高速鐵路的定義：

? ? ? ?中國指新建設(shè)計(jì)開行250km/h~350km/h速度等級動車組列車，初期運(yùn)營速度至少為200km/h的鐵路客運(yùn)專線。但2014年中國鐵路總公司《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》（高速鐵路部分）把國內(nèi)200km/h及以上的國鐵制式鐵路和200km/h以下僅運(yùn)行動車組列車的國鐵制式鐵路都?xì)w入高速鐵路。我國高鐵里程之所以高得驚人，是因?yàn)榇罅坎蛔?50km/h的線路都被算進(jìn)來了。

? ? ? ?國際鐵路聯(lián)盟（UIC）認(rèn)為高鐵包括其領(lǐng)域下的眾多系統(tǒng)。目前UIC發(fā)布的《高速鐵路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)設(shè)施》和《高速鐵路設(shè)計(jì)供電》兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)是由中國國家鐵路集團(tuán)有限公司主持，日、法、德、西、意等國家協(xié)商下編制的。

? ? ? ?歐洲把提速后達(dá)到200km/h的既有鐵路和新建達(dá)到250~300km/h的鐵路定義為高速鐵路；1985年聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會（官方組織）在日內(nèi)瓦簽署的《國際鐵路干線協(xié)議》規(guī)定：新建客貨運(yùn)列車混用型高速鐵路速度為250km/h以上，新建客運(yùn)列車專用型高速鐵路速度為350km/h。?

? ? ? ?日本作為世界上最早開始發(fā)展高速鐵路的國家，日本政府在1970年發(fā)布第71號法令，為制定全國新干線鐵路發(fā)展的法律，對高速鐵路的定義是，凡一條鐵路的主要區(qū)段，列車的最高運(yùn)行速度達(dá)到200km/h及以上的可以稱為高速鐵路。新干線屬于日本高速鐵道，但日本高速鐵道不完全是新干線 ，而是還有一些日本城市軌道交通系統(tǒng)（比如速度等級達(dá)到80km/h的琦玉高速鐵道）。

? ? ? ?美國標(biāo)準(zhǔn)：美國聯(lián)邦鐵路管理局曾對高速鐵路定義為最高營運(yùn)速度高于145km/h（90 mph）的鐵路，但從社會大眾的角度，“高速鐵路”一詞在美國通常會被用來指營運(yùn)速度高于160km/h的鐵路服務(wù)，這是因?yàn)樵诋?dāng)?shù)爻税⑽鳂房炀€（最高速度240km/h）以外并沒有其他營運(yùn)速度高于128km/h（80mph）的鐵路客運(yùn)服務(wù)。

關(guān)于鐵道車輛的概念：

交—直流電傳動：指電力機(jī)車從交流電接觸網(wǎng)受流，交流電經(jīng)過變壓—整流后，向直流牽引電動機(jī)供給直流電。英國的HST，日本0系、100系、200系，400系和法國TGV-PSE高速列車為交—直流電傳動。我國“韶山”系列電力機(jī)車為交—直流電傳動，SS9G“燒酒”是我國交—直流電傳動機(jī)車的尾作，SS3B“大三B”是我國功率最大的直流電傳動機(jī)車。

交—交流電傳動：指電力機(jī)車從交流電接觸網(wǎng)受流，交流電經(jīng)過變壓后，通過一個或幾個變頻裝置直接變頻后，供給交流牽引電動機(jī)。法國BB 13000型電力機(jī)車及BB 14000型電力機(jī)車為交—交流電傳動形式（參考Bilibili@寧柳跨越）。

交—直—交流電傳動：指電力機(jī)車從交流電接觸網(wǎng)受流，交流電經(jīng)過變壓—整流—逆變后，供給交流牽引電動機(jī)。

多電流制電力機(jī)車：指采用交—直—交流電以及直—交流電雙制式電傳動，但受流電壓為兩種或兩種以上的電力機(jī)車，如TRAXX MS2E/MS3型電力機(jī)車。ICE3M、TGV-Thalys等跨國高速列車也為多電流制列車。

本文主要內(nèi)容是概述高速列車的交—直—交流電傳動技術(shù)和電氣設(shè)備的創(chuàng)新發(fā)展方向之一——電力電子牽引變壓器（Power Electric Traction Transformer，簡稱PETT），并譯述ABB公司研發(fā)的一種電力電子變壓器，全文接近2萬字。辛苦各位Bilibili的審核人員！

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如今的高速列車在高速鐵路區(qū)段運(yùn)行時，受電弓一般從這些制式的電網(wǎng)取電：AC 25kV 50/60hz、AC 15kV/16.7hz等，均為單相單線高壓交流電。交—直—交傳動，即交流傳動，指受電弓將單相高壓交流電輸送到牽引變壓器降壓，牽引變壓器將低壓交流電輸送到四象限脈沖整流器（PWM整流器），整流器將交流電轉(zhuǎn)成直流電，再將直流電輸送到逆變器（PWM逆變器），逆變器將直流電轉(zhuǎn)成電壓可調(diào)、頻率可調(diào)的三相交流電供給三相交流牽引電動機(jī)。牽引電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩傳遞給輪對，使列車獲得輪周牽引力。整流和逆變都在牽引變流器中完成。1989年，TGV-A成為世界上第一種采用交流電機(jī)牽引的高速列車；1992年，300系新干線列車采用交流異步電機(jī)（感應(yīng)電機(jī)）牽引，并成為世界上第一種采用再生制動的高速列車。特別地，CR400“復(fù)興號”列車在整流側(cè)和逆變側(cè)之間新增無火回送單元。列車不升弓，低速自走時，鋰電池向牽引逆變器供給110V直流電，牽引逆變器對電機(jī)勵磁，隨后啟動輔助逆變器。據(jù)報，CR400BF-C可以低速自走20km。日本的N700S系新干線列車也有無火回送單元。

早期的高速列車采用交—直傳動，即直流傳動，指四象限脈沖整流器（初期可以用水銀整流器、晶閘管整流器，晶閘管又稱“硅晶體閘流管”，在電路中是一個開關(guān)可控的二極管）將牽引變壓器輸送來的低壓交流電轉(zhuǎn)成直流電，供給直流串勵式牽引電機(jī)。交流傳動和直流傳動的差異在于采用交流電機(jī)還是采用直流電機(jī)牽引。

先說直流牽引電機(jī)。直流串勵式電機(jī)，就是由勵磁線圈供電，使主磁極（N極和S極電磁鐵，也就是定子）產(chǎn)生磁場，主磁極中間是轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子上有線圈（電樞），電樞線圈和勵磁線圈串接在一起，這就叫“串勵”。電樞的首尾連接到圓弧形的銅片，銅片就是換向器。電刷置于銅片上，保證電樞線圈上的感應(yīng)電流方向不變，電樞線圈受到的電磁力方向不變。電樞線圈通過銅片和電刷聯(lián)通外電路，通電后，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，電磁轉(zhuǎn)矩克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩后，轉(zhuǎn)子就能以固定的方向旋轉(zhuǎn)起來。直流串勵式電機(jī)轉(zhuǎn)矩可觀、效率可觀，最大的優(yōu)點(diǎn)是易于調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速——只需要利用整流器——比如到20世紀(jì)60年代，采用晶閘管整流器進(jìn)行斬波調(diào)速，來改變電樞電壓。在電樞電路中接入調(diào)速電阻也可以完成調(diào)速（電壓不夠的時候，要想提高轉(zhuǎn)速，就要弱磁，也就是減小勵磁電流）。此外，直流電機(jī)的電樞（轉(zhuǎn)子）電流和固定的主磁通一直保持正交關(guān)系，主磁通的大小和方向主要取決于勵磁電流，所以轉(zhuǎn)子電流的大小和方向是隨時可控的。電機(jī)轉(zhuǎn)矩和主磁通與轉(zhuǎn)子電流正相關(guān)，所以調(diào)節(jié)勵磁電流，就可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流，就可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩。所以直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩都容易控制（轉(zhuǎn)矩=系數(shù)×功率/轉(zhuǎn)速 ）。直流電機(jī)的缺點(diǎn)是需要換向器和電刷來保證連續(xù)輸出轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)體積大，重量大，而且換向器和電刷的維護(hù)成本很高。

雖然直流電機(jī)體積大，重量大，但始終易于調(diào)速。如今的電刷比過去更耐用（比如在電動汽車行業(yè)），不過，電機(jī)不需要換向器和電刷總是好事。直流電機(jī)除了用在“韶山”系列機(jī)車，也用在少數(shù)城市軌交車輛，比如首都機(jī)場APM線列車和廣州珠江新城APM線列車。

沒有換向器和電刷的交流電機(jī)比直流電機(jī)輕得多。無刷直流電機(jī)的本質(zhì)就是交流電機(jī)。其次，交流電機(jī)除了軸承，沒有其它摩擦部件，機(jī)械轉(zhuǎn)速不受換向條件和機(jī)械強(qiáng)度的限制，使其額定轉(zhuǎn)速和最高轉(zhuǎn)速比直流電機(jī)高得多。同體積下，交流電機(jī)的額定功率自然高得多。再者，交流電機(jī)不需要像直流電機(jī)那樣在電路中采取串聯(lián)—并聯(lián)切換，列車主電路更簡潔了，便于設(shè)定用一臺逆變器控制交流電機(jī)的個數(shù)。交流電機(jī)也促進(jìn)了再生制動的發(fā)展，再生制動就是在列車制動時，牽引電機(jī)變成發(fā)電機(jī)，將列車的動能轉(zhuǎn)化為電能回饋給電網(wǎng)，使列車制動。再生制動可以取代電阻制動并減小機(jī)械制動的負(fù)擔(dān)（300系新干線列車降速到25km/h以下才會施加機(jī)械制動），而且電機(jī)在牽引和再生制動之間的轉(zhuǎn)換，是通過軟件程序，由無觸點(diǎn)元件完成的，不會改變列車主電路拓?fù)?。目前的交流電機(jī)普遍是三相、四極，雙層定子繞組。N700S采用六極交流異步電機(jī)。我們也有采用六級牽引電機(jī)的傾向。

交流電機(jī)是如何工作的？以異步電機(jī)為例，當(dāng)我對異步電機(jī)給上勵磁，給它的三相定子繞組通上三相對稱交流電源，定子和轉(zhuǎn)子之間的氣隙就能產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)的磁場。磁場的轉(zhuǎn)速被稱為同步轉(zhuǎn)速。假設(shè)磁場是逆時針旋轉(zhuǎn)的，磁力線大致沿著轉(zhuǎn)子的直徑方向。主磁通轉(zhuǎn)過一定的角度后，轉(zhuǎn)子切割磁力線（磁感線），在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生感應(yīng)電流，所以異步電機(jī)的主磁通和轉(zhuǎn)子電流并非時刻保持正交關(guān)系。在感應(yīng)電流和氣隙磁場相互作用下，根據(jù)左手定則，轉(zhuǎn)子上會產(chǎn)生和磁場的旋轉(zhuǎn)方向相同的電磁轉(zhuǎn)矩。電磁轉(zhuǎn)矩克服轉(zhuǎn)子上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩后，轉(zhuǎn)子就能轉(zhuǎn)起來。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增加，電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡，轉(zhuǎn)速就能穩(wěn)定在一個值。電機(jī)處于牽引狀態(tài)時，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速始終小于同步轉(zhuǎn)速，這保證了轉(zhuǎn)子和磁場保持相對運(yùn)動，使感應(yīng)電流不為0，電磁轉(zhuǎn)矩也不為0，“異步”的名稱就是這么來的；此外，轉(zhuǎn)子的電流是轉(zhuǎn)子切割磁力線產(chǎn)生的，不是像直流電機(jī)那樣——轉(zhuǎn)子上的線圈是通過換向器和電刷和外電路連接，所以異步電機(jī)又叫感應(yīng)電機(jī)。電機(jī)處于再生制動狀態(tài)時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速就一直高于同步轉(zhuǎn)速，使感應(yīng)電流反向，電磁轉(zhuǎn)矩的方向和轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向以及磁場的旋轉(zhuǎn)方向相反。

同步轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的差叫轉(zhuǎn)差，轉(zhuǎn)差和同步轉(zhuǎn)速的比值叫轉(zhuǎn)差率，反映異步電機(jī)“異步”的程度。交流同步電機(jī)的轉(zhuǎn)差是0，因?yàn)樗墙o定子繞組外接三相交流電，通過給轉(zhuǎn)子上的勵磁繞組外接直流電，來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場。永磁同步電機(jī)則是在轉(zhuǎn)子上安裝永磁體，永磁體代替勵磁繞組。既然轉(zhuǎn)子不是通過“感應(yīng)”來產(chǎn)生電流的，維持電磁轉(zhuǎn)矩也就不依賴轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)磁場的相對運(yùn)動。

我們知道了，異步電機(jī)的主磁通和轉(zhuǎn)子電流并非時刻保持正交關(guān)系（轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時相當(dāng)于帶著負(fù)載，負(fù)載就是轉(zhuǎn)子和輪對之間的減速齒輪，所以我把主磁通看作氣隙磁通），需要專門控制主磁通的大小和方向；異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流是“感應(yīng)”產(chǎn)生的，它是定子電流的分量，大小和方向都很難被監(jiān)控。結(jié)論是，異步電機(jī)的控制并不容易，異步電機(jī)乃至其它交流電機(jī)要想大規(guī)模取代直流電機(jī)，這個問題必須解決。辦法是有的，那就是對電機(jī)施加矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制。中車株洲電力機(jī)車研究所公司（以下簡稱“株洲所”）作為CRH2、CRH380A、CR400AF和CR300AF的牽引變流器的國外技術(shù)受讓方和國產(chǎn)化機(jī)器供應(yīng)商，他們采用了直接轉(zhuǎn)矩控制方式。這里我們只說矢量控制，它是把異步電機(jī)的模型通過坐標(biāo)變換，把它等效成直流電機(jī)的模型，模仿直流電機(jī)的控制策略，相應(yīng)地把坐標(biāo)反變換，就可以控制異步電機(jī)。交流同步電機(jī)、永磁同步電機(jī)，交流磁阻電機(jī)都可以采取矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制。具體知識可以求助Bilibili@発見者uid: 17374416，我遇到一些不明白的地方也是求助這位朋友的。

現(xiàn)在說說整流。德國人研制的四象限脈沖整流器的出現(xiàn)進(jìn)一步推動了交流傳動在鐵道車輛的實(shí)用化。原本用晶閘管來整流，輸入網(wǎng)側(cè)諧波較大，而且輸入功率因數(shù)低。脈沖整流器在變壓器側(cè)采用電力電子開關(guān)來控制電路導(dǎo)通，比如Si IGBT（硅基絕緣柵雙極晶體管）器件，它帶有一個續(xù)流二極管、一個MOS管和兩個三極管。器件采用絕緣柵，輸入阻抗高，易于控制電路；采用雙極，導(dǎo)通電阻小，耐壓等級高。脈沖整流器能使交流側(cè)輸入功率因數(shù)接近1.0（不能超過1.0，因?yàn)橐坏┏^了，這個電路會出問題，比如原來顯感性的電路變成顯容性了），使輸入的電網(wǎng)電流接近正弦波，減少諧波的影響（我要的是電流波形中的基波，諧波要過濾掉），穩(wěn)定供電電壓，并自由地控制能量的雙向流動，簡單地實(shí)現(xiàn)電機(jī)的牽引和再生制動的轉(zhuǎn)換。列車實(shí)施再生制動時，脈沖整流器就變成逆變器，這時輸入功率因數(shù)又能接近-1.0。

B站某位大佬把交—直—交傳動的整流環(huán)節(jié)比喻成樓房水管中間的水箱，我覺得不太恰當(dāng)——整流環(huán)節(jié)中的電容是負(fù)責(zé)過濾諧波、穩(wěn)定直流母線的電壓，防止逆變器側(cè)產(chǎn)生過電壓，或防止電信號受電路中電阻的限制而產(chǎn)生壓降衰減的。你看電磁炮的超級電容/飛輪就是個大“水箱”，它通電后瞬間釋放電流相當(dāng)于把整箱水頃刻間倒完，炮彈就能被“沖”出很遠(yuǎn)。PLA的電磁炮能上艦，是一件很棒的事。

你能注意到高速列車的電路的整流環(huán)節(jié)通常包括支撐電容器、二次諧振電路、過壓斬波電路和接地檢測電路等（參考文獻(xiàn)：中國知網(wǎng)，鐵科院集團(tuán)有限公司，我國鐵路機(jī)車/動車組牽引技術(shù)現(xiàn)狀及展望，錢銘）（公開的是簡化的電路，列車檢修人員拿到的電路圖會詳細(xì)得多）。整流環(huán)節(jié)的主要作用是過濾諧波，保持中間電壓穩(wěn)定，當(dāng)中間電壓過高時利用過壓斬波電路來放掉過多的電壓。CRH2和CRH380A的整流環(huán)節(jié)延續(xù)三菱的設(shè)計(jì)方案，取消二次諧振電路，減小整流單元的重量；整流環(huán)節(jié)采用兩個IGBT串聯(lián)加上中點(diǎn)帶鉗位二極管的一重三電平的脈沖整流器，IGBT開關(guān)的耐壓等級不需要很高，但是IGBT的數(shù)量要增加，控制開關(guān)難度增大，一重整流器過濾諧波的效果也不好。CR400采用二重二電平整流器，二次諧振電路和高耐壓等級的IGBT，過濾諧波的效果更好。

接下來再說逆變——直流電→交流電，逆變的功能是對交流電機(jī)供給三相交流電、對交流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，并使交流電機(jī)能夠以小電流啟動（不是小電壓，因?yàn)檗D(zhuǎn)矩和電壓的平方成正比，電壓太低，電磁轉(zhuǎn)矩就太低，為了平衡負(fù)載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速就要低，它和同步轉(zhuǎn)速之間的轉(zhuǎn)差會增大，轉(zhuǎn)子電流和轉(zhuǎn)差率成正比，轉(zhuǎn)子電流就要增大，定子電流也會增大，電流太大會燒壞電機(jī)）。逆變的步驟打通了，交流電機(jī)就能大規(guī)模取代直流電機(jī)了。首先，交流電機(jī)需要獲得頻率可調(diào)的交流電。已知：交流電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速的大小和列車的運(yùn)行速度正相關(guān)，和電源頻率正相關(guān)，和定子繞組極對數(shù)負(fù)相關(guān)（無刷直流電機(jī)也有極對數(shù)）。顯然，要想改變同步轉(zhuǎn)速，改變電源頻率更加簡便。改變電源電壓是不能對交流電機(jī)調(diào)速的。其次，交流電機(jī)需要獲得電壓可調(diào)的交流電。已知：電磁轉(zhuǎn)矩是轉(zhuǎn)子上的感應(yīng)電流和氣隙磁場相互作用產(chǎn)生的。氣隙磁通要盡量保持在額定值，磁通太小，電磁轉(zhuǎn)矩上不來，磁通太大就會磁飽和，導(dǎo)致勵磁/永磁電流增大，電機(jī)會溫升過高。如此，我們只需要讓供給電機(jī)的交流電壓和頻率之比是一個定值，就能穩(wěn)定氣隙磁通。給交流電機(jī)供給頻率和電壓同時可調(diào)的三相交流電，這就是逆變器的任務(wù)。得益于電力電子開關(guān)器件的發(fā)展，VVVF（Variable Voltage Variable Frequency，可變壓可調(diào)頻）逆變器就產(chǎn)生了。

但是我逆變器從整流單元拿到的是直流電，如何轉(zhuǎn)變成頻率可調(diào)、電壓可調(diào)的正弦交流電呢？我們可以從波形來判斷。按照傅里葉級數(shù)，任何周期函數(shù)都可以用一系列正弦函數(shù)（三角函數(shù)）來表示，如此，VVVF逆變器輸出的矩形脈沖波就有機(jī)會等價于輸出正弦波。

以VS（電壓源）型VVVF逆變器為例：

電機(jī)按順時針是U、V、W三個相，相位之間相差120°。每一個相的電路都分叉連接到逆變器的上、下兩個電橋的橋臂上，每一個相和上、下兩個橋臂之間的電路都有一個開關(guān)，三個相合起來就是6個開關(guān)。所以逆變器控制一臺電機(jī)的要點(diǎn)就在于這6個開關(guān)。這6個開關(guān)必須是電力電子開關(guān)，因?yàn)闄C(jī)械開關(guān)不滿足高電壓、大電流電路的通斷。同一個橋臂的上、下兩個開關(guān)不能同時閉合，否則會把電源短接。

閉合SU1后，SU2不能閉合，否則會把電源短接。然后每隔60°電度角，依次閉合SW2，SV1，SU2，SW1，SV2。各開關(guān)閉合時間為180°電度角。照此，把U、V、W三個相和接地點(diǎn)G之間的電壓相互疊加，比如把U-G間電壓和V-G間電壓疊加，就得到U-V間電壓。逆變器輸出的就是有波動起伏的矩形波。疊加之后的矩形波看起來就足夠像正弦波了，直流電就變成了相位互差120°的三相交流電。改變矩形脈沖波的寬度，就能改變逆變器輸出正弦電壓的大小。電流源（CS）型逆變器輸出的也是接近正弦波的矩形脈沖波。

這樣的矩形脈沖波差強(qiáng)人意，仍然存在較大諧波。高次諧波會和基波旋轉(zhuǎn)磁通相互作用，引起電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動，會產(chǎn)生電磁噪聲，降低電機(jī)的效率和功率因數(shù)。不過，高次諧波的次數(shù)高，頻率也高，它在電路中的阻抗值就大，電流就小，電壓幅值就小，我們不以為意。但是低次諧波引起的轉(zhuǎn)矩脈動更大，這對電機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)是不利的。于是——

我們從控制開關(guān)來入手，運(yùn)用PWM調(diào)制方法來減小低次諧波。Sinusoidal Pulse Width Modulation，正弦脈寬調(diào)制，就是用一系列幅值相等，寬度不相等的矩形脈沖波來等效正弦波。這和上面所述的逆變的原理一致。SPWM的要點(diǎn)在于優(yōu)化6個開關(guān)的開關(guān)時間：

我們引入正弦波為調(diào)制波，受調(diào)制波調(diào)制的電信號是載波，把調(diào)制波對比等腰三角形載波，我們就在調(diào)制波和載波相交的時刻讓IGBT通斷。以U相為例，當(dāng)調(diào)制波幅值大于載波，閉合SU1，U相輸出電壓Uug，當(dāng)調(diào)制波幅值小于載波，斷開SU1，閉合SU2，Uug為0。V相、W相類似。6個開關(guān)的開斷時刻就不再遵循統(tǒng)一的電度角了。

已知：交流電機(jī)需要獲得電壓可調(diào)、頻率可調(diào)的交流電。電磁轉(zhuǎn)矩是轉(zhuǎn)子上的感應(yīng)電流和氣隙磁場相互作用產(chǎn)生的。我們需要讓供給電機(jī)的交流電壓和頻率之比是一個定值，來穩(wěn)定氣隙磁通。同步轉(zhuǎn)速的改變有賴于對電源頻率的調(diào)節(jié)。于是：我們改變正弦調(diào)制波的幅值，就能改變逆變器輸出的矩形脈沖載波的基波的寬度，就能改變逆變器的輸出電壓的大?。桓淖冋艺{(diào)制波的頻率，就能改變逆變器輸出的矩形脈沖載波的基波的頻率，就能改變逆變器輸出交流電的頻率。

高速列車在起步或降低到準(zhǔn)備進(jìn)站辦客的速度時，逆變器實(shí)施PWM異步調(diào)制，即調(diào)制波和載波的頻率不同步，調(diào)制波頻率較低，減少IGBT的損耗。當(dāng)高速列車速度大于60km/h（我通過《模擬火車》獲得的經(jīng)驗(yàn)）時，隨著牽引電機(jī)的輸出功率增大，逆變器轉(zhuǎn)為PWM同步調(diào)制，大幅減少低次諧波。異步調(diào)制階段的諧波含量較高，隨著列車加速到接近60km/h，IGBT的開關(guān)頻率提高，異步調(diào)制波頻率提高（從≈170hz達(dá)到≈400hz），諧波的頻率隨之增大。電機(jī)對于逆變器是感性（電壓的相位超前于電流）的負(fù)載，可以有效抑制高次諧波。

牽引變流器實(shí)施PWM調(diào)制，對牽引電機(jī)施加矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制，有賴于交流傳動數(shù)字化的控制技術(shù)——在軟件上簡便地設(shè)定或修改控制算法、參數(shù)等。

現(xiàn)實(shí)中存在采用交—交流電傳動的高速列車。誰呢？有法國的TGV-A、TGV-R和TGV-D（TGV-A、TGV-R和早期型TGV-D都采用交流同步電機(jī)；TGV-POS、歐洲之星E300和后期型TGV-D采用交流異步電機(jī)）。TGV-A采用GTO電流源型變頻器，并利用單相混合橋式電路調(diào)節(jié)電壓。交—交傳動的特點(diǎn)是：牽引變流器結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、成本低。

但是交—交傳動的缺點(diǎn)也太明顯了——牽引變流器輸出頻率低，導(dǎo)致牽引電機(jī)調(diào)速范圍窄，只適合低速的負(fù)載；交流側(cè)輸入功率因數(shù)太低，只有0.6～0.75；網(wǎng)側(cè)諧波太大。

所以交—直—交傳動的優(yōu)勢就是：調(diào)速范圍寬、交流側(cè)輸入因數(shù)高、網(wǎng)側(cè)諧波污染較少，適應(yīng)電網(wǎng)能力強(qiáng)。

特別地：

如果電力電子開關(guān)的開關(guān)頻率更高，開關(guān)本身的損耗會更小。MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）的特性就是開關(guān)頻率高、關(guān)斷損耗低，但在高壓大電流電路中的功耗較大，大電流下的耐壓等級不如IGBT。但新興的碳化硅MOSFET同樣可以適應(yīng)高速列車的高壓大電流電路，乃至可以減小變壓器、變流器和電機(jī)的電力損耗，并實(shí)現(xiàn)變壓器和變流器的節(jié)能減重。這是因?yàn)椋?/p>

碳化硅MOS管是以二氧化硅為柵極和溝道之間的絕緣層（碳化硅是目前唯一一種能直接熱氧化形成二氧化硅絕緣層的寬帶隙材料)并填充了碳化硅單晶層的功率半導(dǎo)體器件。碳化硅可以提高M(jìn)OS管的臨界電場，所以碳化硅單晶可以做得更薄，從而降低正向電壓。而且碳化硅MOS管導(dǎo)通時可以等效為線性電阻，導(dǎo)通電阻小，入端阻抗高，帶載能力強(qiáng)，所以損耗很小并允許高開關(guān)頻率。損耗很小，散熱就少。

所以運(yùn)用含碳化硅開關(guān)器件的牽引變流器的N700S系新干線列車不需要冷卻油來給牽引變流器降溫，開關(guān)器件的散熱片也可以做小，一定程度實(shí)現(xiàn)了牽引變流器的小型化和輕量化。西門子的下一代高速列車Velaro Novo則是運(yùn)用含IGBT的牽引變流器，和運(yùn)用含碳化硅開關(guān)器件的輔助變流器。

交流傳動機(jī)車/動車組行駛時，走行部發(fā)出的聲音來自牽引電機(jī)，電機(jī)的聲音源自VVVF逆變器在PWM調(diào)制的過程中，輸出的矩形脈沖波引起電機(jī)線圈的振動。聲音的音調(diào)取決于逆變器調(diào)制載波的程序。逆變器工作時除了機(jī)械摩擦聲響，似乎不會發(fā)出其它聲音。

株洲所為CR400AF和CR300AF提供的牽引變流器是主輔列供電路獨(dú)立、結(jié)構(gòu)集成，冷卻分離的；為CRH380AN提供的牽引變流器是主輔列供電路獨(dú)立、結(jié)構(gòu)分離的；為CIT500（CRH380AM）提供的牽引變流器是主輔列供電路獨(dú)立、結(jié)構(gòu)集成的。對于鐵路機(jī)車或動車組而言，得到一個主輔列供電路獨(dú)立、結(jié)構(gòu)集成、冷卻集成的一體化牽引變流器，都顯得非常難得。因?yàn)檫@意味著這臺變流器的小型化、輕量化、電磁兼容性等工程化問題都得到了優(yōu)解。

根據(jù)一臺逆變器控制的牽引電機(jī)數(shù)量，可以分為軸控、車控、架控。牽引一臺電機(jī)是軸控，永磁同步電機(jī)和永磁磁阻電機(jī)目前只能是軸控；牽引4臺電機(jī)是車控：CRH3C、CRH380B（牽引逆變器采用相模塊結(jié)構(gòu)）、CRH380A（牽引逆變器部分采用相模塊結(jié)構(gòu)）、CR400BF是車控；牽引2臺電機(jī)是架控：CR400AF、CR300AF和CR300BF是架控。但是請注意：CR400AF、CR400BF和CRH1一樣，都是二重二電平四象限整流器和二重逆變器的結(jié)構(gòu)，單個逆變器模塊驅(qū)動同一轉(zhuǎn)向架上的兩臺牽引電機(jī)，既可以實(shí)現(xiàn)車控也可以實(shí)現(xiàn)架控。

總之，交流傳動的實(shí)現(xiàn)，得益于材料的進(jìn)步和數(shù)學(xué)與物理學(xué)的力量。人家跟你說GTO，MOSFET，IGBT，IGET，IGCT，這些東西在電路中也就是個開關(guān)。

交流傳動論述完畢。

從視頻中我們知道，牽引變壓器是“交”的重要組成部分。變壓器置于列車底部。變壓器的核心和牽引電機(jī)的定子鐵芯一樣，都由硅鋼片堆疊組成（牽引電機(jī)的硅鋼片一般厚0.50mm，變壓器的硅鋼片一般厚0.35mm），不是用一整塊鋼鐵，硅鋼片的兩面都涂有絕緣漆作為片間絕緣。用堆疊硅鋼片的目的是增大硅鋼片的電阻率，來減少變壓器核心或電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯的渦流損耗和磁滯損耗。用于德國這種16.7Hz的低頻交流供電線路的牽引變壓器，它的核心的重量通常會更高。

牽引變壓器的初級線圈向次級線圈進(jìn)行降壓時，各種損耗就會產(chǎn)生，損耗以熱能形式向外發(fā)散，會導(dǎo)致機(jī)器溫升。所以變壓器的核心和線圈被浸泡在冷卻液中工作。冷卻油通過自然對流的方式進(jìn)行散熱。

TGV-D型雙層動車組的變壓器重約6.5噸，CRH380B的牽引變壓器重達(dá)6.1噸，CR400系列動車組的牽引變壓器也重達(dá)6.4噸。對于嚴(yán)格要求輕量化的CR400AF-S型雙層動車組、“丹頂鶴”貨運(yùn)動車組和CR450型400km/h動車組，能不能降低它們的牽引變壓器的重量呢？能，那就是運(yùn)用電力電子牽引變壓器。

電力電子牽引變壓器

電力電子牽引變壓器（PETT）是運(yùn)用新一代電力電子半導(dǎo)體材料的牽引變壓器，得益于新材料的特性，PETT能夠在高于工頻的頻率的交流電下工作，提高效率，而且大幅實(shí)現(xiàn)牽引變壓器的輕量化和小型化，它減輕的重量能占到既有的工頻牽引變壓器的80%。

2011年，ABB公司試制出一臺用于機(jī)車電傳動的PETT，裝車到一輛Ee 933型調(diào)車機(jī)車，也就是做了裝車試驗(yàn)。得益于公開的資料，我譯述一下ABB的這臺電力電子變壓器。

以下這段文字的作者（均供職于ABB公司）是：

Max Claessens(max.claessens@ch.abb.com)、Dra?en Dujic(drazen.dujic@ch.abb.com)、Francisco Canales(francisco.canales@ch.abb.com)、Juergen K. Steinke(juergen.steinke@ch.abb.com)、Philippe Stefanutti(philippe.stefanutti@ch.abb.com)?、Christian Vetterli(christian.vetterli@ch.abb.com)

For historical reasons, railways today use a multitude of different electrification systems, often based on what was state of the art when electrification first began in a particular country or area.On traditional trains pulled by locomotives, the heavy transformer is not necessarily a disadvantage as it contributes to adhesion: The maximum force that the locomotive can apply to pull a train without losing adhesion on the rails is limited by the weight of the locomotive.

由于歷史原因，今天的鐵路使用多種不同的電氣化系統(tǒng)，通?；陔姎饣畛踉谔囟▏一虻貐^(qū)開始時的最新技術(shù)。在由機(jī)車牽引的傳統(tǒng)列車上，重型變壓器并不一定是一個缺點(diǎn)，因?yàn)樗兄谡持簷C(jī)車在不失去軌道粘著的情況下拉動列車所能施加的最大力受到機(jī)車重量的限制。

In modern passenger trains, however, there is a tendency toward multiple unit trains where the traction equipment is not concentrated in the locomotive but distributed along the length of the train in the same vehicles in which passengers travel. With the increased number of powered axles, adhesion is no longer a limiting factor for the train’s acceleration, but the weight and size of the transformer remain a major constraint for train designers.

然而，在現(xiàn)代客運(yùn)列車中，有一種趨勢是多單元列車，即牽引設(shè)備不是集中在機(jī)車上，而是沿著列車長度分布在乘客乘坐的相同車輛上。隨著動力軸數(shù)量的增加，粘著不再是列車加速度的限制因素，但變壓器的重量和尺寸仍然是限制列車設(shè)計(jì)者的主要因素。

Unfortunately, the basic size and weight of a transformer are limited by the laws of physics. Factors determining the minimum size of a transformer include the frequency and the power rating–lower frequencies require larger transformers. A higher frequency transformer would permit weight savings as well as space savings. This is the motivation behind ABB’s power-electronic traction transformer (PETT).

不幸的是，變壓器的基本尺寸和重量受到物理定律的限制。決定變壓器最小尺寸的因素包括頻率和額定功率——較低頻率需要較大的變壓器。更高頻率的變壓器可以節(jié)省重量和空間。這就是ABB電力電子牽引變壓器（PETT）背后的動機(jī)。

2.Conversion path in a modern AC train?2. 現(xiàn)代交流傳動系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換路徑（譯文）（如下圖）：

Current from the AC catenary (overhead line) flows through the primary windings of a low-frequency transformer (LFT) to the rail (which provides the return path). The reduced voltage available at the secondary windings of the transformer is fed into a four-quadrant line chopper converting it to DC-link voltage. An inverter converts this to variable-frequency and variable-voltage AC for the traction motors. Auxiliary supplies can also be fed from the DC link.

To use a medium-frequency transformer (MFT), a frequency converter must be placed before the transformer as shown in?3. On the secondary side of the transformer, a rectifier converts this to the DC link voltage.

來自交流接觸網(wǎng)（架空線路）的電流通過低頻變壓器（LFT）的初級繞組流向鋼軌（提供回流路徑）。變壓器二次繞組可用的降低電壓饋入四象限線路斬波器，將其轉(zhuǎn)換為直流鏈路電壓。逆變器將其轉(zhuǎn)換為牽引電機(jī)的變頻和可變電壓交流電。輔助電源也可以從直流鏈路饋電。要使用中頻變壓器（MFT），必須在變壓器前放置變頻器，如?3。在變壓器的二次側(cè)，整流器將其轉(zhuǎn)換為直流鏈路電壓。

3.Conversion path using a medium-frequency transformer?3. 使用中頻變壓器的轉(zhuǎn)換路徑（譯文）（如下圖）：

One major challenge of this topology is that a converter must be located on the high-voltage side. With the present generation of semiconductor devices not being able to block the voltages used in AC railway electrification, a series connection is required. Rather than a massseries connection of semiconductors into single valves, the solution developed by ABB features a series cascade of converter modules on the high-voltage side, with the outputs connected in parallel on the DC side?4. This topology makes the solution scalable and provides scope for redundancy (the“M out of N"system).

這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一個主要挑戰(zhàn)是轉(zhuǎn)換器必須位于高壓側(cè)。由于目前這一代半導(dǎo)體器件無法阻擋交流鐵路電氣化中使用的電壓，因此需要串聯(lián)。ABB開發(fā)的解決方案不是將半導(dǎo)體大規(guī)模串聯(lián)成單個閥門，而是在高壓側(cè)采用一系列級聯(lián)的轉(zhuǎn)換器模塊，在直流側(cè)并聯(lián)輸出?4。此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使解決方案具有可擴(kuò)展性，并提供冗余范圍（“N中取M”系統(tǒng)）。

PETT，一次側(cè)級聯(lián)轉(zhuǎn)換器模塊，二次側(cè)并聯(lián)輸出（譯文）（如下圖）：

The incoming AC from the catenary passes through a filter inductor before entering the first converter module. Each module of the converter consists of an active front end (AFE) block and a DC/DC converter block?5. The AFE block is essentially an H-bridge that regulates the charging of link capacitors. This topology also allows for active power factor control.

來自接觸網(wǎng)的輸入交流電在進(jìn)入第一個轉(zhuǎn)換器模塊之前經(jīng)過濾波電感。轉(zhuǎn)換器的每個模塊由一個有源前端（AFE）模塊和一個DC/DC轉(zhuǎn)換器模塊組成?5。AFE模塊本質(zhì)上是一個H橋，用于調(diào)節(jié)鏈路電容器的充電。該拓?fù)溥€允許有源功率因數(shù)控制。

Cascaded converters?級聯(lián)轉(zhuǎn)換器

A further advantage of the cascade topology lies in the possibility of switching every module independently. This permits the switching patterns of the H-bridges to be interleaved. If they are interleaved evenly (ie, offset by 360 degnees/N, where N is the number of levels), the grid side of the converter sees an apparent (equivalent) switching frequency that is 2N times higher than the actual switching frequencies of the individual H-bridges.

This high apparent switching frequency (combined with the larger number of intermediate voltage levels) leads to a lower harmonic distortion than is possible with conventional traction converters, and hence reduces the need for input filtering. Sample waveforms are shown in?6.

級聯(lián)拓?fù)涞牧硪粋€優(yōu)點(diǎn)在于可以獨(dú)立切換每個模塊。這允許交錯H橋的開關(guān)模式。如果它們均勻交錯（即偏移360度/N，其中N是電平數(shù)），轉(zhuǎn)換器的柵極側(cè)會看到明顯的（等效）開關(guān)頻率，該頻率比單個H橋的實(shí)際開關(guān)頻率高2N倍（電路中產(chǎn)生的輸出信號頻率是輸入信號頻率的整數(shù)倍稱為倍頻。假設(shè)輸入信號頻率為N，則第一個倍頻是2N，相應(yīng)地3N, 4N……等均稱為倍頻）。

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與傳統(tǒng)牽引變流器相比，這種高視在開關(guān)頻率（結(jié)合大量中間電壓電平）可降低諧波失真，從而減少輸入濾波的需要。示例波形如所示?6。

Measured PETT Waveforms，實(shí)測PETT波形（如下圖）：

Medium-frequency transformers?中頻變壓器

Medium-frequency transformers play three key roles. To start with, they provide galvanic isolation between the high voltage coming from the AC grid and the low voltage connecting the load. Their second key function is to provide suitable voltage adaptation for the 1.5 kV DC load voltage considering the 3.6 kV intermediate DC-link voltage level. The third key functionality is to help the IGBT (insulated-gate bipolar transistor) modules in the LLC resonant circuits to work in the soft switching mode (described later). As overall size reduction increases the challenge from the dielectric point of view. This aspect has to be studied carefully.

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In the present PETT demonstrator, all nine transformers share the same oil-filled tank, as does the line inductor and the start-up charger?7.

中頻變壓器起著三個關(guān)鍵作用。首先，它們在來自交流電網(wǎng)的高壓和連接負(fù)載的低壓之間提供電流隔離。它們的第二個關(guān)鍵功能是考慮到3.6 kV中間直流鏈路電壓水平，為1.5 kV直流負(fù)載電壓提供合適的電壓適應(yīng)。第三個關(guān)鍵功能是幫助LLC諧振電路中的IGBT（絕緣柵雙極晶體管）模塊在軟開關(guān)模式下工作（稍后介紹）。從電介質(zhì)的角度來看，隨著整體尺寸的減小，挑戰(zhàn)越來越大。這方面必須仔細(xì)研究。

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在目前的PETT演示器中，所有九臺變壓器共用同一個充油油箱，線路感應(yīng)器和啟動充電器也是如此?7。

LLC switching mode?LLC切換模式

?Each of the nine medium frequency transformers is a part of the associated DC/DC converter? 4. By using the transformer’s leakage and magnetizing inductances and the external circuit’s capacitors, a resonant LLC circuit is created (Lr, Lm and Cr as shown in?5). The advantages of an LLC circuit include:

– Wide output-regulation range

– Reduction of switching losses on the primary side through zero voltage switching (ZVS) over the entire load range

– Low turnoff current controlled by the design (not truly zero current switching, ZCS)

– Low-voltage stress and ZCS on the secondary side diode rectifier

– Load-independent operation at resonant frequency

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As an LLC circuit is based on the principle of resonance, variation of the switching frequency can be used to control the output voltage. However, in the present PETT implementation, this feature has not been used and the LLC resonant DC/DC converter operates in the open loop with a fixed switching frequency of 1.75 kHz, which is below the resonant frequency.

九個中頻變壓器中的每一個都是相關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器的一部分? 4（圖19）。通過使用變壓器的漏電和磁化電感以及外部電路的電容器，創(chuàng)建了諧振LLC電路（Lr、Lm和Cr，如? 5（圖20）)。 LLC電路的優(yōu)點(diǎn)包括：

– 輸出調(diào)節(jié)范圍寬

– 在整個負(fù)載范圍內(nèi)，通過零電壓切換（ZVS）降低一次側(cè)的開關(guān)損耗

– 由設(shè)計(jì)控制的低關(guān)斷電流（不是真正的零電流開關(guān)，ZCS）

– 二次側(cè)二極管整流器上的低電壓應(yīng)力和ZCS

– 諧振頻率下的負(fù)載獨(dú)立運(yùn)行

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由于LLC電路基于諧振原理，因此可以使用開關(guān)頻率的變化來控制輸出電壓。然而，在目前的PETT實(shí)踐中，尚未使用此功能，LLC諧振DC/DC轉(zhuǎn)換器在開環(huán)中工作，固定開關(guān)頻率為1.75 kHz，低于諧振頻率。

The control system 控制系統(tǒng)

The control targets can be summarized as:

– Maintaining sinusoidal input current

– Near-unity power factor

– Constant average DC-link voltage

– Grid harmonic rejection

The hardware is ABB’s AC 800PEC controller, a platform that permits the integration of fast and slow control functions.

控制目標(biāo)可概括為：

– 保持正弦輸入電流

– 接近單位功率因數(shù)

– 恒定平均直流鏈路電壓

– 電網(wǎng)諧波抑制

?硬件是ABB的AC 800PEC控制器，這是一個可以集成快速和慢速控制功能的平臺。

The PETT demonstrator on the SBB Ee 933 locomotive

SBB Ee 933機(jī)車上的PETT樣機(jī)

Thanks to a long-term partnership between SBB (Swiss Federal Railways) and ABB, a pilot PETT installation is currently being tested on a type Ee 933 shunting locomotive (? title picture). In early 2008, ABB initiated extensive research and engineering work on all subsystems. The PETT demonstrator development came to fruition in spring 2011 and subsequently underwent full electric testing in the laboratory before the pilot was taken into operation.

由于SBB（瑞士聯(lián)邦鐵路）和ABB之間的長期合作關(guān)系，目前正在Ee 933型調(diào)車機(jī)車上測試PETT樣機(jī)。2008年初，ABB對所有子系統(tǒng)開展了廣泛的研究和工程工作。PETT樣機(jī)的開發(fā)于2011年春季取得成果，隨后在樣機(jī)投入運(yùn)行之前，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了全面的電氣測試。

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The existing Ee 933 traction transformer and GTO rectifier were removed to provide space for the new PETT cubicle.Some mechanical adaptations and electronic interface rework was necessary to accommodate the PETT.

拆除現(xiàn)有的Ee 933牽引變壓器和GTO整流器，為新的PETT柜提供空間。為了適應(yīng)PETT，需要進(jìn)行一些機(jī)械調(diào)整和電子接口返工。

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The locomotive operates under the 15kV/16.7Hz railway grid. The pilot installation was completed in mid-2011, and homologation with the Swiss Federal Office for Transport (FOT) was achieved by the end of the year. The locomotive commenced shunting operation in February 2012 at the Geneva Cornavin station.

機(jī)車在15kV/16.7Hz鐵路電網(wǎng)下運(yùn)行。試點(diǎn)安裝于2011年年中完成，并于年底獲得瑞士聯(lián)邦交通局（FOT）的認(rèn)證。機(jī)車于2012年2月在日內(nèi)瓦科納文車站開始調(diào)車作業(yè)。

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The PETT ? 8 has nine cascaded modules, of which only eight are essential for operations (the ninth is for redundancy). The unit has 1.2 MW nominal power and can supply 1.8 MW peak for short durations. The DC output voltage is 1.5 kV. The overall weight is 4,500 kg, including cooling. When comparing this with traction transformers of the same power rating, it should be noted that the PETT not only replaces the actual transformer but also the LV rectifier (compare ? 2and ? 3 ).

PETT? 8（圖22）有九個級聯(lián)模塊，其中只有八個是操作所必需的（第九個是冗余）。該機(jī)組標(biāo)稱功率為1.2MW，可在短時間內(nèi)提供1.8MW峰值功率。直流輸出電壓為1.5kV?？傊亓繛?500kg，包括冷卻器。當(dāng)將其與相同額定功率的牽引變壓器進(jìn)行比較時，應(yīng)注意PETT不僅取代了實(shí)際變壓器，而且還取代了低壓整流器（比較? 2和? 3 )。

類似的PETT圖片如下，圖片來源：ELECTRONICS, VOL. 16, NO. 1, JUNE 2012,?Power Electronic Transformer Technology for?Traction Applications – An Overview,?Dra?en Duji?, Frederick Kieferndorf, and Francisco Canales

請觀眾們放心，這些參考文獻(xiàn)都是可免費(fèi)公開閱覽的。

The main aim of this pilot is to study the feasibility of this technology. Weight optimization was an additional consideration. The power density (expressed in kVA/kg) of today’s transformer and rectifier combinations is in the range of 0.2 to 0.35. The generation of future PETT under development will exceed this by a considerable margin, achieving values of 0.5 to 0.75.

該試驗(yàn)的主要目的是研究該技術(shù)的可行性。重量優(yōu)化是另一個考慮因素。當(dāng)今變壓器和整流器組合的功率密度（以kVA/kg表示）在0.2至0.35之間。正在開發(fā)的未來PETT將大大超過這個數(shù)值，達(dá)到0.5至0.75。

Further advantages include:

– Improved energyefficiency from AC input to DC output from 88 to 90 percent to more than 95 percent (today’s average efficiency of 15 kV / 16.7 Hz stand alone Traction transformer is in the range of 90 to 92 percent)

– Reduced EMC and harmonics

– Lower acoustic emissions

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All these factors make the PETT ideal for its stated goal of providing a small, light?weight but powerful converter solution that can be accommodated on the trains of tomorrow, and that is suited for operation in close proximity to passengers.

其它優(yōu)勢包括：

– 將交流輸入到直流輸出的能效從88%提高到90%以上，達(dá)到95%以上（目前15kV/16.7Hz獨(dú)立牽引變壓器的平均能效在90%到92%之間）

– 降低EMC和諧波

– 更低的聲發(fā)射

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所有這些因素使PETT成為實(shí)現(xiàn)其既定目標(biāo)的理想選擇，即提供一種體積小、重量輕但功能強(qiáng)大的轉(zhuǎn)換器解決方案，該解決方案可以安裝在未來的火車上，并且適合在靠近乘客的地方運(yùn)行。

The transformer of tomorrow??未來的變壓器？

As most other types of large transformer, tend to be stationary, traction is probably the application that stands to benefit most from reducing the transformer’s weight, and hence the area where this innovation must occur first.

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Although the PETT in this article is installed in a shunting locomotive, its real area of potential lies in multiple-unit trains for passenger service, such as commuter or high-speed trains. The PETT’s compact size means it can easily be fitted under the floor of the train or on the roof, maximizing space available for passengers while reducing the train’s power consumption.

由于大多數(shù)其它類型的大型變壓器往往是固定的，牽引可能是從減輕變壓器重量中受益最大的應(yīng)用，因此必須首先進(jìn)行這項(xiàng)創(chuàng)新。

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雖然本文中的PETT安裝在調(diào)車機(jī)車中，但其真正的潛力領(lǐng)域在于用于客運(yùn)服務(wù)的多單元列車（動力分散式列車），例如通勤列車或高速列車。PETT的緊湊尺寸意味著它可以輕松安裝在火車地板下或車頂上，為乘客提供最大的可用空間，同時降低火車的電力消耗。

以下插圖來自：中國知網(wǎng)，鐵科院集團(tuán)有限公司，我國鐵路機(jī)車/動車組牽引技術(shù)現(xiàn)狀及展望，錢銘

PETT相關(guān)文獻(xiàn)譯述完畢。

電力電子牽引變壓器（PETT）是作為既有的工頻牽引變壓器的改型而應(yīng)運(yùn)而生的。雖然西方開展了超過三十年的研究，但是鐵路機(jī)車/動車組用PETT至今（2022年）處于實(shí)驗(yàn)考核階段。我們在研發(fā)CR400AF-S和CR450的時候，想到了PETT對于動車組輕量化的意義（在啟動CR450科技創(chuàng)新工程之前，我們也做了很多和PETT相關(guān)的研究工作），也在CRH6S型動車組上做了國產(chǎn)PETT的裝車試驗(yàn)。但如果CR450明年就要開展線路試驗(yàn)，國內(nèi)碳化硅器件的耐壓等級也達(dá)不到6500V（適應(yīng)AC 25kV 50Hz接觸網(wǎng)供電的車載PETT要求IGBT的耐壓等級要達(dá)到6500V，目前耐壓大約是3000V)，那么國產(chǎn)PETT很可能趕不上在CR450上的裝車試驗(yàn)和考核。我們未來要攻關(guān)的新技術(shù)也遠(yuǎn)不只是新一代牽引變壓器。面對國鐵更高的要求，CR450的研制一定是充滿曲折的。

最后，給對相關(guān)領(lǐng)域感興趣的觀眾們分享一篇參考文獻(xiàn)：馮江華總工發(fā)在IEEE的綜述性文章：Power Electronic Transformer-Based Railway Traction Systems: Challenges and Opportunities，Jianghua Feng, W. Q. Chu, Senior Member, IEEE, Zhixue Zhang, and Z. Q. Zhu, Fellow, IEEE（非IEEE“群員”需要付費(fèi)閱覽）。

最近編輯時間：2023-1-12 18:30