地鐵列車牽引傳動(dòng)控制研究及發(fā)展綜述

陳桂平　廖益豐　向偉彬　魏秀琴　師光洲

摘要：文章針對(duì)地鐵列車牽引傳動(dòng)控制研究與應(yīng)用現(xiàn)狀，結(jié)合電力電子器件、計(jì)算機(jī)控制算法等成熟技術(shù)與理論在牽引傳動(dòng)控制中的應(yīng)用，分析不同控制模式、控制策略在地鐵列車上應(yīng)用的優(yōu)勢與不足，并就當(dāng)前社會(huì)的發(fā)展趨勢分析今后地鐵牽引控制的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：地鐵列車;牽引傳動(dòng)控制;牽引控制模式;牽引控制策略

0 引言

隨著城市體量的增大，為滿足城市交通運(yùn)輸?shù)男枨?，我國城市軌道交通的建設(shè)進(jìn)入了一個(gè)高速發(fā)展期。安全、準(zhǔn)時(shí)、舒適是人們對(duì)地鐵出行的需求，而列車的牽引傳動(dòng)控制系統(tǒng)正是保障此需求的核心。因此，為了保障列車牽引在穩(wěn)定性、響應(yīng)性、可靠性等方面的優(yōu)良性能，國內(nèi)外的相關(guān)科研工作者開展了一系列的研究與應(yīng)用。迄今為止，地鐵傳動(dòng)控制系統(tǒng)經(jīng)歷了從傳動(dòng)控制方式到傳動(dòng)控制策略等研究方向的轉(zhuǎn)變，并且今后一段時(shí)間內(nèi)，牽引傳動(dòng)控制策略的研究仍然是該領(lǐng)域研究的一個(gè)主方向。

1 牽引傳動(dòng)電氣驅(qū)動(dòng)方式

地鐵列車采用直流受電，通過車載變流裝置將直流變流供牽引電機(jī)使用，并通過改變牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速以實(shí)現(xiàn)車輛調(diào)速的目的。按牽引電機(jī)的電氣驅(qū)動(dòng)方式，牽引電傳動(dòng)經(jīng)歷了直流傳動(dòng)和交流傳動(dòng)兩個(gè)階段。

直流傳動(dòng)階段，受電機(jī)技術(shù)及電力電子技術(shù)發(fā)展的制約，牽引傳動(dòng)早期主要采用凸輪調(diào)阻方式來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度調(diào)節(jié)，后期主要利用直流斬波器的DC/DC變流技術(shù)實(shí)現(xiàn)直流牽引電機(jī)的變流調(diào)速[1]。其傳動(dòng)方式如下頁圖1所示。斬波調(diào)速可以在直流電源電壓不變的情況下通過直流斬波器的通斷，改變施加到直流電機(jī)兩端的電壓脈沖寬度，以調(diào)節(jié)電機(jī)的輸入電壓平均值。直流傳動(dòng)利用斬波器改變晶閘管移向角來調(diào)整電機(jī)的輸入電壓，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的連續(xù)、平滑無極調(diào)速。但直流牽引電機(jī)存在需要換向器、體積大、故障多、制造及維護(hù)成本高等缺點(diǎn)，現(xiàn)已逐步被交流牽引電機(jī)取代。

交流傳動(dòng)階段，得益于交流電機(jī)技術(shù)及新型電力電子器件的發(fā)展，現(xiàn)如今地鐵車輛基本采用了基于交流電機(jī)的交流傳動(dòng)方式。交流傳動(dòng)利用IGBT等電力電子器件將直流電源逆變?yōu)殡妷?、頻率可調(diào)的三相交流電供交流電機(jī)使用。其傳動(dòng)方式如圖2所示。

2 牽引傳動(dòng)控制模式

地鐵線路存在彎道多、坡度多、粘著系數(shù)離散化等復(fù)雜工況特點(diǎn)，國內(nèi)外一些科研工作者從牽引系統(tǒng)冗余性、粘著利用、防滑/防空轉(zhuǎn)等為研究點(diǎn)，建立了基于電機(jī)控制方式為對(duì)象的“車控式”“架空式”“軸控式”研究模型[2-4]。

所謂“車控式”模型，為每輛動(dòng)車牽引傳動(dòng)系統(tǒng)布置1臺(tái)牽引逆變器，由該逆變器并聯(lián)本節(jié)動(dòng)車上的2臺(tái)轉(zhuǎn)向架4臺(tái)電機(jī)，即1C4M車控驅(qū)動(dòng)方式，其模型如圖3所示。這種傳動(dòng)控制模式的缺點(diǎn)是由牽引逆變器故障造成的列車動(dòng)力丟失影響較大，其優(yōu)點(diǎn)是成本低、車重輕、控制相對(duì)簡單。電力電子技術(shù)的發(fā)展使得逆變器故障率降低，目前國內(nèi)新建地鐵公司，如南寧地鐵1、2號(hào)線列車均采用了“車控式”的牽引傳動(dòng)控制模式。

“架控式”模型以每輛動(dòng)車配置2臺(tái)牽引逆變器分別并聯(lián)每臺(tái)轉(zhuǎn)向架的2臺(tái)電機(jī)，即2C4M架控驅(qū)動(dòng)方式，其模型如圖4所示。該傳動(dòng)控制模式的優(yōu)點(diǎn)是由牽引逆變器故障造成的單車動(dòng)力丟失影響較小;缺點(diǎn)是因逆變器的增加，導(dǎo)致車輛的故障點(diǎn)增多，整車的故障率變高，同時(shí)也造成整車的成本、重量、車下空間占用增加。此外，由于轉(zhuǎn)向架存在輪徑差，同一臺(tái)逆變器供電的兩臺(tái)并聯(lián)電機(jī)負(fù)荷分配不均，可能導(dǎo)致負(fù)荷重軸的電機(jī)溫升過高或過低，使粘著力軸的輪對(duì)發(fā)生空轉(zhuǎn)或滑行，造成輪對(duì)踏面擦傷、剝離等?！凹芸厥健蹦Ｐ蜖恳齻鲃?dòng)系統(tǒng)目前在廣州地鐵1號(hào)線列車上有應(yīng)用。

“軸控式”模型為每輛動(dòng)車上的4臺(tái)電機(jī)均由4臺(tái)相互獨(dú)立的牽引逆變器單獨(dú)供電，即4C4M軸控驅(qū)動(dòng)方式，其模型如圖5所示。該傳動(dòng)控制模式相比“架控式”模式逆變器故障的牽引動(dòng)力丟失影響更小，系統(tǒng)冗余性更高[5]。該模式雖然具有動(dòng)力丟失影響小、動(dòng)軸粘著利用高和電機(jī)控制難度低等優(yōu)點(diǎn)，但出于成本及能耗考慮，國內(nèi)地鐵很少采用這種傳動(dòng)控制模式。

3 牽引電機(jī)控制策略

電機(jī)控制是列車牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的核心。迄今，在地鐵列車牽引傳動(dòng)電機(jī)控制應(yīng)用上，主要的研究和應(yīng)用模型經(jīng)歷了轉(zhuǎn)差頻率控制、磁場定向控制和直接轉(zhuǎn)矩控制三個(gè)階段。

3.1 轉(zhuǎn)差頻率控制

由圖6可見，在電機(jī)穩(wěn)態(tài)條件下，定子頻率ω *1是轉(zhuǎn)差頻率ω *s與速度傳感器實(shí)測轉(zhuǎn)速ω之和，即ω *1=ω *s+ω。由于采用了正反饋，因而在運(yùn)行中定子頻率與轉(zhuǎn)速成正相關(guān)關(guān)系。因此電機(jī)加、減速平滑穩(wěn)定，具有較好的靜、動(dòng)態(tài)性能。鑒于轉(zhuǎn)差頻率限定于電機(jī)穩(wěn)態(tài)條件下才具有較好的調(diào)速性能，動(dòng)態(tài)條件下不一定適用。此外，被控轉(zhuǎn)矩為平均值，轉(zhuǎn)矩控制的瞬時(shí)性較差，在地鐵列車的調(diào)速控制中鮮有應(yīng)用。

3.2 磁場定向控制

磁場定向控制的基本思想是通過定向坐標(biāo)變換，將異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈等效成直流電機(jī)磁鏈，以直流電機(jī)模型控制電磁轉(zhuǎn)矩，再將轉(zhuǎn)子磁鏈在定向坐標(biāo)中的控制量反變換為三相坐標(biāo)系控制量，以控制電機(jī)[7-8]。因其坐標(biāo)變換是矢量變換，所以磁場定向控制又稱為矢量控制。

在直流電機(jī)中，勵(lì)磁電流If感生的主磁通Φf與電樞電流Ia感生的電樞磁勢Fa成正交關(guān)系，如圖7（a）所示。若忽略電樞反應(yīng)以及磁路飽和的影響，其輸出轉(zhuǎn)矩為：

該電機(jī)控制方法在早期的地鐵車輛上投入使用，如上海地鐵2號(hào)線Siemens產(chǎn)地鐵列車、上海地鐵3號(hào)線Alstom產(chǎn)地鐵列車，均采用了直接轉(zhuǎn)子磁場定向控制方法。

3.3 直接轉(zhuǎn)矩控制

基于磁場定向控制方法矢量解耦數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜性，1985年德國魯爾大學(xué)Depen Brock教授提出了一種免矢量解耦的轉(zhuǎn)矩控制方法，該方法利用快速改變定子磁場對(duì)轉(zhuǎn)子瞬時(shí)轉(zhuǎn)差的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制[9]。

在異步電機(jī)中，定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈的矢量關(guān)系表達(dá)式如下：

式（5）、（6）表明，異步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與定子磁鏈幅值、轉(zhuǎn)子磁鏈幅值、磁通角成正相關(guān)，如下頁圖8所示。從而利用電壓空間矢量控制定子磁鏈?zhǔn)噶颗c轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康目臻g差角，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的目的，此即為直接轉(zhuǎn)矩控制原理。

直接轉(zhuǎn)矩控制不需要旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，克服了矢量控制系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)依賴和控制系統(tǒng)復(fù)雜的缺點(diǎn)，通過輸出PWM控制牽引逆變器開關(guān)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制。目前國內(nèi)如南寧地鐵1、2號(hào)線株機(jī)產(chǎn)地鐵列車，均采用了直接轉(zhuǎn)子磁場定向控制方法。

4 粘著利用控制策略

在交流傳動(dòng)地鐵車輛牽引控制中，空轉(zhuǎn)/滑行保護(hù)和粘著利用控制系統(tǒng)是傳動(dòng)控制系統(tǒng)的一部分，統(tǒng)稱粘著利用控制[10]。基于地鐵列車走行路況的多樣性，其走行過程中的粘著需求也隨線路的變化而變化，通過對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等狀態(tài)量的采集、分析、處理，同時(shí)結(jié)合操縱指令表達(dá)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩量，由牽引控制模塊單元生成電機(jī)牽引/制動(dòng)特性包絡(luò)曲線，綜合輸出電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制量，使得列車當(dāng)前的電機(jī)轉(zhuǎn)矩是基于當(dāng)前線路粘著需求的控制量，從而保證列車能在不同路況下的粘著利用率是最優(yōu)的，此即為粘著利用控制原理。

現(xiàn)有的粘著利用控制方法有蠕滑速度法、粘著斜率法，其中粘著斜率法又包括了相位移法和粘著因數(shù)導(dǎo)數(shù)法。就目前來說，相位移法是地鐵列車牽引控制系統(tǒng)粘著利用控制的常用方法，南寧地鐵1、2號(hào)線地鐵列車的粘著利用控制正是運(yùn)用此方法。

5 牽引傳動(dòng)控制發(fā)展趨勢

目前國內(nèi)外地鐵列車的牽引電機(jī)交流傳動(dòng)控制方式的技術(shù)已經(jīng)成熟，當(dāng)前的一個(gè)研究方向是牽引能效，國外已就列車節(jié)能運(yùn)行開展了較多研究。2015年我國政府工作報(bào)告中把“節(jié)能環(huán)保技術(shù)的研究與推廣應(yīng)用”列為一項(xiàng)重大科技攻關(guān)，隨后，我國一些企業(yè)及院校就牽引傳動(dòng)節(jié)能控制進(jìn)行了相關(guān)的研究，目前比較明確的兩個(gè)研究方向是：牽引傳動(dòng)效率研究[11]和行車控制節(jié)能優(yōu)化研究[12]。北京地鐵10號(hào)線的牽引傳動(dòng)控制系統(tǒng)就是應(yīng)用了一種節(jié)能優(yōu)化的牽引變流器來改善牽引節(jié)能問題[13]。列車牽引傳動(dòng)節(jié)能控制是一項(xiàng)系統(tǒng)化工程，需要結(jié)合電機(jī)控制策略、粘著利用、運(yùn)行控制、行車調(diào)度等方面綜合開展研究。

6 結(jié)語

（1）當(dāng)前地鐵牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的電氣驅(qū)動(dòng)方式與牽引傳動(dòng)控制模式已趨向于交流傳動(dòng)的“車控式”控制模式，其故障率及成本控制都處于一個(gè)較優(yōu)水平。

（2）在控制模式已經(jīng)趨于最優(yōu)的情況下，牽引傳動(dòng)控制的研究轉(zhuǎn)向了對(duì)電機(jī)的控制策略研究，直接轉(zhuǎn)矩控制或粘著利用控制均是為了使列車獲得良好的動(dòng)態(tài)性能。

（3）今后關(guān)于地鐵牽引傳動(dòng)控制的研究更加趨向于牽引節(jié)能控制方向的研究。

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