電力電子技術對電牽引傳動系統發展的影響

修澤

摘 要 伴隨電力電子技術發展步伐的加快，對電牽引傳動系統發展帶來較大影響。從當前電牽引傳統系統中電力電子技術應用實際看，無論在穩壓電源或主傳動與輔助傳動系統方面均取得理想效果，對促進傳動系統性能優化、傳動裝置改進以及交流試驗系統發展等均有一定作用。本次研究將對電力牽引系統做簡單介紹，分析電力電子技術的應用及其影響。

【關鍵詞】電牽引傳動系統 電力電子技術 影響

電牽引傳動系統近年來發展中，更注重能耗的控制與機車調節性能的提高，而該目標的實現很大程度上依賴電力電子技術。回顧電牽引傳動系統發展歷程，電力電子技術均扮演關鍵性角色。因此，本文對電牽引傳動系統發展中電力電子技術的應用研究，具有十分重要的意義。

1 電力牽引系統相關概述

關于電力牽引系統，首次應用可追溯至1879年，由德國開通第一列電牽引傳動車，盡管其功率僅保持為10kW，但載客量極高。隨后在電力電子技術推動下，電牽引系統逐漸完善，如交直流電傳動機車、硅整流器電傳動系統動車等。我國在電力牽引系統應用方面，最初于1958年6Y1型電力機車的誕生，后經過不斷完善，引入較多如級間晶閘管相空調壓技術、逆變器開關器件等，電力牽引技術真正走入到交流傳動時代中。

2 電牽引傳動系統中電力電子技術的應用分析

2.1 主傳動系統應用

電牽引系統中主傳動系統的發展很大程度受電力電子技術影響，如許多電力電子器件引入后均使主傳動系統性能發生一定變化，包括普通晶閘塊、門極可關斷晶閘管、快速晶閘管、大功率硅二極管、集成門極換流晶閘管與絕緣柵雙極型晶體管等。以門極換流晶閘管IGCT為例，集成GCT器件與硬驅動電路，應用優勢極為明顯，表現為：

（1）優化設計門極封裝結構、驅動單元，使陰極回路、門極回路內雜散電感降低；

（2）通態損耗控制，由N緩沖層穿過后將陽極結構穿透，降低硅片厚度，使器件通態損耗得到明顯控制；

（3）電路結構優化，由于該器件將反響續流二極管集成于芯片內，使電路結構整體得到優化，即使與GTO比較，IGCT牽引變流器結構也較為簡單。

2.2 輔助傳動系統應用

電力電子技術未引入到電牽引傳統系統輔助系統前，更傾向于以異步旋轉劈相機作為系統電源，應用過程中要求采用分相起動方式，取電力電容器并聯設置在電動相與發電相之間，輔助系統負載變化直接決定電容器數量的應用，且因三相輸出電壓不平衡，很可能導致器件被燒損。而在電力電子技術應用下，最初為改變旋轉劈相機問題，引入靜止劈相機，其優勢在于借助三相逆變器保證三相電壓的穩定。自90年代以后，IGBT逆變器器件逐漸被引入到輔助系統中，如該期間內600V至100V DC/DC變換器，極大程度上提升輔助系統應用性能。

2.3 電路穩壓電源控制應用

電牽引傳動系統中電力電子技術的應用，主要表現在大功率電子器件應用方面，許多直流穩壓電源在輔助電路、控制電路中均極為常見。以地鐵動車組為例，通過開關電源方式獲取直流穩壓電源，再如電力機車，晶閘管相控整流能夠滿足牽引變壓器運行要求。盡管開關穩壓電源是獲取電壓的主要方式，其相比輔助系統、主傳動系統電路變流器，功率相差較多，但仍將電力電子技術的應用優勢充分體現出來。

3 電牽引傳動系統發展受電力電子技術影響分析

3.1 傳動系統性能優化

電力電子技術推動下，使電牽引傳動系統逐漸以交流傳動取代原有的直流傳動，極大程度上優化傳動系統性能。從交流傳動方式的優勢看，主要表現為：

（1）運行性能突出，如異步電動機，有重量輕、體積小特點，持續功率較大，同時在起動力上較高，表現為靜止狀態下可實現滿轉矩，對于重載或復雜條件啟動要求均能滿足。另外，恒功率區寬優勢較為明顯，交流傳動相比直流傳動，恒功率區寬主要表現在最高、額定速度比值優化；

（2）節能效果明顯，如對比內燃直流傳動，在燃料節約效果上極為明顯，且因機車效率、電機效率均提高，能夠取得明顯的節能效果；

（3）運營成本降低，由于交流傳動下有明顯的再生制動效果，且減少有觸點電器，使易損部件數量得到控制，降低運營成本。

3.2 傳動裝置改進

電力電子技術發展下，強調在相關器件的性能與容量上不斷提高，改進封裝模式，加之單元模塊化設計方法的應用，更能使傳動裝置得到改進。如器件性能、容量提高下，可簡化主電路結構，以IGBT的應用為例，將主電路吸收電路省去，優化主電路結構。從封裝模式改進看，因電牽引傳動列車運行中需做制動、加速等，所以牽引變流器應適應不同工作電流的變化。而該目標的實現要求在器件封裝形式上完善，如對器件銅基板以AISiC基板取代，使負載循環狀態下不同構件間的焊接疲勞破壞問題得以解決。另外，技術發展背景下，逐漸提出功能單元模塊化設計方法，針對以往電器運行中電磁干擾問題，要求在應用抗干擾措施的同時，輔以功能分離、功能分塊方式，這些均可反映出功能模塊化技術取得突破性的發展。

3.3 交流試驗系統發展

電牽引傳動系統中電力電子技術的發展極大程度上帶動交流傳動系統的發展。目前我國已完成多種類型交流試驗系統的構建，如能量消耗式、能量反饋式，雖然系統運行中仍有一定的不足，但許多試驗要求均可滿足。有研究中也提及，在交流試驗系統發展中，也可借助電力電子技術實現互饋式交流傳動試驗系統的構建，其構成以電動機、雙逆變器為主，應用優勢更加明顯。此外，電力電子技術發展下所帶來對影響也表現在器件發展層面，較多電傳動系統器件類型已被引入，更有助于電牽引傳動系統的整體優化。

4 結論

電力電子技術是電牽引傳動系統發展的主要技術支撐。實際引入電力電子技術中，應正確認識電牽引傳動系統發展歷程，分析電力電子技術在其中的應用表現，包括主傳動系統、輔助傳動系統以及電路穩壓電源控制等，充分利用其實現優化傳動系統性能、改進裝置等，使電牽引傳動系統整體性能進一步提高。

參考文獻

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作者單位

哈爾濱理工大學 山東省威海市 264300