电力电子应用技术论文--电力电子器件的应用对电传动技术发展的影响

电力电子应用技术论文班级：电气XXX姓名：XXX学号：XXX指导老师：王琛琛电力电子器件的应用对电传动技术发展的影响XXX(北京交通大学电气工程学院2010级，北京100044)摘要本文将电传动技术中牵引电机有级调压交直传动技术向无级调压交直传动技术的发展，最后到交直交传动技术的促进式发展，联系于电力电子器件中不可控型、半控型、全控型的逐步发展及其各类型淘汰的缺点和更新的性能，结合相关国内外电力机车的传动方式的主要特点分析比较电传动技术各阶段更新的优点，剖析出它们与电力电子器件的进步之间的关系，阐述电力电子器件的应用对电传动技术发展变革的影响。关键词电力电子器件电传动技术国内外电力机车SCRGTOIGBTAbstractThispapersummarizesthepromoteddevelopmentoftheelectricaldrivetechnologies,mainlytheAC-DCdrivetechnologyinthetractionmotorsbasedonasteporasteplessvoltageregulation,andfinallytothefacilitatedadvanceoftheAC-DC-ACdrivetechnology.Itisrelatedtothedevelopmentofthepowersemiconductordevicesclassifiedbyuncontrolledtype,half-controlledtype,andfull-controlledtype,andtheirobsoletedefectsandupdateperformance.Combinedwiththemaincharacteristicsofrelevantdomesticandinternationalelectriclocomotives,thispaperanalysesandcomparestheupdatesindifferentstagesoftheelectricaldrivetechnologies,andwhichtherelationshipbetweentheprogressofpowersemiconductordevices,emphaticallytoillustratetheimpactsoftheapplicationsofpowersemiconductordevicestotheelectricaldrivetechnologies`changes.KeywordsPowersemiconductordeviceElectricaldrivetechnologyDomesticandinternationalelectriclocomotiveSCRGTOIGBT前言电力电子器件，开始于不可控的功率二极管，然后到半控的晶闸管SCR，最后是全控的GTO、IGBT。经过一次次的更新换代，电力电子器件朝着更高电压、更大功率、更强性能的趋势发展。电力电子器件被广泛应用于电力机车电传动技术中，可以说，电传动技术的进步无不是电力电子器件应用于铁路牵引领域后所促成的。电传动技术是电力牵引技术的核心，其发展经历直直传动、交直传动（有级调压、无级调压）、交直交传动阶段，发展目标一直是致力于改善机车牵引和电气制动性能，降低运营成本，提高运用可靠性。电传动技术的基本任务是通过机电能量转换，调节传动装置速度并控制其位置，其本质是给不同类型的电动机提供相应的电能，使电动机在合理的工况和特定条件下实现电能与机械能的转换。因此，电传动技术的性能主要取决于电机和变流系统的性能。电力电子器件在电力机车控制电路、主变流器、主逆变器、辅助电路等方面的应用，使机车在电能的获取和转换性能不断提升，促进电传动技术的成熟。在现在电力牵引技术中，IGBT等全控型大功率电力电子器件的应用确立了现代交流电传动技术的优势，使电力机车尤其是干线铁路机车的电传动技术发生了根本性变革。图1表示电力电子器件在电传动技术中的核心作用。图1正文1．晶闸管的应用促进调压方式从有级向无级的转变电力电子器件是一系列用于电气设备的能承受高电压、大电流的功率半导体电子器件的总称，根据其可控程度可分为不可控型、半控型和全控型。最早的电力电子器件可以追溯到上世纪中期，美国人发明的基于半导体功率二极管的硅整流器，用于交直整流电路中[1]。而在不久后，电力电子技术在电力机车主传动系统上开始应用，主要是半导体功率整流二极管在调压系统和变流器上的应用，这类电力机车运用的是低压测有触点有级调压技术，主变流器采用中抽式全波整流电路，如高速列车的起点日本0系列机车，和我国研制的SS1型电力机车[2]，其调压系统的主电路中和主变流器的整流元件都是应用功率二极管，起到整流和续流作用。为了获得可变的直流电压以满足机车调速的需要，通过有触头调压开关来分级改变整流电流输入侧牵引变压器绕组匝比来实现。20世纪70年代开始的10多年里，与基于半导体功率二极管的硅整流器相比，出现了新一代电力电子器件——晶闸管(SCR)，它的效率高、结构可靠、体积小、无噪音、无磨耗的性能[3]，使之在变流技术领域占主导地位。于此同时，随着机车运行的稳定性、可靠性要求不断增强，有级调压逐渐暴露出缺点：电动机端电压间断地调节，造成电流波动大，影响电机运行。正是SCR在电传动技术的应用，使机车电传动技术跨上了一个新台阶，进入到相控无级调压阶段。如下是二极管整流与晶闸管整流的比较。如图2为二极管桥式整流电路，对于一个输入电压SV，对应一个整流输出直流电压0.9dsVV图2晶闸管较于功率二极管的优势就是可以通过触发控制晶闸管的开通。如图3为晶闸管桥式全控整流电路，对于一个输入电压，通过控制SCR触发角180~0可以调节整流输出直流电压0.9cosdsVV图3这样的性能应用在电力机车调压技术上，如日本新干线100系列，我国研制的SS3型机车，通过改变SCR的触发导通角来改变输出的直流电压，达到平滑调压调速的效果，使机车获得良好的调速性能。无级调压在晶闸管的应用下优点凸现[2]：1)实现端电压平滑调节，减少电流冲击2)获得机车工作范围内的任意牵引力和速度3)更好地利用了机车的惯性和粘着力4)取代了笨重的有触点式调压开关进入70年代，大功率晶闸管性能的提高，加上不对称触发、多段桥顺序控制等“经济多段”可控硅相控技术的成熟应用，如日本新干线200系列，我国引进的6G、6K、8K机车及自制的SS4至SS9型机车[2]。其中6G采用2段桥，SS4改采用3段桥，SS4采用“经济4段桥”，其机车的功率因数μ随着段数的增加而增大（如图4所示）。图4电机端电压可以获得大范围的无级调节，从而实现了电力机车的无级调速，进一步提高了机车功率因数，减小了谐波等效干扰电流，装置的可靠性也有所加强，形成晶闸管相控调压、交直传动的典型系列产品。2．GTO的应用为交直交电传动技术奠定基础到了70年代末，虽然以SCR为核心的电力电子器件已经发展到相当成熟的阶段，但在实际中却存在两个制约其继续发展的致命因素。一是控制功能上的欠缺,因为通过门极只能控制其开通而不能控制其关断，属于半控型器件。二是此类器件立足于分立元件结构，开通损耗大，工作频率难以提高，一般情况下难以高于400Hz，大大地限制了其应用范围。因此那些小功率、低频、半控型器件的应用开始向超大功率、高频、全控型器件的应用过渡。随着电力电子技术理论研究和制造工艺水平的不断提高，电力电子器件在容量和类型等方面得到了很大发展，电力电子技术获得又一次飞跃，最早出现的就是GTO——门极可关断晶闸管，标志着电力电子器件已经从半控型器件发展到全控型新一代电力电子器件。交通运输的载重量及速度的要求不断扩大，对电力机车的要求也越来越高，交直传动在干线铁路机车上的控制逐渐显出缺陷，特别是直流电机的牵引不再满足。于是进入80年代，电力机车牵引电机开始向交流电机发展。GTO是一种高电压、大电流双极型全控型器件，继承了普通晶闸管通态压降比较小的优点，它与普通晶闸管的最大区别是可以通过向门极施加负脉冲电流进行关断。在中大容量变流设备中，GTO晶闸管具有较大优势，特别是在机车牵引、交流电机调速等领域被广泛推广应用。GTO结合PWM技术，可实现变压变频和能量双向流动的性能，这就使异步交流电机在电力机车上的应用成为现实[4]。交流电机与直流电机相比有很多优点，其中主要有：1)功率因数很接近1且输入电流近似为正弦,电机近似为一电阻负载，产生的电磁干扰小；2)无需换向器，结构简单，体积较小，制造方便，比较牢固，易于散热和冷却，维修工作量少；3)容易做成高转速、高电压、大电流、大容量的电机，功率的覆盖范围很大，从几瓦到几十万千瓦、甚至上百万千瓦，符合电力机车高速、大载重的发展要求。这时候出现了一种性能更高的电传动技术交直交传动（交流发电机或交流供电——硅整流——逆变器——交流电动机），即所谓的交流传动，很自然地逐步取代了交直传动。这种技术进步，无不是电力电子器件应用于电传动技术后所促成的。GTO通过十几年的发展，电流及电压均达到几千的数量级，被成熟的应用到电传动技术领域，主要包括整流器、斩波器、电力制动、逆变器以及辅助传动系统，更好地实现交直交传动中斩波、变频、逆变等技术。当时国内外的电力机车也得到迅速发展，法国TGV-A系列，日本300系列、E1系列，德国ICE1系列等，都是90年代里铁路牵引的主力军[1]。我国在21世纪初也研制出以GTO为变流器件的“先锋”、“中华之星”等电力机车[5]。由于全控型器件可以控制其开通与关断，所以大大提高了电传动技术控制的灵活性。3．IGBT的应用使交直交电传动技术的发展趋向成熟GTO日益成熟的同时也存在不少影响电力机车运行性能的缺点：1)因关断增益较小、门极反向关断电流较大而需设置专门的缓冲电路，大大增加了传动系统的复杂程度和装置的体积；2)开关频率较低，驱动损耗也比较大，特别是为了可靠关断GTO，要求驱动端的关断电流峰值达GTO阳极电流的1/3，且电流的上升沿要很陡，大大增加了GTO驱动电路的技术复杂性、经济成本和驱动功耗；3)GTO封装内没有集成反并联续流二极管，在变流器电路中需要外接，更加减小了GTO变流器的吸引力[2]。80年代末，一种兼有MOSFET的高输入阻抗和双极性器件的低导通压降两方面的优点的新一代电力电子器件绝缘门极双极型晶体管IGBT发展很快，耐压逐步提高到3300～4500V，电流已经达到1000A以上[6]。由于其性能优越，已经应用到电传动系统中，并且逐步取代GTO。表1简要列出了IGBT与GTO的性能比较。性能GTOIGBT通态压降低高安全工作区窄宽吸收回路需要不需要驱动方式电流驱动电压驱动门极驱动功率高低开关频率低高开关损耗大小器件结构平板式绝缘式模块冷却方式双侧，带电单侧，不带电表1IGBT内部集成了反并联续流二极管，装置体积和重量进一步减小。由IGBT作为逆变器件的变频器的载波频率一般都在10kHz以上，故电动机的电流波形比较平滑，基本无电磁噪声[5]。IGBT的发展方向是提高耐压能力和开关频率，降低损耗以及开发具有集成保护功能的模块化智能产品。IGBT模块中集成有必要的保护功能，如过流、过热等保护，提高了器件应用的可靠性，使得传动系统IGBT牵引变流器可靠性高于GTO牵引变流器[6]。目前先进的电力机车如日本新干线800系列、法国AGV系列、德国ICE-T系列、我国的CRH5系列等，在电源、变流器、制动系统、辅助系统等电路中大多采用IGBT及其模块[1]，机车的速度、可靠性、经济性等多方面都处于先进的地位。当IGBT应用到电传动技术中后，交流传动的地位也在电力牵引中占据主导，交直交传动的优越性也进一步得到体现[4]：1)器件容量和性能的提高，促进电路结构的简化，功率损耗减小，成本大大降低2)封装形式的改进，简化散热系统和冷却装置3)增加了更多的保护功能4)供电网谐波小，调压可靠性高，机电转换效率高近年来电力电子器件任在