邱騰飛 ，程建華 ，李水昌 ，宋術全

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司機車車輛研究所，北京100081；2.北京縱橫機電科技有限公司，北京100094）

鐵路運輸作為我國交通體系的重要組成部分，對我國經(jīng)濟發(fā)展和國家建設起到了重要的支撐作用[1-3]。牽引系統(tǒng)作為動車組和電力機車的關鍵部件，始終是我國鐵路科技領域的技術核心[4-7]。牽引系統(tǒng)的輕量化、小型化和智能化是系統(tǒng)設計不斷追求的目標。近年來，國內(nèi)外牽引系統(tǒng)供應商主要針對四大類新技術進行不斷地探索和研發(fā)：新型器件的應用、新型材料的應用、新型電路拓撲結(jié)構(gòu)、先進的控制算法。

1 新型器件的應用

碳化硅（SiC）半導體功率器件作為新型器件的代表，在軌道交通變流器領域越來越得到研發(fā)人員的關注。目前，軌道交通變流器主要采用硅基半導體器件絕緣柵雙極晶體管（IGBT）。由于硅基材料自身的限制，IGBT存在開關損耗大和工作溫度較低的缺點。SiC材料以其開關損耗低、耐高溫高壓的特點，成為下一代功率半導體的研究熱點。

1.1 SiC混合器件應用現(xiàn)狀

SiC絕緣破壞的電場強度為Si的10倍，半導體層更薄，導通電阻大幅降低，以SiC為材料制成的肖特基勢壘二極管（SiC-SBD），具有顯著減少損耗的特點，與Si的絕緣柵雙極晶體管（Si-IGBT）相比，損耗降低3成。利用SiC-SBD的特點，可增加逆變器的電流和頻率，實現(xiàn)低磁通、高電流的設計，從而降低鐵芯的體積。相同體積的變流器，采用SiC材料的功率半導體可以使功率更高；同時，相同功率下SiC材料的功率半導體體積更小，能有效節(jié)省車輛空間[8]。

富 士 1700V/400A 混 合 SiC 模 塊 在 1kHz 和10kHz開關頻率下可分別使損耗降低8%和29%[8]。日立混合SiC模塊與Si-IGBT模塊的對比情況見圖1，采用混合 SiC 模塊可降低損耗 35%[9]。日本在 DC1500V供電等級牽引系統(tǒng)中采用了3.3kV/1200A混合SiC模塊，牽引逆變器體積和質(zhì)量均減少約40%[9]（對比見圖2）。

圖1 混合SiC模塊與Si-IGBT模塊對比

圖2 DC 1500 V牽引逆變器對比

1.2 全SiC器件應用現(xiàn)狀

全SiC逆變器的設計旨在降低功率損耗、大小和質(zhì)量，相比于傳統(tǒng)Si-IGBT功率模塊，開關損耗降低約55%[10-11]。

近年來，SiC器件在日本鐵路上的應用發(fā)展很快。例如，小田急1000系動車組1500V網(wǎng)壓等級牽引系統(tǒng)全部采用SiC器件，并進行耐用性驗證，從應用情況來看，降低能耗的作用明顯；JR東海鐵路公司研制的N700S高速列車采用了三菱SiC-MOSFET元件，這是世界上首例采用全SiC元件的高速列車[12-13]。

N700S高速列車牽引系統(tǒng)采用三大關鍵技術：變壓器采用薄型硅鋼片和耐高壓絕緣漆，變流器、逆變器（CI）采用全SiC半導體元件，電機采用永磁同步電機。與牽引系統(tǒng)相關的三大部件（變壓器、逆變器、電機），在小型化和輕量化方面均比之前的N700系有所改進。小型化和輕量化的具體效果見表1。采用SiC器件的牽引變流器體積和質(zhì)量分別減少55%和35%，牽引電機質(zhì)量減少約15%，牽引系統(tǒng)質(zhì)量減少20%。N700S比N700更加小型化和輕量化的原因，一方面是將原來的混合SiC元件替換為全SiC元件，另一方面是將原來的自然風冷改變?yōu)閺娭骑L冷模式（見表2）。

表1 N700S和N700系輕量化比較 kg

表2 N700S實現(xiàn)小型化、輕量化的原因

1.3 應用挑戰(zhàn)

雖然SiC器件具有較多優(yōu)勢，但在驅(qū)動電路及系統(tǒng)設計方面仍存在諸多挑戰(zhàn)：

（1）隨著SiC器件開關速度的提升，開關過程中的di/dt和dv/dt也隨之增大，這對驅(qū)動電路中雜散參數(shù)的優(yōu)化提出更嚴苛的要求。如果驅(qū)動電路中寄生電感和寄生電容較大，將導致開關管的電壓電流應力和損耗增大，甚至引起電壓電流振蕩[14]。此外，SiC器件電流上升速率較大，當發(fā)生短路故障后，需要驅(qū)動電路具有更快的保護響應能力[15]。

（2）SiC器件較快的開關特性和高開關頻率將引起嚴重的電磁兼容問題，其EMI噪聲為傳統(tǒng)變流器的10倍以上[16]。因此如何設計更高性能的EMI濾波器成為研究的難點。

（3）為避免SiC器件在快速開關過程中引起電壓尖峰，需對系統(tǒng)母排結(jié)構(gòu)、電容雜散參數(shù)和主回路的布局進行優(yōu)化設計[17]。主電路設計中需選用雜散電感小的疊層母排和電容，此外，為避免換流回路不對稱引起的開關器件應力不均衡，需對主回路的換流回路進行優(yōu)化[18]。

（4）SiC器件具有更高的運行溫度（250℃），這對電容、母排、驅(qū)動電路和傳感器等外圍設備的溫度性能提出更高要求。傳統(tǒng)基于Si-IGBT的變流器中，外圍設備的最高工作溫度均較低。當采用SiC器件時，需采用具有更高工作溫度的外圍設備，甚至需為外圍設備設計冷卻裝置[19]。

2 新型材料的應用

2.1 永磁同步電機應用現(xiàn)狀

永磁同步電機采用永磁體建立磁場，其轉(zhuǎn)子上沒有繞組，無需施加勵磁電流，相較于異步電機，永磁同步電機具有如下優(yōu)勢：

（1）功率、轉(zhuǎn)矩密度高，輕量化。同樣條件下，永磁同步電機相比于異步電機在體積、質(zhì)量、材料方面可以減小近1/3，體積的減小更便于電機在轉(zhuǎn)向架上進行安裝。

（2）功率因數(shù)高。永磁同步電機轉(zhuǎn)子由永磁體構(gòu)成，與異步電機相比不需要無功勵磁電流，所以能夠得到比異步電機更高的功率因數(shù)。

（3）效率高。永磁同步電機無需電勵磁，因此同樣輸出功率下相比異步電機所需定子電流小，定子電阻損耗相對較低。

永磁同步電機在軌道交通中的應用已相對廣泛（見表3）。法國阿爾斯通AGV動車組采用功率為720kW的永磁同步電機（見圖3），最高運營速度為360km/h。該車在2007年創(chuàng)造出了574.8km/h的世界鐵路第一速度[20-23]。1999年，JR東日本鐵路公司研究開發(fā)了動車組直接驅(qū)動永磁同步電機，并實現(xiàn)了約20萬km的運行試驗；2005年東芝公司開發(fā)的E954/955系列列車，其中永磁電機為表貼式電機（見圖4），功率為355kW，總效率高達97%[21]。20世紀90年代末，西門子公司以最高速度為330km/h的ICE3為對象，進行額定輸出為500kW的永磁同步電機的試制，電機采用全封閉水冷式內(nèi)齒輪型結(jié)構(gòu)。龐巴迪公司研制的裝有永磁同步電機牽引系統(tǒng)的車輛已在瑞典斯德哥爾摩和韋斯特羅斯之間運行，時速可達300km，牽引電機采用自通風永磁同步電機，功率302kW，滿載效率高達97.1%，300km/h的速度下列車可提供的牽引力為異步電機的2.65倍。

表3 永磁同步電機在軌道交通中的應用[24-25]

圖3 AGV動車組永磁同步電機

圖4 E954/E955列車永磁同步電機

我國目前投入運營的CRH1、CRH2、CRH3、CRH5型動車組及衍生車型、中國標準動車組均采用主流的異步電機牽引傳動系統(tǒng)。2015年株洲中車時代電氣股份有限公司研制的690kW永磁同步電機牽引傳動系統(tǒng)已在高速動車組裝車進行運用考核，但尚未批量化。

2.2 應用挑戰(zhàn)

永磁同步電機的特性決定了其轉(zhuǎn)子頻率與定子頻率需保持一致，因此永磁同步電機只能采用軸控方式[26]，即每臺永磁同步電機都需獨立的逆變器分別控制，這雖然增加了系統(tǒng)冗余性，但同樣增加了系統(tǒng)部件的數(shù)量和復雜性。

由于永磁同步電機采用轉(zhuǎn)子上的永久磁體作為勵磁，因此在列車惰行時，仍會在定子繞組中產(chǎn)生反電勢。當轉(zhuǎn)速較高時，反電勢將對主電路電氣部件產(chǎn)生危害。因此，需在永磁電機與變流器之間接入隔離接觸器，在高速時對永磁電機進行故障隔離。隔離接觸器體積和質(zhì)量較大，將提高變流器的質(zhì)量和成本。

考慮到系統(tǒng)的可靠性及成本因素，在未來較長時間異步電機仍將是牽引電機的主流，但隨著技術的提升，永磁同步電機將得到更廣泛的應用。

3 新型電路拓撲結(jié)構(gòu)

3.1 電力電子牽引變壓器應用現(xiàn)狀

傳統(tǒng)工頻牽引變壓器由于工作頻率較低，導致其體積和質(zhì)量較大，限制了牽引系統(tǒng)功率密度的進一步提升[27]。電力電子變壓器借助于電力電子器件和新型磁性材料的應用，使變壓器工作于中高頻模式，可實現(xiàn)牽引變壓器的小型化和輕量化。此外，對于采用新型控制算法的電力電子變壓器裝置，可實現(xiàn)對電能的高性能控制和故障保護功能。傳統(tǒng)工頻牽引系統(tǒng)與中頻變壓系統(tǒng)對比見圖5。

圖5 傳統(tǒng)工頻牽引系統(tǒng)與中頻變壓系統(tǒng)對比

2003年6月26日，ALSTOMLHB與SMA公司完成電力電子變壓器原型機“eTransformer”的開發(fā)并安裝在LIREX原型車上，實現(xiàn)了電力電子變壓器在軌道交通領域的首次應用[28]。其電路拓撲結(jié)構(gòu)見圖6，其一次側(cè)由8個級聯(lián)模塊串聯(lián)電路組成，DC/AC變換模塊采用半橋方式。采用這種模式，變壓器頻率由此前的16.7Hz提高到5kHz。主變壓器的一次側(cè)由8個繞組組成，二次側(cè)由2個繞組組成。與傳統(tǒng)變壓器相比，該結(jié)構(gòu)質(zhì)量變?yōu)樵瓉淼?/2，效率高于94%。

圖6 ALSTOM電力電子變壓器拓撲結(jié)構(gòu)[27]

西門子2MW電力電子變壓器采用AC/AC模塊化多電平變流器（MMC）的拓撲結(jié)構(gòu)，在二次側(cè)采用H橋結(jié)構(gòu)，其拓撲結(jié)構(gòu)見圖7[29]。該系統(tǒng)應用于15kV供電網(wǎng)絡中，一次側(cè)采用8個MMC模塊，主變壓器的開關頻率為1.2kHz。由于多電平技術實現(xiàn)較為復雜，該方案仍需進一步研究。

圖7 西門子電力電子變壓器拓撲結(jié)構(gòu)

ABB對電力電子牽引變壓器的研究起步較早，于2011年實現(xiàn)了電力電子變壓器樣機在15kV/16.7Hz的鐵路網(wǎng)中的電力機車上應用。ABB電力電子變壓器及其拓撲結(jié)構(gòu)見圖8、圖9，其AC/DC單元采用8個H橋級聯(lián)模式，變壓器采用8個獨立結(jié)構(gòu)。DC/DC單元采用LLC諧振模式，脈沖占空比為固定的50%。系統(tǒng)整體效率為96%。

圖8 ABB電力電子變壓器拓撲結(jié)構(gòu)

圖9 ABB 15 kV/1.2 MVA電力電子變壓器

我國對電力電子變壓器的研究起步較晚，但近年來已取得了較大進步。中國科學院電工研究所完成了10kV/1MVA電力電子變壓器在電網(wǎng)中的運行；華中科技大學完成了10kV/1MVA三相電力電子變壓器工業(yè)樣機的研制。目前我國對電力電子變壓器的研發(fā)主要集中于電網(wǎng)領域，在軌道交通領域應用較少，整體上仍與國外產(chǎn)品存在較大差距。

3.2 中頻輔助變流器技術

為克服傳統(tǒng)工頻隔離方式的固有缺陷，可采用中頻脈沖變壓器代替工頻變壓器實現(xiàn)電能的傳輸和電氣的隔離。該技術的應用使得變壓器體積、質(zhì)量大大減小，進而可有效降低列車自質(zhì)量、節(jié)省車內(nèi)空間、改善乘車環(huán)境。

中頻輔助變流器技術拓撲種類較多，而較為成熟的方式見圖10。該結(jié)構(gòu)一般由單相DC/AC逆變器模塊、中頻變壓器單元、DC/DC整流器、中間LC濾波等組成[30-31]。上海地鐵2號線列車、長春100%低地板輕軌車、廣州地鐵1號線列車、CRH5型動車組等輔助逆變器及西門子公司SIBEST系列輔助逆變器、ABB公司BORDLINEM系列輔助逆變器均直接采用該電路結(jié)構(gòu)。該拓撲方式可以顯著減小變流器的體積和質(zhì)量，如額定容量35kVA的長春100%低地板輕軌車輔助逆變器中變壓器質(zhì)量僅為30kg。

圖10 較成熟的中頻輔助變流器拓撲結(jié)構(gòu)

3.3 應用挑戰(zhàn)

由于電力電子變壓器一次側(cè)開關器件直接與網(wǎng)壓相連接，要求選用具有高耐壓等級的開關管進行級聯(lián)。這將降低系統(tǒng)的可靠性，增加系統(tǒng)成本。采用電力電子變壓器的系統(tǒng)成本較傳統(tǒng)低頻變壓器系統(tǒng)高出50%。

電力電子變壓器和中頻輔助控制器均采用中頻變壓器，而中頻變壓器的設計和制造具有較高難度。中頻變壓器的特性決定了其在絕緣等級、容量和工作電壓等級等方面的設計難度均高于傳統(tǒng)低頻變壓器。如何進一步提高中頻變壓器的性能成為目前研究的難點。

4 先進的控制算法

高可靠性和高功率密度一直是軌道交通變流器的發(fā)展方向。列車中采用的速度傳感器可靠性較低，增加了列車故障的風險。此外，速度傳感器的安裝增大了電機的質(zhì)量和空間。因此，作為一種先進的控制算法，無速度傳感器控制對降低傳動系統(tǒng)復雜性和提高運用可靠性具有十分積極的意義。

4.1 無速度傳感器應用現(xiàn)狀

無速度傳感器變頻調(diào)速技術已經(jīng)成為當前電氣傳動研究領域的重要課題，國內(nèi)外對這項技術的研究己經(jīng)取得了一定進展。速度傳感器的使用降低了系統(tǒng)可靠性，增加了系統(tǒng)成本。采用無速度傳感器的矢量控制技術，可降低電機質(zhì)量并能夠節(jié)省空間，便于提升列車的最高速度和輸出轉(zhuǎn)矩。此外，可以提高系統(tǒng)可靠性，避免速度傳感器故障引起的牽引系統(tǒng)故障[32]。

國外幾個主要技術領先的軌道牽引傳動設備供應商已經(jīng)掌握了成熟的無速度傳感器技術并實現(xiàn)了批量應用。日本205系5000型電動車組和8800型電動車組均采用了無速度傳感器控制技術，實驗結(jié)果表明無論是空車還是重車，都與原來帶速度傳感器控制的列車具有相同的性能[33]。日本東芝公司將無速度傳感器矢量控制技術應用于大連快軌3號線列車，德國西門子也將該技術應用到上海地鐵3號線和西班牙地鐵列車上[34]。中車株洲電力機車研究所有限公司自主研發(fā)的無速度傳感器控制系統(tǒng)在無錫地鐵1號線列車上完成載客運營，系統(tǒng)運行可靠穩(wěn)定[35]。

無速度傳感器方法種類較多，主要分為以下幾種：基于電機模型的轉(zhuǎn)速開環(huán)估算法、模型參考自適應法、狀態(tài)觀測器法、滑模觀測法等。

基于電機模型的轉(zhuǎn)速開環(huán)估算法是利用電機定子的瞬時電壓和電流，通過積分方法計算電機定子磁鏈和反電勢矢量的相位，從而得到轉(zhuǎn)子位置信息。這種方法實現(xiàn)較簡單，但是觀測精度較差[36]。

模型參考自適應法、狀態(tài)觀測器法和滑模觀測法均屬于閉環(huán)觀測方法，其原理見圖11。此類方法利用電機模型構(gòu)建觀測器，以觀測器的輸出與電機實際輸出間的誤差作為校正量對電機模型進行修正。

圖11 無速度傳感器觀測方法

上述3種方法的區(qū)別在于修正方式的不同。模型參考自適應法主要利用電機在dq軸坐標系下的數(shù)學方程作為可調(diào)模型，將實際電機作為參考模型。當2個模型輸入量相同時，可根據(jù)二者輸出的差值，設計合適的自適應率，以達到可調(diào)模型跟蹤參考模型的目的[37]。狀態(tài)觀測器法利用電機模型構(gòu)建觀測器，用觀測器輸出與電機實際輸出之間的誤差作為校正量對觀測器進行修正，從而得到電機轉(zhuǎn)速[38]?；Ｓ^測法主要利用電機靜止坐標系下的數(shù)學模型，在校正環(huán)節(jié)中利用滑模變結(jié)構(gòu)的形式取代反饋矩陣，通過滑模結(jié)構(gòu)的高頻切換使工作點在平衡點附近運動?；Ｓ^測法的優(yōu)點是實現(xiàn)較為簡單，但觀測速度容易引入抖動[39]。

4.2 應用挑戰(zhàn)

牽引變流器的工作工況較為復雜，開關頻率較低，對無速度傳感器控制的性能提出更高要求。無速度傳感器控制的應用需要解決以下難點：

（1）無速度傳感器在零速和低速時的觀測可能出現(xiàn)不穩(wěn)定。這種不穩(wěn)定現(xiàn)象是由轉(zhuǎn)子速度估計環(huán)節(jié)在系統(tǒng)傳遞函數(shù)復平面的右半平面引入的零點所致。文獻[40]和文獻[41]指出，需對觀測器模型進行優(yōu)化，以提高觀測器在低速下的穩(wěn)定性。

（2）大功率牽引變流器的開關頻率較低，導致電機的相電流諧波較大，降低了速度觀測的精度。此外，大功率牽引變流器要求PWM脈沖的死區(qū)時間較大，導致逆變器輸出電壓失真，進一步降低觀測性能。

我國在無速度傳感器研究方面起步較晚，目前應用該技術的變流器產(chǎn)品較少，其控制性能與國外先進產(chǎn)品仍有一定差距。由于無速度傳感器控制技術具有明顯優(yōu)勢，隨著技術的進步，無速度傳感器技術在軌道交通變流器中將獲得更廣泛的應用。

5 結(jié)束語

對軌道交通同步變流器中的新技術（如SiC器件應用、永磁同步電機技術應用、電力電子變壓器技術、中頻輔助變流器技術和無速度傳感器技術）進行總結(jié)，這些新技術的應用將推動牽引系統(tǒng)的小型化、智能化和輕量化發(fā)展，但新技術仍待進一步的研究和完善。例如，SiC器件的可靠性及性能指標仍較低，采用SiC器件進行變流器設計時仍需解決電磁兼容、散熱和驅(qū)動電路等問題；電力電子變壓器成本較高且可靠性較低；無速度傳感器控制在低速控制性能上仍待提高。隨著技術的提升和完善，這些新技術將會引起牽引系統(tǒng)的巨大變革，對我國軌道交通牽引系統(tǒng)技術的自主創(chuàng)新具有積極而深遠的影響。