【联队长说高铁13】概述高速列车交—直—交流电传动技术和创新的电力电子牵引变压器

高速铁路的定义：

       中国指新建设计开行250km/h~350km/h速度等级动车组列车，初期运营速度至少为200km/h的铁路客运专线。但2014年中国铁路总公司《铁路技术管理规程》（高速铁路部分）把国内200km/h及以上的国铁制式铁路和200km/h以下仅运行动车组列车的国铁制式铁路都归入高速铁路。我国高铁里程之所以高得惊人，是因为大量不足250km/h的线路都被算进来了。

       国际铁路联盟（UIC）认为高铁包括其领域下的众多系统。目前UIC发布的《高速铁路设计基础设施》和《高速铁路设计供电》两项标准是由中国国家铁路集团有限公司主持，日、法、德、西、意等国家协商下编制的。

       欧洲把提速后达到200km/h的既有铁路和新建达到250~300km/h的铁路定义为高速铁路；1985年联合国欧洲经济委员会（官方组织）在日内瓦签署的《国际铁路干线协议》规定：新建客货运列车混用型高速铁路速度为250km/h以上，新建客运列车专用型高速铁路速度为350km/h。 

       日本作为世界上最早开始发展高速铁路的国家，日本政府在1970年发布第71号法令，为制定全国新干线铁路发展的法律，对高速铁路的定义是，凡一条铁路的主要区段，列车的最高运行速度达到200km/h及以上的可以称为高速铁路。新干线属于日本高速铁道，但日本高速铁道不完全是新干线 ，而是还有一些日本城市轨道交通系统（比如速度等级达到80km/h的琦玉高速铁道）。

       美国标准：美国联邦铁路管理局曾对高速铁路定义为最高营运速度高于145km/h（90 mph）的铁路，但从社会大众的角度，“高速铁路”一词在美国通常会被用来指营运速度高于160km/h的铁路服务，这是因为在当地除了阿西乐快线（最高速度240km/h）以外并没有其他营运速度高于128km/h（80mph）的铁路客运服务。

关于铁道车辆的概念：

交—直流电传动：指电力机车从交流电接触网受流，交流电经过变压—整流后，向直流牵引电动机供给直流电。英国的HST，日本0系、100系、200系，400系和法国TGV-PSE高速列车为交—直流电传动。我国“韶山”系列电力机车为交—直流电传动，SS9G“烧酒”是我国交—直流电传动机车的尾作，SS3B“大三B”是我国功率最大的直流电传动机车。

交—交流电传动：指电力机车从交流电接触网受流，交流电经过变压后，通过一个或几个变频装置直接变频后，供给交流牵引电动机。法国BB 13000型电力机车及BB 14000型电力机车为交—交流电传动形式（参考Bilibili@宁柳跨越）。

交—直—交流电传动：指电力机车从交流电接触网受流，交流电经过变压—整流—逆变后，供给交流牵引电动机。

多电流制电力机车：指采用交—直—交流电以及直—交流电双制式电传动，但受流电压为两种或两种以上的电力机车，如TRAXX MS2E/MS3型电力机车。ICE3M、TGV-Thalys等跨国高速列车也为多电流制列车。

本文主要内容是概述高速列车的交—直—交流电传动技术和电气设备的创新发展方向之一——电力电子牵引变压器（Power Electric Traction Transformer，简称PETT），并译述ABB公司研发的一种电力电子变压器，全文接近2万字。辛苦各位Bilibili的审核人员！

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如今的高速列车在高速铁路区段运行时，受电弓一般从这些制式的电网取电：AC 25kV 50/60hz、AC 15kV/16.7hz等，均为单相单线高压交流电。交—直—交传动，即交流传动，指受电弓将单相高压交流电输送到牵引变压器降压，牵引变压器将低压交流电输送到四象限脉冲整流器（PWM整流器），整流器将交流电转成直流电，再将直流电输送到逆变器（PWM逆变器），逆变器将直流电转成电压可调、频率可调的三相交流电供给三相交流牵引电动机。牵引电机输出的转矩传递给轮对，使列车获得轮周牵引力。整流和逆变都在牵引变流器中完成。1989年，TGV-A成为世界上第一种采用交流电机牵引的高速列车；1992年，300系新干线列车采用交流异步电机（感应电机）牵引，并成为世界上第一种采用再生制动的高速列车。特别地，CR400“复兴号”列车在整流侧和逆变侧之间新增无火回送单元。列车不升弓，低速自走时，锂电池向牵引逆变器供给110V直流电，牵引逆变器对电机励磁，随后启动辅助逆变器。据报，CR400BF-C可以低速自走20km。日本的N700S系新干线列车也有无火回送单元。

早期的高速列车采用交—直传动，即直流传动，指四象限脉冲整流器（初期可以用水银整流器、晶闸管整流器，晶闸管又称“硅晶体闸流管”，在电路中是一个开关可控的二极管）将牵引变压器输送来的低压交流电转成直流电，供给直流串励式牵引电机。交流传动和直流传动的差异在于采用交流电机还是采用直流电机牵引。

先说直流牵引电机。直流串励式电机，就是由励磁线圈供电，使主磁极（N极和S极电磁铁，也就是定子）产生磁场，主磁极中间是转子，转子上有线圈（电枢），电枢线圈和励磁线圈串接在一起，这就叫“串励”。电枢的首尾连接到圆弧形的铜片，铜片就是换向器。电刷置于铜片上，保证电枢线圈上的感应电流方向不变，电枢线圈受到的电磁力方向不变。电枢线圈通过铜片和电刷联通外电路，通电后，转子产生电磁转矩，电磁转矩克服负载转矩后，转子就能以固定的方向旋转起来。直流串励式电机转矩可观、效率可观，最大的优点是易于调节转速——只需要利用整流器——比如到20世纪60年代，采用晶闸管整流器进行斩波调速，来改变电枢电压。在电枢电路中接入调速电阻也可以完成调速（电压不够的时候，要想提高转速，就要弱磁，也就是减小励磁电流）。此外，直流电机的电枢（转子）电流和固定的主磁通一直保持正交关系，主磁通的大小和方向主要取决于励磁电流，所以转子电流的大小和方向是随时可控的。电机转矩和主磁通与转子电流正相关，所以调节励磁电流，就可以调节转子电流，就可以调节转矩。所以直流电机的转速和转矩都容易控制（转矩=系数×功率/转速 ）。直流电机的缺点是需要换向器和电刷来保证连续输出转矩，使电机体积大，重量大，而且换向器和电刷的维护成本很高。

虽然直流电机体积大，重量大，但始终易于调速。如今的电刷比过去更耐用（比如在电动汽车行业），不过，电机不需要换向器和电刷总是好事。直流电机除了用在“韶山”系列机车，也用在少数城市轨交车辆，比如首都机场APM线列车和广州珠江新城APM线列车。

没有换向器和电刷的交流电机比直流电机轻得多。无刷直流电机的本质就是交流电机。其次，交流电机除了轴承，没有其它摩擦部件，机械转速不受换向条件和机械强度的限制，使其额定转速和最高转速比直流电机高得多。同体积下，交流电机的额定功率自然高得多。再者，交流电机不需要像直流电机那样在电路中采取串联—并联切换，列车主电路更简洁了，便于设定用一台逆变器控制交流电机的个数。交流电机也促进了再生制动的发展，再生制动就是在列车制动时，牵引电机变成发电机，将列车的动能转化为电能回馈给电网，使列车制动。再生制动可以取代电阻制动并减小机械制动的负担（300系新干线列车降速到25km/h以下才会施加机械制动），而且电机在牵引和再生制动之间的转换，是通过软件程序，由无触点元件完成的，不会改变列车主电路拓扑。目前的交流电机普遍是三相、四极，双层定子绕组。N700S采用六极交流异步电机。我们也有采用六级牵引电机的倾向。

交流电机是如何工作的？以异步电机为例，当我对异步电机给上励磁，给它的三相定子绕组通上三相对称交流电源，定子和转子之间的气隙就能产生一个旋转的磁场。磁场的转速被称为同步转速。假设磁场是逆时针旋转的，磁力线大致沿着转子的直径方向。主磁通转过一定的角度后，转子切割磁力线（磁感线），在转子上产生感应电流，所以异步电机的主磁通和转子电流并非时刻保持正交关系。在感应电流和气隙磁场相互作用下，根据左手定则，转子上会产生和磁场的旋转方向相同的电磁转矩。电磁转矩克服转子上的负载转矩后，转子就能转起来。当转子转速增加，电磁转矩和转子上的负载转矩平衡，转速就能稳定在一个值。电机处于牵引状态时，转子的转速始终小于同步转速，这保证了转子和磁场保持相对运动，使感应电流不为0，电磁转矩也不为0，“异步”的名称就是这么来的；此外，转子的电流是转子切割磁力线产生的，不是像直流电机那样——转子上的线圈是通过换向器和电刷和外电路连接，所以异步电机又叫感应电机。电机处于再生制动状态时，转子转速就一直高于同步转速，使感应电流反向，电磁转矩的方向和转子的旋转方向以及磁场的旋转方向相反。

同步转速和转子转速的差叫转差，转差和同步转速的比值叫转差率，反映异步电机“异步”的程度。交流同步电机的转差是0，因为它是给定子绕组外接三相交流电，通过给转子上的励磁绕组外接直流电，来产生旋转的磁场。永磁同步电机则是在转子上安装永磁体，永磁体代替励磁绕组。既然转子不是通过“感应”来产生电流的，维持电磁转矩也就不依赖转子和旋转磁场的相对运动。

我们知道了，异步电机的主磁通和转子电流并非时刻保持正交关系（转子旋转时相当于带着负载，负载就是转子和轮对之间的减速齿轮，所以我把主磁通看作气隙磁通），需要专门控制主磁通的大小和方向；异步电机的转子电流是“感应”产生的，它是定子电流的分量，大小和方向都很难被监控。结论是，异步电机的控制并不容易，异步电机乃至其它交流电机要想大规模取代直流电机，这个问题必须解决。办法是有的，那就是对电机施加矢量控制或直接转矩控制。中车株洲电力机车研究所公司（以下简称“株洲所”）作为CRH2、CRH380A、CR400AF和CR300AF的牵引变流器的国外技术受让方和国产化机器供应商，他们采用了直接转矩控制方式。这里我们只说矢量控制，它是把异步电机的模型通过坐标变换，把它等效成直流电机的模型，模仿直流电机的控制策略，相应地把坐标反变换，就可以控制异步电机。交流同步电机、永磁同步电机，交流磁阻电机都可以采取矢量控制或直接转矩控制。具体知识可以求助Bilibili@発見者uid: 17374416，我遇到一些不明白的地方也是求助这位朋友的。

现在说说整流。德国人研制的四象限脉冲整流器的出现进一步推动了交流传动在铁道车辆的实用化。原本用晶闸管来整流，输入网侧谐波较大，而且输入功率因数低。脉冲整流器在变压器侧采用电力电子开关来控制电路导通，比如Si IGBT（硅基绝缘栅双极晶体管）器件，它带有一个续流二极管、一个MOS管和两个三极管。器件采用绝缘栅，输入阻抗高，易于控制电路；采用双极，导通电阻小，耐压等级高。脉冲整流器能使交流侧输入功率因数接近1.0（不能超过1.0，因为一旦超过了，这个电路会出问题，比如原来显感性的电路变成显容性了），使输入的电网电流接近正弦波，减少谐波的影响（我要的是电流波形中的基波，谐波要过滤掉），稳定供电电压，并自由地控制能量的双向流动，简单地实现电机的牵引和再生制动的转换。列车实施再生制动时，脉冲整流器就变成逆变器，这时输入功率因数又能接近-1.0。

B站某位大佬把交—直—交传动的整流环节比喻成楼房水管中间的水箱，我觉得不太恰当——整流环节中的电容是负责过滤谐波、稳定直流母线的电压，防止逆变器侧产生过电压，或防止电信号受电路中电阻的限制而产生压降衰减的。你看电磁炮的超级电容/飞轮就是个大“水箱”，它通电后瞬间释放电流相当于把整箱水顷刻间倒完，炮弹就能被“冲”出很远。PLA的电磁炮能上舰，是一件很棒的事。

你能注意到高速列车的电路的整流环节通常包括支撑电容器、二次谐振电路、过压斩波电路和接地检测电路等（参考文献：中国知网，铁科院集团有限公司，我国铁路机车/动车组牵引技术现状及展望，钱铭）（公开的是简化的电路，列车检修人员拿到的电路图会详细得多）。整流环节的主要作用是过滤谐波，保持中间电压稳定，当中间电压过高时利用过压斩波电路来放掉过多的电压。CRH2和CRH380A的整流环节延续三菱的设计方案，取消二次谐振电路，减小整流单元的重量；整流环节采用两个IGBT串联加上中点带钳位二极管的一重三电平的脉冲整流器，IGBT开关的耐压等级不需要很高，但是IGBT的数量要增加，控制开关难度增大，一重整流器过滤谐波的效果也不好。CR400采用二重二电平整流器，二次谐振电路和高耐压等级的IGBT，过滤谐波的效果更好。

接下来再说逆变——直流电→交流电，逆变的功能是对交流电机供给三相交流电、对交流电机进行调速，并使交流电机能够以小电流启动（不是小电压，因为转矩和电压的平方成正比，电压太低，电磁转矩就太低，为了平衡负载转矩，转子转速就要低，它和同步转速之间的转差会增大，转子电流和转差率成正比，转子电流就要增大，定子电流也会增大，电流太大会烧坏电机）。逆变的步骤打通了，交流电机就能大规模取代直流电机了。首先，交流电机需要获得频率可调的交流电。已知：交流电机的同步转速的大小和列车的运行速度正相关，和电源频率正相关，和定子绕组极对数负相关（无刷直流电机也有极对数）。显然，要想改变同步转速，改变电源频率更加简便。改变电源电压是不能对交流电机调速的。其次，交流电机需要获得电压可调的交流电。已知：电磁转矩是转子上的感应电流和气隙磁场相互作用产生的。气隙磁通要尽量保持在额定值，磁通太小，电磁转矩上不来，磁通太大就会磁饱和，导致励磁/永磁电流增大，电机会温升过高。如此，我们只需要让供给电机的交流电压和频率之比是一个定值，就能稳定气隙磁通。给交流电机供给频率和电压同时可调的三相交流电，这就是逆变器的任务。得益于电力电子开关器件的发展，VVVF（Variable Voltage Variable Frequency，可变压可调频）逆变器就产生了。

但是我逆变器从整流单元拿到的是直流电，如何转变成频率可调、电压可调的正弦交流电呢？我们可以从波形来判断。按照傅里叶级数，任何周期函数都可以用一系列正弦函数（三角函数）来表示，如此，VVVF逆变器输出的矩形脉冲波就有机会等价于输出正弦波。

以VS（电压源）型VVVF逆变器为例：

电机按顺时针是U、V、W三个相，相位之间相差120°。每一个相的电路都分叉连接到逆变器的上、下两个电桥的桥臂上，每一个相和上、下两个桥臂之间的电路都有一个开关，三个相合起来就是6个开关。所以逆变器控制一台电机的要点就在于这6个开关。这6个开关必须是电力电子开关，因为机械开关不满足高电压、大电流电路的通断。同一个桥臂的上、下两个开关不能同时闭合，否则会把电源短接。

闭合SU1后，SU2不能闭合，否则会把电源短接。然后每隔60°电度角，依次闭合SW2，SV1，SU2，SW1，SV2。各开关闭合时间为180°电度角。照此，把U、V、W三个相和接地点G之间的电压相互叠加，比如把U-G间电压和V-G间电压叠加，就得到U-V间电压。逆变器输出的就是有波动起伏的矩形波。叠加之后的矩形波看起来就足够像正弦波了，直流电就变成了相位互差120°的三相交流电。改变矩形脉冲波的宽度，就能改变逆变器输出正弦电压的大小。电流源（CS）型逆变器输出的也是接近正弦波的矩形脉冲波。

这样的矩形脉冲波差强人意，仍然存在较大谐波。高次谐波会和基波旋转磁通相互作用，引起电机的转矩脉动，会产生电磁噪声，降低电机的效率和功率因数。不过，高次谐波的次数高，频率也高，它在电路中的阻抗值就大，电流就小，电压幅值就小，我们不以为意。但是低次谐波引起的转矩脉动更大，这对电机低速运转是不利的。于是——

我们从控制开关来入手，运用PWM调制方法来减小低次谐波。Sinusoidal Pulse Width Modulation，正弦脉宽调制，就是用一系列幅值相等，宽度不相等的矩形脉冲波来等效正弦波。这和上面所述的逆变的原理一致。SPWM的要点在于优化6个开关的开关时间：

我们引入正弦波为调制波，受调制波调制的电信号是载波，把调制波对比等腰三角形载波，我们就在调制波和载波相交的时刻让IGBT通断。以U相为例，当调制波幅值大于载波，闭合SU1，U相输出电压Uug，当调制波幅值小于载波，断开SU1，闭合SU2，Uug为0。V相、W相类似。6个开关的开断时刻就不再遵循统一的电度角了。

已知：交流电机需要获得电压可调、频率可调的交流电。电磁转矩是转子上的感应电流和气隙磁场相互作用产生的。我们需要让供给电机的交流电压和频率之比是一个定值，来稳定气隙磁通。同步转速的改变有赖于对电源频率的调节。于是：我们改变正弦调制波的幅值，就能改变逆变器输出的矩形脉冲载波的基波的宽度，就能改变逆变器的输出电压的大小；改变正弦调制波的频率，就能改变逆变器输出的矩形脉冲载波的基波的频率，就能改变逆变器输出交流电的频率。

高速列车在起步或降低到准备进站办客的速度时，逆变器实施PWM异步调制，即调制波和载波的频率不同步，调制波频率较低，减少IGBT的损耗。当高速列车速度大于60km/h（我通过《模拟火车》获得的经验）时，随着牵引电机的输出功率增大，逆变器转为PWM同步调制，大幅减少低次谐波。异步调制阶段的谐波含量较高，随着列车加速到接近60km/h，IGBT的开关频率提高，异步调制波频率提高（从≈170hz达到≈400hz），谐波的频率随之增大。电机对于逆变器是感性（电压的相位超前于电流）的负载，可以有效抑制高次谐波。

牵引变流器实施PWM调制，对牵引电机施加矢量控制或直接转矩控制，有赖于交流传动数字化的控制技术——在软件上简便地设定或修改控制算法、参数等。

现实中存在采用交—交流电传动的高速列车。谁呢？有法国的TGV-A、TGV-R和TGV-D（TGV-A、TGV-R和早期型TGV-D都采用交流同步电机；TGV-POS、欧洲之星E300和后期型TGV-D采用交流异步电机）。TGV-A采用GTO电流源型变频器，并利用单相混合桥式电路调节电压。交—交传动的特点是：牵引变流器结构简单、质量轻、成本低。

但是交—交传动的缺点也太明显了——牵引变流器输出频率低，导致牵引电机调速范围窄，只适合低速的负载；交流侧输入功率因数太低，只有0.6～0.75；网侧谐波太大。

所以交—直—交传动的优势就是：调速范围宽、交流侧输入因数高、网侧谐波污染较少，适应电网能力强。

特别地：

如果电力电子开关的开关频率更高，开关本身的损耗会更小。MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）的特性就是开关频率高、关断损耗低，但在高压大电流电路中的功耗较大，大电流下的耐压等级不如IGBT。但新兴的碳化硅MOSFET同样可以适应高速列车的高压大电流电路，乃至可以减小变压器、变流器和电机的电力损耗，并实现变压器和变流器的节能减重。这是因为：

碳化硅MOS管是以二氧化硅为栅极和沟道之间的绝缘层（碳化硅是目前唯一一种能直接热氧化形成二氧化硅绝缘层的宽带隙材料)并填充了碳化硅单晶层的功率半导体器件。碳化硅可以提高MOS管的临界电场，所以碳化硅单晶可以做得更薄，从而降低正向电压。而且碳化硅MOS管导通时可以等效为线性电阻，导通电阻小，入端阻抗高，带载能力强，所以损耗很小并允许高开关频率。损耗很小，散热就少。

所以运用含碳化硅开关器件的牵引变流器的N700S系新干线列车不需要冷却油来给牵引变流器降温，开关器件的散热片也可以做小，一定程度实现了牵引变流器的小型化和轻量化。西门子的下一代高速列车Velaro Novo则是运用含IGBT的牵引变流器，和运用含碳化硅开关器件的辅助变流器。

交流传动机车/动车组行驶时，走行部发出的声音来自牵引电机，电机的声音源自VVVF逆变器在PWM调制的过程中，输出的矩形脉冲波引起电机线圈的振动。声音的音调取决于逆变器调制载波的程序。逆变器工作时除了机械摩擦声响，似乎不会发出其它声音。

株洲所为CR400AF和CR300AF提供的牵引变流器是主辅列供电路独立、结构集成，冷却分离的；为CRH380AN提供的牵引变流器是主辅列供电路独立、结构分离的；为CIT500（CRH380AM）提供的牵引变流器是主辅列供电路独立、结构集成的。对于铁路机车或动车组而言，得到一个主辅列供电路独立、结构集成、冷却集成的一体化牵引变流器，都显得非常难得。因为这意味着这台变流器的小型化、轻量化、电磁兼容性等工程化问题都得到了优解。

根据一台逆变器控制的牵引电机数量，可以分为轴控、车控、架控。牵引一台电机是轴控，永磁同步电机和永磁磁阻电机目前只能是轴控；牵引4台电机是车控：CRH3C、CRH380B（牵引逆变器采用相模块结构）、CRH380A（牵引逆变器部分采用相模块结构）、CR400BF是车控；牵引2台电机是架控：CR400AF、CR300AF和CR300BF是架控。但是请注意：CR400AF、CR400BF和CRH1一样，都是二重二电平四象限整流器和二重逆变器的结构，单个逆变器模块驱动同一转向架上的两台牵引电机，既可以实现车控也可以实现架控。

总之，交流传动的实现，得益于材料的进步和数学与物理学的力量。人家跟你说GTO，MOSFET，IGBT，IGET，IGCT，这些东西在电路中也就是个开关。

交流传动论述完毕。

从视频中我们知道，牵引变压器是“交”的重要组成部分。变压器置于列车底部。变压器的核心和牵引电机的定子铁芯一样，都由硅钢片堆叠组成（牵引电机的硅钢片一般厚0.50mm，变压器的硅钢片一般厚0.35mm），不是用一整块钢铁，硅钢片的两面都涂有绝缘漆作为片间绝缘。用堆叠硅钢片的目的是增大硅钢片的电阻率，来减少变压器核心或电机转子铁芯的涡流损耗和磁滞损耗。用于德国这种16.7Hz的低频交流供电线路的牵引变压器，它的核心的重量通常会更高。

牵引变压器的初级线圈向次级线圈进行降压时，各种损耗就会产生，损耗以热能形式向外发散，会导致机器温升。所以变压器的核心和线圈被浸泡在冷却液中工作。冷却油通过自然对流的方式进行散热。

TGV-D型双层动车组的变压器重约6.5吨，CRH380B的牵引变压器重达6.1吨，CR400系列动车组的牵引变压器也重达6.4吨。对于严格要求轻量化的CR400AF-S型双层动车组、“丹顶鹤”货运动车组和CR450型400km/h动车组，能不能降低它们的牵引变压器的重量呢？能，那就是运用电力电子牵引变压器。

电力电子牵引变压器

电力电子牵引变压器（PETT）是运用新一代电力电子半导体材料的牵引变压器，得益于新材料的特性，PETT能够在高于工频的频率的交流电下工作，提高效率，而且大幅实现牵引变压器的轻量化和小型化，它减轻的重量能占到既有的工频牵引变压器的80%。

2011年，ABB公司试制出一台用于机车电传动的PETT，装车到一辆Ee 933型调车机车，也就是做了装车试验。得益于公开的资料，我译述一下ABB的这台电力电子变压器。

以下这段文字的作者（均供职于ABB公司）是：

Max Claessens(max.claessens@ch.abb.com)、Dražen 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.

由于历史原因，今天的铁路使用多种不同的电气化系统，通常基于电气化最初在特定国家或地区开始时的最新技术。在由机车牵引的传统列车上，重型变压器并不一定是一个缺点，因为它有助于粘着：机车在不失去轨道粘着的情况下拉动列车所能施加的最大力受到机车重量的限制。

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，在现代客运列车中，有一种趋势是多单元列车，即牵引设备不是集中在机车上，而是沿着列车长度分布在乘客乘坐的相同车辆上。随着动力轴数量的增加，粘着不再是列车加速度的限制因素，但变压器的重量和尺寸仍然是限制列车设计者的主要因素。

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，变压器的基本尺寸和重量受到物理定律的限制。决定变压器最小尺寸的因素包括频率和额定功率——较低频率需要较大的变压器。更高频率的变压器可以节省重量和空间。这就是ABB电力电子牵引变压器（PETT）背后的动机。

2.Conversion path in a modern AC train 2. 现代交流传动系统中的转换路径（译文）（如下图）：

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.

来自交流接触网（架空线路）的电流通过低频变压器（LFT）的初级绕组流向钢轨（提供回流路径）。变压器二次绕组可用的降低电压馈入四象限线路斩波器，将其转换为直流链路电压。逆变器将其转换为牵引电机的变频和可变电压交流电。辅助电源也可以从直流链路馈电。要使用中频变压器（MFT），必须在变压器前放置变频器，如➔3。在变压器的二次侧，整流器将其转换为直流链路电压。

3.Conversion path using a medium-frequency transformer 3. 使用中频变压器的转换路径（译文）（如下图）：

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).

这种拓扑结构的一个主要挑战是转换器必须位于高压侧。由于目前这一代半导体器件无法阻挡交流铁路电气化中使用的电压，因此需要串联。ABB开发的解决方案不是将半导体大规模串联成单个阀门，而是在高压侧采用一系列级联的转换器模块，在直流侧并联输出➔4。此拓扑结构使解决方案具有可扩展性，并提供冗余范围（“N中取M”系统）。

PETT，一次侧级联转换器模块，二次侧并联输出（译文）（如下图）：

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.

来自接触网的输入交流电在进入第一个转换器模块之前经过滤波电感。转换器的每个模块由一个有源前端（AFE）模块和一个DC/DC转换器模块组成➔5。AFE模块本质上是一个H桥，用于调节链路电容器的充电。该拓扑还允许有源功率因数控制。

Cascaded converters 级联转换器

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.

级联拓扑的另一个优点在于可以独立切换每个模块。这允许交错H桥的开关模式。如果它们均匀交错（即偏移360度/N，其中N是电平数），转换器的栅极侧会看到明显的（等效）开关频率，该频率比单个H桥的实际开关频率高2N倍（电路中产生的输出信号频率是输入信号频率的整数倍称为倍频。假设输入信号频率为N，则第一个倍频是2N，相应地3N, 4N……等均称为倍频）。

 

与传统牵引变流器相比，这种高视在开关频率（结合大量中间电压电平）可降低谐波失真，从而减少输入滤波的需要。示例波形如所示➔6。

Measured PETT Waveforms，实测PETT波形（如下图）：

Medium-frequency transformers 中频变压器

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.

 

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.

中频变压器起着三个关键作用。首先，它们在来自交流电网的高压和连接负载的低压之间提供电流隔离。它们的第二个关键功能是考虑到3.6 kV中间直流链路电压水平，为1.5 kV直流负载电压提供合适的电压适应。第三个关键功能是帮助LLC谐振电路中的IGBT（绝缘栅双极晶体管）模块在软开关模式下工作（稍后介绍）。从电介质的角度来看，随着整体尺寸的减小，挑战越来越大。这方面必须仔细研究。

 

在目前的PETT演示器中，所有九台变压器共用同一个充油油箱，线路感应器和启动充电器也是如此➔7。

LLC switching mode LLC切换模式

 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

 

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.

九个中频变压器中的每一个都是相关DC/DC转换器的一部分➔ 4（图19）。通过使用变压器的漏电和磁化电感以及外部电路的电容器，创建了谐振LLC电路（Lr、Lm和Cr，如➔ 5（图20）)。 LLC电路的优点包括：

– 输出调节范围宽

– 在整个负载范围内，通过零电压切换（ZVS）降低一次侧的开关损耗

– 由设计控制的低关断电流（不是真正的零电流开关，ZCS）

– 二次侧二极管整流器上的低电压应力和ZCS

– 谐振频率下的负载独立运行

 

由于LLC电路基于谐振原理，因此可以使用开关频率的变化来控制输出电压。然而，在目前的PETT实践中，尚未使用此功能，LLC谐振DC/DC转换器在开环中工作，固定开关频率为1.75 kHz，低于谐振频率。

The control system 控制系统

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.

控制目标可概括为：

– 保持正弦输入电流

– 接近单位功率因数

– 恒定平均直流链路电压

– 电网谐波抑制

 硬件是ABB的AC 800PEC控制器，这是一个可以集成快速和慢速控制功能的平台。

The PETT demonstrator on the SBB Ee 933 locomotive

SBB Ee 933机车上的PETT样机

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（瑞士联邦铁路）和ABB之间的长期合作关系，目前正在Ee 933型调车机车上测试PETT样机。2008年初，ABB对所有子系统开展了广泛的研究和工程工作。PETT样机的开发于2011年春季取得成果，随后在样机投入运行之前，在实验室进行了全面的电气测试。

 

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.

拆除现有的Ee 933牵引变压器和GTO整流器，为新的PETT柜提供空间。为了适应PETT，需要进行一些机械调整和电子接口返工。

 

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.

机车在15kV/16.7Hz铁路电网下运行。试点安装于2011年年中完成，并于年底获得瑞士联邦交通局（FOT）的认证。机车于2012年2月在日内瓦科纳文车站开始调车作业。

 

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（图22）有九个级联模块，其中只有八个是操作所必需的（第九个是冗余）。该机组标称功率为1.2MW，可在短时间内提供1.8MW峰值功率。直流输出电压为1.5kV。总重量为4500kg，包括冷却器。当将其与相同额定功率的牵引变压器进行比较时，应注意PETT不仅取代了实际变压器，而且还取代了低压整流器（比较➔ 2和➔ 3 )。

类似的PETT图片如下，图片来源：ELECTRONICS, VOL. 16, NO. 1, JUNE 2012, Power Electronic Transformer Technology for Traction Applications – An Overview, Dražen Dujić, Frederick Kieferndorf, and Francisco Canales

请观众们放心，这些参考文献都是可免费公开阅览的。

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.

该试验的主要目的是研究该技术的可行性。重量优化是另一个考虑因素。当今变压器和整流器组合的功率密度（以kVA/kg表示）在0.2至0.35之间。正在开发的未来PETT将大大超过这个数值，达到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

 

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.

其它优势包括：

– 将交流输入到直流输出的能效从88%提高到90%以上，达到95%以上（目前15kV/16.7Hz独立牵引变压器的平均能效在90%到92%之间）

– 降低EMC和谐波

– 更低的声发射

 

所有这些因素使PETT成为实现其既定目标的理想选择，即提供一种体积小、重量轻但功能强大的转换器解决方案，该解决方案可以安装在未来的火车上，并且适合在靠近乘客的地方运行。

The transformer of tomorrow? 未来的变压器？

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.

 

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.

由于大多数其它类型的大型变压器往往是固定的，牵引可能是从减轻变压器重量中受益最大的应用，因此必须首先进行这项创新。

 

虽然本文中的PETT安装在调车机车中，但其真正的潜力领域在于用于客运服务的多单元列车（动力分散式列车），例如通勤列车或高速列车。PETT的紧凑尺寸意味着它可以轻松安装在火车地板下或车顶上，为乘客提供最大的可用空间，同时降低火车的电力消耗。

以下插图来自：中国知网，铁科院集团有限公司，我国铁路机车/动车组牵引技术现状及展望，钱铭

PETT相关文献译述完毕。

电力电子牵引变压器（PETT）是作为既有的工频牵引变压器的改型而应运而生的。虽然西方开展了超过三十年的研究，但是铁路机车/动车组用PETT至今（2022年）处于实验考核阶段。我们在研发CR400AF-S和CR450的时候，想到了PETT对于动车组轻量化的意义（在启动CR450科技创新工程之前，我们也做了很多和PETT相关的研究工作），也在CRH6S型动车组上做了国产PETT的装车试验。但如果CR450明年就要开展线路试验，国内碳化硅器件的耐压等级也达不到6500V（适应AC 25kV 50Hz接触网供电的车载PETT要求IGBT的耐压等级要达到6500V，目前耐压大约是3000V)，那么国产PETT很可能赶不上在CR450上的装车试验和考核。我们未来要攻关的新技术也远不只是新一代牵引变压器。面对国铁更高的要求，CR450的研制一定是充满曲折的。

最后，给对相关领域感兴趣的观众们分享一篇参考文献：冯江华总工发在IEEE的综述性文章：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“群员”需要付费阅览）。

最近编辑时间：2023-1-12 18:30