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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
2、传动Abstract: Starting at beginning of the seventies of the last century the three-phase ac drive technology was developed from Thyristor Technology to GTO technology .With its high maturity three-phase ac drive technology has become the standard for practically all new vehicles .During the last years
3、 the replacement of GTO-Thyristors by IGBTs (insulated gate bipolar transistor) was carried out as another important technology change. Now as the last step this technology change also covers the high power applications. The new class 189 four-systems locomotive of German Rail (DB AG) forms the lead
4、ing application for this innovation in the high power range. Electric traction technologies in China continue to introduce and absorb advanced foreign technology, independent innovation, have also made great progress.Key words: Electric traction drive thyristor GTO technology IGBT technology IGCT te
5、chnology DC-DC drive technology AC-DC drive technology AC-DC-AC drive technology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SS 1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
6、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
7、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（W R ）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
8、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ICE 1 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），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2500V GTO 的基础上，BBC（瑞士）公司开发了首台1400V中间直流环节电压
9、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4 500 V/3 000 A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ICE 1 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（1
10、992年）使用了西门子和庞巴迪公司开发的用4.5 kV GTO 的中间直流环节电压为2800 V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4.5 kV元件、2800 V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6.5kV GTO 元件的变流器直接用于3 kV 直流电网。但相对日益成熟的6.5kV IGBT 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、
11、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-15 V。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。变流器中所有GU 共用的电源为GU 提供48V、16 kHz 矩形电压，功率约为30 W。GU中的电位是隔离的（试验电压11kV）。最大反向电压为4 500V、最大关断电流为3000 A或
12、4000 A的标准GTO平板元件，其硅片和接触直径为75 mm 或85 mm （外壳直径为108mm或120mm）必须用约4 t 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A I N 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500 A/us ,用无感的电容电路将关断后的电压上升率限制为500 V/us,以便GTO 重复峰值电压不超过其耐压值,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
13、小导通和关断时间的数量级为50-200 us。 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。IGB
14、T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4 V。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去饱和，电压远大于4 V，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
15、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。1700 V （用于750 V 的轻载近郊运输车辆）、3300 V（用于至1500 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。
16、对4500V 电压等级（中间直流环节电压2800 V），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10 W）。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
