第1章　牵引变流器研究概述

1.1　牵引变流器研究背景及意义

1．研究背景

现代社会的发展使得人类个体的流动越来越频繁，现代交通构成了人类流动的主要载体。在现代交通诸多形式中，以高速铁路和城市地铁为代表的轨道交通无疑是其中的重要部分，是国民经济的一个重要产业，关乎经济健康发展与社会和谐稳定。

从世界范围看，20世纪70年代以后，为了提高列车运行速度，使铁路适应社会发展，德国、法国、日本等国都开展了大量的理论研究和实验运行工作。世界上第一条高速铁路是1964年10月日本东海道新干线东京至大阪的高速铁路［1］；铁路机车短时运行的最高速度是法国2007年4月创造的574.8km/h的世界纪录，德国研制的ICE3高速列车的运营速度也提高到350km/h。而我国从2004年开始引进国外高速列车技术，2008年8月1日，我国第一条高速铁路——京津城际铁路开通运营。目前，我国已基本建成省会城市及中大城市间的快速客运通道，建成的客运专线接近1.2万公里［2］，基本满足了社会经济发展的需要。未来五十年，国家将全面推进交通强国建设，并推动交通运输高质量发展。

城市地铁的发展同样重要。世界上首条地下铁路系统是1863年开通的“伦敦大都会铁路”，当时电力尚未普及，牵引主要靠蒸汽机。中国第一条地铁于1969年1月在北京开通。而今，地铁已成为世界各国大都市不可或缺的交通工具。

牵引变流器是高铁牵引系统和地铁牵引系统的核心部分，其功率范围在几百千伏安到几千千伏安之间。随着电力电子技术的发展，其所使用的核心功率开关器件经历了从晶闸管（SCR）、可关断晶闸管（GTO）到集成门极换流晶闸管（IGCT）和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的发展过程，未来的发展趋势是采用碳化硅材料制作的电力电子大功率器件。牵引变流器的拓扑主要有两电平变流器和二极管中点钳位三电平变流器两种，调制策略主要有正弦脉宽调制法（SPWM）、空间矢量脉宽调制法（SVPWM）、特定谐波消除法（SHEPWM）等。本书研究对象是由IGBT构成的两电平牵引变流器。

2．研究意义

作为高铁和地铁核心技术之一的牵引变流器的设计和控制技术，我国还没有完全掌握，有进一步研究的必要。牵引变流器是高铁和地铁的重要部分，其性能和可靠性对高铁交通和地铁交通的整体性能影响很大。目前，国内牵引变流器的设计和控制技术研究仍处于对国外先进技术的消化吸收阶段。对牵引变流器的特性进行研究，并探索牵引变流器的多物理域优化设计方法，既能推动牵引变流器的国产化进程，又能提高牵引变流器运行的可靠性和寿命。

牵引变流器的核心半导体开关部件广泛采用IGBT。研究IGBT的动态建模具有基础性的意义，是研究变流器动态过程、准确计算变流器发热损耗继而进行温升分析以及掌握IGBT安全边际的基础和重要条件。

牵引变流器的特性受机械、结构、电场、磁场、热场、冷却流体的速度场等多物理域影响。电热耦合是其中一种重要的耦合形式，只有结合起来研究，得到的变流器特性才更为准确。同时考虑电和热之间的相互影响，实现电热两域数据的互相传送，并建立主要器件的电热模型，有助于对变流器的特性进行深入研究。

直流连接母排是变流器主电路的重要组成部分。直流母排的杂散参数，特别是杂散电感，对牵引变流器的换流过程和瞬态特性有很大的影响。研究大尺寸复杂母排的杂散电感提取方法，以及不同母排结构对杂散电感的影响，对直流连接低感母排进行优化设计，有利于提高大功率变流器的整体性能。

牵引变流器在工作过程中，必然伴随着功率损耗。变流器的损耗会引起温升，温升使变流器的可靠性下降，甚至IGBT损坏。准确计算变流器，特别是IGBT的功率损耗，是准确进行温升分析的基础。基于IGBT电气模型，并加入控制算法对变流器进行仿真，可以得到准确的IGBT损耗。在得到变流器功率损耗的基础上，分析变流器的温升情况并设计散热方案进行有效的冷却，可提高变流器运行的可靠性和寿命。