邱騰飛 ，程建華 ，李水昌 ，宋術(shù)全

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

鐵路運(yùn)輸作為我國交通體系的重要組成部分，對我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國家建設(shè)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(jī)車的關(guān)鍵部件，始終是我國鐵路科技領(lǐng)域的技術(shù)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(shè)計(jì)不斷追求的目標(biāo)。近年來，國內(nèi)外牽引系統(tǒng)供應(yīng)商主要針對四大類新技術(shù)進(jìn)行不斷地探索和研發(fā)：新型器件的應(yīng)用、新型材料的應(yīng)用、新型電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、先進(jìn)的控制算法。

1 新型器件的應(yīng)用

碳化硅（SiC）半導(dǎo)體功率器件作為新型器件的代表，在軌道交通變流器領(lǐng)域越來越得到研發(fā)人員的關(guān)注。目前，軌道交通變流器主要采用硅基半導(dǎo)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(guān)損耗大和工作溫度較低的缺點(diǎn)。SiC材料以其開關(guān)損耗低、耐高溫高壓的特點(diǎn)，成為下一代功率半導(dǎo)體的研究熱點(diǎn)。

1.1 SiC混合器件應(yīng)用現(xiàn)狀

SiC絕緣破壞的電場強(qiáng)度為Si的10倍，半導(dǎo)體層更薄，導(dǎo)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(diǎn)，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(diǎn)，可增加逆變器的電流和頻率，實(shí)現(xiàn)低磁通、高電流的設(shè)計(jì)，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(dǎo)體可以使功率更高；同時，相同功率下SiC材料的功率半導(dǎo)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(guān)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(yīng)用現(xiàn)狀

全SiC逆變器的設(shè)計(jì)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(guān)損耗降低約55%[10-11]。

近年來，SiC器件在日本鐵路上的應(yīng)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(jìn)行耐用性驗(yàn)證，從應(yīng)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(guān)鍵技術(shù)：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(dǎo)體元件，電機(jī)采用永磁同步電機(jī)。與牽引系統(tǒng)相關(guān)的三大部件（變壓器、逆變器、電機(jī)），在小型化和輕量化方面均比之前的N700系有所改進(jìn)。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(jī)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(fēng)冷改變?yōu)閺?qiáng)制風(fēng)冷模式（見表2）。

表1 N700S和N700系輕量化比較 kg

表2 N700S實(shí)現(xiàn)小型化、輕量化的原因

1.3 應(yīng)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(shè)計(jì)方面仍存在諸多挑戰(zhàn)：

（1）隨著SiC器件開關(guān)速度的提升，開關(guān)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(yán)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(dǎo)致開關(guān)管的電壓電流應(yīng)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(dāng)發(fā)生短路故障后，需要驅(qū)動電路具有更快的保護(hù)響應(yīng)能力[15]。

（2）SiC器件較快的開關(guān)特性和高開關(guān)頻率將引起嚴(yán)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(shè)計(jì)更高性能的EMI濾波器成為研究的難點(diǎn)。

（3）為避免SiC器件在快速開關(guān)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(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[17]。主電路設(shè)計(jì)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(guān)器件應(yīng)力不均衡，需對主回路的換流回路進(jìn)行優(yōu)化[18]。

（4）SiC器件具有更高的運(yùn)行溫度（250℃），這對電容、母排、驅(qū)動電路和傳感器等外圍設(shè)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(shè)備的最高工作溫度均較低。當(dāng)采用SiC器件時，需采用具有更高工作溫度的外圍設(shè)備，甚至需為外圍設(shè)備設(shè)計(jì)冷卻裝置[19]。

2 新型材料的應(yīng)用

2.1 永磁同步電機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀

永磁同步電機(jī)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(jī)，永磁同步電機(jī)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(jī)相比于異步電機(jī)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(jī)在轉(zhuǎn)向架上進(jìn)行安裝。

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

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

永磁同步電機(jī)在軌道交通中的應(yīng)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(jī)（見圖3），最高運(yùn)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(jī)，并實(shí)現(xiàn)了約20萬km的運(yùn)行試驗(yàn)；2005年東芝公司開發(fā)的E954/955系列列車，其中永磁電機(jī)為表貼式電機(jī)（見圖4），功率為355kW，總效率高達(dá)97%[21]。20世紀(jì)90年代末，西門子公司以最高速度為330km/h的ICE3為對象，進(jìn)行額定輸出為500kW的永磁同步電機(jī)的試制，電機(jī)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(jī)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(yùn)行，時速可達(dá)300km，牽引電機(jī)采用自通風(fēng)永磁同步電機(jī)，功率302kW，滿載效率高達(dá)97.1%，300km/h的速度下列車可提供的牽引力為異步電機(jī)的2.65倍。

表3 永磁同步電機(jī)在軌道交通中的應(yīng)用[24-25]

圖3 AGV動車組永磁同步電機(jī)

圖4 E954/E955列車永磁同步電機(jī)

我國目前投入運(yùn)營的CRH1、CRH2、CRH3、CRH5型動車組及衍生車型、中國標(biāo)準(zhǔn)動車組均采用主流的異步電機(jī)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(jī)牽引傳動系統(tǒng)已在高速動車組裝車進(jìn)行運(yùn)用考核，但尚未批量化。

2.2 應(yīng)用挑戰(zhàn)

永磁同步電機(jī)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(jī)只能采用軸控方式[26]，即每臺永磁同步電機(jī)都需獨(dú)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(fù)雜性。

由于永磁同步電機(jī)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(dāng)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(jī)與變流器之間接入隔離接觸器，在高速時對永磁電機(jī)進(jìn)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(jī)仍將是牽引電機(jī)的主流，但隨著技術(shù)的提升，永磁同步電機(jī)將得到更廣泛的應(yīng)用。

3 新型電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.1 電力電子牽引變壓器應(yīng)用現(xiàn)狀

傳統(tǒng)工頻牽引變壓器由于工作頻率較低，導(dǎo)致其體積和質(zhì)量較大，限制了牽引系統(tǒng)功率密度的進(jìn)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(yīng)用，使變壓器工作于中高頻模式，可實(shí)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(shí)現(xiàn)對電能的高性能控制和故障保護(hù)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(jī)“eTransformer”的開發(fā)并安裝在LIREX原型車上，實(shí)現(xiàn)了電力電子變壓器在軌道交通領(lǐng)域的首次應(yīng)用[28]。其電路拓?fù)浣Y(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?fù)浣Y(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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在二次側(cè)采用H橋結(jié)構(gòu)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖7[29]。該系統(tǒng)應(yīng)用于15kV供電網(wǎng)絡(luò)中，一次側(cè)采用8個MMC模塊，主變壓器的開關(guān)頻率為1.2kHz。由于多電平技術(shù)實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，該方案仍需進(jìn)一步研究。

圖7 西門子電力電子變壓器拓?fù)浣Y(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(shí)現(xiàn)了電力電子變壓器樣機(jī)在15kV/16.7Hz的鐵路網(wǎng)中的電力機(jī)車上應(yīng)用。ABB電力電子變壓器及其拓?fù)浣Y(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(dú)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?fù)浣Y(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(jìn)步。中國科學(xué)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(yùn)行；華中科技大學(xué)完成了10kV/1MVA三相電力電子變壓器工業(yè)樣機(jī)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(lǐng)域，在軌道交通領(lǐng)域應(yīng)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(shù)

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(shí)現(xiàn)電能的傳輸和電氣的隔離。該技術(shù)的應(yīng)用使得變壓器體積、質(zhì)量大大減小，進(jìn)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(shù)拓?fù)浞N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?fù)浞绞娇梢燥@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?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.3 應(yīng)用挑戰(zhàn)

由于電力電子變壓器一次側(cè)開關(guān)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(guān)管進(jìn)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)難度均高于傳統(tǒng)低頻變壓器。如何進(jìn)一步提高中頻變壓器的性能成為目前研究的難點(diǎn)。

4 先進(jìn)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(fēng)險。此外，速度傳感器的安裝增大了電機(jī)的質(zhì)量和空間。因此，作為一種先進(jìn)的控制算法，無速度傳感器控制對降低傳動系統(tǒng)復(fù)雜性和提高運(yùn)用可靠性具有十分積極的意義。

4.1 無速度傳感器應(yīng)用現(xiàn)狀

無速度傳感器變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前電氣傳動研究領(lǐng)域的重要課題，國內(nèi)外對這項(xiàng)技術(shù)的研究己經(jīng)取得了一定進(jìn)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(shù)，可降低電機(jī)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(shù)領(lǐng)先的軌道牽引傳動設(shè)備供應(yīng)商已經(jīng)掌握了成熟的無速度傳感器技術(shù)并實(shí)現(xiàn)了批量應(yīng)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(shù)，實(shí)驗(yàn)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(shù)應(yīng)用于大連快軌3號線列車，德國西門子也將該技術(shù)應(yīng)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(jī)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(yùn)營，系統(tǒng)運(yùn)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(jī)模型的轉(zhuǎn)速開環(huán)估算法、模型參考自適應(yīng)法、狀態(tài)觀測器法、滑模觀測法等。

基于電機(jī)模型的轉(zhuǎn)速開環(huán)估算法是利用電機(jī)定子的瞬時電壓和電流，通過積分方法計(jì)算電機(jī)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(shí)現(xiàn)較簡單，但是觀測精度較差[36]。

模型參考自適應(yīng)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(jī)模型構(gòu)建觀測器，以觀測器的輸出與電機(jī)實(shí)際輸出間的誤差作為校正量對電機(jī)模型進(jìn)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(yīng)法主要利用電機(jī)在dq軸坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)方程作為可調(diào)模型，將實(shí)際電機(jī)作為參考模型。當(dāng)2個模型輸入量相同時，可根據(jù)二者輸出的差值，設(shè)計(jì)合適的自適應(yīng)率，以達(dá)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(jī)模型構(gòu)建觀測器，用觀測器輸出與電機(jī)實(shí)際輸出之間的誤差作為校正量對觀測器進(jìn)行修正，從而得到電機(jī)轉(zhuǎn)速[38]?；Ｓ^測法主要利用電機(jī)靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)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(diǎn)在平衡點(diǎn)附近運(yùn)動?；Ｓ^測法的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)較為簡單，但觀測速度容易引入抖動[39]。

4.2 應(yīng)用挑戰(zhàn)

牽引變流器的工作工況較為復(fù)雜，開關(guān)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(yīng)用需要解決以下難點(diǎn)：

（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(jì)環(huán)節(jié)在系統(tǒng)傳遞函數(shù)復(fù)平面的右半平面引入的零點(diǎn)所致。文獻(xiàn)[40]和文獻(xiàn)[41]指出，需對觀測器模型進(jìn)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(guān)頻率較低，導(dǎo)致電機(jī)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(dǎo)致逆變器輸出電壓失真，進(jìn)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(yīng)用該技術(shù)的變流器產(chǎn)品較少，其控制性能與國外先進(jìn)產(chǎn)品仍有一定差距。由于無速度傳感器控制技術(shù)具有明顯優(yōu)勢，隨著技術(shù)的進(jìn)步，無速度傳感器技術(shù)在軌道交通變流器中將獲得更廣泛的應(yīng)用。

5 結(jié)束語

對軌道交通同步變流器中的新技術(shù)（如SiC器件應(yīng)用、永磁同步電機(jī)技術(shù)應(yīng)用、電力電子變壓器技術(shù)、中頻輔助變流器技術(shù)和無速度傳感器技術(shù)）進(jìn)行總結(jié)，這些新技術(shù)的應(yīng)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(shù)仍待進(jìn)一步的研究和完善。例如，SiC器件的可靠性及性能指標(biāo)仍較低，采用SiC器件進(jìn)行變流器設(shè)計(jì)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(shù)的提升和完善，這些新技術(shù)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(shù)的自主創(chuàng)新具有積極而深遠(yuǎn)的影響。