轨道交通与电力电子.doc

1、 1879 年德国建成第一条世界上电气化铁路和第一列电传动车。这列车虽然驱动功率只有10kW，但在 4 个月内运送 9 万名乘客。由于变压器和交流发电机于 1883 年和 1885 年才得以实用，故当时的电力机车直接采用了原始的低效率直流电源供电和直流传动。 1888 年特斯拉（ Nickola Tesla）发明了实用化的交流感应电机。该电机结构简单、成本低廉、维护量极少，于是西门子（ Siemens）公司 1891 年制造了三相 550V 交流电供电的动车，开始了交流牵引传动的试验。 交流感应电机要满足车辆牵引特性要求的 调速手段非常复杂，而直流电机很容易满足要求。1900 年开始，机械整流

2、装置开始用于纽约的地铁供电，直流传动系统开始受到青睐。 1949 年，第一辆引燃管（ ignitron）整流的电传动机车诞生，交直流传动系统开始发展。到了 1950 年代，硅整流器电传动系统动车问世，标志着交直流牵引传动时代的到 宫 来。 1960 年代初期，大功率硅整流器迅速取代了引燃管，具有调压开关的硅整流器交 -直流系统电力机车得到了广泛应用。电传动车在牵引工况，牵引电机大多采用串励方式，也有采用它励和复励的情况；在制动工况，牵引电机大多采用它励方式。通 过调压开关改变硅整流桥交流侧电压来改变牵引电机的端电压，实现机车的控制。晶闸管（俗称可控硅）发明并获得应用以后 力 ，于 1970 年

3、初，提出了 “经济多段桥 ”可控硅相控机车。这样电机端电压可以获得无级调节，从而实现了电力机车的无级调速。 对于直流供电的地铁电动车组，为了调速，直流电传动系统的电机端电压调节也随着电力电子技术的发展经历了三个阶段：机械开关调节电阻调压；可控硅调节电阻调压；可控硅等调节导通时间比 (占空比 )来斩波调压。 交流感应电机的低成本、几乎免维护的优势始终吸引着人们对交流牵引传动的向往。 1971 年，采用可控硅实现的 DE-2500 交流电传动内燃机车在德国莱茵河畔试验成功，开始了变频调速的现代交流传动的征程。随后由 1 台 DE-2500 加挂一节控制车对四象限变流器和 PWM 逆变器构成的现代电

4、传动基本形式进行试验，并于 1983 年生产出了 5 台世界上首批 BR120 交流传动机车在德国投入运营。 经过三年多试验、改进之后，在牵引领域中采用交流传动的基本模式就确定了下来。 1987 年后，欧洲国家开始成批定货。如丹麦的 EA3000、挪威的 EL17、奥地利的 1063 和 1064，德国的ICE 高速列车和 BR121 型电 力机车等。 我国 1958 年诞生了第一台引燃管整流的 6Y1 型电力机车。 1966 年在 6Y1 型电力机车上用硅二极管取代引燃管获得成功，并于 1968 年定型为韶山 1(SS1)型电力机车。第一台 SS1 电力机车整流机组采用 ZP-300A/60

5、0V 二极管，每个整流臂用 14 个器件串联和 16 个支路并联组成。全车两组整流机组共用 448 只二极管。随着硅二极管反向耐压的提高和的导通电流的增大，从 0131 台SS1 开始，全车只用 108 只二极管。 1978 年研制成功的韶山 3 型电力机车采用了级间晶闸管相控调压技术。 1985 年研制成功的以 PK 管 为开关器件的韶山 4 型电力机车标志着无级调速国产相控电力机车的诞生。 1996 年底，铁道部多家共同研制成功的 4 轴 4000kW、以 KK 管为逆变器开关器件的第一台国产交流传动电力机车（原型车），标志着我国的电力牵引技术也进入了交流传动时代。铁道部于 1998 年底

6、宣布，电力牵引传动系统要用 10 年左右时间完成从直流传动到交流传动的转换。 “中华之星 ”高速动车组的研制成功，表明我国已经掌握了动车组变流技术在内的高速列车关键技术。 2008 年北京到天津城际高速列车的正式开通，以及大同到秦皇岛两万吨重载货运列车的成功开行，标志着我 国已经拥有了世界上最先进的轨道交通变流技术。 2 电力电子器件对轨道交通变流技术的影响 电力电子技术在轨道交通牵引传动系统中的应用主要分为三个方面，它们是主传动系统、辅助传动系统、控制和辅助系统中的稳压电源。因此，下面从这三个方面分析电力电子器件对轨道交通变流技术的影响。 2.1 电力电子器件对牵引电传动系统的影响 至今为止

7、，电力电子器件在电牵引主传动系统的应用主要经历了大功率硅二极管 (PiN-Diode)、普通可控硅（ PK-SCR）、快速可控硅（ KK-SCR）、门极可关段晶闸管 (GTO)和绝缘栅 极晶体管 (IGBT)这几个阶段。 1900 年当安装在玻璃罩内的汞弧整流器 (mercury arc rectifier )诞生，并应用于纽约地铁的变电站整流后，电力电子器件在电领域的应用开始了漫长的历程。此后相继发展了金属槽整流器 (metal tank rectifier)、栅格控制整流器 (grid controlled rectifier)、引燃管整流器 (ignitron)、阴极充气二极管整流器 (

8、phanotron)和闸流管整流器 (thyratron)等。由于器件故障率很高，虽然美国在 1950 年时生产出了引 燃管整流器电传动系统机车，但电力电子器件在电传动系统中的应用并没有真正开始。 到了 1954 年， Pearson 和 Fuller 发明了 PiN 大功率硅二极管后，于 1959 年和 60 年英国和美国分别把它用于电传动系统的整流电路中。我国 1966 年定型的韶山 1(SS1)型电力机车就是采用这种二极管整流器电路。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。 1956 年贝尔实验室的 Moll 等人发

9、明了可控硅， 1958 年美国 GE 公司把它商品化后，于 1960 年代应用在 电传动系统上，通过改变可控硅的触发导通角来改变输出的直流电压。 1970 年初，提出了 “经济多段 ”可控硅相控机车，这样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，并维持交流侧较高的功率因数。对于直流供电的地铁电传动系统来说，则通过可控硅调阻的方式来改变电机端电压，以及到了 1970 年代初开始了无轨电车和地铁车辆的节能型调压方式 斩波调压的系统试验。 GTO 器件的原理于 1960 年获得突破后， 1977 年日本东芝公司生产出了第一只商品化的大功率器件 (1300V/200A)。到了

10、1980 年代初，以 地铁为代表的直流供电的主传动系统主要采用了 GTO斩波器，以干线铁路为代表的交流供电的主传动系统主要采用多段桥的可控硅整流装置。 1985年研制成功的我国韶山 4 型 8 轴电力机车就是其中的典型代表。 1983 年开始应用的电牵引交流传动系统，其主电路主要是电机侧的三相逆变器和电源侧的四象限变流器 (仅对交流供电的电力机车而言 )。电力电子器件开始采用快速晶闸管 (KK)强迫关断器件。为简化系统电路， 1980 年代中后期，牵引变流器开始采用门极可关断晶闸管 (GTO)。现在干线交直交电力机车上主要采用 4500V、 4000A 等级的 GTO 器件。 GTO 属电流驱

11、动型器件，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。这就大大增加了 GTO 驱动电路的技术复杂性经济成本和驱动功耗。此外， GTO 器件本身所能承受的 di/dt 和 dv/dt 不高，必须在变流器电路中设计di/dt 和 dv/dt 的吸收电路。这大大增加了传动系统的复杂程度和装置的体积。另外，与 IGBT 器件相比， 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。 1990 年代中后期，随着 IGBT 器件的发展，单机容量相对较小的内燃机车和动车

12、组的牵引变流机组已开始采用绝缘栅双极晶体管 (IGBT)。 IGBT 器件是电压型控制的自关断器件，开关频率高，器件本身 dv/dt 和 di/dt 的承受力大，这就使得 IGBT 变流器结构设计可以采用低感复合母排(low inductance laminated bus bar)，降低回路电感，从而简化甚至取消吸收电路。另外， IGBT 器件模块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；同时开发了具有矩形安全工作区的牵引用 IGBT 模块，使得传动系统 IGBT 牵引变流器可靠性与 GTO 牵引变流器相比，可靠性大大提高。 一方面，象 3300V/1200A（或 6500V/6

13、00A）这样大容量的 IGBT 器件得到进一步开发， IGBT器件在可能的功率等级范围内，正在取代 GTO 器件。另一方面，由于 IGBT 是晶体管导通型器件，其通态压降比晶闸管型器件的 GTO 要高，同时 IGBT 的容量不如 GTO，为此，对 GTO 的进行改进的器件也在不断涌现。 一种对 GTO 结构和控制电路进行改进的器件 IGCT 得到了有关电力半导体器件厂家的推崇。 IGCT 是一 种新型器件。在 GTO 结构里引入了 N 缓冲层 (Buffer Layer)、薄层可穿透发射区(Very Thin Transparent Emitter)和反并联续流快恢复二极管，形成了新的结构器件

14、，称为门极换向晶闸管 (GCT)；然后利用 GTO 硬驱动的优点，把硬驱动电路和 GCT 器件集成在一起，称为集成门极换向晶闸管 (IGCT)。它与 GTO 相比，主要有四方面的改进： (1)通过门极驱动单元和封装结构的优化设计，将门极驱动单元与封装后的 GCT芯片集成在一起，从而大幅度地降低了门极与阴极回路中的杂散电感。驱动回路中的杂 散电感由普通 GTO 的300nH 降到 5nH，因而极大地提高了开关过程中的门极电流上升率，实现了 GCT 器件的硬驱动，器件的开关特性得到显著改善； (2)由于 IGCT 通过 “N”缓冲层 +穿透阳极结构，将硅片的厚度降低了 1/3 左右，大幅度地降低了

15、器件的通态损耗； (3)通过设置 “穿透阳极发射极 ”结构，大大提高了电子的抽出速度，又不引起空穴的注入，因而可实现晶体管式的关断。 IGCT 的关断时间可达 1 2s； (4)在减薄硅片厚度的基础上，在芯片中集成了反向续流二极管，形成 GCT，简化了电路结构。所以采用 IGCT 的牵引变 流器结构比 GTO 的牵引变流器要简单的多。在兆瓦级以上的牵引电传动系统中， IGCT 变流器比 IGBT 变流器更具吸引力。由于目前 IGCT 牵引变流器仍在小范围运行试验中，我国运输装备能力快速提升的高速列车和重在货运牵引变流器主要采用 6500V/600A的 IGBT 器件并联工作。 2.2 电力电子

16、器件对辅助系统的影响 电牵引传动系统的辅助系统大多需要三相电源供电。在电力电子器件得到应用之前，在单相交流供电的电力机车中，辅助系统电源大多采用异步旋转劈相机，把单向交流电变为三向交流电。如韶山 8 型电力机车的 YPX-280M-4 型劈相机。在直流供电的地铁列车中，辅助系统电源大多采用直流电动 同步发电机组来获得三相交流电。如出口伊朗地铁列车的 ZQD-14/TQF-14 型辅助发电机组。 旋转劈相机在起动时，需要发电相进行分相起动。劈相机在工作时，为了达到三相线电压的对称，必须在发电相和其中一个电动相之间并联电力电容器。电容器的数量需随辅助系统的负载大小变化而变化。另外，三相输出电压的不

17、平衡和频繁起动容易烧损旋转劈相机。地铁车辆辅助发电机组中两电机同轴连接，占用空间大；同时为了达到输出三相电压的稳定和频率的稳定，需要增 加复杂的稳频稳压控制屏。 对于单相交流牵引供电的电力机车，辅助系统采用电力电子技术构成的静止劈相机。所谓静止劈相机，主要是采用单相相控整流桥获得基本稳定的直流电压，再通过一个三相逆变器变为所需的三相电压。国内最早应用的是 1986 年开始进口的 8K 电力机车，当时采用的是 GTO 逆变器。也出现过另一种形式的静止劈相机。它把单相交流电源看成两相，另一相交流电源通过两相整流和一个逆变桥臂的输出来获得。对于直流牵引供电的地铁列车，辅助系统采用斩波器加逆变器的方法

18、获得。斩波器用于稳定逆变器直流侧的电压，逆变器输出获 得三相平衡的课变频率的电源。1990 年代以来，辅助系统开始陆续采用 IGBT 作为逆变器的器件。我国 1990 年代中期投入运营的广州地铁和北京地铁复八线车辆等辅助电源分别采用了德国和日本的 IGBT 逆变器。 我国电力牵引的空调旅客列车原来专门挂一节柴油发电车负责给空调等列车电器供电。 1990年代中期以后，我国研制成功了 600VDC 电压逆变的列车空调逆变器和 600V 到 110V 的 DC/DC变换器，从而取消了发电车。 由于采用 IGBT 器件容量等级的不同，辅助系统的电路结构可以分为三种型式：第一种是交 -直 -交型；第二种

19、是直 -交 -交型；第三种是直 -直 -交型。交 -直 -交型辅助系统变流器是通过牵引变压器的辅助绕组引出单相交流电，通过晶闸管相控整流器或 IGBT 高功率因数 PWM 整流器来实现交 -直变换，然后通过 IGBT 逆变器实现直 -交变换。这种电路结构与牵引变流电路完全隔离，电路采用的晶闸管或 IGBT 器件一般采用 1200V 的电压等级即可。第二种直 -交 -交型辅助系统变流器是由牵引变流电路的直流侧供电，它把牵引变流器直流侧的电压直接通过 IGBT 逆变器进行逆变，完成直 -交变换，然后通过降压变压器完成交 -交变换，输出 380V 或 430V 的辅助电源电压。这种电路结构的 IGB

20、T 器件一般采用 3300V(对应 1500VDC)的电压或 6500V(对应 3700VDC)的电压等级，与牵引变流器的 IGBT 电压等级一样。第三种直 -直 -交辅助系统，也是由牵引变流器的直流侧供电，它先通过一个 Buck 电路完成直 -直变换，把直流侧电压降为 600VDC，然后通过 IGBT 逆变器完成直 -交变换。这种电路结构需要两种电压等级的 IGBT， Buck 变换器的 IGBT器件一般牵引变流器的 IGBT 电压等级 3300V 或 6500V，逆变器的 IGBT 器件一般采用 1200V的电压等级 即可。 2.3 电力电子器件对控制和辅助电路稳压电源的影响 随着电牵引传

21、动系统中大功率电力电子器件的应用，控制和辅助电路中的直流稳压电源也增多起来。所有控制和辅助电路的电源均由 110Vdc 直流电源获得。在电力机车中，早期的 110Vdc由牵引变压器辅助绕组通过可控硅相控整流获得，电压稳定度不是很高。随着电力电子器件的发展，现在国内和谐号高速列车和重载货运列车的 110Vdc 电源由 IGBT 器件构成 DC/DC 隔离开关 电源获得，具有很好的电压精度和电压稳定性。同样，在地铁动车组中， IGBT 和 MOSFET等电力电子器件得到应用后， 110Vdc 电源也由相互隔离的 DC/DC 开关电源获得。 110Vdc 以后的稳压电源需求量很大，稳压电源的电压等级

22、主要有 24V， 15V， +5V。这些电压等级由容量更小、开关频率更好的 MOSFET 构成的开关电源获得。这些开关稳压电源虽在功率上与主传动系统电路或辅助系统电路的变流器相比差别甚远，但它仍是电力电子器件应用的一个重要分支。 3 电力电子器件促进现代轨道交通变流技术的发展 电力电子 器件、拓扑结构及其控制技术的发展，大大促进了现代电牵引传动技术的发展。 1964年， A.Schonung 和 H.Stemmler 在 BBC 评论上发表文章，提出把 PWM 技术用于交流传动逆变器中，产生了正弦脉宽调制 (SPWM)技术，使得逆变器可以给交流电机提供变频变压的正弦电压； 1969 年， Ha

23、sse 提出了正弦电压矢量控制概念， 1971 年 Blaschke 予以发展，形成了完善的交流电机调速的磁场定向矢量控制理论和方法，能大大改善电传动系统的动态性能； 1973 年，Depenbrock 等提出了四象限变流器 (即脉冲整流器 )方案，既能改善交流输入端的功率因数，又能实现功率的双向流动，很好地满足了电传动系统牵引和制动的要求，很快在电力机车动车上得到普遍采用； 1970 年代中后期大功率可关断电力电子器件的出现和应用，大大简化了电传动系统的电路结构； 1985 年 Depenbrock 又把直接力矩控制技术引入到大惯性环节的电传动系统中，弱化了电机参数对电传动系统的调节性能的影

24、响，从而简化了电传动系统的控制环节。 1998 年G.Kratz and 和 H.Strasser 提出了在电力机车上取消工频变压器，代之以高频变压器和软开关变换器的电传动系统 概念。 3.1 促进电传动系统性能的优化 在电力电子技术的带动下，电传动系统由直流传动走向了现代交流传动。交流传动与直流传动相比，主要有以下优点： (1) 优异的运行性能 大持续功率。异步电动机体积小、重量轻，在转向架有限安装空间内可以设置更大的功率。电机重量 /功率之比由直流传动的 3.17 降低到交流传动的 1.7； 高起动力。能在静止状态下任意的时间内发出满转矩，利于复杂条件及重载的启动； 宽恒功率区。恒功区的最

25、高速度 /额定速度之比由直流传动的 1.41.67 增加到交流传动的2.53； 粘着 系数高。比直流传动高 10%，干燥轨面可大于 0.4。 (2) 显著的节能效果 与内燃直流传动相比，节约燃料 10% 25%； 电机效率和机车效率均提高； 再生制动可反馈能量 10%，在峰谷交错地段可达 40%。 (3)减少易损部件，降低运营成本 再生制动效果好。可从高速持续到 5km/h(即 1.389m/s)以下。丹麦统计过，机械制动闸瓦的消耗由采用直流传动时 8.5 万块 /年降低到交流传动时 3 万块闸瓦 /年； 有触点电器大大减少。不同的牵引工况和制动工况之间转换没有机械开关，特别是异步电机没有电刷

26、和换 向器，消除了电气活动触点。 (4) 优良的可靠性和维修性 采用鼠笼式异步电机，几乎免维护； 减少了磨耗件的种类和数量； 广泛采用模块结构和诊断装置，提高了无故障运行的公里数。 (5) 供电质量大大改善，接近理想波形 由于采用四象限变流器，交流电网侧电流波形接近正弦形，功率因数接近 l，机车近似于一个理想纯电阻型负载。 3.2 促进电传动系统装置的简约化 电力电子器件容量和性能的提高、封装型式的改进，以及功能单元的模块化设计技术大大地促进了点传动系统装置的简约化。 (1) 器件容量和性能的提高 ，促进主电路结构的简化 器件从 GTO 到 IGCT 的改进，省去了主电路的 dv/dt 吸收电

27、路和外接的反并联续流二极管，大大简化了主电路的结构，同时也简化了驱动电路单元； 电传动领域中应用的器件如果能从 IGCT 过渡到 MCT，甚或更大容量的 IGBT，则还能省去主电路的 di/dt 吸收电路，主电路的结构将得到进一步简化； 在现有的 IGBT 容量（ 3300V/1200A 或 6500V/600A）条件下，更大容量的牵引变流器若采用IGBT 器件，不得不采用三电平结构。三电平结构解决了 IGBT 串联难题，提高了中间电压和输出功率，改善了输出波形，但它有结构复杂、控制烦琐。上述优点将随着 IGBT 器件阻断电压和开关频率的提高逐渐消失，而缺陷却依然存在。所以三电平结构只在开关器

28、件发展还未完全达到机车要求的条件下采用。纵观发展趋势，三电平结构是过渡性的。 戴姆勒 -克雷斯乐 (Daimler Chrysler Research and Technology)把 1700V的肖特级 (Schottky)碳化硅二极管代替现有反并联的快速恢复硅二极管后，试验表明， IGBT 模块的开关损耗大大降低。IGBT 的开通损耗只有现有器件的 1/3，相对应的 二极管的关断损耗只有现有器件的 1/5。另外，SiC 器件的芯片温度可从现在 Si 芯片的 150oC 提高到 250oC。因此，碳化硅技术的发展，将使电传动系统更加简约。 (2) 封装型式的改进，既降低了器件热阻，简化散热系

29、统，又方便工程化安装 电牵引传动列车出站运行和进站停车，或在运行线路上根据需要进行加速和制动，机车上的牵引变流器为满足牵引特性要求，工作电流经常大幅度变化；当电牵引传动列车到站停车后，牵引变流器将停止工作，无电流流通。因此牵引变流器与一般工业用变流器的使用条件有很大不同。这对器件的封装型式提出了更高 要求。 IGBT 绝缘基板的模块化结构与双面压接式 GTO 结构相比，工程化安装极为容易，散热系统也很简化。但这种绝缘基板的模块结构带来了热阻的增加和热循环能力的降低，不利于电传动系统的工作要求。为此，降低热阻和改进热循环能力的封装型式一直在发展之中。 为改善热阻，其生产家改用 AlN 代替 Al

30、2O3 作为硅芯片衬底材料；为改善与 AlN 热膨胀系数的匹配，采用了 AlSiC 代替 Cu 作为基板。对于 55mm2 衬底得大功率 IGBT，采用 AlSiC 基板代替铜基板后，热膨胀差从 70mm 降到 20mm，大大减少了负载循环时因材料热膨胀系数 相差较大所引起的硅片与衬底之间、衬底与基板之间的焊接疲劳破坏。与此同时，通过使用改进的材料，解决了硅芯片上焊丝剥离问题。 为了解决模块化结构比较低的热循环能力等问题， ABB、 Fuji、 Eupec 和 Toshiba 四家公司近年来也开发了与 GTO 相同压接式结构的 IGBT。能同时兼有绝缘模块外壳和压接式封装优点的一种新型封装形式

31、已初露端倪。这种新的封装形式采用两边 DCB 绝缘的三明治 (Sandwich)结构形式，然后在 DCB 上集成液冷的微通道散热器 (Micro-channel Heat Sink)，而 IGBT 的内部芯 片以及芯片到电极的连接采用倒装晶片焊压技术 (Flip Chip Solder Bump Technology)。这种新型结构的 IGBT 不仅最大限度低减小了内部引线电感，而且极大地降低了器件从管芯导到外壳的热阻。这种结构封装的散热效果非常好，它采用液冷时，其散热效果可以达到现有封装器件水冷效果的3 倍。 (3)功能单元模块化设计，增强了电磁兼容性，也方便了安装和拆卸 电力电子器件工作在

32、开关状态，产生很大的 di/dt 和 dv/dt，电磁干扰很大。除了电路设计中采取各种抗干扰措施外，功能分块和隔离也是重要的手段。另外 ，电传动系统所处的工作环境很恶劣，不仅是强电磁干扰、强机械振动的，而且易被尘埃、油污、湿气等污染。所有这些，都促进了功能单元模块化技术的发展。 3.3 促进交流传动试验系统的发展 大功率交流传动系统研究和开发，需要对交流传动系统的变流器、交流牵引电机、变流器控制系统以至轨道动车的全车控制进行功率试验。交流牵引传动系统试验台应该能完成如下试验：按照机车牵引特性进行不同级位的 “恒流准恒速 ”特性控制的牵引运行试验；按照机车制动特性进行要求进行再生制动试验；按照机

33、车恒转矩起动的要求进行机车起动加速试验；逆变 器容量足够大时，能完成牵引电机的各种特性试验和有关参数测定；电机容量许可时，能完成逆变器装置的考核运行试验。 目前国内已建成和在建的交流试验系统大都分为两种：一种是 “能量消耗式 ”系统；另一种是 “能量反馈式 ”系统。第一种方式是在被测试的电动机输出轴上对接一个直流发电机，直流发电机的输出端（定子端）接电阻性负载，通过调节直流发电机励磁电压来调节它的输出转矩，即变流器和牵引电动机的负载。第二种方式是在被测试的异步电动机输出轴上对接一个 “直流发电机 -直流电动机 -交流同步发电机 ”构成的能量反馈系统，把电能回馈给 50Hz 的电网。通过联合调节

34、 “直流发电机 -直流电动机 -交流同步发电机 ”能量反馈系统的三个励磁，来调节它的输出转矩，即电动机的阻力矩，以及维持同步发电机的频率稳定。 这两种试验系统本身存在有许多缺点，更重要的是全部完成上述要求的 5 个方面的试验。随着电力电子技术的进一步发展，一种能满足上述 5 个方面试验要求的互馈式交流传动试验系统得到了发展。这种采用双逆变器和双电机组成的互馈试验系统，虽然至今未见文献报道，但在国外公司考察结果表明，国外传动系统生产产家都在采用该试验系统。我国也正在开发该试验系统。 3.4 促进 电传动系统的多器件化发展 电力电子技术发展的一个重要趋势是，不断地增加以电力电子器件为核心的变流装置

35、在电能变换中的比重。电传动系统也不例外。现代交流牵引供电方式是通过安装在机车上的单相牵引变压器把电压变为机车所需的各种电压等级。然后通过车上的各种变换器供给牵引电机和辅助传动和照明等系统。但牵引变压器非常重，比如国产韶山 8 电力机车中为 11.5 吨，进口 8K 电力机车中为 12.6 吨。由于机车的轴重对高速化运行影响很大。因此，为了达到轴重的要求，列车减重往往是一个重要的指标。人们提出了用变流器取代牵引工频变压 器的想法。通过多电平串接四象限变流器和多重化 DC/DC 变换器，可以用高频牵引变压器来取代现在的工频变压器。据测算，采用高频变压器后，可使包括变压器、整流器和滤波器在内的牵引逆

36、变器直流侧之前的设备重量减轻 50%，效率也得到提高。这种新概念装置的试验系统今年有望问世。 3.5 促进牵引供电电能质量的改善 晶闸管在轨道交通领域中的应用，始自电力机车的相控整流器。相控整流器在调电压过程中，随着晶闸管触发角的增大，交流侧功率因数会恶化。另外相控整流器的工作，使得电网的低次谐波含量大大超标。为了改善电能质量，传 统的办法是在牵引变电站采用固定电感和电容构成的无功和谐波补偿装置。为了动态补偿无功和谐波，后面发展了晶闸管控制的无功补偿装置 (SVC)，如晶闸管控制电抗器 (TCR)和晶闸管投切电容器 (TSC)等。 随着可关断电力电子器件的发展， GTO 和 IGBT 等器件先

37、后开始在电力机车和牵引变电站中得到应用。电力机车网侧变流器由传动的晶闸管器件构成的相控整流器发展逐步发展成为由 GTO构成的 PWM 整流器和由 IGBT 构成的 PWM 整流器。相控整流发展成为 PWM 整流器后，电力机车牵引变压器网侧的电能质量大大改善。原来相控整流器在牵引 变压器网侧含有大量的无功电流和 3、 5 次等低次谐波电流，需要花大力气去治理。前几年投运的重载电力机车和 2008 年年 8月在京津线开行的高速列车改用 IGBT 构成 PWM整流器后，牵引变压器网侧电能质量大大改善，无功电流和低次谐波电流含量大大低于国家有关标准，可以忽略。而 PWM 整流器产生的高次谐波一般都在

38、19 次以上谐波频率，很容易被消除。 另一方面，晶闸管为主构成的 SVC 在牵引变电站使用后，大大改善了无功和低次谐波，但它动态响应速度不够快，不能及时跟踪补偿快速变化的电流电压。同时它在补偿的同时，也产生一些频率 不很高的其他谐波电流。由可关断器件构成的静止无功发生器 (SVG)或静止同步补偿器(Statcom)，既可实时产生感性无功，又可实时产生容性无功，还能实时产生所需谐波，能够很好地跟踪轨道交通车辆运行过程中动态变化的无功和谐 22。众所周知，轨道交通牵引供电系统是单相供电，列车在运行过程中要给电力系统中注入大量的负序电流。根据一定拓扑电路构成的由可关断器件组成的补偿器还可以实时补偿牵

39、引供电系统中的负序，以及牵引网中的其他无功和谐波，彻底改善牵引供电电能质量。 4 结束语 电力电子器件的发展极大地促进 了轨道交通变流技术的发展。无论直流传动，还是交流传动，电传动系统都离不开电力电子器件。显然，无论从器件、电路拓扑，还是控制手段，现代交流传动技术完全依赖于电力电子器件的发展。 轨道交通牵引电传动系统促进了电力电子器件的发展。电传动系统工作的特殊要求，对电力电子封装技术提出了更高要求，从而促进了器件封装技术的发展；同时，电传动系统大容量要求和列车空间限制，对电力电子器件的低损耗也提出了更高要求。对器件低损耗的要求，也促进了器件的发展，如 IGCT 等。 电牵引传动系统是电力电子

40、器件应用的集中体现。 现代电牵引主传动系统、辅助传动系统和各种电路的稳压电源几乎包括了电力电子技术的所有方面，也反映了电力电子技术的发展水平。 电力电子器件应用技术大大改进了电传动系统的性能。交流传动与直流传动相比，牵引性能和节能效果后很大改进。并随着 SiC 材料的发展和变流器控制技术的发展，电传动系统的性能将得到进一步改进，如减轻系统重量，提高空转再粘着控制特性，提高乘坐舒适性 (减小冲击和谐波转矩 )，改善噪声的音质等。 电力电子器件的发展促进了牵引供电电能质量的改善。在直流传动机车车辆中，以晶闸管为主的相控整流器 负载的非线性，使得网侧电能质量恶化，产生了大量的无功和谐波。为了补偿无功和谐波，有出现了 SVC 等补偿技术。可关断器件，如 GTO 和 IGBT 的发展，在交流传动车辆系统中应用以后，由于采用 PWM 整流器，网侧的无功和谐波均能很好达到国家标准。它们应用在牵引变电站中，可以用于动态补偿负序、无功和谐波，大大改善供电质量。 郑琼林