節(jié)能技術(shù)在城市軌道交通車(chē)輛 牽引傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用

曹虎 董凱 孫叢君 白旭峰 李華 郝帥 何俊鵬

摘 要：牽引傳動(dòng)系統(tǒng)是城市軌道交通車(chē)輛的重要耗能系統(tǒng)，節(jié)能技術(shù)在牽引傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用對(duì)于城市軌道交通未來(lái)的發(fā)展意義重大。通過(guò)結(jié)合城市軌道交通列車(chē)能耗仿真軟件對(duì)車(chē)輛能耗構(gòu)成進(jìn)行分析，提出牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的主要節(jié)能措施，并重點(diǎn)介紹碳化硅功率器件、永磁同步牽引傳動(dòng)、中高頻大功率 DC-DC 輔助變流和 DC600V直流供電等節(jié)能技術(shù)的現(xiàn)狀和應(yīng)用特點(diǎn)，以期為節(jié)能技術(shù)在城市軌道交通牽引傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通;牽引傳動(dòng)系統(tǒng);節(jié)能技術(shù);碳化硅功率器件;永磁同步牽引電機(jī);中高頻大功率輔助變流;DC600V直流供電

中圖分類(lèi)號(hào)：U270.35

0 引言

城市軌道交通不僅具有安全、高速、準(zhǔn)時(shí)、可計(jì)劃以及大運(yùn)量等特點(diǎn)，還有助于節(jié)能減排，建設(shè)資源節(jié)約、環(huán)境友好型社會(huì)。雖然，按同等運(yùn)能比較，軌道交通的能耗比其他交通工具小，但由于其大運(yùn)量的特點(diǎn)，其總耗電量仍相當(dāng)大，依然有節(jié)電潛力。

城市軌道交通車(chē)輛牽引傳動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)包括高壓電氣回路、牽引變流系統(tǒng)、輔助變流系統(tǒng)和接地回路等子系統(tǒng)的復(fù)雜系統(tǒng)。牽引能耗在城市軌道交通車(chē)輛總能耗中占主要部分。新一代功率器件和新型電機(jī)的應(yīng)用為提升牽引傳動(dòng)系統(tǒng)能效提供了基礎(chǔ)條件，新的拓?fù)浜涂刂品椒▌t有助于最大限度地實(shí)現(xiàn)小型輕量化設(shè)計(jì)。因此，在設(shè)計(jì)和制造此系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)把握高效、智能化、小型輕量化的發(fā)展方向，綜合分析各子系統(tǒng)相關(guān)的節(jié)能技術(shù)，把節(jié)能分析、節(jié)能設(shè)計(jì)、節(jié)能管理緊密結(jié)合起來(lái)，從而達(dá)到提高綜合能效指標(biāo)的目的。

1 城市軌道交通車(chē)輛能耗構(gòu)成

電能消耗是城市軌道交通系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中能源消耗的主要形式，主要包括列車(chē)運(yùn)行牽引能耗以及車(chē)站動(dòng)力照明設(shè)備能耗。列車(chē)運(yùn)行牽引能耗即列車(chē)運(yùn)行所消耗的牽引電能，主要包括車(chē)輛牽引系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)能耗。根據(jù)對(duì)城市軌道交通的用電負(fù)荷統(tǒng)計(jì)分析，牽引系統(tǒng)能耗占城市軌道交通車(chē)輛運(yùn)營(yíng)能耗的40%～50%。

定量分析城市軌道交通車(chē)輛的能耗影響因素、評(píng)估能耗大小、找出節(jié)能突破點(diǎn)，對(duì)降低城市軌道交通車(chē)輛運(yùn)輸成本、提升能源利用率、提高經(jīng)濟(jì)效益以及維持可持續(xù)發(fā)展都有很現(xiàn)實(shí)的意義。為此，中車(chē)青島四方車(chē)輛研究所有限公司研究團(tuán)隊(duì)（以下簡(jiǎn)稱“研究團(tuán)隊(duì)”）開(kāi)展了城市軌道交通列車(chē)能耗成因及機(jī)理的研究，并進(jìn)行了能耗仿真軟件的開(kāi)發(fā)。該軟件以城市軌道交通車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型和各部件主要參數(shù)作為模型計(jì)算主體，輸入車(chē)輛基本情況和運(yùn)行工況，輸出系統(tǒng)能耗計(jì)算結(jié)果和各部件綜合能量效率，其結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。該軟件通過(guò)計(jì)算不同種類(lèi)城市軌道交通車(chē)輛在不同運(yùn)行工況條件下所受的合力，進(jìn)而計(jì)算在固定速度工況條件下的功率需求及能量消耗，同時(shí)通過(guò)對(duì)各部件輸入及輸出功率進(jìn)行積分計(jì)算得到各部件的能量效率，為城市軌道交通列車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)能耗評(píng)價(jià)提供仿真計(jì)算依據(jù)。因此，上述能耗仿真軟件可在一定程度上指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備選型，優(yōu)化整車(chē)及關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

為了驗(yàn)證該能耗仿真軟件的合理性和可行性，將重慶地鐵10號(hào)線列車(chē)的相關(guān)信息輸入到仿真軟件中，并將仿真結(jié)果與列車(chē)在實(shí)際單程運(yùn)行工況下的能耗進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出，牽引能耗仿真結(jié)果與實(shí)際牽引能耗變化趨勢(shì)一致。在上述實(shí)際單程運(yùn)行過(guò)程中，牽引能耗仿真結(jié)果為580 kW · h，實(shí)際牽引能耗為540 kW · h，仿真結(jié)果與實(shí)際數(shù)值的偏差為7.41%，證明仿真軟件能夠較好地反映城市軌道交通列車(chē)的牽引能耗水平。

此外，該軟件能夠仿真計(jì)算出城市軌道交通車(chē)輛運(yùn)行能耗的組成部分及分布情況，如牽引系統(tǒng)損耗、列車(chē)運(yùn)行阻力損耗、輔助系統(tǒng)能耗等，如圖3所示。由仿真結(jié)果可知，牽引系統(tǒng)損耗和輔助系統(tǒng)能耗總和約占整個(gè)車(chē)輛能耗的70%，列車(chē)制動(dòng)損耗約占15%，所以提高牽引和輔助設(shè)備能量轉(zhuǎn)換效率，降低制動(dòng)損耗是車(chē)輛節(jié)能的最有效途徑。

2 牽引傳動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能措施

牽引傳動(dòng)系統(tǒng)是城市軌道交通車(chē)輛的主要耗電設(shè)備，由高壓電氣回路、牽引變流系統(tǒng)、輔助變流系統(tǒng)和接地回路等子系統(tǒng)組成。牽引變流系統(tǒng)負(fù)責(zé)將直流供電電源轉(zhuǎn)換為用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的交流變頻電源，輔助變流系統(tǒng)負(fù)責(zé)將直流供電電源轉(zhuǎn)換為用于車(chē)輛空調(diào)、照明的工頻電源，兩者是整個(gè)車(chē)輛能量轉(zhuǎn)換的重要組成部分，所以提高這兩大系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換效率是節(jié)能的關(guān)鍵。

2.1 碳化硅（SiC）功率器件的應(yīng)用

近年來(lái)，隨著以SiC為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料制備及生產(chǎn)工藝的迅速發(fā)展，高電壓、大電流的SiC功率半導(dǎo)體器件逐漸投入市場(chǎng)，以美國(guó)CREE公司為代表的企業(yè)已推出各種電壓等級(jí)的SiC功率器件。SiC功率器件具有耐高溫、耐高壓、工作頻率高等特性，可提高車(chē)輛牽引變流器和輔助變流器的效率，減小其工作噪聲，并能夠通過(guò)提高整機(jī)功率密度實(shí)現(xiàn)減輕整車(chē)質(zhì)量和節(jié)能的目的。

目前商業(yè)化SiC功率器件的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在開(kāi)關(guān)損耗、開(kāi)關(guān)頻率和溫度特性上。圖4為SiC功率器件與傳統(tǒng)硅（Si）功率器件開(kāi)關(guān)電流的對(duì)比波形。試驗(yàn)結(jié)果表明，SiC功率器件在開(kāi)關(guān)損耗上有明顯優(yōu)勢(shì)，尤其是二極管反向恢復(fù)損耗。此外，相比Si功率器件，SiC功率器件的開(kāi)關(guān)損耗熱穩(wěn)定性更好，其開(kāi)通和關(guān)斷損耗并不會(huì)隨著器件結(jié)溫的變化而顯著變化，如圖5所示，這一特點(diǎn)非常有利于提高變流器的熱穩(wěn)定性。

在變流器的設(shè)計(jì)中，應(yīng)用SiC功率器件不但可以降低系統(tǒng)功率損耗，而且可以通過(guò)提高開(kāi)關(guān)速度優(yōu)化磁性材料的應(yīng)用特性，減小磁芯元件的尺寸和質(zhì)量，并降低直流支撐電容的容值。系統(tǒng)功率損耗的減小也降低了對(duì)散熱部件的要求，因此允許使用更小的散熱器和風(fēng)機(jī)，甚至取消風(fēng)機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備組件及設(shè)備的小型化、輕量化。但由于SiC功率器件的價(jià)格較高，在實(shí)際應(yīng)用中要綜合考慮各種設(shè)計(jì)因素，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)配置。

研究團(tuán)隊(duì)以某有軌電車(chē)牽引系統(tǒng)（車(chē)輛采用DC750V電源供電）的技術(shù)指標(biāo)為設(shè)計(jì)目標(biāo)，分別開(kāi)發(fā)了應(yīng)用Si和SiC半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的牽引和輔助變流器。牽引變流器的額定工作容量360 kVA，輸出電壓0～

520 V，輸出電流440 A;輔助變流器的額定容量40 kVA，充電機(jī)的額定功率10 kW。研制出的樣機(jī)參數(shù)如表1所示，采用SiC功率器件的牽引變流器體積比采用Si功率器件減小超過(guò)30%，質(zhì)量減小近40%。為了進(jìn)一步對(duì)比SiC功率器件在損耗方面的優(yōu)勢(shì)，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了不同速度下的效率試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由表2可知，相比于Si功率器件的牽引變流器， SiC牽引變流器的運(yùn)行效率提升約1.4%，系統(tǒng)損耗降低約53%。

采用SiC功率器件的輔助變流器箱在質(zhì)量上也有明顯減小，但減小效果沒(méi)有牽引變流器明顯，僅為16%。分析質(zhì)量減小的效果未達(dá)到更優(yōu)的主要原因是：為了平衡設(shè)計(jì)成本和系統(tǒng)效率，SiC功率器件未采用更高的開(kāi)關(guān)頻率。對(duì)SiC輔助變流器進(jìn)行的效率測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)效率提升3%，達(dá)到95%，系統(tǒng)損耗降低約42%。除此之外，對(duì)輔助系統(tǒng)進(jìn)行的溫升試驗(yàn)結(jié)果表明（圖6），無(wú)論是絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）還是電磁器件，溫升均有明顯降低，這可顯著提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

SiC功率器件具有工作頻率高、耐高溫、低損耗等諸多性能優(yōu)勢(shì)，有利于推動(dòng)電能轉(zhuǎn)換技術(shù)的革新，發(fā)展綠色智能軌道交通。但由于目前SiC功率器件的電壓、電流等級(jí)以及成本等因素，要實(shí)現(xiàn)其在城市軌道交通行業(yè)的大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用，仍有不少難題需要克服。

2.2 永磁同步牽引傳動(dòng)技術(shù)

在軌道牽引傳動(dòng)系統(tǒng)中，永磁同步牽引電機(jī)以其高效率、高功率密度、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)受到國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。德、日、法等軌道交通裝備制造強(qiáng)國(guó)均將永磁同步牽引系統(tǒng)作為第3代軌道交通牽引技術(shù)進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)，目前已進(jìn)入樣機(jī)工程化和商業(yè)化的應(yīng)用階段。牽引系統(tǒng)采用永磁同步電機(jī)，可有效降低系統(tǒng)能耗和噪聲水平，減少電機(jī)日常維護(hù)工作，符合建立綠色城市交通系統(tǒng)的理念，已成為下一代城市軌道交通的發(fā)展方向。

永磁同步牽引電機(jī)采用具有寬磁滯回線、高矯頑力、高剩余磁化強(qiáng)度的永磁材料，與異步牽引電機(jī)相比，其主要優(yōu)勢(shì)在于過(guò)載能力強(qiáng)、功率因數(shù)高、效率高、噪聲低。圖7為永磁同步牽引電機(jī)與異步牽引電機(jī)的效率分布圖，表征電機(jī)全運(yùn)行工況下的效率高低，圖中深紅色區(qū)域?yàn)楦咝^(qū)域。由圖7可知，永磁同步牽引電機(jī)的高效區(qū)域面積遠(yuǎn)大于異步牽引電機(jī)。由于城市軌道交通運(yùn)行站間距短，列車(chē)頻繁啟停，牽引電機(jī)經(jīng)常低速運(yùn)轉(zhuǎn)，而永磁同步牽引電機(jī)全工況范圍內(nèi)的高效特性可更加節(jié)能。同時(shí)，采用具有高磁能積的永磁體可提高永磁同步牽引電機(jī)的功率密度，從而可在相同功率下減小電機(jī)的體積與質(zhì)量。由于永磁同步牽引電機(jī)的效率顯著提高，電機(jī)自身發(fā)熱大幅度減少，特別是轉(zhuǎn)子的發(fā)熱量明顯降低，因此可以依據(jù)系統(tǒng)需求實(shí)現(xiàn)全封閉設(shè)計(jì)，這樣不僅可減少清掃維護(hù)工作，也可降低噪聲。

研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)青島地鐵11號(hào)線牽引系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)（車(chē)輛采用第三軌DC1500V供電，牽引系統(tǒng)采用軸控方式），開(kāi)發(fā)了永磁同步牽引系統(tǒng)，電機(jī)的額定功率為230 kW。該系統(tǒng)于2017年9月在青島地鐵11號(hào)線通過(guò)了地面試驗(yàn)、裝車(chē)試驗(yàn)、空載試運(yùn)行和正線載客運(yùn)營(yíng)各個(gè)階段的考核。表3為永磁同步牽引列車(chē)和異步牽引列車(chē)載客運(yùn)營(yíng)期間的能量生成和消耗數(shù)據(jù)，包括牽引能耗、回饋電網(wǎng)能量和制動(dòng)電阻能耗。由表3可知，永磁同步牽引列車(chē)平均每千米的能耗為10.41 kW · h，回饋電網(wǎng)能量為5.55 kW · h，相比異步牽引列車(chē)，永磁同步牽引列車(chē)平均每千米牽引能耗可減少0.42 kW · h，回饋電網(wǎng)能量多0.2 kW · h。制動(dòng)能量除了回饋電網(wǎng)外，還有一少部分被制動(dòng)電阻消耗，因此綜合考慮回饋電網(wǎng)與制動(dòng)電阻消耗的再生能量，永磁同步牽引列車(chē)平均每千米的總能耗為3.95 kW · h，比異步牽引列車(chē)（平均每千米4.64 kW · h）節(jié)能15%。按照異步牽引列車(chē)每年運(yùn)行20萬(wàn)km，每千米耗電4.64 kW · h計(jì)算，1列列車(chē)1年將耗能92.8萬(wàn)kW · h。由此可知，基于永磁同步牽引系統(tǒng)的列車(chē)每年可節(jié)約電能近14萬(wàn) kW · h。

如今，異步牽引系統(tǒng)已經(jīng)非常成熟，從供應(yīng)商到運(yùn)營(yíng)部門(mén)都積累了大量的設(shè)計(jì)、運(yùn)用和維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，而永磁同步牽引系統(tǒng)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)較少，需要針對(duì)永磁同步電機(jī)的特殊性，依據(jù)系統(tǒng)頂層指標(biāo)對(duì)永磁同步電機(jī)的反電勢(shì)、短路電流以及牽引系統(tǒng)的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，以使永磁同步牽引系統(tǒng)在滿足系統(tǒng)牽引/制動(dòng)特性的前提下安全可靠地工作。

2.3 中高頻大功率 DC-DC 輔助變流技術(shù)

傳統(tǒng)輔助電源多采用工頻拓?fù)洌葘⒅绷麟娔孀?，再?jīng)工頻變壓器降壓隔離，輸出三相工頻交流電源。由于工頻變壓器工作頻率低、功率密度小，因此體積、質(zhì)量和損耗通常較大。此外，逆變回路通常選用3 300 V等級(jí)的IGBT，電能轉(zhuǎn)換過(guò)程中開(kāi)關(guān)損耗較大，所以傳統(tǒng)輔助電源的實(shí)際效率通常小于91%。

隨著大功率DC-DC軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的發(fā)展，采用中高頻大功率DC-DC隔離技術(shù)的輔助電源已成為城市軌道交通車(chē)輛輔助電源的重要發(fā)展趨勢(shì)。中高頻大功率DC-DC輔助電源的結(jié)構(gòu)如圖8所示，與傳統(tǒng)輔助電源電路拓?fù)湎啾龋撏負(fù)湓谌嗄孀兤髑霸黾右患?jí)帶高頻變壓器隔離的DC-DC變換器，即先對(duì)高壓直流電源進(jìn)行降壓斬波，再逆變輸出AC380V電源。它與采用工頻方案的輔助電源最大不同在于采用高頻逆變器、高頻隔離變壓器、高頻整流濾波器的結(jié)構(gòu)，將網(wǎng)側(cè)輸入電壓降壓斬波為所需要的直流電壓。

采用這種電路結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）變壓器效率高、體積小、質(zhì)量小。以某項(xiàng)目130 kVA輔助電源的變壓器為例，采用此種電路結(jié)構(gòu)后變壓器損耗由2.6 kW降低到0.8 kW，質(zhì)量由原來(lái)的450 kg減小到100 kg以內(nèi)。

（2）逆變頻率高、損耗小。由于輸入電壓經(jīng)過(guò)DC-DC斬波降壓，因此逆變回路可采用1 700 V或更低電壓等級(jí)的IGBT，開(kāi)關(guān)損耗低，開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)一步提高。這有利于減小散熱部件尺寸和優(yōu)化三相濾波回路參數(shù)，減小部件質(zhì)量，提高系統(tǒng)效率。

（3）系統(tǒng)效率高。在隔離型中高頻大功率DC-DC結(jié)構(gòu)中多使用諧振軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，即利用諧振過(guò)程中電壓和電流周期性過(guò)零的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，降低器件的開(kāi)關(guān)損耗，提高能量轉(zhuǎn)換效率。

采用中高頻大功率DC-DC變流技術(shù)的輔助電源已在多個(gè)地鐵項(xiàng)目中裝機(jī)應(yīng)用。表4是研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)6節(jié)編組的城市軌道交通車(chē)輛分別為傳統(tǒng)輔助電源和中高頻大功率DC-DC輔助電源制定的技術(shù)指標(biāo)。對(duì)比質(zhì)量參數(shù)可知，在保持箱體尺寸不變的情況下，單臺(tái)電源的質(zhì)量由原來(lái)的1 450 kg減小到1 010 kg，減小約30%。此外，由于輔助逆變電源采用中高頻大功率DC-DC變流技術(shù)，電源效率由原來(lái)的91%提高到94.5%。但由于其電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)控制難度大，對(duì)系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)要求較高。

2.4 DC600V 直流供電技術(shù)

除了采用更先進(jìn)的半導(dǎo)體器件以及更高效的電路拓?fù)湟酝猓ㄟ^(guò)優(yōu)化或改變整車(chē)供電制式和供電模式、減少能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)、提高電能利用率，也是車(chē)輛節(jié)能的重要手段。研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)的DC600V直流供電技術(shù)即采用這種方案。

DC600V直流供電技術(shù)是在列車(chē)輔助電源中高頻化以及空調(diào)電源變頻化的應(yīng)用背景下提出的。上海市軌道交通5號(hào)線、沈陽(yáng)地鐵1號(hào)線以及北京地鐵燕房線的車(chē)輛已采用變頻空調(diào)替代傳統(tǒng)的定頻空調(diào)。目前，城市軌道交通列車(chē)上的變頻空調(diào)機(jī)組多采用交-直-交變頻器，先將工頻AC380V整流成直流電壓，再經(jīng)逆變單元轉(zhuǎn)變成頻率可調(diào)的交流電輸出，其存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、能量轉(zhuǎn)換效率低的缺點(diǎn)。針對(duì)此問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)變頻空調(diào)的直流供電系統(tǒng)進(jìn)行研究，研制出DC600V輔助供電系統(tǒng)，增加DC600V輸出電壓制式，使空調(diào)機(jī)組直接從該供電系統(tǒng)上取電，不但省去了空調(diào)機(jī)組的中間整流環(huán)節(jié)，還大大降低了AC380V逆變電源的設(shè)計(jì)容量，減小了設(shè)備的質(zhì)量和體積，實(shí)現(xiàn)了列車(chē)輔助電源的小型化及輕量化。

DC600V輔助供電系統(tǒng)（圖9）是將DC1500V高壓電轉(zhuǎn)換成DC600V、AC380V以及DC110V，為空調(diào)、通風(fēng)機(jī)、空氣壓縮機(jī)、蓄電池充電器以及照明等輔助設(shè)備提供電源。DC600V輔助供電系統(tǒng)的各種電氣設(shè)備按功能、電壓等級(jí)可分為高壓輸入回路、輔助電源箱、中壓母線回路、低壓母線回路、列車(chē)負(fù)載供電回路以及DC24V電源。對(duì)于表4中6節(jié)編組的城市軌道交通車(chē)輛輔助電源，在引入DC600V供電制式后，由于空調(diào)直接從DC600V取電，AC380V逆變電源的設(shè)計(jì)容量由原來(lái)的單臺(tái)190 kVA降低到了65 kVA。該指標(biāo)的降低無(wú)論是對(duì)變流單元還是輸出三相LC濾波回路，都起到了減小尺寸和質(zhì)量的作用。此外，采用DC600V直流供電技術(shù)，還促進(jìn)了中高頻大功率DC-DC輔助電源的推廣應(yīng)用。

3 總結(jié)與展望

本文對(duì)節(jié)能技術(shù)在城市軌道交通車(chē)輛牽引傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，結(jié)合研究團(tuán)隊(duì)的最新研究成果，重點(diǎn)介紹了SiC功率器件、永磁同步牽引傳動(dòng)、中高頻大功率DC-DC輔助變流、DC600V直流供電4種技術(shù)的現(xiàn)狀和應(yīng)用特點(diǎn)。SiC器件具有工作頻率高、耐高溫、低損耗等性能優(yōu)勢(shì)，可以給包括牽引變流器和輔助變流器在內(nèi)的功率變換裝置帶來(lái)革命性改進(jìn)，使得新一代變流系統(tǒng)在效率、小型輕量化、控制性能等方面具備明顯優(yōu)勢(shì)。永磁同步牽引電機(jī)與異步牽引電機(jī)相比，不僅在效率方面有巨大優(yōu)勢(shì)，而且在功率密度、轉(zhuǎn)矩特性、可維護(hù)性等方面也優(yōu)于后者。中高頻大功率DC-DC輔助變流技術(shù)的應(yīng)用，使得變壓器更小、更輕;降壓斬波后的直流電壓較低，對(duì)器件耐壓等級(jí)的要求也較低，開(kāi)關(guān)損耗也因此降低;加上使用諧振軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)效率。DC600V直流供電技術(shù)通過(guò)優(yōu)化整車(chē)電能轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，不僅在輸出上適應(yīng)了新型負(fù)載對(duì)輔助供電系統(tǒng)的要求，而且可以大大減小AC380V的逆變電源的設(shè)計(jì)容量，從而實(shí)現(xiàn)小型、輕量化設(shè)計(jì)。

城市軌道交通牽引傳動(dòng)系統(tǒng)中節(jié)能技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)取得諸多成果，但仍有一些亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。例如，SiC功率器件目前仍難以大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用，永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)與控制技術(shù)尚不成熟，目前針對(duì)牽引系統(tǒng)各部分的節(jié)能研究缺乏系統(tǒng)性。今后應(yīng)該從這些方面著手，逐步優(yōu)化城市軌道交通牽引傳動(dòng)系統(tǒng)中的節(jié)能技術(shù)。

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收稿日期 2019-08-19

責(zé)任編輯 蘇靖棋