电力电子技术在电力机车上的应用

电力电子技术在电力机车上的应用

宋志超

（08级，自动化，一班，200801071461）

摘要:简要回顾了我国电力机车上电力电子技术应用从引燃管到交直交机车的历程,反映了电力电子技术对电力牵引发展的影响,对电力机车电力电子技术应用的现状和今后的发展进行了探讨。

1 我国电力机车技术发展的回顾

近40年国内外电力机车都有了飞速的发展,其中因电力电子技术的应用而带来的机车性能提高是其重要内容。若以电力电子技术为主要特征来回顾电力机车的发展历程,可大致分成如下几个阶段。

1.1 交直引燃管电力机车

这是我国最早应用功率电子器件制造的电力机车。其脉流牵引电动机由高压侧或低压侧的组合调压开关调压,经引燃管整流后供电,机车调速由有触点的组合开关完成。

1.2 交直整流管电力机车

以半导体功率整流二极管代替机车上的引燃管是技术上的一次进步,它发生在60年代中期,这时,电力电子技术在电力机车主传动系统中开始应用。这类机车仍属于有触点有级调压范畴。

1.3 交直相控电力机车

以晶闸管代替功率二极管后,电力机车进入了无级调压领域。虽然无级调压技术使机车牵引控制性能得到了显著改进。但交直机车的难题仍然存在,如脉流牵引电动机的最大功率限制,制造、维护困难,机车输入端功率因数低、谐波大等。面对上述问题派生了各种相控机车技术,如多段桥控制、扇形控制、功率因数补偿控制、他励电机控制等。这期间开始出现强迫关断技术。随着功率可控器件的应用,电力机车电子控制系统也相应发展起来,由分立模拟、集成模拟、数字控制发展到微机控制,逐渐完善了功率器件的控制、保护等功能。我国SS各型机车就属于这个范畴,其中SS7型机车就其特性而言达到了交直相控机车较高的技术水平。

1.4 交直交电力机车

由于晶闸管强迫关断技术和自关断器件的出现,利用脉宽调制(PWM)技术,功率半导体变流器通过控制系统的作用可实现变压变频(VVVF)和能量双向流动的性能,这就使异步电机在电力机车上的应用成为现实。接触网输入的工频交流电经牵引变压器和电源侧变流器(四象限变流器)转换成直流,再由负载侧三相逆变器供出VVVF给异步牵引电动机,形成了交直交机车的电传动系统。交直交电力机车与交直机车相比有很多优点,其中主要有:

(1)机车输入端功率因数为1且输入电流近似正弦,机车近似一纯阻负载;

(2)单轴功率大,可达到1 800 kW;

(3)启动过载能力强,粘着性能好;

(4)牵引、再生控制方便,节能指标好;

(5)簧下重量轻、维修工作量少;

(6)可实现现代计算机控制等。

我国已研制出第一台交直交电力机车。虽然目前在万公里电气化运营线上使用的是交直相控机车,但交直交机车是发展方向,我国电力机车制造从现在起应处于从交直机车向交直交机车过渡阶段。

2 交直交电力机车的电力电子器件应用

从上述的电力机车发展历程可看出,由电力电子器件构成的变流技术已成为电力机车的主要特征。在电力机车上应用电力电子器件有三个主要领域,它们是:机车主电路、辅助电路、辅助电路和控制系统中的直流稳压电源。

2.1 机车主电路

主要包括电源侧的四象限变流器和电机侧的三相逆变器,机组功率达数千千伏安;其器件开始采用晶闸管强迫关断器件,进而采用大容量的门极可关断晶闸管(GTO),现在干线交直交电力机车上主要采用4 500 V、4 000 A等级的GTO器件,而内燃机车和动车组的变流机组已开始向采用绝缘栅双极晶闸管(IG-BT)过渡。这是因为GTO属电流关断器件,控制电路后级的关断驱动电路瞬时功率较大、技术复杂,此外由反并联续流二极管、缓冲电路等组成的模块集成度低、体积庞大。IGBT属于电压驱动器件,经常是一个桥臂集成一体并与底盘绝缘,这就使机组体积、重量大为减少,便于维修更换。在电技术性能上,IGBT机组比GTO机组更加优越,其中最突出之处是IGBT有安全可靠的直流贯穿短路(逆变器输出短路、桥臂间短路等)保护。GTO机组自身根本不能有此种性质的保护,即使增加分流设备采用短路分流的办法也实难达到真正保护的目的。

应用GTO或IGBT构成的桥式变流系统是机车上四象限变流器和电机逆变器的最基本的单元。如图1所示,首先,假设Vdc已存在,通过控制系统控制开关器件1~4,在交流侧就可得到某一主要正弦成分的交流电压Vac,此Vac电压的幅值、相角和频率都可由控制系统调节。这就是电机侧逆变器在牵引工况的模式,即通过VVVF方式调节异步牵引电动机使其完成机车启动、运行。假若Vac侧接一交流电源(可能是外来电源,也可能是运行中的异步牵引电动机),通过控制系统调节Vac的频率、幅值和相角,可使功率P有两个流向。P从变流器输出时,相当于电机逆变器工作在牵引工况,也是四象限变流器的再生工况。P输入到变流器时,相当于四象限牵引工况,也是电机逆变器的再生工况。由此可看出电力电子开关器件在机车上所起的主导作用。

功率开关器件在应用中要考虑三个因素

:

图1 变流基本单元原理框图

(1)过压因素:存在大气过电压和换相过电压,要配合各种吸收电路将过电压限制在允许范围内;

(2)过流因素:应将启动过电流和故障过电流限制在安全范围内;

(3)过热因素:由器件导通和开断损失所给出的热量应由散热系统散出,使器件工作温度保持在规定的范围内,这也是确定机组容量的基本依据。

2.2 机车辅助电路

电力机车辅助设备一般采用三相异步电动机驱动,而机车上的三相工频电源是由单—三相变换装置提供。较早时期的变换装置是由旋转劈相机充当的,这一系统有先天的弱点,因为劈相机供出三相平衡电压只在一定的输入电压和一定的负载条件下,而机车网压波动和辅机负载变化是不可避免的,故事实上这一系统根本得不到三相平衡电压。考虑到这一因素和劈相机启动困难等,所选劈相机和辅助电动机容量一般都偏大。采用IGBT变流器代替上述系统是必然发展趋势。300 kVA等级以下的IGBT变流器在技术上完全成熟,价格也可接受,国内完全可以生产。我国SS型机车采用旋转劈相机系统;交直交AC4000型机车采用GTO辅助逆变器;有关单位正研制IGBT或IPM辅助逆变器。电力电子器件变流器占领这一领域应是合理的和可行的。

2.3 辅助电路和控制系统中的直流稳压电源

随着大功率变流器件的应用,辅助系统和控制系统中的直流稳压电源也增多起来。这些变流装置虽在功率上与主电路或辅助电路的逆变器无法相比,但它仍是电力电子技术的一个重要分支。这种稳压电源逐渐发展,以高频(10 kHz以上)开关电源为其主要形式。这种开关电源不仅体积小、噪声低,而且还有输入输出间电气绝缘和各电源间解耦等优点。

3 机车变流技术可能的发展

随着电力电子器件和变流技术的迅速发展,机车上如下一些发展动向是可能的。

3.1 GTO机组将被替换

交直交电力机车是发展方向。尽管当今国内外干线交直交电力机车都是使用GTO变流机组,但由于GTO器件自身的缺陷,IGBT或新型IGCT等一些电压型控制的快速器件将会取而代之。这一过程正在进行。

3.2 三点式变流器是过渡性的

在现有IGBT最大额定是3300 V和1200 A的条件下,一些动车和地铁等IGBT主变流机组(容量约1 000 kVA)采用三点式结构。三点式结构解决了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、器件利用率低和控制烦琐等缺点。上述这些优点将随着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,所以三点式结构只在开关器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,这一结构是过渡性的。

3.3 单电机独立驱动控制

传统的一台逆变器向多台并联的异步牵引电动机供电方式为使各台电机负载均匀,要求各台电机动态和静态特性完全一致,这给本来结构简单的异步牵引电机的制造带来很大困难。即使严格控制材料和制造工艺,由于电机的硬特性,其负载不匀仍存在;尤其在动态和一台电机相应的轮对粘着被破坏时,保护系统会殃及所有关联电机,使机车难以发挥应有的功率。由于功率电子技术、微电子和计算机技术的发展,由一台逆变器向一台牵引电动机供电,并由一台微机进行实时控制的单电机独立控制方式得到实现。此种传动控制方式将使机车各动轮对根据其各轴的粘着条件发挥最大的牵引功率,因而这种方式将是今后发展的方向。3.4 逆变器矢量控制