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鐵路機車牽引電傳動的技術變革曆程

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鐵路機車牽引電傳動的技術變革曆程

發布日期:2019-05-14 作者: 點擊:

200多年前發明的蒸汽機車是通過燃煤燒水産生蒸汽來推動活塞往複運動來驅動機車前進的,能源利用效率不足10%,牽引功率較小,因此已經完成其使命進了曆史博物館。


從上上世紀開始,人們就一直努力地探索着機車牽引動力系統的電傳動技術。1879年的世界第一台電力機車和1881年的第一台城市電車都在嘗試直流供電牽引方式。1891年西門子試驗了由三相交流直接供電、繞線式轉子異步電動機牽引的機車,1917年德國又試制了采用“劈相機”将單相交流供電進行旋轉、變換為三相交流電的試驗車。


這些技術探索終因系統龐雜、能量轉換效率低、電能轉換為機械能的轉換能量小等因素,未能成為牽引動力的适用模式。


鐵路機車牽引電傳動的技術變革曆程

機車牽引電傳動系統的基本任務是通過機電能量轉換,達到傳動裝置調速或位置控制的目的。其本質是給電動機提供合适的電能,使電動機在合理的工況和牽引特性條件下實現電能與機械能的轉換。因此,電傳動系統技術性能主要取決于電機和變流裝置的性能。電機是電能與機械能能量轉換的主體,而變流裝置則是實現電能變換的主體,因此電力電子器件就是變流裝置的物質基礎。


1955年,水銀整流器機車問世,标志着牽引動力電傳動技術實用化的開始。1957年,矽可控整流器(即普通晶閘管)的發明,标志着電力牽引跨入了電力電子時代。1965年,晶閘管整流器機車問世,全球興起了單相工頻交流電網電氣化的高潮,使牽引動力電傳動系統發生了根本性的技術變革。


20世紀70年代,采用異步交流傳動系統的DE-2500内燃機車問世,交流傳動在牽引領域展現出前所未有的優越性。


20世紀80年代以前,在機車牽引領域應用的電力電子變流裝置,主要是直流傳動系統中的整流器和斬波器以及輔助傳動系統的輔助變流器,所用的電力電子器件主要是晶閘管,因為其它電力電子器件如GTR、MOSFET的電壓與功率定額不能滿足鐵路領域的應用。


進入20世紀80年代以後,随着機車技術的發展,交流傳動技術日趨成熟,電力電子器件也發展到一個新的水平。在機車牽引領域應用的電力電子裝置主要包括:整流器、斬波器、電力制動、逆變器以及輔助傳動系統的變流器。這一時期在這些應用領域采用的電力電子器件主要是晶閘管和GTO。 GTO以全控型高壓大功率器件的身份首次出現在鐵路牽引領域。


20世紀90年代以後,交流傳動在電力機車、内燃機車及電動車組上得以大量應用,電力半導體在機車牽引領域中有了更廣闊的應用。這一時期在牽引領域中主要采用的是GTO和IGBT。


以絕緣栅極雙極型晶體管(IGBT)為代表的複合型器件已經異軍突起,把MOSFET的驅動功率小,開關速度快的優點和GTR通态壓降小,載流能力大的優點集于一身,性能十分優越,雖然20世紀80年代後期,IGBT已成為現代電力電子技術的主要器件,但這時它的電流電壓定額還不能滿足鐵路電傳動的需要。


2000年以前,對大功率的電力機車及内燃機車而言,GTO仍占據主導地位。如法國的TGV、德國的ICE高速列車以及美國的大功率内燃機車等。而在中小功率的機車、城市有軌電車、動車及地鐵等領域,IGBT則愈來愈顯示出其卓越的性能。


2000年以後,随着IGBT器件性能的改進,在大功率電力機車和高速動車組上, IGBT器件占據了統治地位,獲得了空前的應用。


縱觀鐵路牽引領域傳動技術的變革,可以說正是電力電子器件的進步推動了鐵路牽引電傳動技術的升級換代,一代電力電子器件造就一代鐵路變流器産品。


本文網址:http://www.ghokushin.com/news/405.html

關鍵詞:蒸汽機車,城市有軌電車,整流器

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