问题

现在新的动车组或机车还有使用GTO-VVVF的吗?

回答
关于您提出的“现在新的动车组或机车还有使用GTOVVVF的吗?”这个问题,我可以非常确定地告诉您:在最新的、主流的新型动车组和机车中,已经极少见到使用GTOVVVF(门极可关断晶闸管电压型脉宽调制逆变器)技术了。

这并不是说GTOVVVF技术不好,而是随着电力电子技术和半导体材料的飞速发展,IGBT(绝缘栅双极型晶体管)技术已经全面取代了GTO,成为新一代动车组和机车牵引变流器的主流选择。

为了更详细地解释这一点,我们先来回顾一下GTOVVVF以及它为何逐渐被淘汰,以及IGBT的优势所在:

GTOVVVF:曾经的辉煌

GTO(Gate TurnOff Thyristor),中文名称是门极可关断晶闸管,是一种可以由门极信号控制开通和关断的晶闸管。在VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)控制技术中,GTO被用作逆变器的核心功率开关器件,通过改变输出电压和频率来控制电机的转速和转矩,从而实现动车组和机车的平稳起步、加速、匀速运行和制动。

在GTOVVVF技术发展的早期,它确实为提高铁路牵引的效率和性能做出了巨大贡献。相较于传统的斩波器或者固定频率的交流传动,GTOVVVF能够更精细地控制电机,实现更平顺的加减速,更低的能耗,以及更少的机械磨损。

为何GTOVVVF逐渐被淘汰?

虽然GTOVVVF在当时是先进的技术,但它也存在一些固有的局限性,这些局限性在面对日益增长的性能和效率需求时,显得尤为突出:

1. 开关损耗大: GTO在每次开关(从导通变为关断,或从关断变为导通)时都会产生显著的损耗。尤其是在高频开关的PWM控制下,这些损耗会累积成大量的热量,需要更强大的散热系统来解决。这意味着整体效率的下降,以及设备体积和重量的增加。
2. 开关速度相对较慢: 相对于后来出现的IGBT,GTO的开关速度要慢一些。更慢的开关速度限制了PWM信号的最高频率,进而影响了输出电压和电流波形的平滑度,可能导致电机产生更多的谐波,增加电磁干扰和噪音。
3. 驱动复杂且驱动能量大: GTO的关断需要一个反向的门极脉冲,而且需要相当大的门极驱动电流和电压。这使得驱动电路设计更加复杂,并且需要消耗更多的驱动能量,增加了控制系统的功耗。
4. 耐压能力虽然高,但电流能力相对有限(相对IGBT): GTO在耐压方面表现不错,但要达到非常大的电流等级时,其体积和成本会急剧增加。
5. 可靠性问题: GTO的关断过程比较“粗糙”,容易产生过电压和过电流的尖峰,对器件的可靠性提出了更高的要求,也容易在长期运行中出现一些问题。

IGBT:新一代的王者

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),中文名称是绝缘栅双极型晶体管,是一种将MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)的栅极驱动特性和GTR(巨型晶体管,即双极晶体管)的高电流、低饱和压降特性结合起来的器件。

IGBT的出现,彻底颠覆了电力电子器件的格局,尤其是在中高压大功率应用领域。它之所以能够取代GTO,主要得益于以下几个方面的优势:

1. 开关速度快: IGBT的开关速度比GTO快很多,可以轻松实现几十kHz甚至上百kHz的开关频率。这意味着可以生成更平滑、更接近正弦波的输出电压和电流,减少谐波含量,提高电机的效率和运行平顺性,降低噪音和电磁干扰。
2. 驱动简单且驱动能量小: IGBT是电压驱动器件,其栅极只需施加一个电压信号即可控制其导通或关断,驱动电路简单,而且驱动能量消耗很小。这大大简化了控制器的设计,降低了整体功耗。
3. 开关损耗低: IGBT的开关损耗比GTO显著降低。在相同的开关频率下,IGBT产生的热量更少,对散热系统的要求也更低,这有助于减小设备体积和重量,提高整体效率。
4. 导通压降低(尤其在低压区域): 在相同的电流下,IGBT的饱和压降通常比GTO要低,这意味着在导通状态下的损耗更小,效率更高。
5. 高耐压和高电流能力: IGBT技术不断进步,目前已经发展出能够承受数千伏电压和数千安培电流的器件。这使得IGBT可以集成度更高,功率密度更大,更适合应用在动车组和机车这种需要大功率输出的场合。
6. 可靠性高: IGBT的开关特性更“柔和”,不易产生剧烈的电压电流尖峰,其工作可靠性更高,寿命也更长。

目前新型动车组和机车使用的是什么?

毫无疑问,现在所有主流的新型动车组(如中国高铁的CRH系列、复兴号系列,国外的ICE、TGV、Shinkansen等)以及新一代的电力机车,都采用了基于IGBT技术的VVVF牵引变流器。

无论是哪种型号的最新动车组或机车,其核心的牵引动力系统都依赖于IGBT模块。这些IGBT模块被封装在集成的功率单元中,构成牵引变流器,为牵引电机提供精确的电压和频率控制。

举例来说:

中国高铁: 从早期的CRH1、CRH2、CRH3等车型,到后来的CRH380系列,再到现在的复兴号系列(如CR400AF、CR400BF),无一例外都采用了IGBT技术的VVVF牵引系统。特别是复兴号,其牵引系统已经实现了高度集成化和模块化,并不断向更高性能、更低能耗的方向发展。
国外先进动车组和机车: 德国的ICE系列、法国的TGV系列、日本的新干线、欧洲的Talent、Sithia等,也都普遍采用了IGBT技术。

总结一下:

虽然GTOVVVF在铁路牵引技术发展史上扮演过重要的角色,但它已经是一种过时的技术。在所有正在设计、制造和运行的新型动车组和机车中,IGBTVVVF技术是标准配置,并且仍在不断优化升级,以追求更高的效率、更低的能耗、更小的体积、更强的可靠性和更优异的性能。

所以,如果您看到一台“新”的动车组或机车,那么它几乎百分之百使用的是IGBT技术,而不是GTO。GTO技术可能还会在一些老旧的、仍在运行的车辆上存在,或者在一些技术升级改造时被淘汰。

网友意见

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其他国家不知道,印象中GTO还是前和谐时代那堆什么DJx,华星,原星之类的技术验证车采用过的技术,到和谐时代基本全员IGBT了。2007年开始有的各种和谐,到现在已经13年了,不少地方都开始封存HXD了。

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