电力牵引传动与控制技术现状与发展

电力牵引传动与控制技术现状与发展摘要：电力牵引传动与控制技术已经成为衡量一个国家铁路技术水平的最重要标志之一。本文从车载交流牵引传动系统的应用特点出发，描述了大功率牵引传动系统在实际工程应用中面临的诸多技术难题，介绍了在全系列电力电子器件及应用技术、大功率牵引传动变流装置及其控制系统、列车网络控制系统等关键部件的核心技术成果，分析了牵引传动及控制技术的未来发展，展望了利用轨道牵引传动及控制核心技术向光伏发电、直流输电、电动汽车、冶金轧机、舰船推进、油气输送等领域的应用前景。关键词：电力电子器件；变流装置；传动控制；变频Abstract:Thetechnologyofmodernrailwaytractionandcontrolhadbeenoneofthemostimportantmarkstomeasureacountry'slevelofrailwaytechnology.FromtheapplicationcharacteristicsofACtraction,thispaperdescribedtheproblemsfacedbythepracticalapplicationofthehighpowertractiondrivesystem.Thispaperintroducedthecoretechnologiesresultsofpowerelectronicdevices,highpowertractiondeviceanditscontrolsystemandtrainnetworkcontrolsystem.Thispaperalsoanalyzedthefuturedevelopmentoftractionandcontroltechnologyandprospectedthefutureapplicationofrailwaytractionandcontroltechnologytosolarpower,HVDC,electricvehicle,metallurgyandrollingmill,marinepropulsionandoilandgasdelivery,etc.Keywords:powerelectronicdevices;converterdevice;drivecontrol;frequencyconversion牵引传动及控制技术是轨道交通机车车辆必须的技术配置，它推动了机车车辆技术的进步，成为高速铁路和重载货运发展的基础。可以说，是否拥有成熟的牵引传动及控制技术，已经成为衡量一个国家铁路技术水平的重要标志之一。同时，牵引传动领域的技术进步和成熟，将辐射到电气自动化、节能等诸多领域，形成具有核心竞争力的自主品牌。1车载交流传动系统应用特点1.1牵引/制动特性轨道运输装备的牵引/制动特性是其最基本、最重要的性能，是运输装备设计首要考虑的重要因素之一，它包括了运输装备的持续运行速度、最高运行速度、牵引/制动力特性以及装备的加速性能，以满足铁路运输的需求。在轨道运输装备减速制动时通常优先采用再生制动，将电机回馈的电能通过变流装置回馈给电网，达到绿色环保节能的目的。在系统研究与实际工程应用中，采用高功率密度变流装置、变压器、牵引电机和直接转矩控制等先进电机控制策略，在实现对电机的牵引/制动特性准确控制的同时，获得毫秒级的转矩阶跃动态响应性能。1.2轮轨关系轮轨粘着条件是指轮轨之间的自然粘着特性，它决定了运输装备所能发挥的最大牵引/制动力，是制约运输装备性能的关键因素之一，对于大功率货运机车而言显得尤为重要。试验表明，轮轨粘着特性不仅自身具有显著的非线性特征，而且在不同的气候条件、轨道曲线半径和轨面清洁度时也截然不同，表现出强烈的随机性和易变性。在各种千差万别的轮轨粘着条件下，怎样使运输装备输出的牵引力尽量逼近当前轮轨粘着条件所容许的最大牵引力是粘着利用控制的主要任务。在理论研究与工程应用中采取了独创的、先进的自适应粘着控制策略，采用线性系统理论，通过对牵引力的测量与计算，间接地获取粘着特性曲线斜率，实现最佳粘着利用。1.3弓网关系采用电力牵引轨道运输装备，在运行时需从接触网取电，转换成机械能驱动列车运行，或者将列车动能转化成电能，在实现列车制动的同时向电网回馈能量。牵引系统必须与电网友好匹配，即：低干扰电流、高功率因数、4QS运行等。另外，由于接触网的不平顺或受电弓的振动，会使得受电弓与接触网导线在几十个毫秒瞬时离开，俗称为“跳弓”。“跳弓”现象在电力机车（包括动车组）是很常见的现象。当发生“跳弓”时，对于常处于几MW负荷的变流装置，突然失电，工况非常复杂，如果不能非常及时地处理，通常会导致变流器瞬时过压、过流，甚至损坏器件。在探索、掌握高动态响应、高系统稳定性、高性能指标的主电路参数和控制理论基础上，通过高速硬件平台微秒级的快速采集网侧电量信号，检测到信号发生变化后，四象限和电机控制系统必须快速地对控制参数进行及时调整，以保证变流装置能稳定正常工作，适应各种极端的运行工况，实现高可靠性的工程应用。1.4功率流密度轨道车辆车载设备对体积、重量有非常高的苛求，需不断追求变流装置更高的功率流密度。由IGBT器件组成的单模块容量从最初的400kVA，到如今1600kVA（在7200kW电力机车上大批量应用）,如采用最新6500V元件可达到2000kVA，采用IGCT器件模块可达到9MVA。1.5电磁兼容性要求高电磁兼容性指设备或系统在电磁环境中能正常工作，且不对该环境中的任何事物构成不能承受的电磁干扰的能力。对于低压小功率的变流应用场合这个问题不突出，但在功率通常都在MW级以上的大功率牵引系统领域，由于体积、空间的限制，强弱电共存，且强弱设备共用一个接地点，通常控制装置与高压开关器件相邻布局，辐射干扰和传导干扰等电磁干扰问题非常突出，也成为大功率牵引变流及控制技术的一个关键应用难题。在不断探索与应用中，掌握了接地抗干扰技术、屏蔽抗干扰技术、磁场屏蔽技术等来改善牵引系统本身的电磁兼容性，以提高抗外部干扰的能力，有效减小对外界生物的辐射污染。通过主电路合理的布线设计来提高弱电信号的抗干扰能力，同时采用诸如优化的脉宽调制技术等先进的控制方式，有效抑制电流谐波带来的干扰问题；通过长期的经验积累，良好的EMC试验条件，严格的EMC试验，形成了EMC工程技术能力。1.6环境条件轨道牵引传动设备的现场应用环境条件非常恶劣，振动与冲击、环境温度与湿度、海拔高度、耐腐蚀性以及抵抗风雪雨等指标都远高于普通的工业应用。以机车为例，变流控制装置通常在夏天要承受60℃左右的环境温度，冬天要承受-40℃的低温，这对电子产品的耐受性、可靠性提出了更高要求，同时，还要考虑盐雾、湿热、振动、沙尘等工作环境，从而提高了对控制系统的设计要求。2变流技术2.1系统技术的突破2.1.1电传动系统的性能最佳匹配技术受轨道牵引车辆轴重的限制，在满足车辆动力性能的前提下，要求牵引变流器与异步牵引电动机的最佳匹配和适度的主电路网侧电参数，以实现系统的性能最佳、重量最轻和经济性。在实际工程应用中，采取配合牵引/电制动特性选择适当的齿轮传动比，使电机既能在牵引的最高转速处具有一定的力矩过载倍数，又能发挥高速的峰值功率，同时使启动电流和峰值电流在变流器的允许值范围之内；根据所要求的旅行速度，由典型区段计算出的等效电流及电动机的发热温升来确定电机的额定功率等；高压电器的选型和主要参数则要考虑高压电气性能、可靠性、所承受的供电网的过电压并根据主电路典型电流曲线等选取；同时，利用系统仿真手段，进行电传动系统的最优匹配设计。2.1.2功率器件性能最优利用技术在低压小功率应用场合，由于器件设计余量可以选择比较大，几乎不用考虑功率器件的性能最优利用技术。但在高压大功率牵引传动系统中，器件本身非常昂贵，同时受器件本身的性能参数、安装空间和体积重量的限制，设计余量选择往往会决定最终性价比。通常设计余量都尽可能的取得较低，这必须不断追求功率器件性能的最优利用以保持产品的持续竞争力。与此同时，高压大功率变流器开关频率低，变流器承受的尖峰电流和过电压都很高，功率器件的性能最优利用技术门槛非常高。经过长期的技术经验积累，我们掌握了高性能的异步电机直接转矩控制策略，可以充分利用开关频率，获得更低的尖峰电流及过电压指标；采取功率因数闭环控制和瞬态电流控制的四象限控制策略，可以在各种不同负载下获得接近1的高功率因数指标。这2种技术均可以使功率器件在同样的峰值电流下输出更大的基波电流，从而在同样的保护参数下的性能可以得到更充分的利用。同时，成熟的器件分级保护系统，特别是纳秒级检测、微秒级响应动作的硬件保护电路，可以确保功率器件在最优利用时的安全性和可靠性。2.1.3系统仿真平台技术随着轨道交通行业的大发展，产品的开发和交付周期也不断地缩短，从而对设计的要求也越来越高。同时，由于传动系统结构庞大、参数时变、工作过程及控制技术复杂，整体的匹配性能要求高等特点，设计难度很大。仿真技术可以保证系统性能，降低设计风险，提升设计能力，推进创新，缩短系统及部件开发周期，快速响应市场需求，提升关键部件开发和系统研究与集成能力。经过近十年的努力，先后建立了多个仿真平台：牵引计算仿真平台，可以验证列车整个牵引电气系统的性能；系统主电路仿真计算平台，可以验证主电路原理并确定部件的电气参数；半实物实时仿真平台，包括硬件在回路（HIL）和快速控制原型（RCP）半实物实时仿真平台，可验证各种控制策略和控制算法；热仿真和结构仿真平台，可辅助热设计及机械结构设计。2.2部件技术突破2.2.1器件开发及其应用技术新型电力电子器件及其相关新型半导体材料的研究，一直是电力电子行业极为活跃的领域。随着每一代新型电力电子器件的诞生，变流技术往往都会掀起一场革命浪潮，从晶闸管到GTO，再到如今的IGBT、IGCT，都是一代器件决定一代装置。电力电子器件已经在国家节能减排、建设节约型社会中发挥着不可替代的作用。经过四十多年的努力，攻克了金刚石台面工艺、离子注入工艺、全压接工艺等关键技术，成为国际上为数不多的具备普通器件、IGCT、IGBT完整产品链的大功率半导体器件供应商，产品最大规格达到6英寸（6×25.4mm），最高电压达到8500V。成功开发出4500V/4000AIGCT器件，成为全球第二家掌握该器件技术的企业。在轨道牵引应用领域，器件开发技术必须考虑下列特点：能够承受较强的振动冲击，外部结构必须紧固，设计时必须考虑器件内部的应力；器件的环境温度变化通常在50℃以上，必须承受大的温度应力；由于空间体积、重量的限制，要求器件尽量小，必须掌握器件高效率的散热技术；工作的电磁环境恶劣，必须考虑EMC设计。在高压直流输电应用领域，通常需要上百个器件串联运行，必须考虑器件的动态均压技术，确保串联器件的反向恢复电荷保持高度一致性；可靠性要求极高，使用寿命长，器件必须考虑设计容量；充分考虑电压冲击，满足特殊的雪崩浪涌试验和应用要求。1）电力电子器件的串并联技术随着现代电力电子变流技术的飞速发展，实际工程应用中对变流装置高压、大功率的需求越来越迫切，而电力电子器件的串并联技术是当前变流装置实现高压大功率的最关键的技术。但是串并联将导致元件间电压、电流的静态与动态均匀分布问题。以高压直流输电变流器为例，上百个的开关器件串联后并入高压电网，必须保证器件触发的高度同步，否则微秒级的差异会带来灾难性的后果。可靠的同步触发技术、优良的吸收回路是解决该问题的关键。通过长期从事高压大功率变流装置的研发，采用独特的吸收回路设计，高同步脉冲触发技术，攻克了器件串并联应用中的均压、均流技术。在晶闸管串并联应用技术方面，公司为某军事风洞试验基地研制的135MW晶闸管整流大功率电源，最大空载输出电压44000V，稳定功率135MW。在IGBT串并联方面，公司为国家电网公司研制的直流柔性输电融冰装置，并联输出电流能力达到4800A。大批量应用的7200kW交流传动机车也是采用IGBT功率器件并联技术。2）电力电子器件的驱动技术电力电子器件在应用中的驱动和保护是一项关键技术。先进的驱动控制技术可以有效减小电力电子器件的导通压降、开关损耗以及提高短路电流所带来的应力，更重要的是降低电力电子器件开关时的过电压，防止潜在震荡，减小噪声干扰，保护器件正常工作。经过长期的研究，掌握了各种电压等级的晶闸管、IGBT、IGCT驱动技术。前期掌握的电信号通过隔离变压器驱动技术，随着电压等级的提高，常出现在变压器隔离后导致脉冲陡度不够，不能可靠触发驱动器件动作，同时也暴露出电信号通过隔离变压器方式的抗扰能力差等问题，通过技术攻关，又成熟掌握了光触发技术，解决了高压大功率可靠驱动难题。2.2.2冷却技术随着变流技术的不断发展，变流装置的体积趋于紧凑化，但系统趋于复杂化，高热密度成了一股不可抗拒的发展趋势。变流装置的紧凑化和集成化要求冷却装置具有紧凑性、可靠性、高散热效率、维护简便等特点。几种主要的冷却技术的特点见表1。表1几种主要的冷却技术特点风冷技术油冷技术水冷技术热管散热效率低、结构简单、噪声大、体积大效率中等、噪声小、结构复杂、重量重、现场维护难效率高、结构复杂、重量轻效率中等、噪声小、结构简单在小功率变流应用场合，如电动汽车、辅助变流器等，可采用风冷技术；在中功率变流应用场合，如城市地铁轨道车辆等，采用热管散热冷却技术；在大功率变流应用场合，如干线电力机车等，采用水冷却方式。通过长期的技术研究，掌握了冷却技术的仿真计算技术，散热器热阻、流阻设计及试验技术，自主研制的热管散热器批量应用于地铁项目，水冷散热器和嵌片散热器批量应用于7200kW电力机车。2.2.3低感母排技术低感母排是一种多层复合结构连接排。与传统导线联接方法相比，低感母排可以大大降低线路的杂散电感，降低开关器件的过电压，使得器件工作于更加安全的区域，并提供现代的、易于二次设计、安装快速和结构清晰的配电系统。通过长期的技术研究，掌握了低感母排的高低温极限条件材料技术、高性能绝缘薄膜介电技术、柔性连接技术、压合技术及灌封技术等关键技术。2.3变流器产品及应用IGBT器件及变流装置（见图1）应用于“HXD1C”6轴7200kW交流传动货运电力机车、北京地铁13号线车辆、上海地铁1号线车辆、广州地铁1号线车辆、北京房山线车辆、沈阳2号线车辆、深圳5号线车辆、上海低速磁悬浮车、电动汽车、国家电网直流融冰装置、柔性输电设备等项目。7200kW电力机车变流器与国外跨国公司同类产品对比如表2。表23种变流器的性能对比技术性能TEGHXD1C西门子HXD1西门子HXD1B主电路①两级过压保护，可用性高；②可实现单轴隔离，损失1/6动力①一级过压保护；②变流器架控，实现单架隔离，损失1/2动力①一级过压保护；②单轴隔离，损失1/6动力控制方式直接力矩控制矢量控制矢量控制选用的IGBT3300V，价格低，成熟度高，货源广3300V6500V，价格高，成熟度低，货源紧张开关频率450～500Hz250Hz350Hz功能各种功能及保护与西门子相当，均能满足用户需求变流器模块四象限模块与逆变器模块完全通用，降低了维修成本和备品备件数量可以互换不能互换谐波开关频率高，谐波小，噪声小开关频率低，谐波大，噪声大开关频率低，谐波大，噪声大体积3100mm×1060mm×2000mm(L×W×H)3700mm×1060mm×2000mm(L×W×H)3400mm×1060mm×2000mm(L×W×H)质量0.7kg/kW0.71kg/kW0.58kg/kW3控制技术3.1关键技术突破3.1.1PWM控制技术脉冲宽度调制技术（PWM）是现代变流技术广泛应用的起点，是奠定绿色变频节能的基础。其通过改变输出脉冲的占空比来实现等效的输出电压与频率，从而实现交流到直流，直流到交流的能量变换。通常采用的空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术在三相对称正弦波电压供电时，以合成旋转的空间电压矢量为参考，三相逆变器8种不同开关模式电压矢量合成参考电压矢量，形成PWM波。在高压大功率变流应用场合，开关频率低是一个显著特点。以变频电机控制为例，随着电机频率的增加，当开关频率/电机频率小于10Hz时，如果仍然采用普通异步调制技术将导致电机谐波转矩显著加大，此时采用同步脉宽调制技术可保证三相电流波形的对称，降低尖峰电流和转矩脉动。同步调制技术实际工程应用异常复杂，必须保证各种模式平滑切换，避免给系统带来的功率冲击。通过长期的理论分析和试验研究，掌握了异步→同步分频调制→方波的控制及切换技术，保证系统在各种模式下能实现平滑过渡，获得最优的电流对称性及转矩控制性能，取得了“一种基于空间矢量的闭环同步调制方法及系统”，“一种基于空间矢量的同步调制方法及系统”两项国家发明专利。3.1.2传动控制技术传动控制技术是牵引传动系统的核心技术，传动控制技术已经由转差电流控制发展成矢量控制和直接转矩控制等。1）转差电流控制技术转差电流控制技术是一种早期的用于控制交流异步电机的方法，基于异步电动机的稳态数学模型，控制性能远不能与直流调速系统相媲美，系统的动态性能差。2）矢量控制技术矢量控制，又称为磁场定向控制（FOC），其基本原理是将异步电动机的定子电流正交分解为产生磁场的电流分量(励磁电流)和产生转矩的电流分量(转矩电流)分别加以控制，并同时控制两分量的幅值，从而达到控制异步电动机转矩的目的。矢量控制策略存在一些固有缺点，比如转子磁链难以准确观测，对电机参数比较敏感，实际工程应用时矢量控制必须具备异步电动机参数自动辨识功能。与直接转矩控制相比，矢量控制具有直接的电流闭环控制特点，电流控制的稳定性高，有独立的PWM调制单元，决定其转矩控制结果是一个开关周期内的平均值。如果在大功率低开关频率应用时，高速区必须采用同步调制技术。同步调制技术与直接转矩控制相比，开关频率利用不充分，在逆变器峰值电流、电机谐波损耗、转矩脉动、直流侧电流谐波等重要性能指标上比直接转矩控制差。而直接转矩控制PWM调制在磁链和转矩控制中直接实现，转矩动态性能高，但在低速高开关频率区性能比矢量控制差。通常在小功率高开关频率场合应用矢量控制，在大功率低开关频率场合应用直接转矩控制。3）直接转矩控制技术直接转矩控制技术是继矢量控制技术之后发展起来的一种高性能异步电动机变频调速技术。与矢量控制不同，直接转矩控制通过直接控制转矩和磁链来间接控制电流，不需要复杂的坐标变换，因此具有控制结构简单、转矩响应快以及对参数鲁棒性好等优点，它在很大程度上解决了矢量控制中结构复杂、计算量大、对参数变化敏感等问题。直接转矩控制可以充分利用逆变器的开关频率，从而特别适用于大功率牵引传动领域。目前，通过对直接转矩控制的深入理论分析和试验研究，掌握了转矩—磁链动态开关控制、定子磁链的轨迹优化控制、最佳开关频率利用控制、恒功区的动态弱磁控制等核心技术，该技术已经大批量应用于干线电力机车（如“和谐”型7200kW交流电力机车）、城市轨道交通领域（如上海地铁1号线、北京房山线，深圳5号线，沈阳2号线等），如图2所示。3.1.3绿色节能减排控制技术变流器＋异步牵引电机已成为现代轨道牵引装备的主流模式，极大地满足了铁路高速、重载运输的要求，但也带来了对电网和环境的负面影响，牵引系统运行时产生的谐波和电流无功分量，如果不加以控制，会对电网产生非常严重的污染，不仅增加电网容量，造成固定设备投资规模庞大，严重影响电能品质和稳定性，还可能引起电磁干扰及噪声污染。为了实现轨道牵引系统的绿色节能，实现万里路网低碳化，提高资源效能并保护环境，必须采用高性能的网侧控制技术及高效的主电路形式。1）四象限脉冲整流技术牵引变流器的输入端是与电网密切相联的整流器，它既能把电能从电网送到变流器和负载，也能把负载和变流器运行中产生的“垃圾”（谐波、无功分量）带入电网。为了彻底解决电能品质问题，只有在牵引传动系统才采用四象限脉冲整流技术，以达到对电网侧的高功率因数控制的目的。通过长期的理论分析和实际应用经验积累，掌握了高性能的四象限控制策略，采用基于瞬态电流的控制算法，通过精确的网压锁相检测，实现了电网电压与电网电流同相位、低谐波电流、高稳定的直流电压的目标，开发出独特的功率因数闭环跟踪控制技术，可以在低至20%的额定负载时，仍可以将网侧功率因数保持在98%以上，同时有效控制电网电流中的谐波分量。该项技术已经批量应用于和谐号大功率电力机车、国家电网柔性输电工程及变电所无功补偿装置等项目。2）软开关技术目前，牵引变流器中辅助变流器选择较高的开关频率，这样有助于改善系统性能，减少谐波含量、降低电磁干扰和音频噪声。但问题是这样会使变流器系统效率降低，增加额外耗能，同时也会引发电磁干扰。通过长期研究后，软开关技术已成功应用于中、小功率变流装置。该技术的应用可使电力电子器件的开关速度大幅度提高，开关损耗和开关元件上的电应力大大降低。相应地，变流器的体积和重量也可大幅下降，同时产品的电磁干扰和音频噪声也大大下降，具有非常高的绿色节能效果，可广泛应用于城轨车辆、铁路客车、动车组、电力机车的辅助变流器以及光伏发电逆变器等相关拓展领域。3.2变流控制产品及应用TEC3000平台的传动控制单元（DCU）是新一代交直交机车牵引变流器控制装置（见图3），采用高速专用总线贯穿整个控制单元，通过高性能CPU(PowerPC5200)为主构建系统管理器进行管理和调度，周期短、信息化程度高。变流器硬件平台实时控制器主处理器采用TMS320C60000系列高性能浮点DSP，浮点运算速度高达每秒上亿次。采用多DSP结构，从而使变流器实时运算能力达到最优，完全具备了应对各种复杂变流器高性能实时控制的能力。硬件平台的处理能力达到甚至超过西门子SIBAS32，Bombardier的MITRAC，ABBControlAC800PEC的水平。DCU可通过数字化软件编程来设置保护门阀值，实现变流器多级保护，达到DCU对变流器故障的纳秒级快速响应。异步电机控制、四象限控制、粘着利用控制等技术的关键指标达到国际先进水平。面向系统集成用户开放的CSRDriver软件平台（见图4），可完成变流器的控制模式选择、参数配置、高速数据监视、单点程序下载、故障记录、数据分析等功能。TEC3000传动控制系统与庞巴迪公司产品的主要性能对比如表3。4信息技术与列车通信网络控制技术列车信息化系统集检测、控制、诊断、信息管理于一体，是列车的大脑，协调各子系统有序工作。4.1关键技术突破4.1.1列车网络控制技术以国际先进的网络控制系统设计思想为基础，通过在列车通信网络控制领域不断的研究与创新，在前期开发出的集中式列车网络系统基础上，自主研发出基于IEC61375国际列车通信网络（TCN）标准的分布式网络控制系统平台—DTECS，成功攻克了列车网络通信技术（CAN总线、车载以太网、TCN、Lonworks）、控制系统模块化软硬件技术、实时控制与故障诊断技术以及图形化编程技术，并取得了多项专利授权。DTECS平台其整体技术水平达到了西门子、庞巴迪公司当前主流产品的技术水平，并已经在多个铁路干线机车、城轨地铁车辆项目上得到批量应用。DTECS网络系统与跨国公司同类产品对比如表4。4.1.2列车运行控制技术列车运行控制系统简称列控（ATP/ATC），是保证列车安全、快速运行的集中控制中心，同时是列车的事件记录的“黑匣子”。在干线铁路列控系统领域，完成了LKJ93和LKJ2000列车运行装置的开发与应用，均具有完全自主知识产权，具备了CTCS0级ATP设备产品标准，在我国铁路多次大提速中发挥了至关重要的作用。4.2网络控制产品及应用分布式网络控制系统DTECS（见图，不仅适用于各种干线机车列车/车辆级控制，而且适用于地铁列车/车辆的控制，现已经广泛应用于各类地铁、干线电力机车，构成标准化、网络化的车载控制与诊断系统。LKJ93、LKJ2000监控装置（见图6）已在国内全路近2万台机车上装车，有效减少了铁路信号险性事故发生率，并累计取得17项专利成果授权以及15项软件著作权。5产品质量保证与试验技术在产品质量保证方面，搭建了电子产品可靠性工程、失效分析等系统，并且制订了一系列严格可靠的项目管理、研发过程管理和产品生产制度。建成交流传动试验室、变流技术应用/综合试验室、复合环境试验室、电磁兼容试验室等18个国内领先、国际先进的研究性试验室，并引进了具有国际先进水平的专用测试设备及仪器，引入了CAD/CAM/CAE计算机系统、多通道数据采集和处理系统、环境试验箱、振动与冲击试验台以及从事变流技术应用研究和开发的相关实验室的全套设备，拥有具有国际先进水平的电子产品、半导体器件和专用测试设备及仪器。6未来技术的发展6.1功率器件碳化硅（SiC）是一种物理化学特性仅次于金刚石的化合物半导体材料，有着非常优秀的物理特性。可极大地提高电力电子变换器的效率，使各类变换器的体积减少到原来的5%~20%，具有耐高压（达数万伏）、耐高温（大于500℃）的特性,被公认为是下一代电力电子器件的最佳候选者之一。6.2无线传输技术现代高速列车通过车—地信息网络来达到安全运行的要求。随着无线技术的日益发展，无线技术应用越来越被各行各业所接受。通过采用先进的无线局域网(LAN)和GPRS/GSM无线通信技术实现快捷的信息处理；采用无线通信方式实现高速列车远程监控技术；采用无线通信方式实现远程列车设备检修数据库的访问技术等，从而摆脱地面设备的束缚，实现实时列车状态的跟踪运行。6.3新一代传动控制技术6.3.1永磁驱动及控制技术与异步电机相比，永磁同步电机具有高能流密度、高功率因数、高效率、体积小、重量轻等特点，与同容量的异步电机相比，永磁同步电机的体积和重量大约能减少15%～30%左右；转速平稳、过载能力强；噪声低，可靠性高；结构多样化，应用范围广。永磁同步电机将在未来取代异步电机，成为轨道牵引传动的主流牵引电机。近年来对永磁驱动及控制技术进行了大量研究，小功率的永磁驱动技术已经在电动汽车上批量装车应用，正针对“500km/h高速动车组”项目进行大功率永磁驱动及控制技术的研究。6.3.2无速度传感器控制技术无速度传感器控制技术可减小牵引电机的体积和传感器故障的发生率，大大提高了传动控制单元的系统可靠性。省掉速度传感器及连接电缆的费用，节约了成本。无速度传感器控制系统近年来已成为交流传动控制研究的热点。目前，已经成功完成了异步电机无速度传感器技术的理论研究与地面试验，攻克了逆变器保护封锁后的带速度重投、极低速定子零频附近的额定转矩发挥以及再生制动状态等技术难题，正在积极进行工程化的应用研究。6.3.3现代控制技术改进无论是矢量控制技术，还是直接转矩控制技术，在对于电机参数可能发生的变化时，都会影响变频器对电机的控制性能。自适应控制器可以根据对受控对象在工作过程中不断检测的系统状态参数或性能指标的变化情况，自行修正控制参数或控制作用以适应环境和对象本身的动态变化，保证系统始终在最优或次最优的工作状态下。目前，正在积极采用自适应控制技术进行电机参数自辨识技术的研究，不断提高传动控制的性能。6.4功率模块的集成化随着功率电子器件、功率电子设备以及变流技术向着模块化方向发展，使得功率模块的功能、通用性以及性能越来越强。已成功完成了IGBT、IGCT以及高压大功率晶闸管的模块化集成工作，成功解决了各类模块化器件在集成过程中产生的控制、驱动以及故障保护检测等问题，正朝着体积更小、重量更轻、功率更高、效率更高的方向发展。7总结随着电力电子技术的飞速发展以及控制技术的日益更新，现代轨道牵引传动及控制技术已经广泛应用于电力机车、内燃机车、新型动车组、城市地铁轨道车辆以及电动汽车领域，并逐步朝着新能源（风力发电、太阳能光伏发电等）领域、电网电能质量的改善（大型变电装置、大功率无功补偿装置）以及大量的民用装备领域（石油钻井、船舶推进系统、大型实验装备）发展。参考文献：［1］丁荣军，黄济荣.现代变流技术与电气传动［M］.北京：科学出版社，2009.［2］李江红，胡照文.影响铁路机车运行品质的因素分析［J］.机车电传动，2010(3)：53-54.［3］丁荣军，桂卫华，尚敬.电力机车交流传动控制系统的半实物实时仿真［J］.中国