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电力电子技术在轨道交通牵引系统中的

发展

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电力电子技术在轨道交通牵引系统中的发展

第一组

电力牵引传动与电力电子器件存在相互促进和相互依存的密切关系，电力传

动是按照直一直传动、交一直传动再到交一直一交传动的过程发展的，而为了满

足这一发展历程，离不开电力电子器件和现代计算机控制技术的高速发展。现代

电力电子器件的发展迅猛，开发周期愈来愈短，如快速晶闸管、GTO晶闸管、

GIBT、IPM等，每种新器件的诞生都迫使我们加快了对新器件的基础应用研究，

从而促进了牵引传动方式的进步。

1轨道车辆牵引领域电力电子器件的发展

1.1电力电子器件的发展

自1957年晶闸管问世，标志着电力电子技术的诞生，从此电子技术向两个

分支发展。一支是以晶体管集成电路为核心形成对信息处理的微电子技术，其发

展特点是集成度愈来愈高，集成规模越来越大，功能越来越全。另一支是以晶闸

管为核心形成对电力处理的电力电子技术，其发展特点是晶闸管的派生器件越来

越多，功率越来越大，性能越来越好。

传统的电力电子器件已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，因而大大地限制了其

应用范围。因此，半控制器件的发展已处于停滞状态。

到了70年代末，可关断晶闸管(GTO)器件日趋成熟，标志着电力电子器件

已经从半控型器件发展到全控制型器件。进入80年代以后，伴随着GTO器件

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的发展及成熟，MOS器件的开发则繁花似锦。绝缘栅双极晶体管(IGBT)独占鳌

头。至此电力电子器件又从电流控制型器件发展到电压控制型器件。90年代，

电力电子器件又在向智能化、模块化方向发展，力求将电力器件与驱动电路、保

护电路、检测电路等集成在一个芯片或模块内，使装置更趋小型化、智能化，其

典型器件是IPM。而IGCT器件既具有IGBT器件的开关特性，同时又具有GTO

器件的导通特性，且制造成本较低(与GTO和IGBT相比)，可以获得和GTO晶

闸管一样的产量，即其集IGBT与GTO二者优势于一身，预计今后会在更多的

工业和牵引领域中发挥作用。

总之，电力电子器件的发展经历了从半控到全控、从电流控制型到电压控制

型、从单个元件到模块化再到智能化的发展过程。

1.2电气牵引控制技术的发展

1.2.1牵引/制动特性

轨道运输装备的牵引/制动特性是其最基本、最重要的性能，是运输装备设

计首要考虑的重要因素之一，它包括了运输装备的持续运行速度、最高运行速度、

牵引/制动力特性以及装备的加速性能，以满足铁路运输的需求。在轨道运输装

备减速制动时通常优先采用再生制动，将电机回馈的电能通过变流装置回馈给电

网，达到绿色环保节能的目的。在系统研究与实际工程应用中，采用高