第三节　动车组供电牵引系统发展概况

一、概述

日本从1964年首条高速铁路开通以来，动车组从0系发展到700系，从直流传动发展到交流传动，运行速度从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的运行速度，采用动力集中传动方式。然而ICE3新一代高速动车组也转而采用动力分散方式（2M2T）。可见，开发300km/h以上高速动车组采用动力分散是目前世界的发展趋势。

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—直牵引传动控制技术。由于直流电动机的单位功率重量较大，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，列车重量由418t增加到479t，列车定员由368人增加到485人。

TGV-A采用GTO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。

日本和德国则与法国不同，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式感应电机（简称异步电机），转子用硅钢片叠压，用裸铜条作为导体，无滑环等摩擦部件。因此，异步电机结构简单、可靠、体积小、重量轻、可实现电机无维修。

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（目前，世界上最大的直流牵引电机功率为1000kW，而交流牵引电机功率已达到1800kW）、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、耐冲击性能较好。

（5）耐风雪、多尘、潮湿等恶劣环境。

（6）具有可持续的大启动牵引力。

（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碳刷，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机驱动是高速列车牵引传动系统的发展主流。

二、牵引变流元件

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、重量和价格。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/IPM等发展阶段。

1.晶闸管

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20世纪80年代，大功率晶闸管应用技术成熟，新研制的200系、100系、400系高速列车均采用相控调压方式。

2.可关断晶闸管（简称GTO）

GTO是高电压、大电流双极型全控型器件。与晶闸管相比，GTO的工作频率较高且具有自关断能力，省去了强迫换流电路，所以整体体积减小、重量减轻、效率提高、可靠性增加。在大容量变流设备中GTO发挥了其高电压大电流的优势，在机车牵引传动、交流电机调速、不停电电源和直流斩波调速等领域被广泛应用。

GTO的缺点有两个：一是关断增益较小，门极反向关断电流较小；二是为限制du/dt及关断损耗需设置专门的缓冲电路，这部分电路消耗一定能量，而且需要快速恢复二极管、无感电阻、无感电容等器件。

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，新研制的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。

3.绝缘门栅极晶体管（简称IGBT）

IGBT是一种增强型场控（电压）复合器件，集大功率晶体管GTR通态压降小、载流密度大、耐压高和功率MOSFET驱动功率小、开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好的优点于一身。IGBT通过施加正向门极电压形成沟道、提供晶体管基极电流使IGBT因流过反向门极电流而关断，其门极控制电路大为简化。大功率IGBT的研制成功为提高电力电子装置的性能，特别是为牵引变流器的小型化、高效化、低噪化提供了有利条件。目前常用于机车牵引变流器的IGBT器件容量为3300V/1200A、6500V/600A等多个等级。

4.智能型功率模块IPM

智能型功率模块IPM是以IGBT技术为基础的电力电子开关，由高速低功耗的管芯和优化的门极驱动电路以及快速保护电路构成。与IGBT器件相比，IPM还具有以下特点：①快速的过流保护；②过热保护；③桥臂对管互锁保护；④器件布局合理，无外部驱动线，抗干扰能力强，工作可靠性高；⑤驱动电源欠压保护。

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，才能用于驱动三相交流电机。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；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牵引性能、谐波含量、电磁干扰、控制特性及运用成本等；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。