我国铁路机车/动车组牵引技术现状及展望

李连驰

北京铁路局北京机务段 北京 100080

在电力系统方面，2001年美国电力科学院（EPRI）提出“智能电网（Intelligrid）”概念。2005年欧洲提出类似的“智能电网（smartgrid）”概念。2009年5月，我国国家电网公司在“2009特高压输电技术国际会议”上提出建设坚强智能电网的方案。同年8月，确定了坚强智能电网第1批试点项目，标志着坚强智能电网试点工作全面启动。2011年9月，建成我国功能最齐全的中新天津生态城智能电网综合示范工程。目前，我国智能电网从标准制定、方案设计、设备研制、工程建设和运行维护等领域均取得了很大进展[1]。

1 铁路机车车辆牵传动技术现状

1.1 主电路拓扑

我国电力机车及高速动车组的牵引变流器主电路拓扑均采用三电平结构或二电平结构，在中间直流环节电压等级相同的情况下，采用三电平结构时，绝缘栅双极型晶体管（IGBT）耐压等级可以降低一半，从而可以选择低耐压高开关频率器件，并降低单重四象限整流器谐波含量，但其变流器四象限通常为一重，，所以从整车谐波抑制角度来看，其优势不明显，同时三电平结构主电路开关器件较多，控制较为复杂，在我国高速动车组及电力机车中运用较少。具有控制简单，技术成熟，运用经验丰富的特点，在我国主力车型中广泛运用。

1.2 轮周功率

根据TSI对剩余加速度的要求，普通线路运营高速动车组轮周功率设计需要满足在平直道上的剩余加速度不小于0.05m/s2的要求，160km/h及以下的城际动车组则根据快起快停的需求，对加速度的要求更高，其轮周功率设计与250km/h动车组相当。对于山区长大坡道运用动车组，其轮周功率需根据具体线路进行针对性设计，如目前进行可研设计的川藏铁路运用动车组，其轮周功率设计明显高于既有200km/h动车组。

1.3 中间直流环节电压及器件耐压等级

中间直流环节电压的选择是牵引变流器关键参数设计的重要依据，其直接影响牵引变流器器件的选型，虽然我国众多主机厂在牵引系统设计时采用不同的技术路线，但其技术发展受限于硅器件IGBT和异步电机技术特点，在体积、质量和效率上存在瓶颈。在轻量化、节能环保的大背景下，铁路机车车辆急需采用新的方式促进牵引传动技术的发展。

2 牵引技术展望

2.1 碳化硅（SiC）器件

碳化硅肖特基二极管的规模化量产起步于2000年左右，到现在为止，已经接近于20年，日本ROHM公司是国际上第一家实现碳化硅肖特基二极管生产量化的企业，目前肖特基二极管由于质量性能的需要，已经在进行第二代的研发，相较于初代肖特基二极管而言，第二代的肖特基二极管主要考虑反向恢复性能的强化、正向电压的优化，根据相关试验研究，第二代产品的反向恢复可消耗时间较短，且正向电压的减小值达到了0.2V左右。二代肖特基二极管主要包括两种耐压形式，即650V/1200V；绝缘类比可分为T0-220形式；封装可分为T0-247、D2PAK等。相对于传统硅材料二极管而言，二代产品可大大优化反向恢复，继而降低能耗，为此，二道肖特基二极管生活办公、工业生产制造等方面都得到了大规模的应用。现有牵引系统采用第二代控制单元和车控架构，控制板采用母板和子板组合结构，平板和插件采用独立安装、分布式布置。新一代牵引系统采用第三代控制单元和轴控架构，控制板采用单板紧凑结构，6U插件采用集中安装方式。其优势为：控制板安装空间和质量减小，元器件少，可靠性更高，开关控制频率更高；轴控架构的轮轨黏着利用高，牵引可用性高，能耗低，易于选用更少的驱动轴，可使用永磁同步电机，车轮维护少；采用更少的驱动轴进一步减少了质量、能耗和成本。其劣势为：控制板和轴控架构功率变流单元的数量均增加。控制架构由车控升级为轴控后，牵引系统内部控制单元的数量相对于车控明显增加，但由于新一代控制板结构的简化，且所有控制板集中安装于标准机箱内，采用统一的信号连接器，使得控制单元安装简洁，维护方便，可靠性更高[2]。

2.2 永磁电机技术

由于永磁同步电机为无滑差控制，因此不适合于电机的并联控制，在硬件结构上采用轴控的方式（一台逆变模块控制一台电机）。永磁同步电机的直流主回路拓扑与异步电机控制的模式一致，即一台高速断路器、两路预充电回路、两路滤波电抗器，只在变流模块的结构设计上有所不同，由原来的一个两电平的逆变桥更改为两个两电平的逆变桥，控制两台电机。异步电机经济运行范围一般为额定负载的60-100%。当工作范围低于60%的额定负载时，电机的工作效率和功率因数曲线迅速下降。相比而言，永磁同步电机具有更宽范的经济运行范围。不仅在额定负载工况下运行时效率很高，而且可以在30-120%额定负载的范围内仍然能保持较高的效率，电机效率基本不低于额定效率的80%。另外，异步电机在运行过程中，转子需要从电网吸收电能励磁，这部分电能最终将以电流在转子绕组中发热的形式消耗掉，使电机的效率降低。

在相同的输入参数下，即车辆特性一样，对异步电机驱动方案、永磁电机齿轮驱动方案、永磁电机直驱方案进行设计电机。与异步电动机相比，永磁同步电动机具有效率高，体积小，速度范围宽，节能环保等优点，近年来在轨道交通领域得到了密切关注，并有潜力成为下一代新型牵引电动机。

3 结语

牵引技术作为铁路机车车辆的核心技术，是铁路机车车辆发展的重要基础。文中总结了我国现有机车、动车组牵引传动技术的特点，并展望了SiC器件、永磁电机技术在轨道交通的应用，新技术的应用对牵引系统轻量化、小型化，节能等方面均具有明显的优势，对轨道交通牵引技术的发展具有深远的意义[3]。