第三節　動車組供電牽引系統發展概況

一、概述

日本從1964年首條高速鐵路開通以來，動車組從0系發展到700系，從直流傳動發展到交流傳動，運行速度從210km/h到300km/h，一直堅持動力分散模式。法、德兩國原先一直推崇動力集中牽引的動車組模式。法國以直流傳動速度260km/h起步，經過同步電機傳動，第三代實現三相交流異步傳動高速動車組，而下一代的AGV動車組改用動力分散式，速度320～360km/h。德國ICE1、ICE2高速動車組率先采用交流異步電機傳動，實現280km/h的運行速度，采用動力集中傳動方式。然而ICE3新一代高速動車組也轉而采用動力分散方式（2M2T）?？梢?，開發300km/h以上高速動車組采用動力分散是目前世界的發展趨勢。

早期的電力牽引傳動系統均采用交—直傳動，用直流電動機驅動。采用抽頭切換，間斷控制或可控硅連續相位控制技術進行調速。無論是日本0系、100系、200系還是法國TGV-P和意大利的ETR450均采用直流牽引電機，繼承了傳統的交—直牽引傳動控制技術。由于直流電動機的單位功率重量較大，直流牽引電動機一般不超過500kW，使高速列車既要大功率驅動又要求減輕軸重，特別是減輕簧下部分質量，形成難以克服的矛盾。

到20世紀80年代末90年代初，高速列車開始采用交流電動機驅動，并存在兩種不同的技術路線，即交流同步電機和交流異步電機。法國選擇了自換相三相同步牽引電動機，把單臺電機功率提高到1100kW，從而在TGV-A上用8臺交流牽引電機，代替TGV-P上的12臺直流牽引電機，將列車功率由6800kW提高到8800kW。運行速度由270km/h提高到300km/h，列車重量由418t增加到479t，列車定員由368人增加到485人。

TGV-A采用GTO晶閘管逆變器，同步電動機加上輔助設備的質量比TGV-P的直流電動機增加30kg，而功率卻增加了一倍。

日本和德國則與法國不同，它們采用異步牽引電動機驅動。同步牽引電動機結構上雖然比直流牽引電動機簡單，但它仍有滑環及電樞繞組。而異步電動機中的鼠籠式感應電機（簡稱異步電機），轉子用硅鋼片疊壓，用裸銅條作為導體，無滑環等摩擦部件。因此，異步電機結構簡單、可靠、體積小、重量輕、可實現電機無維修。

交流傳動系統采用三相交流鼠籠式感應電機。三相異步電機與直流電機相比具有很多優點：

（1）結構簡單、可靠性高、維護少、價格低、易于制造。

（2）功率大（目前，世界上最大的直流牽引電機功率為1000kW，而交流牽引電機功率已達到1800kW）、效率高、質量輕。

（3）無換向引起的電氣損耗和機械損耗，無環火引起的故障。

（4）耐振動、耐沖擊性能較好。

（5）耐風雪、多塵、潮濕等惡劣環境。

（6）具有可持續的大啟動牽引力。

（7）過載能力強（僅受定子繞組熱時間常數的影響）。

（8）轉速高、功率/質量比高、有利于電機懸掛。

（9）轉矩—速度特性較陡，可抑制空轉，提高黏著利用率。

（10）在幾臺電機并聯時，不會發生單臺電機空轉現象。

（11）由于取消了整流子和碳刷，大大減少了維修工作量（據統計，不到直流電機的1/3）。

鑒于逆變器技術和交流電機控制技術的進步為采用異步牽引電動機驅動提供了條件。因此，交—直—交傳動并采用異步電機驅動是高速列車牽引傳動系統的發展主流。

二、牽引變流元件

大功率交—直—交傳動系統性能的提高與電力半導體器件的發展密切相關，電力半導體器件的特性決定了變流裝置的性能、體積、重量和價格。從鐵道牽引的角度看，理想的電力半導體器件應是：斷態時能夠承受高電壓，通態時可流過大電流且通態壓降小，可在通態和斷態之間進行快速切換，即開關頻率高、損耗小、易于控制。應用于鐵道牽引的電力半導體器件大致經歷了晶閘管、GTO、IGBT/IPM等發展階段。

1.晶閘管

新干線高速列車電傳動技術的發展與電力半導體技術的發展緊密相關，20世紀60年代初研制的0系高速列車，限于當時的電力半導體器件水平，只能采用牽引變壓器次邊抽頭，二極管整流調壓方式。到20世紀80年代，大功率晶閘管應用技術成熟，新研制的200系、100系、400系高速列車均采用相控調壓方式。

2.可關斷晶閘管（簡稱GTO）

GTO是高電壓、大電流雙極型全控型器件。與晶閘管相比，GTO的工作頻率較高且具有自關斷能力，省去了強迫換流電路，所以整體體積減小、重量減輕、效率提高、可靠性增加。在大容量變流設備中GTO發揮了其高電壓大電流的優勢，在機車牽引傳動、交流電機調速、不停電電源和直流斬波調速等領域被廣泛應用。

GTO的缺點有兩個：一是關斷增益較小，門極反向關斷電流較小；二是為限制du/dt及關斷損耗需設置專門的緩沖電路，這部分電路消耗一定能量，而且需要快速恢復二極管、無感電阻、無感電容等器件。

進入90年代，在電力牽引領域，交流傳動開始取代直流傳動，加之大功率GTO元件的應用，使得電壓型交流傳動技術在該領域中占據了主導地位。因此，新研制的300系、500系、700系、E1、E2、E3、E4等高速列車均采用了交流傳動技術。

3.絕緣門柵極晶體管（簡稱IGBT）

IGBT是一種增強型場控（電壓）復合器件，集大功率晶體管GTR通態壓降小、載流密度大、耐壓高和功率MOSFET驅動功率小、開關速度快、輸入阻抗高、熱穩定性好的優點于一身。IGBT通過施加正向門極電壓形成溝道、提供晶體管基極電流使IGBT因流過反向門極電流而關斷，其門極控制電路大為簡化。大功率IGBT的研制成功為提高電力電子裝置的性能，特別是為牽引變流器的小型化、高效化、低噪化提供了有利條件。目前常用于機車牽引變流器的IGBT器件容量為3300V/1200A、6500V/600A等多個等級。

4.智能型功率模塊IPM

智能型功率模塊IPM是以IGBT技術為基礎的電力電子開關，由高速低功耗的管芯和優化的門極驅動電路以及快速保護電路構成。與IGBT器件相比，IPM還具有以下特點：①快速的過流保護；②過熱保護；③橋臂對管互鎖保護；④器件布局合理，無外部驅動線，抗干擾能力強，工作可靠性高；⑤驅動電源欠壓保護。

隨著新型大功率半導體器件（諸如IGBT、IPM）的出現，E2和700系高速列車牽引變流器開始采用IGBT或IPM器件，進一步改善了傳動系統性能。

采用交流電機時，網上的單相交流電經變壓、整流之后，還必須通過逆變器變成三相交流電，才能用于驅動三相交流電機。整個變流過程是從單相交流變直流，再由直流變三相交流，這套交—直—交變流技術，特別是交流牽引電機的控制技術，是高速列車牽引技術的核心，而逆變器又是其中的關鍵，其中包括下列三項主要技術：一是電力半導體器件，它是逆變器中的關鍵元件，目前比較先進的是GTO元件和IGBT元件，后者將逐步取代前者；二是變流電路的結構性能，它是隨半導體器件的發展而發展的，目前其設計重點已轉向牽引性能、諧波含量、電磁干擾、控制特性及運用成本等；三是交—直—交傳動的控制技術，這一技術由網側變流器控制和電機側逆變器控制兩部分組成。