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你将学习:
- 为什么铁路系统需要增加功率密度?
- 为什么直流电气化是最好的这些类型的系统。
- VVVF逆变器如何增加功率密度。
- 氢燃料电池混合动力铁路系统的出现。
欧洲是第一个发展铁路的地区，因此，与该地区铁路相关的国际标准也得到了完善。
火车长期暴露在恶劣的环境中，有极端的温度变化、灰尘、振动、电压波动和电气设备的瞬变。因此，欧洲最常用的规范EN50155不仅列出了电气设备的工作条件和电源的电压范围，还列出了可靠性条件。
电动列车尤其需要良好的功率密度设计。下面几节将演示为什么需要这样做。
电力牵引系统
轨道电气化是一种为所有电力机车系统供电的电源供应系统。这可以是交流电源或直流电源，甚至是复合电源。
电力牵引系统主要有三种形式:
- 直流电气化系统
- 交流电气化系统
- 复合系统
直流电流可以是300、500、600、750、1200、1500和3000v直流。交流电随15kv交流@16.7 Hz或25kv交流@50/ 60hz而变化。还有一种复合系统，直流1.5 kV，交流3kv @16.7 Hz，或交流25kv @ 50 Hz
直流充电系统
直流电气化系统1最适合空间和重量，比交流系统成本更低，比交流或复合系统设计消耗更少的能源。这种采用直流的方法是最佳的功率密度:
- 在重型列车的情况下，有频繁和快速加速，直流牵引电机是一个更好的选择比交流电机。
- 在相同的运行工况下，直流列车比交流机组消耗的能源更少。
- 直流牵引系统中的设备比交流牵引系统成本低、重量轻、效率高。
- 直流系统不会对附近的通信线路造成电力干扰。
在直流电气化系统中，三相高压电力从电网中获取，通过整流器和电力电子变换器(PECs)转换成低压直流电力。(图1)．
直流电源可通过两种方式提供给列车车辆:
- 第三和第四轨道系统运行在低电压(600至1200 V)。
- 高电压(1500至3000 V)的架空钢轨系统。
直流供电系统包括:
- 300- 500v供电特殊系统，如电池系统。
- 600至1200v适用于城市铁路，如电车和轻轨列车。
- 1500v至3000v用于郊区和干线服务，如轻型地铁和重型地铁列车。
直流串激电动机具有起动力矩大、转速控制平稳等优点，在直流牵引系统中得到了广泛的应用。其优点是，它们在低速时提供高扭矩，在高速时提供低扭矩。
铁路系统的功率密度在哪里?
在现代，火车增加了方便和娱乐的功能，如信息显示屏幕，充电插座，自动售货机等。这种增加设备的趋势导致功率转换器的功率不断增加，在列车内部有限的空间下，它必须保持相同的体积甚至缩小。因此，高功率密度的铁路供电将是一个发展趋势。
铁路计算机系统是整个列车的中央控制系统，它控制着各种电气设备，如烟雾探测器、IP摄像机、门控、空调和各车厢的广播设备。
列车上不同类型的设备将有不同的动力要求(图2)．驱动控制和功率控制需要相当多的能量来驱动这些系统，通常在200到300 W。计算机和铁路信号系统是列车的主要核心，其功率可达150w以上。
辅助电动门和照明设备由列车上的辅助电源供电。此外，通信设备，如紧急对讲机、监视器、广播等，是由车辆使用dc-dc转换器转换成必要的电压供电。典型功率通常为70 ~ 150w。
娱乐设备和屏幕使用20 ~ 60w的中低功率。功率密度在上述所有系统中都是至关重要的，因为需要在一个小的外形因素中为无数的功能提供功率。
提高功率密度与感应电动机更好的铁路牵引
功率逆变器为设计带来了更高的电流容量，提高了铁路牵引电机的功率密度。2再生制动也将增加能源节约。
用人变频(VVVF)逆变器3.3 kv Si-IGBT器件主要应用于直流1.5 kv线路电压下的铁路车辆感应电动机牵引系统(图3)．近年来，宽带隙(WBG)半导体器件，如3.3 kv SiC mosfet，也被应用于直流1.5 kv路段的铁路车辆。
由于SiC器件具有较低的传导损耗和较高的工作温度特性，在与Si IGBT损耗相同的条件下，SiC MOSFET的电流容量较高。因此，在轨道车辆运行过程中，通过提高动力性能和再生制动性能来节约能源消耗。
氢燃料电池混合动力铁路系统
在氢燃料电池(HFC)混合铁路系统中的重要角色是升压dc-dc变换器。这是因为HFC难以为驱动车辆牵引电机的大功率逆变器直接产生超过1500v的高连接电压。由于铁路车辆空间有限，升压式dc-dc变换器要求转换效率高，重量轻，体积小，因此，功率密度在这里非常重要。
交错升压变换器和三电平升压变换器在HFC混合铁路系统中是很有前途的拓扑结构，特别是在它们的轻量化方面。然而，三电平升压变换器由于其高效率和高功率密度，在HFC混合铁路系统中比交错式升压变换器更有前途。
总结
这篇文章揭示了直流电气化系统增加空间，减轻重量。这种系统在铁路上的总体成本也比交流系统低，它们比交流系统和复合系统的设计都有更低的能源消耗。最终，直流电源为铁路系统提供了最佳的功率密度。最后，举例介绍了具有良好功率密度解决方案的各种类型的电气化铁路系统。
参考文献
1.关于铁路系统的一切，railsystem.net/electric牵引系统
2.电力轨道车辆牵引用感应电动机功率密度提高设计方法研究，中国电机工程学报，2019
3.氢燃料电池混合动力铁路系统的高功率密度升压变换器研究，电子技术，2020/MDPI
4.用于电力推进的高性能电机，PEMC研究集团
5.铁路用电源的需求
