軌道交通車輛電力牽引傳動(dòng)系統(tǒng)及其控制概述

中車大連電力牽引研發(fā)中心有限公司 遼寧 大連 116000

為了保證軌道交通的安全性和可靠性，車輛電力牽引傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，該系統(tǒng)的出現(xiàn)和應(yīng)用為乘客打造舒適、便捷的乘車環(huán)境，提高乘客的乘坐體驗(yàn)發(fā)揮了重要作用。因此，如何科學(xué)控制車輛電力牽引傳動(dòng)系統(tǒng)，促進(jìn)軌道交通行業(yè)健康、可持續(xù)發(fā)展是技術(shù)人員必須思考和解決的問題。

1 直流斬波調(diào)壓調(diào)速控制

直流斬波調(diào)壓調(diào)速控制作為車輛電力牽引傳動(dòng)系統(tǒng)常用的控制方法，需要技術(shù)人員將軌道交通接觸網(wǎng)電壓設(shè)置為1500V，在此基礎(chǔ)上，采用車輛直流輸出的方式，為電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行提供持續(xù)的電能[1]，以滿足車輛的電動(dòng)牽引運(yùn)行需求。直流斬波調(diào)壓調(diào)速原理圖如圖1所示，其中，“VD”表示續(xù)流二極管，“Ld”表示平波電抗器，通過利用這兩種設(shè)備可以提高電流的連續(xù)性，減小電機(jī)電流和轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)分量。斬波器采用自關(guān)斷開關(guān)器件GTO，從而極大地提高了斬波頻率，并且省去了換向電路。此外，在斬波器的應(yīng)用背景下，通過采用改變直流電壓平均值的方式，可以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)電壓平均值的自動(dòng)化控制，然后，利用強(qiáng)迫關(guān)斷控制法[2]，可以實(shí)現(xiàn)對直流電源的周期性控制，以提高系統(tǒng)負(fù)載能力。同時(shí)，在微電子技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用下，直流傳功車輛在具體的行駛中，通過利用斬波器，可以實(shí)現(xiàn)對車輛電力牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的智能化控制，確保系統(tǒng)主電路控制的有效性、可靠性和安全性。

圖1 直流斬波調(diào)壓調(diào)速原理圖

2 交流變壓變頻調(diào)速控制

為了實(shí)現(xiàn)對車輛電力牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的自動(dòng)化控制，除了采用直流斬波調(diào)壓調(diào)速控制方法外，還要重視對交流變壓變頻調(diào)速控制方法的使用，通過使用該控制方法，可以將系統(tǒng)調(diào)速傳動(dòng)方式轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣鱾鲃?dòng)驅(qū)動(dòng)方式，充分發(fā)揮列車逆變器的應(yīng)用優(yōu)勢[3]，以實(shí)現(xiàn)對逆變器輸出信號的有效采集和處理，從而減小諧波損耗。此外，通過采用交流變壓變頻調(diào)速控制方法，還可以實(shí)現(xiàn)對逆變器結(jié)構(gòu)的有效簡化，極大地提高調(diào)節(jié)速度，從而進(jìn)一步提高車輛電力牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行性能。

2.1 VVVF調(diào)速

VVVF調(diào)速，又叫變壓變頻調(diào)速，在這一調(diào)速模式的應(yīng)用下，技術(shù)人員借助變頻電源的使用優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)部電壓和電流的有效控制，確保系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性。通常情況下，變頻器主要包含多種類型，但是，最常用的是如圖2所示的PWM型逆變電路。PWM型逆變器內(nèi)部含有一個(gè)逆變單元，同時(shí)逆變單元主要由半導(dǎo)體元件組成[4]，通過利用IGBT管的使用優(yōu)勢，可以實(shí)現(xiàn)對二極管內(nèi)部線路的并聯(lián)操作，極大地提高電動(dòng)機(jī)電流持續(xù)力，從而實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的快速供電，以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的智能化控制，為進(jìn)一步提高系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用前景發(fā)揮出重要作用。

圖2 PWM型逆變電路示意圖

2.2 轉(zhuǎn)子磁場定向的旋轉(zhuǎn)矢量控制

矢量控制主要是指通過坐標(biāo)變換將電機(jī)電流的磁場分量和轉(zhuǎn)矩分量進(jìn)行解耦，可以像控制直流電動(dòng)機(jī)一樣控制交流電動(dòng)機(jī)的控制理論和方法。該方法可以對電壓、電流、頻率等交流電氣參數(shù)的量值和相位同時(shí)控制，從而實(shí)現(xiàn)磁場和轉(zhuǎn)矩的獨(dú)立控制，取得媲美直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能。目前國內(nèi)廠家開發(fā)的基于矢量控制方案的車輛電力牽引傳動(dòng)系統(tǒng)日趨成熟，能夠滿足軌道交通車輛的牽引性能高要求。

3 結(jié)束語

綜上所述，在電力電子裝置技術(shù)的應(yīng)用背景下，軌道交通車輛電力牽引傳動(dòng)系統(tǒng)逐漸從電流驅(qū)動(dòng)模式轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷候?qū)動(dòng)模式，極大地提高了系統(tǒng)的運(yùn)行性能和自動(dòng)化控制程度。此外，通過將微電子技術(shù)應(yīng)用于車輛電力牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的控制中，可以實(shí)現(xiàn)電力傳動(dòng)系統(tǒng)與自動(dòng)控制系統(tǒng)的有效結(jié)合，為用戶帶來良好的使用體驗(yàn)。總之，為了實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的科學(xué)控制，技術(shù)人員要不斷修改、優(yōu)化和完善系統(tǒng)控制方案，確保系統(tǒng)控制方案與科技技術(shù)發(fā)展步伐相同步。