变压器轻量

牵引变压器轻量化技术发展综述

摘要:传统的干线交流传动机车牵引电路中大多采用低频牵引变压器，作为交流传动系统中的一个重要组成部分，传统的低频变压器存在笨重、昂贵、效率低，需要占用太多车体空间等缺点。随着我国高速铁路的快速发展，车载变压器小型轻量化已成为下一代交流传动列车应优先解决的课题。目前，车载变压器小型轻量化方案主要有硅油变压器、电子变压器、超导变压器以及直流斩波技术等运用在车载牵引变压器。本文对几种方法的应用作了简单介绍，并提出了几种方法的应用前景。并针对这些方案做了总结，对它们的优缺点进行了比较分析，提出了使用直流斩波技术实现无变压器化的交流传动系统的方案。

关键词:牵引变压器、小型轻量化、超导变压器、直流斩波

引言

我国在“十一五”规划中拟建设9800km高速铁路，这么庞大的基础设施建设无疑会促进我国从铁路大国向铁路强国的快速转变，将极大地鼓舞民族志气。但我们还面临着许多高速铁路技术的挑战，轻量化是高速列车的关键技术之一，从某种意义上来说，它事关高速列车研制的成败。高速列车轻量化是个系统工程。它包括设计理念、设计方法、新材料选用、实验等诸多方面并贯彻在总体设计、零部件设计、制造工艺、试验鉴定等环节中。而高速机车牵引变压器的小型轻量化就是其中之一。

车载电气设备的轻量化是高速列车轻量化的一个重要内容，在目前的车载电气设备中，车载变压器的重量占电气设备总重量的1/3左右，车载牵引变压器这样的重量和高速铁路的发展是不相适应的。随着速度的提高，势必要求更大的牵引动力，而车载迁移变压器的安装空间又十分有限，这使牵引变压器需要更大的安装容量和有限的安装空间的矛盾更加突出，所以车载牵引变压器的小型化研究也是一个是紧迫的课题。综合这两个方面因素，目前牵引变压器首先需要解决的问题是实现小型轻量化。

交流传动系统小型轻量化的焦点一直以来是在高电压到低电压的变换环节-车载变压器上。我国车载变压器的研究和制造有50多年的历史，自1958年试制成功我国第一台SS1型干线电力机车牵引变压器以来，国内企业先后研制成功12种交直传动电力机车用牵引变压器和10余种交流传动机车及动车组用牵引变压器。为了实现车载变压器的小型轻量化，对变压器的铁芯和绕组结构进行了改进，比如，采用“心式铁心+混合线圈”结构，和采用壳式变压器结构等。这些结构在体积和重量上都比50年代从前苏联引进的6Y2机车牵引变压器的指标要

好。但是和高速铁路发达的国家相比这些指标还有相当大的差距。

国际上，车载牵引变压器小型轻量化的发展有几种思路：电子变压器、硅油变压器、超导变压器以及使用高压电动机的无牵引变压器交流传动系统和直流斩波技术的应用。

1、电子变压器

随着大功率电力电子元器件及相关控制技术的发展，采用电力电子变换技术实现能量传递和电压变换的新型变压器-电力电子变压器受到更多的关注，其是集电力系统、电力电子、计算机、自动控制理论以及数字信号处理等技术为一体的新型变压器。作为新型的能量转换设备，与传统变压器相比，电力电子变压器具有体积小、重量轻、空载损耗小等优点。因此，通过电力电子器件和电力电子变流技术，对能量进行转换和控制，研究适用于铁道牵引传动系统的新型电力电子变压器以替代传统的工频变压器和牵引变流器构成的牵引传动系统，为我国铁路牵引传动系统未来的技术更新换代提供参考。

图1工频变压器和电力电子变压器牵引传动系统原理比较图1是分别采用传统工频变压器和电力电子变压器的牵引系统的比较。如图1所示，采用电力电子变压器的交流传动系统在电网和变压器之间插入了一个高频、高压输入变流器，使变压器工作频率与电网频率解耦，从而取代笨重的工频变压器。高频变压器输出与传统牵引系统类似，采用整流器进行交直变换，与逆变器进行对接。高频变压器起隔离和变压作用。

因铁芯式变压器的体积与频率成反比，所以高频变压器的体积和重量远小于现在使用的工频变压器。电力电子变压器不仅具有体积小、重量轻的特点，还可

以在刹车制动时将制动再生能量反馈给电网，提高电能的利用率和电力电子变压器的效率。无论是从体积。重量要求上来看，还是从对牵引电能质量的要求上来评价，具有高频隔离环节的电力电子变压器都比传统牵引变压器更适合用于铁道牵引领域，电力电子变压器为动车牵引系统的更新换代提供了一种新的可能

2、硅油变压器

硅油变压器以日本为代表，硅油同矿物油相比，具有很多优点，两者间的性能见表1 。从表1 可以看出，硅油比矿物油具有跟好的电气绝缘性能，且硅油还有不宜着火、自灭性等性质。由于硅油的电气强度高，如果用硅油填充变压器，可以缩小电气绝缘距离。硅油的燃点比矿物油高一倍多，可以允许变压器绕组在更高的温度下运行，所以用硅油填充变压器有利于减小变压器的体积、增大功率，实现牵引变压器的小型轻量化。例如，一般200kVA的矿物油封变压器温升40度所占体积与500KVA采用硅油油封制得的变压器温升100读所占体积相等。

表1 矿物油和硅油的电气性能比较

硅油作为绝缘和冷却介质，1972年使用在电力变压器中，1985年日本开始在机车上使用硅油变压器。我国通化变压器厂在1985年试制成功第一台硅油变压器，使用在北京的地铁牵引变电站中。

硅油也存在弱点，实验表明，硅油在局部放电的条件下会发生焦化现象，并使硅油的绝缘强度大大降低，这给变压器的结构带来了新的问题。硅油中气体溶解量大，容易吸湿，密度和黏度较大，流动性差等。

硅油变压器由于特别容易吸湿，在生产、运输。存储、使用的各个环节都要力求与空气隔绝，如果作为车载牵引变压器用，对机车的运行维护提出了新的要求。此外，硅油不宜生物降解，不利于环保。

目前大多数高速动车选用是矿物型45号变压器油，而南车株洲电机公司生

产的配套于CRH2系列的高速动车牵引变压器为硅油变压器，采用硅油变压器油。

3、直流斩波技术

通过使用直流斩波技术取消车载牵引变压器，实现无牵引变压器的交流传动系统结构，是实现车载牵引变压器小型化轻量化的一种很有前途的技术选择。

在总结分析了国内外的车载牵引变压器小型轻量化技术的基础上，根据我国的牵引网电制，提出了利用直流斩波技术实现无变压器交流传动系统方案。图2是用直流斩波技术实现交流传动系统小型轻量化的原理图。电源电流经整流桥整流后变为直流，中间的直流电压为35KV；电流整流后经过一个L1C1滤波电路，这个滤波电路的主要目的是防止斩波器的高频脉冲电流进入牵引网；斩波器由2组电力电子器件（比如IGBT）组成，这两组器件的结构和工作电压等级都相同，以保证能量的双向流动。L2C2为直流斩波器的中间储能环节，同时也是一个滤波环节；R为负载，负载的工作电压为2.8KV。斩波器低压测的直流电压是由开关的占空比来控制的，一但两端的电压大小确定后，传递的能量大小由流过开关的电流大小决定。

直流斩波技术是一种很成熟的技术，这种技术本身没有什么新鲜可言，然而，如果要用到35KV这样高的电压下和机车牵引这样的复杂工作环境中，还没有任何先例，这其中有很大挑战，这种挑战主要来自控制方法和过电压的处理两个方面，要求做到传输效率高、体积小、重量轻等要求，而这几个方面的要求又是相互矛盾的目标，如何在这几个目标实现折衷需要进入深入的研究。

用直流斩波技术实现交流传动系统的小型轻量化具有2个明显的好处：一是取消了车载变压器实现了交流传动系统的无变压器化结构;二是这种系统对交流电源的电压变化不再敏感，甚至对牵引网的各种电制都有广泛的适应能力。

图2直流斩波器原理图

通过改进直流斩波器输出侧滤波器的电路结构，在保持电容值不变的情况下，可以把电感值降到原来的32%，这也意味着储能电感的重量可以大幅度的减轻，体积也可以大幅度的缩小。