高压变频调速技术在交通与节能领域的应用

国家发改委提出的十大重点节能工程中第五项就是电机系统节能工程，鼓励推广变频调速节能技术，“十一五”规划中明确提出了能耗比十五期间降低20%的硬性指标，这一系列政策的出台，既顺应了国家节能的现实需要，也大大促进了高压变频行业的发展。

利德华福2006年开始与北京交通大学合作以来，双方在人才培养、产业转化等方面签订了多个协议。为了解校企合作的情况和产业发展，本刊专访了北京交通大学电气工程学院电力电子研究所所长、博士、教授游小杰先生。

1.游教授，请您介绍一下北京交通大学电气工程学院电力电子研究所的情况和研究方向。

游教授：北京交通大学电力电子研究所成立于2004年6月，主要从事电力电子与电力传动领域的科研、教学工作。科研方向主要有：一是大功率电源技术，二是轨道交通电力传动技术。在大功率电源技术方面，最近研究所刚刚完成了国内最大、国际第四大航空电源的研制项目。该电源用于模拟航天器从外太空返回大气层时所承受的高温环境，考察表面材料的耐高温性能。目前该电源配合我国的航天工程完成了多项关键试验任务，为我国航天事业做出了贡献。在轨道交通电力传动技术方面，我们目前主要研究直线电机在轨道交通牵引传动中的应用。直线电机应用于轨道交通牵引传动是一个发展方向，在这种传动方式中，直线电机的转子铺设在了轨道上，定子安装在车上，与旋转电机牵引传动相比较，车体的截面积大大减小。如果应用于地铁上，意味着隧道截面小，建设成本降低。与旋转电机牵引传动不同，这种传动方式的另一个好处是牵引力的传递不靠车轮与轨道相互作用来传递，不受轮轨关系限制，列车可以爬更大的坡，转更小的弯，这在城市轨道交通中十分重要，意味着线路建设时房屋拆迁减少。目前北京机场线、广州4号线已采用直线电机牵引，广州地铁的5、6号线也将采用采用直线电机牵引。此外，我们研究所还开展过混合动力装甲车、电力机车谐波抑制，有源电力滤波器等许多项目的研究工作，都是针对解决实际工程问题来选择项目。项目的另一个特点是主要针对轨道交通行业，因为北京交通大学过去一直是铁道部的部属高校，过去的毕业生也主要从事轨道交通方面的工作，这一行业背景给我们的科研项目提供了基础。在国家级项目方面，目前我们主要承担了国家“863”磁浮重大专项中的部分课题。近年来，研究所所在的北京交通大学电气工程学院在电力电子与电力传动领域也取得很大的进步，在科技部最近确定的“十一五”国家科技支撑计划“电力电子关键器件及重大装备研制”专项的七个项目中，我学院获得了其中的二个项目资助，位居国内高校之首。

2．请对您目前在电力电子方面的研究作一些介绍。

游教授：我目前正在从事与铁路交通相关的混合动力内燃机车的研究。这种机车是轨道交通的一种新型绿色车型，具有很高的节能和环保性能。传统的内燃机车只有一个能量源，那就是柴油机，这种机车燃油效率较低，废气排放较大。近年来，国外开始出现了一种混合动力内燃机车，它具有多个能量源，除了柴油机，还有蓄电池或者超级电容。通过对能量源的有效管理，这种机车能够提高运行能效、降低燃油消耗和废气排放。按照国外的经验，一般能够节省燃油和减少废气排放25％至30％。

混合动力内燃机车未来会有十分广阔的市场前景。交通运输是能源消耗大户，而铁路运输一直都是我国现代化交通运输体系中最为重要的运输手段。目前我国内燃机车总数为一万两千辆，并且数量还将进一步增加。我们预计2020年将新增约6000台，按照混合动力内燃机车占有率30％计算，混合动力内燃机车市场为1800台。以每台价格3000万元计算，2020年混合动力内燃机车市场将达到五百亿元以上。混合动力内燃机车符合国家能源与环保政策，有助于我国节能减排目标的实现，如果国家出台类似于风力发电的扶持政策，市场还将超过这个数量。

另一方面全球能源危机和对于温室气体排放的限制给将来我国混合动力机车出口国际市场提供机遇。我国从1992年开始向国外出口干线内燃机车，目前已向世界上十多个国家出口机车大约500余台。随着我国内燃机车出口的增长，我国的混合动力内燃机车将会有良好的国际市场前景。

混合动力内燃机车涉及了许多关键技术，如动力电池技术、混合动力能量管理技术、交流传动控制技术、混合动力试验平台技术等，这些技术不仅可以应用于混合动力机车，还可以辐射应用于其他领域，如混合动力船舶和混合动力重型车辆等。这些关键技术将会有良好的技术市场。

3.除了应用在工业拖动领域，交流变频调速技术在交通运输的机车牵引上的应用是个热点，请您谈谈这方面的情况。

游教授：机车电力牵引技术是铁路运输装备的核心技术。电气铁道从诞生之日起就采用直流电机牵引方式，在相当长的时间里，这种由直流电机牵引的直流调速方式占据着主流。直流电机牵引调速方式有转距和速度容易控制的明显优点，同时也有维护麻烦、电机体积大、重量大等缺点。为了克服直流调速的这些缺点，用交流变频调速取代直流调速一直是世界铁路技术人员的梦想。德国于1971年4月试制成功第1台DE2500型交流调速内燃机车，为机车采用三相交流电机牵引奠定了基础，也为上世纪90年代投入运行的ICE高速列车的交流调速技术奠定了基础。此外，德国的城市轻轨、地铁以及路面电车也已经全面引入了交流调速技术。法国从上世纪70年代末至80年代初，开始大力研发机车交流调速技术。1986年，法国研制成功电流型逆变器控制、交流同步电机牵引的BB2600型电力机车。该电力机车直接为实现高速列车TGV-A的交流调速奠定了基础。日本一开始就以电压型PWM逆变器控制三相交流异步电机作为研发交流调速实用化技术的目标。1982年，日本熊本的路面电车率先实现了交流调速技术的商业化。特别是1992年新干线300系列车交流调速技术的采用，使日本动力分散式高速列车的优点得到充分体现。现在交流调速方式已成为世界各国铁道车辆的主流，德、法等欧洲国家以及日本等铁路先进国家在该领域的技术已经成熟。可以说，是否拥有成熟的交流调速技术，已经成为衡量一个国家铁路技术水平的重要标志。我国在在该领域的产业化现状是：已拥有了成熟的直流调速技术；但还未掌握可以工程化应用的交流调速系统的设计、制造和应用技术；投入营业运行的铁道车辆交流调速系统都只能从国外引进。交流调速技术已成为我国铁路车辆技术发展的最大制约因素。

目前，我国正处于大力发展高速铁路运输。交流调速技术作为高速动车组电力牵引的核心技术，将有广阔的应用前景。我国的人口、资源、土地、文化传统、城市化进程等决定了大规模客运的长期存在，其中的快速客运需求不可能被高速公路和民航完全满足，铁路必定要在高速客运市场上扮演最重要的角色，我国高速铁路技术市场潜力巨大，可以说是全球最大的高速铁路市场。目前世界各国的新建高速铁路仅6300公里，而根据国家批准的“中长期铁路网规划”，我国将在2020年以前建设快速客运专线12,000公里以上，我国高速铁路客运网将超过其他所有国家的总和。按照以前对京沪高速铁路造价的估算，我国高速铁路建设成本约为8000万元­­到1亿元人民币/公里，因此将有超过10,000亿元人民币的庞大建设和技术装备市场。

除了干线铁路，城市的轨道交通由于具有快速、运量大、低噪音、舒适安全、节能环保等诸多优点，成为世界各国解决日益严重的城市交通问题的首选。我国城市轨道交通的发展已经历了40年的历史，到2010年，中国城市将建成30多条地铁和轻轨线路，总里程达2,000公里，全国投资总规模达几千亿元。可以说，我国的城市轨道交通和铁路交通一样，拥有庞大的市场潜力，这在很大程度上可以带动交流调速产业的发展。

4．请您谈谈在交流电力机车的牵引中高压大功率变流器的技术需求与应用情况？

游教授：高压大功率主牵引变流器是交流电力机车的心脏，决定了列车的启动、制动和最高运行速度等性能，机车技术的发展，集中反映到牵引变流器的发展上。应用于电力机车的牵引变流器大致经历了晶闸管变流器、GTO变流器、IGBT变流器三个发展阶段。从 IGBT器件出现以来，机车主牵引变流器经过二十多年的发展，已经发展到第五代产品。目前IGBT已逐步成为机车主牵引变流器和辅助变流器的主流功率器件。用于机车的牵引变流器较其他工业用变流器具有更高的要求，具体表现在以下几个方面：首先是设计集约化、模块化，力求结构紧凑，小型轻量，维修方便。器件按开关组件或相构件形式做成半成品的模块，通过接插件方式联接，尽量不用螺钉、螺母，以方便装拆；第二是要保证足够的电磁兼容性，包括抑制对外部的电磁发射、内部各子系统间和各部件间的相互干扰以及抗干扰能力。对于采用如IGBT一类的高开关频率器件的变流器，还应注意因高的du／dt值通过零部件和线路的杂散电容引起的传导干扰，以及轴电压和轴承电流的破坏性作用；第三是需要在有限的空间发挥很大的牵引功率，要求更高的功率密度，同时要实现制动能量的回馈；此外，车载运行环境相对地面静止环境在温度、振动、冲击、灰尘等诸多方面更加严格。

西门子、庞巴迪、阿尔斯通、三菱等拥有先进交流传动系统技术的国外公司，都拥有完整的机车牵引变流器产品研发平台。这些公司针对铁路和城市轨道交通应用领域，开发出了高压大电流高功率密度的系列牵引变流器。目前在世界重载和高速牵引领域，主要有以下3种系列牵引变流器：庞巴迪公司MITRAC TC 3000系列牵引变流器；西门子公司SIBAC系列牵引变流器；阿尔斯通公司ONIX系列牵引变流器。这些牵引变流器在我国引进和合作生产的机车上都有应用。我国自主研发的交流电力机车主牵引变流器还处于试验应用阶段，期待着更多从事国内高压大功率变流器的生产厂商关<