我國鐵路機(jī)車/動車組牽引技術(shù)現(xiàn)狀及展望

李連馳

北京鐵路局北京機(jī)務(wù)段 北京 100080

在電力系統(tǒng)方面，2001年美國電力科學(xué)院（EPRI）提出“智能電網(wǎng)（Intelligrid）”概念。2005年歐洲提出類似的“智能電網(wǎng)（smartgrid）”概念。2009年5月，我國國家電網(wǎng)公司在“2009特高壓輸電技術(shù)國際會議”上提出建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的方案。同年8月，確定了堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)第1批試點(diǎn)項(xiàng)目，標(biāo)志著堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)試點(diǎn)工作全面啟動。2011年9月，建成我國功能最齊全的中新天津生態(tài)城智能電網(wǎng)綜合示范工程。目前，我國智能電網(wǎng)從標(biāo)準(zhǔn)制定、方案設(shè)計、設(shè)備研制、工程建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)等領(lǐng)域均取得了很大進(jìn)展[1]。

1 鐵路機(jī)車車輛牽傳動技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 主電路拓?fù)?/h3>

我國電力機(jī)車及高速動車組的牽引變流器主電路拓?fù)渚捎萌娖浇Y(jié)構(gòu)或二電平結(jié)構(gòu)，在中間直流環(huán)節(jié)電壓等級相同的情況下，采用三電平結(jié)構(gòu)時，絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）耐壓等級可以降低一半，從而可以選擇低耐壓高開關(guān)頻率器件，并降低單重四象限整流器諧波含量，但其變流器四象限通常為一重，，所以從整車諧波抑制角度來看，其優(yōu)勢不明顯，同時三電平結(jié)構(gòu)主電路開關(guān)器件較多，控制較為復(fù)雜，在我國高速動車組及電力機(jī)車中運(yùn)用較少。具有控制簡單，技術(shù)成熟，運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)豐富的特點(diǎn)，在我國主力車型中廣泛運(yùn)用。

1.2 輪周功率

根據(jù)TSI對剩余加速度的要求，普通線路運(yùn)營高速動車組輪周功率設(shè)計需要滿足在平直道上的剩余加速度不小于0.05m/s2的要求，160km/h及以下的城際動車組則根據(jù)快起快停的需求，對加速度的要求更高，其輪周功率設(shè)計與250km/h動車組相當(dāng)。對于山區(qū)長大坡道運(yùn)用動車組，其輪周功率需根據(jù)具體線路進(jìn)行針對性設(shè)計，如目前進(jìn)行可研設(shè)計的川藏鐵路運(yùn)用動車組，其輪周功率設(shè)計明顯高于既有200km/h動車組。

1.3 中間直流環(huán)節(jié)電壓及器件耐壓等級

中間直流環(huán)節(jié)電壓的選擇是牽引變流器關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計的重要依據(jù)，其直接影響牽引變流器器件的選型，雖然我國眾多主機(jī)廠在牽引系統(tǒng)設(shè)計時采用不同的技術(shù)路線，但其技術(shù)發(fā)展受限于硅器件IGBT和異步電機(jī)技術(shù)特點(diǎn)，在體積、質(zhì)量和效率上存在瓶頸。在輕量化、節(jié)能環(huán)保的大背景下，鐵路機(jī)車車輛急需采用新的方式促進(jìn)牽引傳動技術(shù)的發(fā)展。

2 牽引技術(shù)展望

2.1 碳化硅（SiC）器件

碳化硅肖特基二極管的規(guī)模化量產(chǎn)起步于2000年左右，到現(xiàn)在為止，已經(jīng)接近于20年，日本ROHM公司是國際上第一家實(shí)現(xiàn)碳化硅肖特基二極管生產(chǎn)量化的企業(yè)，目前肖特基二極管由于質(zhì)量性能的需要，已經(jīng)在進(jìn)行第二代的研發(fā)，相較于初代肖特基二極管而言，第二代的肖特基二極管主要考慮反向恢復(fù)性能的強(qiáng)化、正向電壓的優(yōu)化，根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)研究，第二代產(chǎn)品的反向恢復(fù)可消耗時間較短，且正向電壓的減小值達(dá)到了0.2V左右。二代肖特基二極管主要包括兩種耐壓形式，即650V/1200V；絕緣類比可分為T0-220形式；封裝可分為T0-247、D2PAK等。相對于傳統(tǒng)硅材料二極管而言，二代產(chǎn)品可大大優(yōu)化反向恢復(fù)，繼而降低能耗，為此，二道肖特基二極管生活辦公、工業(yè)生產(chǎn)制造等方面都得到了大規(guī)模的應(yīng)用。現(xiàn)有牽引系統(tǒng)采用第二代控制單元和車控架構(gòu)，控制板采用母板和子板組合結(jié)構(gòu)，平板和插件采用獨(dú)立安裝、分布式布置。新一代牽引系統(tǒng)采用第三代控制單元和軸控架構(gòu)，控制板采用單板緊湊結(jié)構(gòu)，6U插件采用集中安裝方式。其優(yōu)勢為：控制板安裝空間和質(zhì)量減小，元器件少，可靠性更高，開關(guān)控制頻率更高；軸控架構(gòu)的輪軌黏著利用高，牽引可用性高，能耗低，易于選用更少的驅(qū)動軸，可使用永磁同步電機(jī)，車輪維護(hù)少；采用更少的驅(qū)動軸進(jìn)一步減少了質(zhì)量、能耗和成本。其劣勢為：控制板和軸控架構(gòu)功率變流單元的數(shù)量均增加。控制架構(gòu)由車控升級為軸控后，牽引系統(tǒng)內(nèi)部控制單元的數(shù)量相對于車控明顯增加，但由于新一代控制板結(jié)構(gòu)的簡化，且所有控制板集中安裝于標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱內(nèi)，采用統(tǒng)一的信號連接器，使得控制單元安裝簡潔，維護(hù)方便，可靠性更高[2]。

2.2 永磁電機(jī)技術(shù)

由于永磁同步電機(jī)為無滑差控制，因此不適合于電機(jī)的并聯(lián)控制，在硬件結(jié)構(gòu)上采用軸控的方式（一臺逆變模塊控制一臺電機(jī)）。永磁同步電機(jī)的直流主回路拓?fù)渑c異步電機(jī)控制的模式一致，即一臺高速斷路器、兩路預(yù)充電回路、兩路濾波電抗器，只在變流模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計上有所不同，由原來的一個兩電平的逆變橋更改為兩個兩電平的逆變橋，控制兩臺電機(jī)。異步電機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行范圍一般為額定負(fù)載的60-100%。當(dāng)工作范圍低于60%的額定負(fù)載時，電機(jī)的工作效率和功率因數(shù)曲線迅速下降。相比而言，永磁同步電機(jī)具有更寬范的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行范圍。不僅在額定負(fù)載工況下運(yùn)行時效率很高，而且可以在30-120%額定負(fù)載的范圍內(nèi)仍然能保持較高的效率，電機(jī)效率基本不低于額定效率的80%。另外，異步電機(jī)在運(yùn)行過程中，轉(zhuǎn)子需要從電網(wǎng)吸收電能勵磁，這部分電能最終將以電流在轉(zhuǎn)子繞組中發(fā)熱的形式消耗掉，使電機(jī)的效率降低。

在相同的輸入?yún)?shù)下，即車輛特性一樣，對異步電機(jī)驅(qū)動方案、永磁電機(jī)齒輪驅(qū)動方案、永磁電機(jī)直驅(qū)方案進(jìn)行設(shè)計電機(jī)。與異步電動機(jī)相比，永磁同步電動機(jī)具有效率高，體積小，速度范圍寬，節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，近年來在軌道交通領(lǐng)域得到了密切關(guān)注，并有潛力成為下一代新型牽引電動機(jī)。

3 結(jié)語

牽引技術(shù)作為鐵路機(jī)車車輛的核心技術(shù)，是鐵路機(jī)車車輛發(fā)展的重要基礎(chǔ)。文中總結(jié)了我國現(xiàn)有機(jī)車、動車組牽引傳動技術(shù)的特點(diǎn)，并展望了SiC器件、永磁電機(jī)技術(shù)在軌道交通的應(yīng)用，新技術(shù)的應(yīng)用對牽引系統(tǒng)輕量化、小型化，節(jié)能等方面均具有明顯的優(yōu)勢，對軌道交通牽引技術(shù)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)的意義[3]。