軌道交通車輛牽引控制技術(shù)與發(fā)展趨勢

譚正祥

摘 ?要：近年來，我國軌道交通車輛技術(shù)發(fā)展速度不斷加快，在軌道交通技術(shù)中，牽引控制技術(shù)為軌道車輛提供動力，有關(guān)軌道交通車輛牽引控制技術(shù)的研究有很多，相關(guān)專家希望通過改善軌道交通車輛的牽引控制技術(shù)，促進(jìn)我國軌道交通體系的進(jìn)一步發(fā)展。該文主要探討了軌道交通車輛牽引控制發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢。

關(guān)鍵詞：軌道交通車輛;牽引控制;技術(shù)發(fā)展

中圖分類號：U22 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

自18世紀(jì)蒸汽機(jī)問世以來，軌道交通車輛牽引控制技術(shù)不斷改進(jìn)，軌道交通車輛使用交流傳動電力牽引方式使運(yùn)行效率得到飛躍性的發(fā)展，隨著科技的不斷進(jìn)步，軌道交通車輛未來發(fā)展趨勢引起了專家學(xué)者的關(guān)注。

1 國際領(lǐng)域軌道交通車輛牽引控制發(fā)展

為滿足第二次工業(yè)革命發(fā)展，蒸汽機(jī)技術(shù)為軌道交通車輛運(yùn)行發(fā)展提供了技術(shù)支撐，18世紀(jì)出現(xiàn)了世界上首條鐵路。標(biāo)志著軌道交通的時代到來，經(jīng)過長達(dá)200年的發(fā)展，鐵路車輛牽引技術(shù)由最初的蒸汽機(jī)牽引發(fā)展到后來電力牽引。

19世紀(jì)80年代，軌道交通車輛主要采用的是直流供電方式牽引控制，90年代，西門子在軌道車輛牽引控制中應(yīng)用繞線式異步電動機(jī)，20世紀(jì)初，德國開始在軌道交通車輛中使用三相交流電，50年代，硅可控整流器應(yīng)用引起軌道交通車輛牽引方式的巨大的變革。60年代，角直傳動系統(tǒng)應(yīng)用于牽引控制中。70年代，異步牽引電機(jī)得到應(yīng)用推廣。軌道車輛牽引控制應(yīng)用交流傳動系統(tǒng)的優(yōu)點是降低供電的電流諧波分量，電路簡單可靠，控制電機(jī)的質(zhì)量輕，有助于簡化轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)，具備防空轉(zhuǎn)的功能。

2 國內(nèi)軌道交通車輛牽引控制的發(fā)展

輔助供電系統(tǒng)為車載設(shè)備供電，列車牽引系統(tǒng)用電量占總用電量的一半，技術(shù)發(fā)展需要有利于節(jié)能降耗。列車牽引系統(tǒng)的節(jié)能降耗要充分利用再生制動，以永磁同步牽引系統(tǒng)為代表，提高功率密度，以碳化硅為代表的寬禁帶半導(dǎo)體器件可能帶來革命性變化。

2.1 軌道車輛牽引控制發(fā)展歷程

1958年，我國軌道交通車輛牽引控制推出6YI型電力機(jī)，一直遵循自主研發(fā)的原則，取得了較為顯著的發(fā)展成果。我國軌道牽引技術(shù)發(fā)展由交直傳動方式的韶山系列，到交流電傳動的HX系列等高速列車。

1958年，我國仿制蘇聯(lián)H60型單相引燃管整流器6Y1型電力機(jī)車，1968～1985年，SS1型機(jī)車速度控制技術(shù)發(fā)展變?yōu)樽儔浩鳂O間調(diào)壓方式，1979年，株洲電力機(jī)車研究所研制成功采用相控整流技術(shù)的SS3型機(jī)車。1985年，首臺相控整流8軸貨運(yùn)電力機(jī)車SS4試制成功，采用相控整流傳動的SS4，6，8軸貨運(yùn)系列機(jī)車，包括SS3B、SS6、SS44G等車型。1985年引進(jìn)8k機(jī)車先進(jìn)技術(shù)，自主研制了基于計算機(jī)檢測控制電力機(jī)車，包括SS9、SS4C、SS7B等機(jī)車。

我國70年代開始研究交流電傳動基礎(chǔ)技術(shù)，1966年成功研制AC4000交流傳動原型電力機(jī)車，研制出NJ1內(nèi)燃調(diào)車機(jī)車，DJ2型奧星電力機(jī)車，DF8BJ型西部之光內(nèi)燃機(jī)車，KZ4A型哈薩克斯坦電力機(jī)車等。

2003年，鐵道部提出中國跨越式發(fā)展方針，購買4個國外車型高速列車平臺，聯(lián)合設(shè)計3個型號的大功率交流傳動電力機(jī)車，2008年科技部啟動《中國高鐵自主創(chuàng)新聯(lián)合行動計劃》，在計劃的支持下，形成了平臺化，系列化的產(chǎn)品平臺，交流傳動產(chǎn)品全面覆蓋大功率交流傳統(tǒng)機(jī)車，在國際市場上實現(xiàn)穩(wěn)步發(fā)展。

2.2 軌道車輛牽引控制發(fā)展現(xiàn)狀

目前我國軌道列車牽引控制技術(shù)主要包括控制、通信與保障技術(shù)?？刂萍夹g(shù)綜合運(yùn)用了計算機(jī)等多學(xué)科技術(shù)。通信系統(tǒng)的主要功能保證及時需要具備可靠性、實效性等特點，確保系統(tǒng)符合運(yùn)行要求。

我國采用的軌道車輛牽引設(shè)備主要包括變壓器、電機(jī)及其他控制系統(tǒng)。車輪轉(zhuǎn)矩，輪軌材料相互作用產(chǎn)生附著力，主要包括列車控制、傳動與車輛控制模塊。

列車控制模塊主要負(fù)責(zé)監(jiān)測列車狀態(tài)，診斷列車運(yùn)行故障。具有邏輯選擇功能，信息記錄功能等。車輛控制模塊主要監(jiān)控列車動力單元，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)控制范圍主要包括逆變器、脈沖整流等。具備空轉(zhuǎn)保護(hù)功能。

不同型號的輔助變流器功率密度差異巨大。日系平臺功率密度約為0.1級別，誕生年代越新，功率密度越高。Knorr電源子公司Power Tech輔助變流器產(chǎn)品功率密度達(dá)到0.3級別。假定既有車輛采用130 kVA東芝變流器，功率密度0.09，如功率密度提高到0.3，將減重977 kg。功率密度提高，已成為車載變流器的發(fā)展趨勢。

3 現(xiàn)代列車牽引傳動系統(tǒng)控制特點

列車牽引傳動系統(tǒng)基本任務(wù)是控制位置與轉(zhuǎn)矩?，F(xiàn)代牽引系統(tǒng)采用交—直—交電傳動形式，輪重，車輪上施加的轉(zhuǎn)矩與輪軌材料彈性是黏著力三要素。列車以基本動力單元為基礎(chǔ)構(gòu)成，按照列車的動力需求，多動力單元的組合形式有動力集中的機(jī)車，動力分散的動車組等。根據(jù)模塊化，結(jié)果化思想，列車牽引控制功能分為列車控制級、傳動控制級與車輛控制級。

牽引控制系統(tǒng)是列車控制級復(fù)雜列車上層控制等，主要功能包括確定運(yùn)行方向、選擇操作端、牽引制動協(xié)同、輔助系統(tǒng)控制和列車故障診斷等。車輛控制級實現(xiàn)動力單元內(nèi)控制等，傳動控制主要功能包括電機(jī)、空轉(zhuǎn)保護(hù)控制等。

現(xiàn)代列車控制系統(tǒng)采用車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，列車網(wǎng)絡(luò)要體現(xiàn)可靠性與實時性等特點，其應(yīng)用特性主要包括監(jiān)視數(shù)據(jù)，實現(xiàn)動態(tài)通信網(wǎng)絡(luò)初運(yùn)行等。

4 列車牽引控制技術(shù)發(fā)展趨勢

目前我國電力牽引控制技術(shù)重點是開發(fā)30 t軸重載電力機(jī)車、現(xiàn)代有軌電車等。牽引控制關(guān)鍵部件與裝置及新型談話硅功率器件，制動能量再生反饋相關(guān)裝備等。永磁同步電機(jī)以其高效率等優(yōu)點進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用階段。

建立新材料與節(jié)能技術(shù)等基礎(chǔ)上的牽引與電傳動技術(shù)，及現(xiàn)代電力電子技術(shù)?，F(xiàn)代牽引控制技術(shù)涉及綠色裝備制造體系，軌道列車制造體系，建立物聯(lián)網(wǎng)全壽命服務(wù)體系，新的技術(shù)對軌道交通牽引技術(shù)的創(chuàng)新是新的革命。

軌道交通車輛牽引控制發(fā)展趨勢朝向平臺化，標(biāo)準(zhǔn)化。近年來，軌道列車牽引控制系統(tǒng)供應(yīng)電商，結(jié)合計算機(jī)技術(shù)，開發(fā)了牽引控制系統(tǒng)平臺，產(chǎn)品平臺化主要是分析市場發(fā)展趨勢，明確產(chǎn)品平臺功能定位，將產(chǎn)品的功能性進(jìn)行細(xì)致劃分。

隨著軌道交通系統(tǒng)的游客數(shù)量不斷增加，加大了軌道交通的管理難度，迫切要求結(jié)合信息技術(shù)，實時控制列車各方面信息。具體包括狀態(tài)監(jiān)視信息、邏輯控制信息等。

軌道列車平臺化為標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展提供了基礎(chǔ)。為了能滿足用戶多元化需求，軌道車輛牽引控制系統(tǒng)向模塊化趨勢發(fā)展。軌道車輛牽引系統(tǒng)可靠性大幅提升，達(dá)到降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本的作用。

車載儲能吸收率裝置回收制動能量有30%的節(jié)能效果，牽引系統(tǒng)的輕量化可減少車輛的荷載，永磁同步牽引系統(tǒng)可實現(xiàn)更高效率。新一代半導(dǎo)體器件對變流器領(lǐng)域可能帶來革命性變化。城市軌道交通牽引技術(shù)相互交叉，其技術(shù)成熟水平不同。儲能吸收裝置可以改造地面的供電設(shè)備，但能否普及取決于儲能技術(shù)的發(fā)展。輕量化是車載變流器新產(chǎn)品的發(fā)展方向。Sic器件的成熟應(yīng)用有待時日。

新技術(shù)能否走向普及，需要關(guān)注承載技術(shù)的產(chǎn)品能否在全壽命周期內(nèi)降低成本，節(jié)能可能增加的檢修維護(hù)成本等諸多因素。只有總成本下降，才能使新技術(shù)得到推廣普及。

5 結(jié)語

該文圍繞軌道交通車輛牽引控制發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢進(jìn)行研究，分析我國軌道交通車輛牽引控制技術(shù)特點，梳理了國際軌道交通車輛牽引控制的發(fā)展歷程，展望了軌道交通車輛牽引控制的發(fā)展趨勢。

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