電子技術(shù)如何助力高鐵節能？

鐵路與其他客運工具相比，能源效率高，據說(shuō)其每單位運輸量的CO?排放量約為一般載客車(chē)輛的1/7。特別是在長(cháng)距離運輸中，其差距更大，高速鐵路網(wǎng)對運輸基礎設施的節能有很大的推動(dòng)作用。

一直以來(lái)，高速鐵路網(wǎng)在發(fā)達國家運輸基礎設施中承擔著(zhù)重要的作用，而近年來(lái)在新興發(fā)展中國家也出現了鋪設高鐵的動(dòng)向。日本已經(jīng)實(shí)現高速鐵路網(wǎng)的實(shí)用化，擁有該項技術(shù)的國家則集聚官民各方力量，加強對正在探討鋪設的國家的推銷(xiāo)攻勢。

在高鐵市場(chǎng)競爭過(guò)程中，除了高速性、安靜性、安全性之外，能否通過(guò)削減CO?實(shí)現碳中和等環(huán)境性能也成為需要納入視野的關(guān)鍵點(diǎn)之一。

01 電子技術(shù)影響環(huán)境性能

雖然與其他運輸手段相比鐵路的環(huán)境性能較高，但實(shí)際上仍需要消耗很多電力和燃料。特別是世界性的高速鐵路網(wǎng)的普及帶來(lái)了CO?排放量的增加，阻礙了碳中和的實(shí)現，因此需要進(jìn)一步推進(jìn)其節能化的進(jìn)程。

實(shí)現驅動(dòng)系統的節電是提高鐵路環(huán)境性能的要點(diǎn)。為了實(shí)現這一點(diǎn)，關(guān)鍵在于：

■ 驅動(dòng)系統本身的節電化；

■ 驅動(dòng)系統的小型、輕量化；

■ 車(chē)輛的輕量化。

上述（1）和（2）兩點(diǎn)，開(kāi)發(fā)在驅動(dòng)系統中所使用的低電耗的轉換器及逆變器，可以說(shuō)是減輕鐵路運輸所需的能源負擔削減CO?排放量不可或缺的措施。在此開(kāi)發(fā)過(guò)程中，采用高性能的半導體元件、低損失的電容器和電感器至關(guān)重要。

02 驅動(dòng)系統的電力控制

在鐵路車(chē)輛裝備中，驅動(dòng)馬達是消耗電力最多的裝置。為了實(shí)現鐵路車(chē)輛的節能化，一個(gè)重要的環(huán)節便是遏制驅動(dòng)馬達的耗電，提高其運行效率。為了有效地對驅動(dòng)馬達進(jìn)行控制，逆變器裝置不可或缺。

什么是逆變器控制？

目前，很多鐵路車(chē)輛的電源使用的是以交流電流方式供給、并在使用中轉換為直流電流的方式。將交流電流轉換為直流電流的裝置，稱(chēng)為“轉換器”。并且，交流馬達和空調、照明裝置等需要交流電源的機器設備則通過(guò)“逆變器”裝置，將直流電流轉換為交流電流后再進(jìn)行使用。

逆變器不僅可將直流電流轉換為交流電流，還可靈活控制頻率和電壓，即所謂的“逆變器控制”，這一原理在空調、微波爐、熒光燈等家電產(chǎn)品中也被大范圍應用。而在需要大功率的鐵路車(chē)輛中，逆變器控制的精度和效率是左右能源消耗量的關(guān)鍵技術(shù)要素。

逆變器控制的進(jìn)化

鐵路車(chē)輛的逆變器控制是從20世紀80年代開(kāi)始投入實(shí)用的，當時(shí)被稱(chēng)為“PWM（Pulse Width Modulation：脈沖寬度調制）逆變器”，采用了通過(guò)轉換將直流電壓改變?yōu)榫匦尾ǎ}沖），并每隔一定周期改變脈沖寬度，從而改變輸出電壓的方法。部分主電路元件原先使用晶閘管（下圖），之后GTO（Gate Turn-Off）晶閘管成為主流。

如上圖所示，晶閘管是進(jìn)行轉換操作的半導體元件的一種。其特征是通過(guò)在柵極和陰極間施加電壓并加通電流，可使陽(yáng)極與陰極之間的非導通狀態(tài)（關(guān)閉狀態(tài)）切換為導通狀態(tài)（開(kāi)啟狀態(tài)），也就是接通（點(diǎn)孤）。此外，為了進(jìn)行轉換動(dòng)作，要將開(kāi)啟狀態(tài)切換為關(guān)閉狀態(tài)及關(guān)斷（消?。顟B(tài)，還需要其他的元件和電路。

由于上圖中的的晶閘管無(wú)法實(shí)現的可關(guān)斷的晶閘管，為此需要如前文所提到的GTO等其他的柵極電路。但其中也存在著(zhù)關(guān)斷所需時(shí)間長(cháng)、流過(guò)柵極的電流超過(guò)輸出電流的10%以上，電耗損失較大等缺點(diǎn)。

時(shí)至20世紀90年代中期開(kāi)始使用的IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor：絕緣柵型雙極晶體管），其與GTO晶閘管相比能夠以低損耗、高頻率進(jìn)行轉換，提高了效率和電壓控制的精度。

IGBT輸入部分采用MOSFET結構，輸出部分采用雙極晶體管結構的大電力對應的半導體元件（下圖）。與GTO晶閘管相比，柵極電流與輸出電流的比率較小，損耗較低。此外，由于轉換頻率為人耳可聽(tīng)見(jiàn)的范疇之外，因此與采用GTO晶閘管的情況相比其噪音較小。

IGBT的等效電路

此外，IPM（Intelligent Power Module）則帶來(lái)了驅動(dòng)電路、保護電路和IGBT的一體化，實(shí)現了性能、功能及可靠性的提高，作為能夠推進(jìn)逆變器發(fā)展的一項技術(shù)得到實(shí)用。

驅動(dòng)馬達的逆變器控制

由于電力電子技術(shù)，特別是逆變器的技術(shù)進(jìn)步，實(shí)現了鐵路車(chē)輛的交流馬達（驅動(dòng)用交流電動(dòng)機）的實(shí)用。通過(guò)使用逆變器，與直流馬達相比其功率重量比更優(yōu)，消除了以往的電阻控制中所采用的電阻器造成的損失，從而大幅降低了整體損耗。

作為交流馬達，使用的是同步馬達和感應馬達，其中使用VVVF（Variable Voltage Variable Frequency：可變電壓可變頻率）逆變器控制方式的交流感應馬達因堅固且易于操作，得以大范圍使用。

VVVF逆變器采用與PWM逆變器相同原理，可將直流電流轉換為交流電流，同時(shí)通過(guò)改變頻率和電壓來(lái)控制交流電動(dòng)機的旋轉。在VVVF逆變器控制中，能夠通過(guò)高速且高精度的轉換來(lái)改變電壓，可以周期性地反轉輸出方向，模擬產(chǎn)生交流電流的正弦波（下圖）。

各逆變器方式中的PWM波形

同時(shí)，由于高耐壓技術(shù)的進(jìn)步，引進(jìn)了可推進(jìn)電源大容量化的IGBT及IPM，并采用了3電平逆變器方式。

由于3電平逆變器方式能夠輸出接近正弦波波形的逆變器，相對于2電平逆變器方式，可大幅降低轉換損耗，此外，還可實(shí)現用于輸出波形正弦波化的低通濾波器的小型化，因此，使交流感應馬達能夠減輕可造成電子設備錯誤操作的磁噪音和高次諧波，從而提高經(jīng)濟效益。

03 逆變器控制電路中的電子部件

目前，為了實(shí)現逆變器中所使用的半導體元件素材的耐壓性能加強和轉換的高速化，正逐漸從硅（Si）轉用碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）。但與此同時(shí)，轉換的高速化會(huì )帶來(lái)發(fā)熱量的增加，因此要求逆變器的各構成電路中所使用的電子部件也具有高度的耐熱性。

除半導體元件以外，逆變器中還包括整流電路、換流電路（用于啟動(dòng)晶閘管）、緩沖電路（用于減輕引起振鈴現象的寄生電感及因浪涌電壓引起的噪音）等構成部分，這些電路中均使用電容器、電阻器和電感器等。

如電子部件的耐熱性較低，則將需要冷卻裝置。部件的耐熱性越低，冷卻裝置便越趨于大型化和復雜化。冷卻裝置的設置和大型化也將導致車(chē)輛重量的增加，成為電力消耗上升的原因。

因此，要實(shí)現車(chē)輛的輕量化、遏制電力消耗，逆變器中需要采用耐熱性能優(yōu)良的電子部件。除此以外，逆變器還需要具有高度的可信性，以確保在多類(lèi)嚴峻的使用條件下也能夠正常運作，例如因振動(dòng)引起的基板撓曲及對脈沖電壓的耐性等。

04 高鐵節能技術(shù)與碳中和

目前，全世界的高速鐵路鋪設進(jìn)度迅猛。其中，美國加利福尼亞州連接洛杉磯和舊金山兩地的高速鐵路項目（預定將于2033年開(kāi)通）耗資約773億美元（*資料來(lái)源：《日本與美國的高鐵投資比較》）；英國為連接各大城市之間的HS2（High Speed Two）項目也投入了巨額預算，引起相關(guān)方面爭議。

這些項目均以舉國之力，傾注巨資，也正說(shuō)明鐵路運輸的環(huán)境性能明顯優(yōu)于其他運輸手段。作為達成碳中和艱難目標的有力手段，鐵路運輸正受到大范圍的關(guān)注。同時(shí)，在發(fā)展中國家所引進(jìn)的鐵路網(wǎng)中也呈同樣的趨勢。

在此形勢下，由電子技術(shù)所帶來(lái)的節能化及其CO?削減效果無(wú)疑會(huì )越來(lái)越受到關(guān)注。