1.1.2　能量变换及其技术实现

图1.3给出了交-直-交牵引传动系统的能量传递关系。列车牵引运行是将电能转换成机械能，能量变换与传递的途径如图1.3黑色箭头所示；再生制动运行是将机械能转换成电能，能量变换与传递的途径如图1.3白色箭头所示。

图1.3　能量变换与传递途径示意图

高压电器设备完成从接触网到牵引变压器的接通与断开。主要包括：受电弓、主断路器、避雷器、电流互感器、接地保护开关等；完成供电系统的接入与断开控制、网侧电流检测、保护等功能，不参与能量的转换。其中受电弓最为关键，它负责完成列车运行过程中的高速受流、并确保受流质量。因此，弓网关系是非常重要的研究课题。

牵引变压器用来把接触网上取得的25kV高压电变换为供给牵引变流器及电动机、电器工作所适合的电压，其工作原理与普通电力变压器相同。针对高速列车交流传动系统的特点，为了抑制变压器二次侧电流纹波、控制开关器件的关断电流以及抑制网侧谐波电流，要求牵引变压器各绕组有很高的电抗；为了使二次侧并联的脉冲整流器的负荷平衡，各牵引绕组的电抗必须相等；二次侧各绕组之间相互干扰很强时，电流波形会产生紊乱，严重影响开关器件的关断电流，因此各绕组之间要采取磁去耦结构；由于变流器负载的谐波电流等会引起牵引变压器局部发热，对冷却系统要求很高；同时高速列车要求其体积小、质量轻、性能稳定。因此，在理论研究的基础上解决牵引变压器的特殊问题是当务之急。

脉冲整流器是牵引传动系统的电源侧变流器，列车牵引时作为整流器，再生制动时作为逆变器，可以实现牵引与再生工况间快速平滑地转换。列车牵引运行时，将牵引变压器的牵引绕组输出的单相交流变换成直流电，并要保证中间直流环节的电压恒定，交流电网侧功率因数接近1，使电网电流尽量接近正弦，减少电网对周围环境的电磁污染；对直流侧，在电网电压或负载发生变化时，能够维持中间直流电压的稳定，给牵引逆变器提供良好的工作条件。列车再生制动运行时，将中间直流环节的直流电压变换成电压、频率、相位满足要求的单相交流电，通过牵引变压器实现并网。再生制动及其并网技术是最关键的技术问题。

牵引逆变器是牵引传动系统的电动机驱动侧变流器，列车牵引时作为逆变器，再生制动时作为整流器，可以实现牵引与再生工况间快速平滑地转换。列车牵引运行时，将中间直流环节的直流电压变换成电压、电流、频率按照牵引特性要求控制的三相交流电，并要保证三相电压对称、电流尽量接近正弦，减少谐波及电压不对称对牵引电机的影响。列车制动运行时，牵引电机工作在发电状态，将牵引电机输出的电压、频率变化的三相交流电变换成直流电，输出给中间直流环节。高速列车采用转子磁场定向矢量控制技术和直接转矩控制技术实现对逆变器的PWM控制。逆变器——牵引电机的驱动控制技术，是牵引传动控制系统的核心技术。

牵引电机是实现电能和机械能转换的最核心的部件。列车牵引时作电动机运行将电能转化成机械能，制动时作为发电机运行将机械能转化为电能。高速运行的列车要求牵引电机机械强度能承受很大的轮轨冲击力；采用耐电压、低介质损耗的绝缘系统以适应变频电源供电；电机前后端采用绝缘轴承，以防止电机轴承的电蚀；转子导条采用低电阻、温度系数高的铜合金材料，保证传动系统的控制精度；电机采用轻质量高强度材料，以减轻电机自重；采用经过验证的轴承和轴承润滑结构，从而减少电机的维护，保证电机轴承更可靠工作；在输出一定功率的情况下，为减少体积，采用强迫通风和优化的通风结构，充分散热，以降低电机的温升，提高材料的利用率；电机的非传动轴端安装了速度传感器，用以给传动控制系统提供速度信号，便于逆变器控制和制动控制。高速列车交流牵引电机的优化设计理论与方法研究至关重要。

牵引传动系统是高压系统，为保证系统安全可靠工作，系统的保护十分必要。因此，牵引驱动系统应对各种故障具有检测和保护功能；为了有效利用黏着力，牵引变流器设有牵引时检测空转实施再黏着控制的功能，在制动控制装置设有制动时检测滑行并进行再黏着控制的功能；为了在故障和并联电机载荷分配不均匀等情况时保护牵引电机，设有电机过流检测、电机电流不平衡检测、接地检测等保护功能。

日本新干线100系高速列车采用电阻制动，将动能转变为热能消散掉，在由牵引工况转变为制动工况时，主电路要进行转换，同时，在低速区，难以产生大的制动力。而现代高速列车由于采用交-直-交牵引变流器，可以十分方便地实现再生制动，且牵引、再生两种工况是通过变流器无触点转换，其转换平稳、连续无冲击，无须主电路换接。当电机转速低于同步转速，即为牵引工况；当电机转速高于同步转速，即转为制动工况。这样，只要控制逆变器的输出频率（即同步转速），即可控制牵引与再生工况转换及牵引力或制动力的大小。

由于交流传动系统的诸多优点，20世纪80年代以来世界各国所研制的高速列车均采用交流传动技术。