1.1.4　动车组供电牵引系统发展概况

日本从1964年首条高速线开通以来，动车组从0系发展到H5系，从直流传动发展到交流传动，运营速度从210km/h到300km/h，一直坚持动力分散模式。法、德两国原先一直推崇动力集中牵引的动车组模式。法国以直流传动速度260km/h起步，经过同步电机传动，第三代实现三相交流异步电机传动高速动车组，而下一代的AGV动车组改用动力分散式，速度为320～360km/h。德国ICE1、ICE2高速动车组率先采用交流异步电机传动，实现280km/h的运营速度，采用动力集中传动方式。ICE3高速动车组采用动力分散方式（2M2T），实现更高速的运行。

早期的电力牵引传动系统均采用交-直传动，用直流电动机驱动。采用抽头切换，间断控制或可控硅连续相位控制技术进行调速。无论是日本0系、100系、200系还是法国TGV-P和意大利的ETR450均采用直流牵引电机，继承了传统的交-直牵引传动系统技术。由于直流电动机的单位功率质量较大，直流牵引电动机一般不超过500kW，使高速列车既要大功率驱动又要求减轻轴重，特别是减轻簧下部分质量，形成难以克服的矛盾。

到20世纪80年代末90年代初，高速列车开始采用交流电动机驱动，并存在两种不同的技术路线，即交流同步电机和交流异步电机。法国选择了自换相三相同步牵引电动机，把单台电机功率提高到1100kW，从而在TGV-A上用8台交流牵引电机，代替TGV-P上的12台直流牵引电机，将列车功率由6800kW提高到8800kW。运行速度由270km/h提高到300km/h，列车质量由418t增加到479t，列车定员由368人增加到485人。

TGV-A采用GT0晶闸管逆变器，同步电动机加上辅助设备的质量比TGV-P的直流电动机增加30kg，而功率却增加了一倍。

日本和德国与法国不同，它们采用异步牵引电动机驱动。同步牵引电动机结构上虽然比直流牵引电动机简单，但它仍有滑环及电枢绕组。而异步电动机中的鼠笼型感应电机（简称异步电机），转子用硅钢片叠压，用裸铜条作为导体，无滑环等磨耗装置。结构简单，可靠，体积小，质量轻，可实现电机免维修。

交流传动系统采用三相交流鼠笼式感应电机。三相异步电机与直流电机相比具有很多优点：

（1）结构简单，可靠性高，维护少，价格低，易于制造。

（2）功率大，效率高，质量轻。

（3）无换向引起的电气损耗和机械损耗，无环火引起的故障。

（4）耐振动、冲击的性能较好。

（5）耐风雪，多尘，潮湿等恶劣环境。

（6）具有可持续的大起动牵引力。

（7）过载能力强（仅受定子绕组热时间常数的影响）。

（8）转速高，功率/质量比高，有利于电机悬挂。

（9）转矩—速度特性较陡，可抑制空转，提高黏着利用率。

（10）在几台电机并联时，不会发生单台电机空转现象。

（11）由于取消了整流子和电刷，大大减少了维修工作量（据统计，不到直流电机的1/3）。

鉴于逆变器技术和交流电机控制技术的进步为采用异步牵引电动机驱动提供了条件。因此交-直-交传动并采用异步电动机驱动是高速列车牵引传动系统的发展主流。

早期，日本的科学技术和国力比不上欧洲，但比欧洲早17年实现世界第一条高速铁路，促进了它的经济高速发展。欧洲原来的技术实力和水平较高，坚持发展动力集中，但滞后17年才实现高速铁路，而在1989年实现300km/h高速列车运行时，欧洲又比日本早9年。

日本采用动力分散式电动车组的主要理由是它属于岛国，山丘、坡道、弯道多，地质松软，对动轴轴重限制十分严格，而欧洲铁路土质坚硬，路基结实，轨道基础好，承受作用力较大。

在法国、德国和日本的货运中，铁路所占的比重不一样，法国、德国近年仍占20％，而日本水运比重大，铁路货运只占5％～6％。日本铁路货运量太少，可以针对客运专线专门设计轻量客运列车。由于轴重轻，在路基、桥梁建筑中可采用轻型标准规格，以降低修路成本。而对于欧洲来说，采用客货通用的线路和机车牵引客货通用方式，可以提高机车的利用率，或者通过技术延伸，把货运机车技术延伸到客运机车中去。欧洲早期坚持发展动力集中实现高速：一是凭借先进技术；二是客货混跑的缘故。随着列车运行速度的提高，为减小列车运行对轨道的冲击，300km/h以上的动车组逐渐转向动力分散式。

大功率交-直-交传动系统性能的提高与电力半导体器件的发展密切相关，电力半导体器件的特性决定了变流装置的性能、体积、质量和价格。从铁道牵引的角度看，理想的电力半导体器件应是：断态时能够承受高电压，通态时可流过大电流且通态压降小，可在通态和断态之间进行快速切换，即开关频率高，损耗小，易于控制。应用于铁道牵引的电力半导体器件大致经历了晶闸管、GTO、IGBT三个发展阶段。新干线高速列车电传动技术的发展与电力半导体技术的发展紧密相关，20世纪60年代初研制的0系高速列车，限于当时的电力半导体器件水平，只能采用牵引变压器次边抽头，二极管整流调压方式。到80年代，大功率晶闸管应用技术成熟，100、200、400系高速列车，均采用相控调压方式。进入90年代，在电力牵引领域，交流传动开始取代直流传动，加之大功率GTO元件的应用，使得电压型交流传动技术在该领域中占据了主导地位。因此，300系、500系、700系，E1、E2、E3、E4等高速列车均采用了交流传动技术。

随着新型大功率半导体器件（诸如IGBT、IPM）的出现，E2和700系高速列车牵引变流器开始采用IGBT或IPM器件，进一步改善了传动系统性能。

采用交流电机时，网上的单相交流电经变压、整流之后，还必须通过逆变器变成三相交流电，才能作为交流电机的驱动电流。整个变流过程是从单相交流变直流，再由直流变三相交流，这套交-直-交变流技术，特别是交流牵引电机的控制技术，是高速列车牵引技术的核心，而逆变器又是其中的关键，其中包括下列三项主要技术：一是电力半导体器件，它是逆变器中的关键元件，目前比较先进的是GTO元件和IGBT元件，后者将逐步取代前者。IPM元件是GTO元件、驱动及保护电路的集成块，它具有短路、过流、过热及电流实时控制等保护功能，将更有利于实用。二是变流电路的结构性能，它是随半导体器件的发展而发展的，目前其设计重点已转向于牵引性能、谐波含量、电磁干扰、控制特性及运用成本等。软开关电路是进一步降低开关损耗，减少开关过程中的电磁干扰和对环境的电磁污染的重要途径，有待研究开发。三是交-直-交传动的控制技术。这一技术由网侧变流器控制和电机侧逆变器控制两部分组成。

列车牵引传动长期以来采用交-直传动系统，牵引电机为直流电机。由于电子技术尤其是大功率变流技术的发展、控制理论和控制技术的完善以及变频器技术的成熟，使三相交流电动机在高速列车牵引中的应用得到了关键性突破，获得了极为迅速的发展。高速动车组采用的就是交流传动系统，其牵引电机采用的是三相交流异步电机。交流传动系统有以下优点：

1.有良好的牵引性能

合理地利用系统的调压、调频特性，可以实现宽范围的平滑调速，使高速列车的高速利用功率Kp=1，恒功率调速比Kn≥2；能使列车起动时发挥出较大的起动力矩。

2.电网功率因数高、谐波干扰小

电源侧采用脉冲整流器，通过PWM控制技术，可以调节电网输入电流的相位，并能在广泛的负载范围内使高速列车的功率因数接近于1；使所取电流接近正弦波形，谐波干扰小。

3.单位质量体积的牵引功率大

由于异步电动机无换向器，转速可达4000r/min或更高，且质量轻、体积小、单位质量体积的牵引功率大、运行可靠。

4.动态性能和黏着利用好

由于交流异步电动机有较硬的自然特性，其防空转（黏着利用）性能较好。特别是牵引控制采用矢量控制或直接力矩控制策略，不仅能使系统稳态精度高，而且能获得高的动态性能，可以使牵引力沿着轮轨之间蠕滑极限进行控制，更适合于高速、重载牵引的要求。

高速动车组牵引传动系统以下几个技术方面显得比较突出。

1.新型全控电力电子器件的应用

电力电子器件是牵引变流技术的基础和核心。诞生于20世纪80年代的新型全控制电力电子器件IGBT是一种MOSFET与晶体管复合的器件，由于它既有易于驱动、控制简单、开关频率高的优点，又有功率晶体管的导通电压低、通态电流大、损耗小的显著优点，IGBT的发展及应用领域的拓展十分迅速。高速动车组牵引变流器的功率电子器件大多采用大功率IGBT/IPM。

2.牵引变流器PWM控制技术

交流调速传动系统中的变流器，无论是电源侧的整流器还是电机侧的逆变器都属于开关电路，电路中开关器件的周期性通断，从根本上破坏了交流电压、电流的连续性和正弦性。电压、电流中的高次谐波，一方面给交流电网带来严重危害，另一方面又使电机运行性能恶化。谐波电流产生的脉动力矩，会引起运动轴系振动，增大运行噪声，严重时还会使电机不稳定运行。减小谐波含量的有效办法是牵引变流器采用PWM技术。高速列车牵引变流器均采用PWM控制技术。

3.列车驱动控制技术

高速列车牵引传动系统是一个多变量、非线性和强耦合的系统。通常电压（或电流）和频率是可控的输入量，输出量则是转速、位置和力矩，它们彼此之间以及和气隙磁链、转子磁链、转子电流等内部量之间都是非线性耦合关系。

近年来，现代控制理论的应用又促进多种控制系统的诞生，并解决了传统反馈控制理论所不能解决的控制问题。例如取得重要突破的矢量控制系统、直接力矩控制系统等。

矢量控制系统是采用参数重构和状态重构的现代控制概念，实现电机定子电流的励磁分量与力矩分量之间的解耦，从而使交流电机能像直流电机一样分别对其励磁分量和力矩分量进行独立控制，是交流驱动控制最有效的方法之一。

继矢量控制技术之后的另一个新的突破是直接力矩控制方法，与矢量解耦控制的方法不同，它无需进行两次坐标变换及求矢量的模与相角的复杂计算，而是直接在定子坐标系上计算电机磁链和力矩的实际值，并与磁链和力矩的给定值相比较，通过二点式调节器进行力矩的直接调节，加快了力矩的快速响应，使响应时间控制在一拍之内，能使系统的静、动态性能得到很大的提高。