摘要：近年来，我国对电能的需求不断增加，电力行业有了很大进展。本文通过分析电力电子技术的发展状况，再结合电力电子技术在我国电力机车牵引电传动系统中的应用情况，指出了宽禁带半导体技术是今后从事电力电子技术研究的重要方向，并提出了继续探究优化改型IGBT和SiC功率器件在电力机车上的应用研究，对促进我国电力机车的发展具有重大意义。
关键词：电力电子技术；电力机车；牵引电传动系统
引言
重视电力牵引传动与控制技术的现状与发展探讨，有利于提高这些技术的实际利用效率，充分发挥各技术实际应用中的作用，保持不同应用领域的良好服务水平。因此，需要从不同的方面对电力牵引传动与控制技术的现状进行深入分析，了解相关设备的优势及应用价值，促使该技术作用下我国机车电力牵引系统能够长期处于稳定的发展状态，优化交流传动系统服务功能。
1现代化电力电子技术
20世纪80年代初期，大功率绝缘栅双极晶体管（IGBT）的出现把电力电子技术的应用带入高频及中大功率领域。IGBT具有较高综合性能，开关频率方面，一般可达10kHz至20kHz，小功率的甚至高达100kHz；电压等级方面，最高电压已达到6500V，该电压下的电流可达750A，1700V电压等级的电流可达2400A；温度方面，最高可达175℃。开关器件的高频化也促进了电感器件体积的成倍缩小。大中型功率高频IGBT的发展持续促进着电力电子设备朝轻重量、小体积、高效能方面发展，再结合日益进步的微处理芯片技术，现代电力电子技术已实现了全控化、集成化、高频化、控制技术数字化和电路形式弱电化，应用场合越来越广泛。由于负载对供电电能的质量要求越来越高，科研工作者还在不断进行IGBT改型研究。经过多年应用发展Si器件为基础的电力电子技术相当成熟，Si器件在开关频率、通态压降以及结温等性能指标上难以继续提升，发展空间较小。新一代宽禁带半导体材料（如碳化硅）的电力电子器件具有比硅器件高得多的耐受高电压的能力、低得多的通态电阻、更好的导热性能和热稳定性以及更强的耐受高温和射线辐射的能力等。当前宽禁带半导体器件的发展一直受制于材料的提炼、制造以及半导体的制造工艺水平，尚处于起步阶段。
2科学技术的不断更新，体现了交流电动机作为牵引电机的价值所在
（1）相对而言，交流电动机的体积小，正常工作功率大，避免了其安装过程中占据过大的空间。同时，交流电动机质量轻的优点也为机车轮轨力提高带来了积极影响，促使设备能够在高速度、大功率的要求下进行正常工作，提高牵引电机运行效率的同时有利于扩大其实际的应用范围。（2）结合当前交流电动机的实际应用概况，可知其速度变化范围大，自身的组成结构决定了该电动机具有良好的功率；有利于提升通用式机车实际应用中的服务水平。（3）由于交流电动机设计与制造中并未设置换向器及其它易损设备，使得该电机使用中确保了牵引传动系统运行稳定性，降低了系统故障发生率，促使系统维护成本得以控制在合理的范围内。（4）各种技术支持下生产制造得到的交流电动机，使用中牵引性能显著，在复杂的环境应用中工作效率很高，确保了牵引力系统控制作用的充分发挥。在性能可靠的电力电子开关及晶闸管整流装置工艺支持下，保持了直流传动系统良好的应用效果。同时，通过对结构性能良好的快速晶闸管的合理运用，为牵引电机出现打下了坚实的基础。随着时间的推移，电力牵引传动与控制技术影响下的交流传动控制技术应用领域增多，为机车设备性能优化提供了重要的技术支持。
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3HXD3与SS4改型电力机车牵引电传动系统比较分析
3.1牵引电机及其电路的比较分析
鼠笼式三相异步牵引电机相比于直流牵引电机有以下几个方面的优点：①同等功率的鼠笼式三相异步牵引电机的体积小于直流牵引电机，因而鼠笼式三相异步电机可以更好地利用机车下部空间；②同等功率的鼠笼式三相异步牵引电机的重量小于直流牵引电机，减小了机车转向架簧下重量，使轮轨的冲击振动减小，更适合于机车高速牵引的要求；③鼠笼式三相异步牵引电机克服了直流串励牵引电机机械特性软，黏着利用率低，重载牵引时易发生空转，制动时易滑行的缺点，且三相交流牵引电机空转后较直流电机更易恢复；④鼠笼式三相交流牵引电机克服了直流牵引电机在高速、大电流运行时换向困难、易出现环火等故障；⑤避免了直流牵引电机运用中换向器和电刷定期维护和检修的需要，降低了牵引电机运用和保养的成本。
3.2在交直传动电力机车中的应用
株洲电力机车厂于1958年试制成功6Y1电力机车，这是我国第1台电力机车。1968年，株洲电力机车厂成功研制SS1型电力机车。SS1型电力机车采用了有极调压、交直传动系统，从此我国电力机车电传动技术进入到交直传动时期。随着晶闸管的问世，电力机车传动系统上升了一个新的台阶，1978年株洲电力机车厂和电力机车研究所合作研制成功SS3型电力机车，此机车采用晶闸管级间相控调压与牵引变压器低压侧调压开关分级相结合的平滑调压调速技术，因此该机车调速性能得到极大的改善，标志着我国电力机车牵引电传动系统进入相控无极调压的时期。我国于1985年成功开发的SS4型机车，此机车采用相控无级调压、交直传动，是我国相控机车的典型代表，意味着我国相控技术成熟应用到机车电传动领域，与后续开发的SS5、SS6、SS7、SS8及SS9型电力机车等一起组成了系列电力机车。此系列机车采用相控整流调压、交直传动系统，标志我国交直传动系统电力机车已达到相当成熟的时期。
3.3电气制动方式比较分析
牵引电机发出的电能，在制动电阻柜内以热量的形式消耗掉。HXD3型电力机车采取的是再生制动（又称回馈制动），即鼠笼式三相异步牵引电机作发电机运行，将机车的动能转变为三相交流电能，经ＰＷＭ逆变器（此时起整流的作用）整流为直流电，再经四象限整流器（此时起逆变的作用）逆变为单相交流电送入主变压器，最后经网侧电路返回接触网，接触网吸收再利用。
结语
综上所述，电力电子技术与电力机车牵引电传动系统关系密切，两者是相互支撑和相互促进的协同关系。电力电子器件的发展支撑着机车牵引电传动新技术的应用，同时，电力机车牵引电传动技术会促进IGBT的优化与新型半导体器件的开发。与硅基半导体相比，宽禁带半导体具有高耐压、低通态电阻、更好的导热性能和热稳定性等。但是，宽禁带半导体器件的材料的提炼、制造以及半导体制造工艺的困难，宽禁带半导体的开发是亟待解决的问题。由于电力机车技术的不断发展，电力机车牵引电传动系统在大容量、高频化、集成化等方面提出了更高的要求，这也将大力推动电力电子器件快速发展。优化改型IGBT和SiC功率器件在电力机车上的应用研究是未来研究的趋势。
参考文献：
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[5]张斌.现代电力电子技术的发展及其应用研究[J].电子世界，2019（17）.
论文作者:李建宏
论文发表刊物:《基层建设》2019年第29期
论文发表时间:2020/3/3
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