軌道交通車輛牽引控制技術與發(fā)展趨勢

譚正祥

摘 ?要：近年來，我國軌道交通車輛技術發(fā)展速度不斷加快，在軌道交通技術中，牽引控制技術為軌道車輛提供動力，有關軌道交通車輛牽引控制技術的研究有很多，相關專家希望通過改善軌道交通車輛的牽引控制技術，促進我國軌道交通體系的進一步發(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。

關鍵詞：軌道交通車輛;牽引控制;技術發(fā)展

中圖分類號：U22 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

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

1 國際領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，蒸汽機技術為軌道交通車輛運行發(fā)展提供了技術支撐，18世紀出現(xiàn)了世界上首條鐵路。標志著軌道交通的時代到來，經過長達200年的發(fā)展，鐵路車輛牽引技術由最初的蒸汽機牽引發(fā)展到后來電力牽引。

19世紀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用繞線式異步電動機，20世紀初，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)應用于牽引控制中。70年代，異步牽引電機得到應用推廣。軌道車輛牽引控制應用交流傳動系統(tǒng)的優(yōu)點是降低供電的電流諧波分量，電路簡單可靠，控制電機的質量輕，有助于簡化轉向架結構，具備防空轉的功能。

2 國內軌道交通車輛牽引控制的發(fā)展

輔助供電系統(tǒng)為車載設備供電，列車牽引系統(tǒng)用電量占總用電量的一半，技術發(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，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型電力機車，1968～1985年，SS1型機車速度控制技術發(fā)展變?yōu)樽儔浩鳂O間調壓方式，1979年，株洲電力機車研究所研制成功采用相控整流技術的SS3型機車。1985年，首臺相控整流8軸貨運電力機車SS4試制成功，采用相控整流傳動的SS4，6，8軸貨運系列機車，包括SS3B、SS6、SS44G等車型。1985年引進8k機車先進技術，自主研制了基于計算機檢測控制電力機車，包括SS9、SS4C、SS7B等機車。

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

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)合設計3個型號的大功率交流傳動電力機車，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，系列化的產品平臺，交流傳動產品全面覆蓋大功率交流傳統(tǒng)機車，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主要包括控制、通信與保障技術?？刂萍夹g綜合運用了計算機等多學科技術。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)符合運行要求。

我國采用的軌道車輛牽引設備主要包括變壓器、電機及其他控制系統(tǒng)。車輪轉矩，輪軌材料相互作用產生附著力，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責監(jiān)測列車狀態(tài)，診斷列車運行故障。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。具備空轉保護功能。

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輔助變流器產品功率密度達到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)基本任務是控制位置與轉矩?，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構成，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車，動力分散的動車組等。根據(jù)模塊化，結果化思想，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)是列車控制級復雜列車上層控制等，主要功能包括確定運行方向、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)動力單元內控制等，傳動控制主要功能包括電機、空轉保護控制等。

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

4 列車牽引控制技術發(fā)展趨勢

目前我國電力牽引控制技術重點是開發(fā)30 t軸重載電力機車、現(xiàn)代有軌電車等。牽引控制關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裝備等。永磁同步電機以其高效率等優(yōu)點進入商業(yè)應用階段。

建立新材料與節(jié)能技術等基礎上的牽引與電傳動技術，及現(xiàn)代電力電子技術?，F(xiàn)代牽引控制技術涉及綠色裝備制造體系，軌道列車制造體系，建立物聯(lián)網全壽命服務體系，新的技術對軌道交通牽引技術的創(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，標準化。近年來，軌道列車牽引控制系統(tǒng)供應電商，結合計算機技術，開發(fā)了牽引控制系統(tǒng)平臺，產品平臺化主要是分析市場發(fā)展趨勢，明確產品平臺功能定位，將產品的功能性進行細致劃分。

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，迫切要求結合信息技術，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準化發(fā)展提供了基礎。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，達到降低產品生產成本的作用。

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。新一代半導體器件對變流器領域可能帶來革命性變化。城市軌道交通牽引技術相互交叉，其技術成熟水平不同。儲能吸收裝置可以改造地面的供電設備，但能否普及取決于儲能技術的發(fā)展。輕量化是車載變流器新產品的發(fā)展方向。Sic器件的成熟應用有待時日。

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

5 結語

該文圍繞軌道交通車輛牽引控制發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢進行研究，分析我國軌道交通車輛牽引控制技術特點，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。

參考文獻

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