轨道交通牵引系统新技术应用综述

邱腾飞 ，程建华 ，李水昌 ，宋术全

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司机车车辆研究所，北京100081；2.北京纵横机电科技有限公司，北京100094）

铁路运输作为我国交通体系的重要组成部分，对我国经济发展和国家建设起到了重要的支撑作用[1-3]。牵引系统作为动车组和电力机车的关键部件，始终是我国铁路科技领域的技术核心[4-7]。牵引系统的轻量化、小型化和智能化是系统设计不断追求的目标。近年来，国内外牵引系统供应商主要针对四大类新技术进行不断地探索和研发：新型器件的应用、新型材料的应用、新型电路拓扑结构、先进的控制算法。

1 新型器件的应用

碳化硅（SiC）半导体功率器件作为新型器件的代表，在轨道交通变流器领域越来越得到研发人员的关注。目前，轨道交通变流器主要采用硅基半导体器件绝缘栅双极晶体管（IGBT）。由于硅基材料自身的限制，IGBT存在开关损耗大和工作温度较低的缺点。SiC材料以其开关损耗低、耐高温高压的特点，成为下一代功率半导体的研究热点。

1.1 SiC混合器件应用现状

SiC绝缘破坏的电场强度为Si的10倍，半导体层更薄，导通电阻大幅降低，以SiC为材料制成的肖特基势垒二极管（SiC-SBD），具有显著减少损耗的特点，与Si的绝缘栅双极晶体管（Si-IGBT）相比，损耗降低3成。利用SiC-SBD的特点，可增加逆变器的电流和频率，实现低磁通、高电流的设计，从而降低铁芯的体积。相同体积的变流器，采用SiC材料的功率半导体可以使功率更高；同时，相同功率下SiC材料的功率半导体体积更小，能有效节省车辆空间[8]。

富 士 1700V/400A 混 合 SiC 模 块 在 1kHz 和10kHz开关频率下可分别使损耗降低8%和29%[8]。日立混合SiC模块与Si-IGBT模块的对比情况见图1，采用混合 SiC 模块可降低损耗 35%[9]。日本在 DC1500V供电等级牵引系统中采用了3.3kV/1200A混合SiC模块，牵引逆变器体积和质量均减少约40%[9]（对比见图2）。

图1 混合SiC模块与Si-IGBT模块对比

图2 DC 1500 V牵引逆变器对比

1.2 全SiC器件应用现状

全SiC逆变器的设计旨在降低功率损耗、大小和质量，相比于传统Si-IGBT功率模块，开关损耗降低约55%[10-11]。

近年来，SiC器件在日本铁路上的应用发展很快。例如，小田急1000系动车组1500V网压等级牵引系统全部采用SiC器件，并进行耐用性验证，从应用情况来看，降低能耗的作用明显；JR东海铁路公司研制的N700S高速列车采用了三菱SiC-MOSFET元件，这是世界上首例采用全SiC元件的高速列车[12-13]。

N700S高速列车牵引系统采用三大关键技术：变压器采用薄型硅钢片和耐高压绝缘漆，变流器、逆变器（CI）采用全SiC半导体元件，电机采用永磁同步电机。与牵引系统相关的三大部件（变压器、逆变器、电机），在小型化和轻量化方面均比之前的N700系有所改进。小型化和轻量化的具体效果见表1。采用SiC器件的牵引变流器体积和质量分别减少55%和35%，牵引电机质量减少约15%，牵引系统质量减少20%。N700S比N700更加小型化和轻量化的原因，一方面是将原来的混合SiC元件替换为全SiC元件，另一方面是将原来的自然风冷改变为强制风冷模式（见表2）。

表1 N700S和N700系轻量化比较 kg

表2 N700S实现小型化、轻量化的原因

1.3 应用挑战

虽然SiC器件具有较多优势，但在驱动电路及系统设计方面仍存在诸多挑战：

（1）随着SiC器件开关速度的提升，开关过程中的di/dt和dv/dt也随之增大，这对驱动电路中杂散参数的优化提出更严苛的要求。如果驱动电路中寄生电感和寄生电容较大，将导致开关管的电压电流应力和损耗增大，甚至引起电压电流振荡[14]。此外，SiC器件电流上升速率较大，当发生短路故障后，需要驱动电路具有更快的保护响应能力[15]。

（2）SiC器件较快的开关特性和高开关频率将引起严重的电磁兼容问题，其EMI噪声为传统变流器的10倍以上[16]。因此如何设计更高性能的EMI滤波器成为研究的难点。

（3）为避免SiC器件在快速开关过程中引起电压尖峰，需对系统母排结构、电容杂散参数和主回路的布局进行优化设计[17]。主电路设计中需选用杂散电感小的叠层母排和电容，此外，为避免换流回路不对称引起的开关器件应力不均衡，需对主回路的换流回路进行优化[18]。

（4）SiC器件具有更高的运行温度（250℃），这对电容、母排、驱动电路和传感器等外围设备的温度性能提出更高要求。传统基于Si-IGBT的变流器中，外围设备的最高工作温度均较低。当采用SiC器件时，需采用具有更高工作温度的外围设备，甚至需为外围设备设计冷却装置[19]。

2 新型材料的应用

2.1 永磁同步电机应用现状

永磁同步电机采用永磁体建立磁场，其转子上没有绕组，无需施加励磁电流，相较于异步电机，永磁同步电机具有如下优势：

（1）功率、转矩密度高，轻量化。同样条件下，永磁同步电机相比于异步电机在体积、质量、材料方面可以减小近1/3，体积的减小更便于电机在转向架上进行安装。

（2）功率因数高。永磁同步电机转子由永磁体构成，与异步电机相比不需要无功励磁电流，所以能够得到比异步电机更高的功率因数。

（3）效率高。永磁同步电机无需电励磁，因此同样输出功率下相比异步电机所需定子电流小，定子电阻损耗相对较低。

永磁同步电机在轨道交通中的应用已相对广泛（见表3）。法国阿尔斯通AGV动车组采用功率为720kW的永磁同步电机（见图3），最高运营速度为360km/h。该车在2007年创造出了574.8km/h的世界铁路第一速度[20-23]。1999年，JR东日本铁路公司研究开发了动车组直接驱动永磁同步电机，并实现了约20万km的运行试验；2005年东芝公司开发的E954/955系列列车，其中永磁电机为表贴式电机（见图4），功率为355kW，总效率高达97%[21]。20世纪90年代末，西门子公司以最高速度为330km/h的ICE3为对象，进行额定输出为500kW的永磁同步电机的试制，电机采用全封闭水冷式内齿轮型结构。庞巴迪公司研制的装有永磁同步电机牵引系统的车辆已在瑞典斯德哥尔摩和韦斯特罗斯之间运行，时速可达300km，牵引电机采用自通风永磁同步电机，功率302kW，满载效率高达97.1%，300km/h的速度下列车可提供的牵引力为异步电机的2.65倍。

表3 永磁同步电机在轨道交通中的应用[24-25]

图3 AGV动车组永磁同步电机

图4 E954/E955列车永磁同步电机

我国目前投入运营的CRH1、CRH2、CRH3、CRH5型动车组及衍生车型、中国标准动车组均采用主流的异步电机牵引传动系统。2015年株洲中车时代电气股份有限公司研制的690kW永磁同步电机牵引传动系统已在高速动车组装车进行运用考核，但尚未批量化。

2.2 应用挑战

永磁同步电机的特性决定了其转子频率与定子频率需保持一致，因此永磁同步电机只能采用轴控方式[26]，即每台永磁同步电机都需独立的逆变器分别控制，这虽然增加了系统冗余性，但同样增加了系统部件的数量和复杂性。

由于永磁同步电机采用转子上的永久磁体作为励磁，因此在列车惰行时，仍会在定子绕组中产生反电势。当转速较高时，反电势将对主电路电气部件产生危害。因此，需在永磁电机与变流器之间接入隔离接触器，在高速时对永磁电机进行故障隔离。隔离接触器体积和质量较大，将提高变流器的质量和成本。

考虑到系统的可靠性及成本因素，在未来较长时间异步电机仍将是牵引电机的主流，但随着技术的提升，永磁同步电机将得到更广泛的应用。

3 新型电路拓扑结构

3.1 电力电子牵引变压器应用现状

传统工频牵引变压器由于工作频率较低，导致其体积和质量较大，限制了牵引系统功率密度的进一步提升[27]。电力电子变压器借助于电力电子器件和新型磁性材料的应用，使变压器工作于中高频模式，可实现牵引变压器的小型化和轻量化。此外，对于采用新型控制算法的电力电子变压器装置，可实现对电能的高性能控制和故障保护功能。传统工频牵引系统与中频变压系统对比见图5。

图5 传统工频牵引系统与中频变压系统对比

2003年6月26日，ALSTOMLHB与SMA公司完成电力电子变压器原型机“eTransformer”的开发并安装在LIREX原型车上，实现了电力电子变压器在轨道交通领域的首次应用[28]。其电路拓扑结构见图6，其一次侧由8个级联模块串联电路组成，DC/AC变换模块采用半桥方式。采用这种模式，变压器频率由此前的16.7Hz提高到5kHz。主变压器的一次侧由8个绕组组成，二次侧由2个绕组组成。与传统变压器相比，该结构质量变为原来的1/2，效率高于94%。

图6 ALSTOM电力电子变压器拓扑结构[27]

西门子2MW电力电子变压器采用AC/AC模块化多电平变流器（MMC）的拓扑结构，在二次侧采用H桥结构，其拓扑结构见图7[29]。该系统应用于15kV供电网络中，一次侧采用8个MMC模块，主变压器的开关频率为1.2kHz。由于多电平技术实现较为复杂，该方案仍需进一步研究。

图7 西门子电力电子变压器拓扑结构

ABB对电力电子牵引变压器的研究起步较早，于2011年实现了电力电子变压器样机在15kV/16.7Hz的铁路网中的电力机车上应用。ABB电力电子变压器及其拓扑结构见图8、图9，其AC/DC单元采用8个H桥级联模式，变压器采用8个独立结构。DC/DC单元采用LLC谐振模式，脉冲占空比为固定的50%。系统整体效率为96%。

图8 ABB电力电子变压器拓扑结构

图9 ABB 15 kV/1.2 MVA电力电子变压器

我国对电力电子变压器的研究起步较晚，但近年来已取得了较大进步。中国科学院电工研究所完成了10kV/1MVA电力电子变压器在电网中的运行；华中科技大学完成了10kV/1MVA三相电力电子变压器工业样机的研制。目前我国对电力电子变压器的研发主要集中于电网领域，在轨道交通领域应用较少，整体上仍与国外产品存在较大差距。

3.2 中频辅助变流器技术

为克服传统工频隔离方式的固有缺陷，可采用中频脉冲变压器代替工频变压器实现电能的传输和电气的隔离。该技术的应用使得变压器体积、质量大大减小，进而可有效降低列车自质量、节省车内空间、改善乘车环境。

中频辅助变流器技术拓扑种类较多，而较为成熟的方式见图10。该结构一般由单相DC/AC逆变器模块、中频变压器单元、DC/DC整流器、中间LC滤波等组成[30-31]。上海地铁2号线列车、长春100%低地板轻轨车、广州地铁1号线列车、CRH5型动车组等辅助逆变器及西门子公司SIBEST系列辅助逆变器、ABB公司BORDLINEM系列辅助逆变器均直接采用该电路结构。该拓扑方式可以显著减小变流器的体积和质量，如额定容量35kVA的长春100%低地板轻轨车辅助逆变器中变压器质量仅为30kg。

图10 较成熟的中频辅助变流器拓扑结构

3.3 应用挑战

由于电力电子变压器一次侧开关器件直接与网压相连接，要求选用具有高耐压等级的开关管进行级联。这将降低系统的可靠性，增加系统成本。采用电力电子变压器的系统成本较传统低频变压器系统高出50%。

电力电子变压器和中频辅助控制器均采用中频变压器，而中频变压器的设计和制造具有较高难度。中频变压器的特性决定了其在绝缘等级、容量和工作电压等级等方面的设计难度均高于传统低频变压器。如何进一步提高中频变压器的性能成为目前研究的难点。

4 先进的控制算法

高可靠性和高功率密度一直是轨道交通变流器的发展方向。列车中采用的速度传感器可靠性较低，增加了列车故障的风险。此外，速度传感器的安装增大了电机的质量和空间。因此，作为一种先进的控制算法，无速度传感器控制对降低传动系统复杂性和提高运用可靠性具有十分积极的意义。

4.1 无速度传感器应用现状

无速度传感器变频调速技术已经成为当前电气传动研究领域的重要课题，国内外对这项技术的研究己经取得了一定进展。速度传感器的使用降低了系统可靠性，增加了系统成本。采用无速度传感器的矢量控制技术，可降低电机质量并能够节省空间，便于提升列车的最高速度和输出转矩。此外，可以提高系统可靠性，避免速度传感器故障引起的牵引系统故障[32]。

国外几个主要技术领先的轨道牵引传动设备供应商已经掌握了成熟的无速度传感器技术并实现了批量应用。日本205系5000型电动车组和8800型电动车组均采用了无速度传感器控制技术，实验结果表明无论是空车还是重车，都与原来带速度传感器控制的列车具有相同的性能[33]。日本东芝公司将无速度传感器矢量控制技术应用于大连快轨3号线列车，德国西门子也将该技术应用到上海地铁3号线和西班牙地铁列车上[34]。中车株洲电力机车研究所有限公司自主研发的无速度传感器控制系统在无锡地铁1号线列车上完成载客运营，系统运行可靠稳定[35]。

无速度传感器方法种类较多，主要分为以下几种：基于电机模型的转速开环估算法、模型参考自适应法、状态观测器法、滑模观测法等。

基于电机模型的转速开环估算法是利用电机定子的瞬时电压和电流，通过积分方法计算电机定子磁链和反电势矢量的相位，从而得到转子位置信息。这种方法实现较简单，但是观测精度较差[36]。

模型参考自适应法、状态观测器法和滑模观测法均属于闭环观测方法，其原理见图11。此类方法利用电机模型构建观测器，以观测器的输出与电机实际输出间的误差作为校正量对电机模型进行修正。

图11 无速度传感器观测方法

上述3种方法的区别在于修正方式的不同。模型参考自适应法主要利用电机在dq轴坐标系下的数学方程作为可调模型，将实际电机作为参考模型。当2个模型输入量相同时，可根据二者输出的差值，设计合适的自适应率，以达到可调模型跟踪参考模型的目的[37]。状态观测器法利用电机模型构建观测器，用观测器输出与电机实际输出之间的误差作为校正量对观测器进行修正，从而得到电机转速[38]。滑模观测法主要利用电机静止坐标系下的数学模型，在校正环节中利用滑模变结构的形式取代反馈矩阵，通过滑模结构的高频切换使工作点在平衡点附近运动。滑模观测法的优点是实现较为简单，但观测速度容易引入抖动[39]。

4.2 应用挑战

牵引变流器的工作工况较为复杂，开关频率较低，对无速度传感器控制的性能提出更高要求。无速度传感器控制的应用需要解决以下难点：

（1）无速度传感器在零速和低速时的观测可能出现不稳定。这种不稳定现象是由转子速度估计环节在系统传递函数复平面的右半平面引入的零点所致。文献[40]和文献[41]指出，需对观测器模型进行优化，以提高观测器在低速下的稳定性。

（2）大功率牵引变流器的开关频率较低，导致电机的相电流谐波较大，降低了速度观测的精度。此外，大功率牵引变流器要求PWM脉冲的死区时间较大，导致逆变器输出电压失真，进一步降低观测性能。

我国在无速度传感器研究方面起步较晚，目前应用该技术的变流器产品较少，其控制性能与国外先进产品仍有一定差距。由于无速度传感器控制技术具有明显优势，随着技术的进步，无速度传感器技术在轨道交通变流器中将获得更广泛的应用。

5 结束语

对轨道交通同步变流器中的新技术（如SiC器件应用、永磁同步电机技术应用、电力电子变压器技术、中频辅助变流器技术和无速度传感器技术）进行总结，这些新技术的应用将推动牵引系统的小型化、智能化和轻量化发展，但新技术仍待进一步的研究和完善。例如，SiC器件的可靠性及性能指标仍较低，采用SiC器件进行变流器设计时仍需解决电磁兼容、散热和驱动电路等问题；电力电子变压器成本较高且可靠性较低；无速度传感器控制在低速控制性能上仍待提高。随着技术的提升和完善，这些新技术将会引起牵引系统的巨大变革，对我国轨道交通牵引系统技术的自主创新具有积极而深远的影响。