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電力機車牽引用電力電子變壓器概述

文檔作者：王韜文檔來源：中車株洲電機有限公司		更新日期： 2026年05月24日	點擊數：
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2017 年 2 月 Engineering Equipment and Materials | 工程設備與材料 | ·131·
電力機車牽引用電力電子變壓器概述
王 韜
（中車株洲電機有限公司，湖南 株洲 412001）
摘 要：隨著現代高功率半導體器件的發(fā)展以及磁性材料性能的不斷改善，設計一種全新的采用中高頻轉換的變流裝置
結構來實現供電，該裝置結構稱為電力電子變壓器，其完全有可能取代現有笨重的工頻變壓器。雖然仍然面臨許多技術
上的難點，但經過不斷探索研究，技術上已經取得了豐富的成果。電力機車牽引供電領域被認為是電力電子變壓器最有
可能實現技術應用的領域之一。在機車牽引領域，電力電子變壓器不但可以實現重量和體積的大幅度減小，同時還能改
善供電電能質量。文章概括了近年來電力電子變壓器在電力機車牽引領域應用所取得的研究成果。
關鍵詞：電力電子變壓器；電力機車；中高頻變壓器；電能質量
中圖分類號：U264 文獻標志碼：A 文章編號：2096-2789（2017）02-0131-03
目前，傳統(tǒng)的工頻變壓器廣泛分布在電力系統(tǒng)中，
發(fā)揮電壓隔離和電壓轉換等基本功能。通常，在中高壓
環(huán)境下要解決電能質量問題（如跌落、驟升、閃變和諧
波）需要外加多種形式的高開關頻率的電力電子變換器，
這就導致了整個設備安裝體積的增大。然而在機車車輛、
風力發(fā)電機、船舶、飛行器等安裝空間有限的場合運用
受到了限制。在低電壓應用領域，已經成功采用中高頻
變壓器代替工頻變壓器，變壓器頻率的增加其整體的體
積大幅減小，使得電力電子轉換器設計更緊湊。這種采
用中高頻變壓器環(huán)節(jié)的電力電子變換器裝置即為電力電
子變壓器（PET）。基于技術原理的可行性，從低壓環(huán)境
的成功應用完全有可能推廣到高電壓高功率領域應用，特
別是對空間尺寸、重量要求高的場合。文章主要介紹電
力電子變壓器在鐵路機車車輛牽引單相供電領域的應用。
研究學者普遍認為，PET 這一新技術最有可能在鐵
路機車車輛牽引供電領域實現成功應用。傳統(tǒng)的機車牽
引供電原理圖如圖1 所示，受電弓從高壓交流電網取電
經過工頻變壓器降壓再經過四象限整流器整流到所需的
中間直流母線電壓，中間直流母線再連接牽引電機逆變
器，牽引電機逆變器驅動連接的電機運轉實現機車動力
牽引功能。由于采用傳統(tǒng)工頻變壓器的牽引動力單元優(yōu)
化后的功率密度一般為0.25 ～ 0.5kVA/kg，其效率比較低，
大概在90% ～ 92% 左右。
變壓器的重量在傳統(tǒng)的集中動力型機車車輛的牽引
系統(tǒng)中要求不嚴格，因為一定的配重比能夠確保機車軸
重，提供足夠的牽引力可防止機車打滑。然而，在動車
組上的應用情況下，牽引系統(tǒng)是分布在整個列車的不同
區(qū)間位置，這時對變壓器的重量要求較高，需要盡量做
到輕量化。目前，動車組牽引動力單元能夠做到最優(yōu)的
圖1 傳統(tǒng)的機車牽引供電原理圖
功率密度約為0.5kVA/kg，在現行技術基礎上要進一步提
升功率密度比較困難。
一種可替代的新技術解決方案是使用電力電子變壓
器，如圖2 所示。PET 由源邊電感濾波器、高壓整流器、
高頻逆變器、中高頻變壓器、高頻逆變器環(huán)節(jié)組成。PET
的高壓整流器直接連接到25kV 交流接觸網，中高頻變壓
器起到電壓隔離和變壓的功能。
目前，由于單個半導體器件的耐壓有限，無法直接接
觸到高壓電網，需要采取多模塊級聯分壓以滿足器件運
用電壓水平。中高頻變壓器不是單個變壓器而是多個變
壓器組合而成，單個變壓器功率的總和就是PET 的總功
率。中高頻變壓器的應用能夠實現電力電子器件在高開關
頻率下應用。中高頻變壓器的次級繞組連接高頻整流器，
高頻整流器整流到所需的中間直流母線電壓，中間直流
母線再連接牽引電機逆變器，牽引電機逆變器驅動連接
的電機運轉實現機車動力牽引功能。
該類型的高電壓技術是隨著半導體技術的發(fā)展而發(fā)
展起來的，主要依賴于半導體器件不斷提升的開關動作、
更高的阻斷電壓、功率密度以及工作頻率和更低損耗密
度的新型鐵心磁性材料的發(fā)展等，而且技術仍在不斷發(fā)
展和進步。雖然PET 研究始于上世紀七十年代，但是在
機車牽引領域目前仍然未見任何市場化的成熟產品的應
用報道。
1 電力電子變壓器原理
研究學者及工程技術人員一直在研究各種不同裝置
結構的電力電子變壓器，目的是實現在機車牽引供電系統(tǒng)
上應用。早期的設備是基于晶閘管的電路拓撲結構，如圖
3 所示，中高頻變壓器的原邊連接兩個反向并聯的晶閘管
DOI:10.19537/j.cnki.2096-2789.2017.02.078
·132· | 工程設備與材料 | Engineering Equipment and Materials 2017 年 2 月
圖2 電力電子變壓器牽引供電原理圖
（a）
（b）
圖3 （a）采用晶閘管的PET 拓撲結構
（b）采用IGBT 的PET 拓撲結構
模塊H 橋，次級連接單相整流H 橋。因此，在高壓側輸
入端是一個周期波形變換器，在低壓側輸出端是一個電
壓源型逆變器。
該結構中，中高頻變壓器原邊連接整流器，中高頻變
IGBT。在圖3（a）所示結構中的周期波形變換器采用兩
個共發(fā)射極串聯的IGBT 替代，使用相同的零電壓開關，
而電壓源型逆變器為一個標準的IGBT 半橋變換器。由于
當前商業(yè)化的IGBT 的最高阻斷電壓只有6.5kV，要滿足
高壓側線電壓16.5kV 或25kV 的等級要求，主電路拓撲
結構中需要多個IGBT 模塊進行串聯。因此主電路拓撲結
構為模塊化組成的一個級聯單元，圖3（b）所示。該結
構由于次級側直流電壓的電壓鉗位，通過中高頻變壓器
實現原邊不同的單元之間的分壓。同時，PET 輸入端的
多電平的電壓波形，能夠減少線路諧波。該拓撲結構每
個級聯單元擁有一個高頻變壓器，每個高頻變壓器的功
率為總額定功率的1/N。
ABB 公司設計了基于圖3（b）結構的主電路拓撲
PET 功能型樣機，其設計針對的是15kV，16?Hz 的鐵路
供電網，設計額定功率為1.2MVA。該樣機擁有16 個級
聯單元，初級和次級采用的是3.3kV 的 IGBT，中高頻變
壓器的工作頻率為400Hz。采用的級聯數主要是與所選
半導體的電壓等級有關。還有一種主電路拓撲結構如圖4
所示，其主要特點是擁有一個電容器連接到中高頻變壓
器，是一個非諧振變換器。其輸入端為高壓四象限整流器，
整流器的輸出為輸入端中間直流環(huán)節(jié)。DC/DC 轉換器分
別連接到每一級的中間直流環(huán)節(jié)，發(fā)揮直流隔離和電壓
電平轉換功能，二次側高頻逆變器并聯連接到輸出端中
間直流母線。通過控制DC/DC 轉換器的兩側的矩形波之
間的相位來控制功率傳遞。
該結構中串聯諧振DC/DC 轉換器環(huán)節(jié)能夠減少半導
圖4 包含DC-DC 轉換的PET 拓撲結構
壓器次邊繞組連接電壓源型逆變器。由于晶閘管的頻率限
制，中高頻變壓器的頻率一般為幾百赫茲。除了頻率較低，
該結構電路還會產生較高的線路諧波。
為了解決基于晶閘管結構遇到的問題，同時提升中
高頻變壓器的使用頻率，提出運用全可控元器件，如
2017 年 2 月 Engineering Equipment and Materials | 工程設備與材料 | ·133·
圖5 LLC 諧振變換器的PET 拓撲結構
體開關損耗（零電壓開關（ZVS），零電流開關（ZCS））
和增加中高頻變壓器的工作頻率。鐵路電網電壓為15kV
時，應用6.5kV 的IGBT 器件，大約需要7 個級聯單元，
同時考慮外加2 個冗余的級聯單元，中高頻變壓器的頻率
應用范圍在8 ～ 10kHz。
分析表明在考慮到故障時間率以及所需要采用的設
備的數量，采用6.5KV 等級的IGBT 器件是最合適的。
中高頻變壓器的原副邊是軟開關控制的半橋型轉換器，
串聯組成諧振DC/DC 變換器，該結構實現了高開關頻率，
提升了設備在低能量區(qū)關斷性能，但代價是帶來較高的通
態(tài)電壓下降，產生更高的穩(wěn)態(tài)熱量傳遞損失。測試結果表
明，在額定功率工況下允許開關頻率提高40% ～ 50% 左
右。然而，該類型的元器件還沒有商業(yè)化，目前只有少量
的工程應用樣品。
ABB 公司研究了PET 在牽引領域的應用[2]。電路
拓撲結構如圖5 所示，輸入端采用H 橋級聯，諧振DC/
DC 變換器采用半橋結構實現功率傳遞，該結構運用的是
LLC 諧振變換器。因此中高頻變壓器的漏感和磁化電感
都參與了諧振。這樣的IGBT 實現了零電壓導通，以及幾
乎零電流關斷。
術的可靠性和成本。實現一個中等電壓的多電平轉換器，
需要大量的半導體，而半導體的合格率一般比較低。同
時還要有其他的驅動器、控制系統(tǒng)等，這些因素都是造
成電力電子變壓器最終可靠性低的因素。提升可靠性的
解決辦法是采用級聯單元的冗余設計，可用性A（見式（1））
由平均故障間隔時間（MTBF）和平均修復時間（MTTR）
決定。盡可能降低MTTR，可用性A 仍然可以保持在較
高的水平。
MTBF MTTR
A MTBF
+
= （1）
這意味著，盡可能采取模塊化設計，使產生故障的部
分可以迅速切換。模塊化的設計思路是，在系統(tǒng)中所有
的級聯單元（最小數為1），在任何一個單元發(fā)生故障的
情況下，故障單元將在系統(tǒng)中被自動切除，其他無故障
的單元繼續(xù)可以滿功率運行。
關于成本問題，PET 的設備成本相比傳統(tǒng)的技術增
加了約50%。但是，電力電子變壓器的效率相比于傳統(tǒng)
牽引系統(tǒng)能夠提升2% ～ 4%，同時，與工頻變壓器相比，
提高了諧波的性能，提高了電能質量，能夠延長后端用電
設備的壽命。PET 的安裝體積和重量比傳統(tǒng)的要小，能
夠提升乘客的舒適度，同時更節(jié)能，該項技術在鐵路應用
中有很強的潛力。由于效率的提高減少了電能損耗可以部
分抵消安裝成本較高的劣勢，如果考慮PET 全壽命周期
的總擁有成本，可認為和目前工頻變壓器系統(tǒng)是相當的。
具體計算分析將在后續(xù)文章中詳細闡述。
3 結論
在電力機車牽引供電領域，電力電子變壓器重量和體
積的減少，同時伴隨供電電能的提升等，是替代目前較
重的工頻牽引變壓器的一個可行的解決方案。雖然目前
技術還有諸多難點和挑戰(zhàn)，但其在輕量化、體積小、效
率提升、智能控制、抗電網干擾等方面具有一定的優(yōu)勢。
這種技術已經在國外許多研究工作中得到了驗證，目前推
向市場化的最主要是要提高可靠性和降低成本。對于市
場化具有里程碑意義的是ABB 公司已經在其工程維護電
力機車上成功調試了一臺電力電子變壓器，并投入運行，
這是世界上首臺運用電力電子變壓器的電力機車。
參考文獻：
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作者簡介：王韜（1985-），男，工程師，研究發(fā)向：電力機車牽
引電傳動。
ABB 公司研發(fā)了低電壓的PET 原型樣機，主要完成
了牽引應用特性所要求的控制系統(tǒng)的功能性驗證。該低
壓電力電子變壓器所采用的硬件設施與ABB 公司后續(xù)研
發(fā)的中高壓型全尺寸電力電子變壓器完全相同，只是運
行在低壓環(huán)境實現控制功能的技術驗證。中高壓型全尺
寸的PET 樣機，設計容量為1.2MVA，適應電壓等級為
15kV、16?Hz 的鐵路供電網，中間直流輸出電壓為1.5kV，
擁有8 個級聯單元（含1 個冗余單元），IGBT 器件開關
頻率及高頻變壓器的額定工作頻率為1.8kHz。樣機重量
約為3100kg，而傳統(tǒng)工頻變壓器重量為6800kg，重量降
低高達54%。但是PET 樣機的制造成本提高了50%，同
時在高壓側使用6.5kV 的IGBT 器件其可靠性也有降低。
ABB 公司的全尺寸PET 原型樣機已經安裝在工程檢
修機車上，與瑞士聯邦鐵路公司進行了現場測試試驗。
2012 年初開始，已經進行了為期一年的現場試驗測試。
2 可靠性和成本
PET 技術推廣到市場應用比較困難的主要因素是技

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