中的應(yīng)用。株洲電力機(jī)車廠于1958年試制成功6Y1電力機(jī)車，這是我國(guó)第1臺(tái)電力機(jī)車。1968年，株洲電力機(jī)車廠成功研制SS1型電力機(jī)車。SS1型電力機(jī)車采用了有極調(diào)壓、交直傳動(dòng)系統(tǒng)，從此我國(guó)電力機(jī)車電傳動(dòng)技術(shù)進(jìn)入到交直傳動(dòng)時(shí)期。隨著晶閘管的問世，電力機(jī)車傳動(dòng)系統(tǒng)上升了一個(gè)新的臺(tái)階，1978年株洲電力機(jī)車廠和電力機(jī)車研究所合作研制成功SS3型電力機(jī)車，此機(jī)車采用晶閘管級(jí)間相控調(diào)壓與牽引變壓器低壓側(cè)調(diào)壓開關(guān)分級(jí)相結(jié)合的平滑調(diào)壓調(diào)速技術(shù)，因此該機(jī)車調(diào)速性能得到極大的改善，標(biāo)志著我國(guó)電力機(jī)車牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)入相控?zé)o極調(diào)壓的時(shí)期。我國(guó)于1985年成功開發(fā)的SS4型機(jī)車，此機(jī)車采用相控?zé)o級(jí)調(diào)壓、交直傳動(dòng)，是我國(guó)相控機(jī)車的典型代表，意味著我國(guó)相控技術(shù)成熟應(yīng)用到機(jī)車電傳動(dòng)領(lǐng)域，與后續(xù)開發(fā)的SS5、SS6、SS7、SS8及SS9型電力機(jī)車等一起組成了系列電力機(jī)車。此系列機(jī)車采用相控整流調(diào)壓、交直傳動(dòng)系統(tǒng)，標(biāo)志我國(guó)交直傳動(dòng)系統(tǒng)電力機(jī)車已達(dá)到相當(dāng)成熟的時(shí)期。2.2在交直交傳動(dòng)電力機(jī)車中的應(yīng)用。隨著新型電力電子器件應(yīng)用及控制技術(shù)不斷創(chuàng)新，我國(guó)電力機(jī)車經(jīng)歷技術(shù)探索、消化吸收、自主開發(fā)等幾個(gè)階段，完成了多種交流傳動(dòng)電牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的開發(fā)，如大功率GTO牽引變流器、IGBT牽引變流器。1995年，我國(guó)完成了第一臺(tái)1000kW交直交傳動(dòng)地面試驗(yàn)系統(tǒng)的核心部件變流器的研制，其采用了門極可關(guān)斷晶閘管，為我國(guó)交流傳動(dòng)機(jī)車的研制提供了技術(shù)準(zhǔn)備。2001年株洲電力機(jī)車研究所與株洲電力機(jī)車廠研制成功我國(guó)第一種擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的交流傳動(dòng)電力機(jī)車———“奧星”號(hào)客運(yùn)電力機(jī)車，采用我國(guó)自主研制的GTO水冷牽引變流器。IGBT自1982年問世起經(jīng)歷了30年的不斷升級(jí)與優(yōu)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(jī)車交流傳動(dòng)系統(tǒng)性能及可靠性隨之也得到極大提升。在軌道交通領(lǐng)域，IGBT已逐步取代GTO。IGBT在我國(guó)和諧系列電力機(jī)車的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了多頻率的交流電牽引驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了鐵路機(jī)車牽引動(dòng)力的優(yōu)化升級(jí)。由于和諧系列電力機(jī)車牽引變流器采用PWM技術(shù)，其功率因數(shù)接近于1.0，明顯高于韶山型電力機(jī)車。PWM技術(shù)在和諧電力機(jī)車的牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用大幅度地減少了變流器諧波電流對(duì)電網(wǎng)的污染，使接觸網(wǎng)的供電品質(zhì)更好，優(yōu)化鐵路機(jī)車牽引與制動(dòng)之間的關(guān)系。由于SiC功率器件發(fā)明，SiC功率器件在電力機(jī)車牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用研究越來越受到重視。研究表明：與傳統(tǒng)硅基功率器件相比，SiC功率器件提升系統(tǒng)多方面性能，如體積和重量的改善，提高系統(tǒng)整體性能；系統(tǒng)諧波的改善，提升系統(tǒng)效率。

3結(jié)語

電力電子技術(shù)與電力機(jī)車牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)關(guān)系密切，兩者是相互支撐和相互促進(jìn)的協(xié)同關(guān)系。電力電子器件的發(fā)展支撐著機(jī)車牽引電傳動(dòng)新技術(shù)的應(yīng)用，同時(shí)，電力機(jī)車牽引電傳動(dòng)技術(shù)會(huì)促進(jìn)IGBT的優(yōu)化與新型半導(dǎo)體器件的開發(fā)。與硅基半導(dǎo)體相比，寬禁帶半導(dǎo)體具有高耐壓、低通態(tài)電阻、更好的導(dǎo)熱性能和熱穩(wěn)定性等。但是，寬禁帶半導(dǎo)體器件的材料的提煉、制造以及半導(dǎo)體制造工藝的困難，寬禁帶半導(dǎo)體的開發(fā)是亟待解決的問題。由于電力機(jī)車技術(shù)的不斷發(fā)展，電力機(jī)車牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)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(dòng)電力電子器件快速發(fā)展。優(yōu)化改型IGBT和SiC功率器件在電力機(jī)車上的應(yīng)用研究是未來研究的趨勢(shì)。

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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(yè)技術(shù)學(xué)院