軌道交通車(chē)輛牽引控制技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)

孫曉琨

（中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司，吉林長(zhǎng)春 130000）

0 引言

為有效實(shí)現(xiàn)軌道交通車(chē)輛牽引控制的現(xiàn)代化發(fā)展，需要引進(jìn)牽引控制的系統(tǒng)操作。當(dāng)前，電氣牽引控制技術(shù)已廣泛應(yīng)用于軌道交通車(chē)輛。本文對(duì)牽引控制技術(shù)展開(kāi)相關(guān)討論，供有關(guān)人員參考。

1 牽引逆變器的發(fā)展

進(jìn)入城市鐵路的車(chē)輛使用的大部分能源是電力。在輸電技術(shù)和科學(xué)研究中，根據(jù)目前特點(diǎn)，大城市偏離軌道交通的指導(dǎo)方法可以由兩種類(lèi)型的差動(dòng)電流和互交流來(lái)驅(qū)動(dòng)。物理原理是電能即將進(jìn)入電動(dòng)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)成功完成了對(duì)駕駛車(chē)輛的引導(dǎo)，并使用快速流動(dòng)慣性。先導(dǎo)式增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，因此直流斬波通常是通過(guò)將斬波電壓調(diào)節(jié)與相位控制電壓調(diào)節(jié)相結(jié)合的半控單相整流器成功完成。隨著技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，異步處理電機(jī)的直接交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已廣泛用于軌道運(yùn)行中車(chē)輛的慣性傳動(dòng)系統(tǒng)。隨著變頻調(diào)速和電壓值轉(zhuǎn)換器的出現(xiàn)，相互交換已成為驅(qū)動(dòng)技術(shù)的主流。

1.1 車(chē)輛用IGBT 逆變器的應(yīng)用

隨著能源和電子半導(dǎo)體器件的發(fā)布、更新和進(jìn)一步發(fā)展，開(kāi)發(fā)的開(kāi)關(guān)按鈕組件逐漸退出城市軌道交通階段，絕緣柵雙極微處理器（IGBT）逐漸興起。特別是在21 世紀(jì)，基礎(chǔ)絕緣柵雙極型晶體管的核心模塊得到進(jìn)一步發(fā)展。例如，適用于650 V 和1500 V 網(wǎng)絡(luò)電壓，城市軌道車(chē)輛600-2100a 絕緣柵雙極型半導(dǎo)體器件系統(tǒng)模塊（例如，1600 V，3250 V 電壓電平和大電流）已經(jīng)成為相對(duì)穩(wěn)定的、整體性能和質(zhì)量更成熟的產(chǎn)品。主要重型機(jī)械和高速列車(chē)的電源電壓分別提高到4500 V 和6500 V。電壓等級(jí)為1500 A 和700 A 的非絕緣柵雙極型晶體管也適用于DC 5000 V 和AC 16 Hz，15 kV，50 Hz 和25 kV 電網(wǎng)系統(tǒng)電壓。目前，絕緣柵雙極微處理器模塊已成為偏離軌道車(chē)輛的主流產(chǎn)品。IGBT 功能模塊使用更廣泛的技術(shù)與出色的整體性能相結(jié)合，主要體現(xiàn)如下。

（1）開(kāi)關(guān)按鈕消耗能量低，開(kāi)關(guān)設(shè)定頻率高。

（2）快速集成吸收控制電路，結(jié)合低聲電感母線(xiàn)，可實(shí)現(xiàn)非吸收控制電路。

（3）屬于輸入電壓型直接驅(qū)動(dòng)器，電源電路的功率輸出低，開(kāi)關(guān)按鈕涂漆均勻，可以有效控制短路。

（4）接地導(dǎo)體模塊易于重新組裝，散熱器的獨(dú)特設(shè)計(jì)更加靈活，簡(jiǎn)化了轉(zhuǎn)換器控制裝置的結(jié)構(gòu)。

（5）改進(jìn)了模塊的整體結(jié)構(gòu)和材料，以滿(mǎn)足熱交變載荷條件下的牽引力。

（6）簡(jiǎn)單的電阻串聯(lián)連接，使用由非絕緣柵雙極微處理器組成的標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)向反向三相交流電，使設(shè)備的電源更易于校準(zhǔn)和序列化等。

與以前的GTO 相比，該轉(zhuǎn)換器具有體積小、總重量輕、速度快、效率高和性能好等優(yōu)點(diǎn)。

1.2 無(wú)吸收電路式逆變器

進(jìn)入軌道的車(chē)輛要求整體結(jié)構(gòu)不緊湊，重量輕且體積非常小。與非絕緣體GTO 光電器件相比，使用導(dǎo)電絕緣柵雙極晶體管模塊可以更好地滿(mǎn)足這一要求。另外，采用傳統(tǒng)的低電感總線(xiàn)技術(shù)，大大減少了總線(xiàn)的寄生生物電感線(xiàn)圈，達(dá)到了抑制導(dǎo)通時(shí)峰值輸出電壓的目的，使得光伏逆變器可以省去全部吸收電路元件，從而進(jìn)一步擴(kuò)大結(jié)構(gòu)形式，減小體積，減輕整體重量。

1.3 低噪聲化的PWM 控制

直接牽引發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式，隔離變壓器恒頻調(diào)速模式，稱(chēng)為直流電源到直流電源。使用傳統(tǒng)的脈沖寬度配置控制方法（平均值）：低頻全局異步和不同的控制模式；中頻異步IO 保持同步控制不同的模式；超低頻全局異步綜合控制不同的模式；以及同步和異步擴(kuò)展控制多種方式。使用這些方法控制不同的模式會(huì)產(chǎn)生大量諧波。多諧波是變頻器引起的機(jī)械噪聲源。有許多方法可以更改控制模式的高次諧波覆蓋范圍的分布，例如，高頻擴(kuò)展控制模式還可以減少電磁能量噪聲。

1.4 無(wú)速度傳感器矢量控制

為了實(shí)現(xiàn)由變頻器和異步模式電機(jī)組成的通信和交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，使用先進(jìn)的高性能整體旋轉(zhuǎn)矢量來(lái)控制或直接選擇轉(zhuǎn)矩和控制。某些控件要求電機(jī)非?？焖偾壹皶r(shí)生成反饋信號(hào)。微電子技術(shù)飛速發(fā)展，需要更多的基本計(jì)算功能。開(kāi)發(fā)越強(qiáng)大，使用傳感器的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換控制技術(shù)的發(fā)展就越快。借助于可以控制電機(jī)速度并可以實(shí)現(xiàn)加速度測(cè)量的高壓電流和高速公里輸出轉(zhuǎn)矩響應(yīng)器，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)速度傳感器矢量控制。這種控制方法的最大特點(diǎn)是不能很快。多個(gè)傳感器的主動(dòng)維護(hù)還可以極大地提高系統(tǒng)實(shí)施的穩(wěn)定性和可靠性，以及電子控制設(shè)計(jì)的靈活性。

1.5 全電制動(dòng)停車(chē)控制

當(dāng)前，城市進(jìn)入等待控制的鐵路交通停車(chē)的主流市場(chǎng)是通過(guò)空氣制動(dòng)踏板實(shí)現(xiàn)路邊停車(chē)。在高速巡航過(guò)程中，出現(xiàn)了空中緊急制動(dòng)與電動(dòng)緊急制動(dòng)協(xié)調(diào)的核心問(wèn)題，即氣動(dòng)制動(dòng)將逐漸增加，電動(dòng)制動(dòng)將逐漸減少。從理論講，點(diǎn)制動(dòng)率不需要相關(guān)要求。由于參考值隨時(shí)變化，因此強(qiáng)制減速無(wú)法完全滿(mǎn)足參考值的要求。駕駛員會(huì)感到明顯晃動(dòng)，這極大地影響了乘員的自然舒適感。另外，總是存在不正確校準(zhǔn)停車(chē)等待空間的潛在風(fēng)險(xiǎn)。在這一階段，相關(guān)核心技術(shù)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)全電動(dòng)緊急制動(dòng)和對(duì)臨時(shí)停車(chē)完全控制的基本功能，從而減少路邊停車(chē)的強(qiáng)烈沖擊和制動(dòng)噪聲。目前，這項(xiàng)核心技術(shù)已在一些項(xiàng)目中得到了很好應(yīng)用。

2 軌道車(chē)輛牽引控制發(fā)展現(xiàn)狀

全面控制核心技術(shù)信息綜合應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，通信設(shè)備系統(tǒng)的功能是確保其及時(shí)、可靠和有效，確保軟件系統(tǒng)滿(mǎn)足操作要求。用于駕駛在軌道交通上行駛車(chē)輛的設(shè)備后面是內(nèi)部配電變壓器，電氣控制等以及控制軟件系統(tǒng)，主要包括長(zhǎng)途列車(chē)控制、傳動(dòng)部分和車(chē)輛控制模塊功能。其次，高速列車(chē)控制模塊負(fù)責(zé)管理和監(jiān)視長(zhǎng)途列車(chē)的當(dāng)前狀態(tài)，對(duì)列車(chē)運(yùn)行中的故障原因進(jìn)行臨床診斷。監(jiān)控行駛中的車(chē)輛和控制功能模塊可以用傳統(tǒng)形式控制高速鐵路列車(chē)的最大功率單位。系統(tǒng)的可控制范圍主要包括具有逆變器基本功能的光伏逆變器和脈波整流電路等，以及輔助轉(zhuǎn)換器。日本平臺(tái)的高功率密度和高功率輸出密度之間存在很大差異。Knorr 公司轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品的高功率和高密度產(chǎn)品超過(guò)0.3 級(jí)。功率輸出密度的增加已經(jīng)成為車(chē)載信息系統(tǒng)轉(zhuǎn)換器快速發(fā)展的主要趨勢(shì)。

3 現(xiàn)代列車(chē)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)控制特點(diǎn)

火車(chē)慣性驅(qū)動(dòng)軟件系統(tǒng)要完成的任務(wù)是控制最佳位置和扭矩。車(chē)輪重量施加在前輪上的扭矩以及輪軌材料的更大彈性是整個(gè)系統(tǒng)的基本要素。火車(chē)使用大部分動(dòng)力單元。作為一種基本結(jié)構(gòu)，根據(jù)旅客列車(chē)的潛在功率需求，多個(gè)功率單元的超級(jí)組合包括功率分配的重型機(jī)械和功率分配的動(dòng)車(chē)組。根據(jù)功能模塊化和良好效果，長(zhǎng)途列車(chē)可以直接牽引和控制動(dòng)車(chē)組的控制水平?？刂葡到y(tǒng)的驅(qū)動(dòng)力是一個(gè)比較復(fù)雜的高速列車(chē)的高層控制。其次，功能基本上確定一個(gè)駕駛方向，選擇和操作終端，直接牽引和制動(dòng)協(xié)調(diào)，輔助控制系統(tǒng)中的綜合控制，以及列車(chē)故障原因的診斷。驅(qū)動(dòng)車(chē)控制級(jí)可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)力源單元的內(nèi)部控制等。變速箱控制的重要功能包括電機(jī)、怠速保護(hù)和綜合控制?，F(xiàn)代西方列車(chē)可以使用軟件系統(tǒng)控制。網(wǎng)上列車(chē)必須體現(xiàn)可靠性、穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)性能的特點(diǎn)。其主要特點(diǎn)是對(duì)最終數(shù)據(jù)進(jìn)行秘密監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)信息通信地圖的初始整體運(yùn)行。

4 列車(chē)牽引控制技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

目前為止，中國(guó)的電能直接牽引技術(shù)可以控制各種技術(shù)，該驅(qū)動(dòng)器可以控制最重要的部件和控制裝置，采用新型硅輸出功率半導(dǎo)體器件。緊急制動(dòng)壽命能量再生和反饋信息對(duì)應(yīng)設(shè)備等，永磁體保持同步和高電控效率和質(zhì)量的優(yōu)勢(shì)已進(jìn)入現(xiàn)代商業(yè)應(yīng)用階段。直接基于新材料和節(jié)能技術(shù)的概念，已經(jīng)建立了牽引、電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)匹配技術(shù)和電子核心技術(shù)等現(xiàn)代能源。傳統(tǒng)的駕駛與控制核心技術(shù)涉及建立設(shè)備制造系統(tǒng)、鐵路高鐵制造系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。服務(wù)核心系統(tǒng)和新技術(shù)是新的革命時(shí)代，城市軌道交通推動(dòng)了技術(shù)突破和創(chuàng)新，在軌道交通中偏離車(chē)輛駕駛和控制的持續(xù)發(fā)展的總體趨勢(shì)是朝著平臺(tái)的釋放和統(tǒng)一。近年來(lái)，電子商務(wù)公司已經(jīng)提供了鐵路運(yùn)輸?shù)膽T性力和控制系統(tǒng)。包括計(jì)算機(jī)及其技術(shù)在內(nèi)的緊密集成，開(kāi)發(fā)了直接牽引力控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)大型平臺(tái)。從產(chǎn)品會(huì)議平臺(tái)方面，詳細(xì)分析當(dāng)前市場(chǎng)的總體發(fā)展趨勢(shì)，定義產(chǎn)品平臺(tái)提供功能的基本定位，并對(duì)產(chǎn)品功能進(jìn)行詳細(xì)分類(lèi)?？倲?shù)的增加加大了鐵路運(yùn)營(yíng)中城市交通管理的難度系數(shù)。迫切需要緊密集成各種類(lèi)型信息及其技術(shù)，并在邏輯基礎(chǔ)上控制信息的內(nèi)容。大型鐵路平臺(tái)可以為標(biāo)準(zhǔn)化快速發(fā)展提供基礎(chǔ)。為滿(mǎn)足更多用戶(hù)的多樣化實(shí)際需求，用于運(yùn)行軌道上車(chē)輛的驅(qū)動(dòng)力的整體控制系統(tǒng)正在向模塊化方向發(fā)展。鐵路車(chē)輛直接牽引系統(tǒng)功能的可靠性和安全性大大提高，從而降低了新產(chǎn)品的總體生產(chǎn)成本。

5 結(jié)束語(yǔ)

牽引控制技術(shù)是軌道中重要的組成部分，擔(dān)任著重要作用。為此，有關(guān)人員應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)研究，利用牽引控制技術(shù)數(shù)量傳輸功能完成對(duì)車(chē)輛的有效控制。