軌道車輛電力控制技術(shù)的進化

【摘要】控制技術(shù)是城市軌道車輛系統(tǒng)里的不可或缺的一個部分，對于整個軌道車輛系統(tǒng)性能的保證與提升起著重要的作用。本文結(jié)合了歷代國產(chǎn)軌道車輛的研究歷程，提出了軌道車輛電力控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)突破，闡述了我國軌道車輛電力控制技術(shù)的發(fā)展歷程。

【關(guān)鍵詞】軌道車輛；電力控制系統(tǒng)；發(fā)展

軌道車輛是一種較為環(huán)保的大客流量交通工具，能夠有效的解決困擾全世界各個大中型城市的交通問題。隨著我國經(jīng)濟水平的穩(wěn)步增長，城市化、機動化的進程也日益加快，越來越多的城市已經(jīng)擁有或者正在、即將修建軌道交通系統(tǒng)，對于軌道交通的需求也越來越大。電力控制技術(shù)是軌道車輛的核心技術(shù)之一，對于整個軌道車輛系統(tǒng)性能的保證與提升起著重要的作用。

一、電力控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)突破

1.脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（PWM）

PWM技術(shù)是利用開關(guān)器件的導(dǎo)通與斷路，把直流電壓變?yōu)榻涣髅}沖，并通過改變交流脈沖的占空比實現(xiàn)電壓與頻率的等效輸出的一種控制技術(shù)。PWM技術(shù)的為交流傳動的應(yīng)用開辟了新的局面。在實際應(yīng)用中，對于三相對稱正弦波供電往往通過采用空間矢量脈沖調(diào)制技術(shù)（SVPWM），通過三相逆變器的不同開關(guān)模式形成所需要的PWM波。軌道車輛系統(tǒng)的電力輸出功率較大、電壓較高、開關(guān)頻率較低，傳統(tǒng)的異步調(diào)制技術(shù)會明顯增大電機的諧波轉(zhuǎn)矩，而同步脈寬調(diào)制技術(shù)則可以降低尖峰電流，抑制轉(zhuǎn)矩脈動，讓電流波形保持對稱。

2.傳動控制技術(shù)

（1）轉(zhuǎn)差頻率控制技術(shù)

轉(zhuǎn)差頻率控制技術(shù)是基于交流異步電動機穩(wěn)態(tài)運行的模型，在控制系統(tǒng)中安裝速度傳感器，對定子電流的頻率以及電流進行控制，實現(xiàn)勵磁電流控制。這種方法在80年代的軌道車輛中廣泛應(yīng)用，但是由于其反應(yīng)速度慢，調(diào)速性能也比較差，現(xiàn)在已經(jīng)淘汰。

（2）矢量控制技術(shù)

矢量控制，或稱為磁場定向控制，是根據(jù)磁場定向原理對交流異步電機的定子電流進行測量，將其分解為勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流這兩個矢量分別加以控制，從而實現(xiàn)對異步電動機轉(zhuǎn)矩的控制，因而稱為矢量控制。矢量控制需要準確的獲取被控異步電動機的工作參數(shù)，目前，新型的矢量控制變頻器已經(jīng)具有異步電動機的參數(shù)識別以及自適應(yīng)功能，進行有效的控制。采用矢量控制技術(shù)的變頻器的調(diào)速范圍較大，達到了直流電動機的水平，可以快速的控制電動機的輸出轉(zhuǎn)矩，瞬時特性較好，對空轉(zhuǎn)、滑行等現(xiàn)象能夠及時的進行反應(yīng)。

（3）直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)

與矢量控制技術(shù)相比，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)與不需要進行坐標變換，通過對轉(zhuǎn)矩和磁鏈的直接控制，間接的控制電流，它的結(jié)構(gòu)簡單，控制響應(yīng)快，因其可以充分的利用變流器的開關(guān)頻率，尤其適用于輸出功率較大的傳動控制。

3.綠色低碳技術(shù)

目前，軌道車輛主要采用了變流器+異步牽引電機的模式，如果不加以控制，牽引系統(tǒng)運行時產(chǎn)生的諧波和無功分量會對嚴重污染整個電網(wǎng)，增加了電網(wǎng)容量，提高了設(shè)備負擔(dān)，影響了整個電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性。以四象限脈沖整流技術(shù)、軟開關(guān)技術(shù)等為代表的綠色低碳技術(shù)可以提高電網(wǎng)側(cè)的功率系數(shù)，減少諧波含量，降低電磁干擾，從而提高資源利用效能，保護環(huán)境，實現(xiàn)軌道車輛系統(tǒng)的低碳化。

二、電力控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程

早在本世紀60年代末、70年代初，株洲電力機車研究所的科技人員對SS2型試驗用電力機車成功地進行了相控改造，為我國軌道車輛的控制技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。經(jīng)過不斷的改進與完善，于1978年竣工的6軸SS3型電力機車上，采用了較為成熟的，以分立器件為主體的第一代軌道車輛模擬電子線路控制系統(tǒng)。與現(xiàn)代技術(shù)相比，這套系統(tǒng)在設(shè)計上存在著一些不足，主要體現(xiàn)在：

（1）電路板密度比較低，控制精度以及可靠性都比較差，電路板無法相互更換，調(diào)整的難度大。

（2）控制功能比較簡單，沒有功率因數(shù)補償?shù)裙δ堋?/p>

（3）系統(tǒng)的抗干擾性能較差，整個系統(tǒng)沒有對高低電位進行隔離、屏蔽，缺乏過電壓吸收、濾波等抗干擾措施。

80年代我國從歐洲50Hz集團引進了8K型電力機車，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)出了新一代軌道車輛電子控制裝置，達到國際80年代初水平，其主要特點有：

（1）控制系統(tǒng)主要以新一代數(shù)、模集成電路為主。在系統(tǒng)電路設(shè)計方面，采用了高精度霍爾電流等精密措施，有效的提高了電路板的精度。

（2）控制系統(tǒng)的功能全面，充分考慮了各方面的控制需求，具有特性控制、重聯(lián)，可對功率因數(shù)進行補償?shù)?，保護功能也較為完備。

（3）采用了符合IEC標準的相關(guān)設(shè)計，具有良好的防塵、防潮、防震和電磁屏蔽以及抗干擾性能。

第三代軌道車輛控制技術(shù)是以微型計算機技術(shù)為核心的新一代控制技術(shù)，于1991年底首次在SS438號車上裝車運行考核，得到了廣泛的運用，其特點主要有：

（1）硬件標準化程度高，不同的參數(shù)、控制特性及功能只需在軟件上區(qū)別，系統(tǒng)的通用性和靈活性好。

（2）微機控制系統(tǒng)的智能化程度明顯提高，可以對其主要部件進行實時監(jiān)測和顯示，具有故障診斷功能，有利于確認系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

（3）微機控制系統(tǒng)的可靠性大大提高，平均無故障工作時間（MTBF）較以前的4000小時提升到近1萬小時。

三、結(jié)束語

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展以及控制技術(shù)的日益更新，我國軌道車輛的控制技術(shù)也在穩(wěn)步發(fā)展。為了滿足市場的需求，跟上世界先進控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，需要我們科研工作者的不懈努力。以先進、安全、可靠的原則，通過技術(shù)創(chuàng)新，逐步完善我國的軌道車輛的控制體系，提供一個可行的解決方案，是我們在研究工作中不斷努力追求的永恒主題。

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