电力电子技术对电牵引传动系统发展的影响

修泽

摘 要 伴随电力电子技术发展步伐的加快，对电牵引传动系统发展带来较大影响。从当前电牵引传统系统中电力电子技术应用实际看，无论在稳压电源或主传动与辅助传动系统方面均取得理想效果，对促进传动系统性能优化、传动装置改进以及交流试验系统发展等均有一定作用。本次研究将对电力牵引系统做简单介绍，分析电力电子技术的应用及其影响。

【关键词】电牵引传动系统 电力电子技术 影响

电牵引传动系统近年来发展中，更注重能耗的控制与机车调节性能的提高，而该目标的实现很大程度上依赖电力电子技术。回顾电牵引传动系统发展历程，电力电子技术均扮演关键性角色。因此，本文对电牵引传动系统发展中电力电子技术的应用研究，具有十分重要的意义。

1 电力牵引系统相关概述

关于电力牵引系统，首次应用可追溯至1879年，由德国开通第一列电牵引传动车，尽管其功率仅保持为10kW，但载客量极高。随后在电力电子技术推动下，电牵引系统逐渐完善，如交直流电传动机车、硅整流器电传动系统动车等。我国在电力牵引系统应用方面，最初于1958年6Y1型电力机车的诞生，后经过不断完善，引入较多如级间晶闸管相空调压技术、逆变器开关器件等，电力牵引技术真正走入到交流传动时代中。

2 电牵引传动系统中电力电子技术的应用分析

2.1 主传动系统应用

电牵引系统中主传动系统的发展很大程度受电力电子技术影响，如许多电力电子器件引入后均使主传动系统性能发生一定变化，包括普通晶闸块、门极可关断晶闸管、快速晶闸管、大功率硅二极管、集成门极换流晶闸管与绝缘栅双极型晶体管等。以门极换流晶闸管IGCT为例，集成GCT器件与硬驱动电路，应用优势极为明显，表现为：

（1）优化设计门极封装结构、驱动单元，使阴极回路、门极回路内杂散电感降低；

（2）通态损耗控制，由N缓冲层穿过后将阳极结构穿透，降低硅片厚度，使器件通态损耗得到明显控制；

（3）电路结构优化，由于该器件将反响续流二极管集成于芯片内，使电路结构整体得到优化，即使与GTO比较，IGCT牵引变流器结构也较为简单。

2.2 辅助传动系统应用

电力电子技术未引入到电牵引传统系统辅助系统前，更倾向于以异步旋转劈相机作为系统电源，应用过程中要求采用分相起动方式，取电力电容器并联设置在电动相与发电相之间，辅助系统负载变化直接决定电容器数量的应用，且因三相输出电压不平衡，很可能导致器件被烧损。而在电力电子技术应用下，最初为改变旋转劈相机问题，引入静止劈相机，其优势在于借助三相逆变器保证三相电压的稳定。自90年代以后，IGBT逆变器器件逐渐被引入到辅助系统中，如该期间内600V至100V DC/DC变换器，极大程度上提升辅助系统应用性能。

2.3 电路稳压电源控制应用

电牵引传动系统中电力电子技术的应用，主要表现在大功率电子器件应用方面，许多直流稳压电源在辅助电路、控制电路中均极为常见。以地铁动车组为例，通过开关电源方式获取直流稳压电源，再如电力机车，晶闸管相控整流能够满足牵引变压器运行要求。尽管开关稳压电源是获取电压的主要方式，其相比辅助系统、主传动系统电路变流器，功率相差较多，但仍将电力电子技术的应用优势充分体现出来。

3 电牵引传动系统发展受电力电子技术影响分析

3.1 传动系统性能优化

电力电子技术推动下，使电牵引传动系统逐渐以交流传动取代原有的直流传动，极大程度上优化传动系统性能。从交流传动方式的优势看，主要表现为：

（1）运行性能突出，如异步电动机，有重量轻、体积小特点，持续功率较大，同时在起动力上较高，表现为静止状态下可实现满转矩，对于重载或复杂条件启动要求均能满足。另外，恒功率区宽优势较为明显，交流传动相比直流传动，恒功率区宽主要表现在最高、额定速度比值优化；

（2）节能效果明显，如对比内燃直流传动，在燃料节约效果上极为明显，且因机车效率、电机效率均提高，能够取得明显的节能效果；

（3）运营成本降低，由于交流传动下有明显的再生制动效果，且减少有触点电器，使易损部件数量得到控制，降低运营成本。

3.2 传动装置改进

电力电子技术发展下，强调在相关器件的性能与容量上不断提高，改进封装模式，加之单元模块化设计方法的应用，更能使传动装置得到改进。如器件性能、容量提高下，可简化主电路结构，以IGBT的应用为例，将主电路吸收电路省去，优化主电路结构。从封装模式改进看，因电牵引传动列车运行中需做制动、加速等，所以牵引变流器应适应不同工作电流的变化。而该目标的实现要求在器件封装形式上完善，如对器件铜基板以AISiC基板取代，使负载循环状态下不同构件间的焊接疲劳破坏问题得以解决。另外，技术发展背景下，逐渐提出功能单元模块化设计方法，针对以往电器运行中电磁干扰问题，要求在应用抗干扰措施的同时，辅以功能分离、功能分块方式，这些均可反映出功能模块化技术取得突破性的发展。

3.3 交流试验系统发展

电牵引传动系统中电力电子技术的发展极大程度上带动交流传动系统的发展。目前我国已完成多种类型交流试验系统的构建，如能量消耗式、能量反馈式，虽然系统运行中仍有一定的不足，但许多试验要求均可满足。有研究中也提及，在交流试验系统发展中，也可借助电力电子技术实现互馈式交流传动试验系统的构建，其构成以电动机、双逆变器为主，应用优势更加明显。此外，电力电子技术发展下所带来对影响也表现在器件发展层面，较多电传动系统器件类型已被引入，更有助于电牵引传动系统的整体优化。

4 结论

电力电子技术是电牵引传动系统发展的主要技术支撑。实际引入电力电子技术中，应正确认识电牵引传动系统发展历程，分析电力电子技术在其中的应用表现，包括主传动系统、辅助传动系统以及电路稳压电源控制等，充分利用其实现优化传动系统性能、改进装置等，使电牵引传动系统整体性能进一步提高。

参考文献

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作者单位

哈尔滨理工大学 山东省威海市 264300