吳智富

[摘? ? 要]地鐵車輛作為城市交通的重要組成部分，它的技術(shù)水平將直接影響城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度。而地鐵車輛技術(shù)水平的發(fā)展進(jìn)步，很大程度取決于它的牽引電傳動(dòng)技術(shù)。基于此，文章主要是對(duì)地鐵車輛所使用的牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制功能的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析闡述。希望能為軌道交通行業(yè)進(jìn)一步技術(shù)完善發(fā)展，提供理論參考幫助。

[關(guān)鍵詞]地鐵車輛;牽引電傳動(dòng)系統(tǒng);控制功能

[中圖分類號(hào)]U270.38 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2022）04–00–03

Analysis on Key Control Technologies of Metro Vehicle Traction Electric Drive System

Wu Zhi-fu

[Abstract]As an important part of urban transportation， the technical level of subway vehicles will directly affect the speed of urban economic development. The development and progress of metro vehicle technology largely depends on its traction electric drive technology. Based on this， this paper mainly analyzes and expounds the key technologies of the traction electric drive system used in metro vehicles to realize the control function. It is hoped that this paper can provide theoretical reference and help for the further technical improvement and development of rail transit industry.

[Keywords]metro vehicles; traction electric drive system; control function

1 牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用概述

我國大多數(shù)地鐵車輛使用的是直流供電傳動(dòng)模式，地鐵車輛所使用的牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)，基本原理如圖1所示。在地鐵車輛運(yùn)行過程中，通過車輛頂部的受電弓與接觸網(wǎng)接觸，使接觸網(wǎng)的電能沿受電弓流入牽引傳動(dòng)控制系統(tǒng)，作為電傳動(dòng)的能源驅(qū)動(dòng)。受電弓與接觸網(wǎng)接觸時(shí)，地鐵車輛會(huì)獲得1 500 V或750 V的直流電作為驅(qū)動(dòng)能源，在此基礎(chǔ)上利用嵌入式網(wǎng)絡(luò)變電技術(shù)，由一個(gè)牽引變流器直接改變接入電機(jī)的電流強(qiáng)度，這樣就能實(shí)現(xiàn)控制牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速的效果。所以地鐵車輛的牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)，是一個(gè)通過嵌入式變電所內(nèi)置的主變壓器與牽引變流器，實(shí)現(xiàn)電流限制分類功能的控制系統(tǒng)[1]。即，由牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)輸入電流的調(diào)壓、調(diào)頻功能，在牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)上更加平滑靈活。在這樣的電傳動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)行的牽引動(dòng)機(jī)，在滿功率運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，最高理論轉(zhuǎn)速可以達(dá)到4 000 r/min左右。

2 地鐵車輛牽引電傳動(dòng)技術(shù)系統(tǒng)的性能需求

2.1 弓網(wǎng)匹配關(guān)系

弓網(wǎng)系統(tǒng)是指地鐵車輛等有軌電車的接觸網(wǎng)、受電弓與鐵道之間組成的高壓電系統(tǒng)。弓網(wǎng)系統(tǒng)的功能就是作為地鐵車輛牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)的主要能源供給，因此弓網(wǎng)與牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)的匹配關(guān)系必須良好。這種系統(tǒng)匹配關(guān)系通常我們用干擾電流與功率因數(shù)來評(píng)價(jià)，其中前者決定整個(gè)弓網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，后者決定弓網(wǎng)輸出電能的實(shí)際效率。除此之外，弓網(wǎng)匹配關(guān)系還要用從物理接觸的層面考慮，這種弓網(wǎng)與牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)的不匹配關(guān)系，主要就是由于車頂受電弓與接觸網(wǎng)不平順引起的。由于接觸網(wǎng)存在斷點(diǎn)或者受電弓自振，導(dǎo)致受電弓與接觸網(wǎng)的電導(dǎo)線在特定位置出現(xiàn)斷開，俗稱“跳弓”現(xiàn)象。這種跳弓現(xiàn)象會(huì)引起整個(gè)牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)在10～45 ms作用出現(xiàn)突然失電。牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行工況是非常復(fù)雜的，是變流系統(tǒng)頻繁地出現(xiàn)高負(fù)荷電流的斷續(xù)供應(yīng)，很容易導(dǎo)致變流裝置瞬間過壓超載，導(dǎo)致?lián)舸p壞[2]。所以除了弓網(wǎng)與牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)之間的抗干擾性能與功率因數(shù)性能之外，必須確保接觸網(wǎng)與受電弓之間接觸良好平順，排除跳弓故障現(xiàn)象，避免牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)變流器等裝置損耗。

2.2 牽引電制動(dòng)性能

牽引電制動(dòng)性能是地鐵車輛設(shè)計(jì)時(shí)首先要考慮的問題。它包括了地鐵車輛的最高運(yùn)行時(shí)速、持續(xù)運(yùn)行時(shí)速、加速能力、制動(dòng)能力等一系列運(yùn)行方面的性能。當(dāng)前我國地鐵車輛使用的牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)中，不僅最高運(yùn)行時(shí)速與持續(xù)運(yùn)行時(shí)速達(dá)到世界先列水平，且近年來在制動(dòng)力再生上的研究也已經(jīng)取得了進(jìn)展，在這種技術(shù)的加持下，地鐵車輛在進(jìn)站進(jìn)行減速制動(dòng)操作時(shí)，可以將電機(jī)牽引制動(dòng)所產(chǎn)生的回饋動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能回傳給弓網(wǎng)系統(tǒng)，這樣就能減少制動(dòng)過程中造成的電能損失。

2.3 輪軌黏著性能

輪軌黏著性能是指地鐵車輛的車輪與鋼軌之間的自然黏著特性。輪軌黏著性能優(yōu)異不僅可以使?fàn)恳妭鲃?dòng)系統(tǒng)在高功率運(yùn)行下獲得更大的牽引力與制動(dòng)力，還能為地鐵車輛的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供有力保障。通常輪軌黏著性能往往與一些非線性變化的外力因素有關(guān)，如會(huì)受到軌道表面清潔度、軌道曲線半徑和不同氣候條件下軌道的脹縮效應(yīng)等方面影響。

3 地鐵車輛牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 制動(dòng)控制技術(shù)

電機(jī)是車輛運(yùn)行的主要?jiǎng)恿碓?，它的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定了地鐵車輛的實(shí)時(shí)運(yùn)行速度，而異步牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制是通過牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)的變流器來實(shí)現(xiàn)的。但僅僅有轉(zhuǎn)速控制還不夠，當(dāng)?shù)罔F車輛處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，即使將異步牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)速水平控制到最低，車輛仍然不能很快地減速運(yùn)行。因此，還需要一種制動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)地鐵車輛靈活的速度調(diào)節(jié)功能。當(dāng)前我國地鐵制動(dòng)系統(tǒng)的控制功能主要采用兩種技術(shù)類型：車控制動(dòng)與架控制動(dòng)。這兩種制動(dòng)控制技術(shù)都是利用嵌入式的控制單元完成車輪的制動(dòng)動(dòng)作的。

3.1.1 車控制動(dòng)

車控制動(dòng)的技術(shù)是在地鐵車輛的每一處轉(zhuǎn)向架裝置的轉(zhuǎn)軸上，都裝有一個(gè)軸控防滑保護(hù)閥（DV），這樣的多組防滑保護(hù)閥根據(jù)車節(jié)部位劃分為一個(gè)個(gè)的控制單元（BCU），最后由一個(gè)嵌入式的微機(jī)制動(dòng)控制單元（EBCU）來負(fù)責(zé)管理不同的控制單元。這樣的制動(dòng)控制模式中，將所有動(dòng)車上的智能閥以及拖車上的防滑閥，采用TCU通信的方式進(jìn)行連接后，由EBCU的算法程序分析地鐵列車駕駛員的指令，并將指令解析后發(fā)送給所有的控制單元，通過保護(hù)閥的動(dòng)作輔助智能閥運(yùn)行完成整車的制動(dòng)動(dòng)作。

3.1.2 架控制動(dòng)

架控制動(dòng)與車控不同，它的制動(dòng)功能不需要防滑保護(hù)閥（DV）來實(shí)現(xiàn)，在它的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，每一節(jié)動(dòng)車與拖車都安裝有一個(gè)網(wǎng)關(guān)閥，負(fù)責(zé)地鐵車輛牽引系統(tǒng)與CAN總線之間的通信功能，同時(shí)每節(jié)車廂還要安裝一臺(tái)牽引逆變器。這樣的連接組網(wǎng)方式使每個(gè)用于制動(dòng)的智能閥直接通過CAN總線與網(wǎng)關(guān)閥對(duì)接，因此微機(jī)制動(dòng)控制單元可以直接對(duì)不同的智能閥下達(dá)制動(dòng)指令[3]。盡管安裝牽引逆變器對(duì)于整車主電路來說存在接入觸點(diǎn)故障的因素，但架控模式下，單臺(tái)逆變器損壞僅是損失，因此它不需要防滑保護(hù)閥進(jìn)行制動(dòng)輔助。

3.1.3 車控制動(dòng)與架控制動(dòng)的差異性

從結(jié)構(gòu)上來看，架控制動(dòng)比車控制動(dòng)多出了一組制動(dòng)控制單元，而車控制動(dòng)比架控制動(dòng)多出若干個(gè)拖車防滑保護(hù)閥。因此，車控制動(dòng)相比于架控制動(dòng)來說，具有明顯的成本優(yōu)勢。但架控制動(dòng)的技術(shù)由于可以直接控制轉(zhuǎn)向架智能閥進(jìn)行制動(dòng)動(dòng)作，因此它比車控制動(dòng)的穩(wěn)定性要高出許多。然而，從當(dāng)前市場情況來看，車控制動(dòng)的應(yīng)用場景遠(yuǎn)多于架控制動(dòng)，這是因?yàn)橹灰狤BCU與制動(dòng)控制系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)閥存在不間斷通信關(guān)系，即使單節(jié)列車的制動(dòng)力完全丟失，也可以用調(diào)高其他車節(jié)制動(dòng)力的方式，將這部分丟失的制動(dòng)力完全彌補(bǔ)回來。

3.2 牽引電機(jī)的矢量控制技術(shù)

3.2.1 異步牽引電機(jī)的矢量控制技術(shù)

從地鐵車輛牽引電傳動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)際工況來看，由于牽引電機(jī)、高速區(qū)與調(diào)速裝置均需要在單脈沖調(diào)制模式下運(yùn)行，輸出電壓為飽和狀態(tài)，難以實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格意義上的矢量控制效果。因此，當(dāng)前主流的方案中，都是采用一種分段控制的技術(shù)實(shí)現(xiàn)電機(jī)矢量控制的。當(dāng)牽引電機(jī)還沒有進(jìn)入方波工況時(shí)，采用雙閉環(huán)矢量控制模式，而當(dāng)牽引電機(jī)進(jìn)入方波工況運(yùn)行時(shí)，采用單閉環(huán)的標(biāo)量轉(zhuǎn)差控制模式。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)地鐵車輛這種開關(guān)動(dòng)作頻率較低、通過變頻調(diào)速的牽引電傳動(dòng)控制系統(tǒng)的特性，可以在單相PWM整流器上加設(shè)一組電流環(huán)，通過預(yù)測控制與的方式解決牽引電機(jī)的控制時(shí)延問題。這組電流環(huán)與傳統(tǒng)控制模式不同，它并不是通過調(diào)整給定電壓實(shí)現(xiàn)牽引電機(jī)的功率控制的，而是調(diào)節(jié)給定電流。這樣的調(diào)節(jié)控制方式，就能夠?qū)崟r(shí)且精準(zhǔn)地辨識(shí)出牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)際時(shí)間常數(shù)了。但依靠電流環(huán)來降低異步牽引電機(jī)時(shí)延的方法，由于容易引起受電弓的直流供電電源與調(diào)速裝置的諧振作用，導(dǎo)致牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定振動(dòng)，因此還需要在直流電網(wǎng)一側(cè)安裝一組電抗器和濾波支持電容器。

3.2.2 永磁同步電機(jī)的矢量控制技術(shù)

對(duì)于地鐵車輛來說，電機(jī)扭矩的矢量控制直接決定了功率轉(zhuǎn)速輸出的精準(zhǔn)性，這也是衡量地鐵車輛運(yùn)輸性能優(yōu)劣的關(guān)鍵因素。盡管文章提及的控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的扭矩進(jìn)行精準(zhǔn)的矢量控制，但為了實(shí)現(xiàn)這種傳動(dòng)控制功能，加設(shè)了過多的電子元件，給主電路帶來了額外的觸電故障因素。而另外一種永磁同步電機(jī)的應(yīng)用，也能解決電機(jī)扭矩的矢量控制問題。將永磁同步電機(jī)當(dāng)作牽引電機(jī)的技術(shù)，因控制邏輯與原理不同，分為變頻控制單元（VVVF）、磁場定向控制單元（FOC）、轉(zhuǎn)矩控制單元（DTC）[4]。這幾種電機(jī)矢量控制技術(shù)中，變頻控制單元是開環(huán)性質(zhì)實(shí)現(xiàn)控制功能的，所以它僅適用于電路中的負(fù)載部分的響應(yīng)精度不高，且負(fù)載部分不具備復(fù)雜特性的牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)，否則容易出現(xiàn)轉(zhuǎn)速失步與轉(zhuǎn)速振蕩等故障。由于永磁同步電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)它的轉(zhuǎn)子不需要?jiǎng)?lì)磁作用，且沒有電流調(diào)節(jié)裝置，所以在實(shí)際投入使用時(shí)，無須考慮電流相位與坐標(biāo)變化的問題。

3.3 防滑、防空轉(zhuǎn)技術(shù)

任何一種有軌電車都分為動(dòng)車節(jié)與拖車節(jié)。其中動(dòng)車節(jié)就是為整個(gè)車輛提供牽引力的車節(jié)，而拖車節(jié)則相當(dāng)于被動(dòng)車節(jié)拖拽的傳動(dòng)車節(jié)。地鐵頻繁地進(jìn)出站牽動(dòng)與制動(dòng)時(shí)，若是沒有相應(yīng)的措施避免動(dòng)車節(jié)與拖車節(jié)之間出現(xiàn)的沖突碰撞，不僅會(huì)使?fàn)恳齻鲃?dòng)系統(tǒng)因振動(dòng)損壞，甚至還會(huì)導(dǎo)致車輛損壞甚至是人員受傷，所以地鐵車輛防空轉(zhuǎn)、防滑技術(shù)也是非常必要的。首先需要一組CAN通信的運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)，通過對(duì)地鐵車輛的電制動(dòng)力進(jìn)行的動(dòng)態(tài)監(jiān)測情況，分析判斷車輛的電制動(dòng)能力是否符合減速運(yùn)行需求。當(dāng)有減速操作發(fā)出時(shí)，如果某處的電制動(dòng)能力無法滿足需求，由臨近車節(jié)進(jìn)行補(bǔ)足，就能夠保證拖車節(jié)與動(dòng)車節(jié)具有同樣的加速度與減速度。

3.4 無功補(bǔ)償技術(shù)

牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)由于電子元件數(shù)量多且構(gòu)造復(fù)雜，這些電子元件在運(yùn)作時(shí)會(huì)給地鐵車輛的牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)的直流電網(wǎng)輸入大量的諧波，導(dǎo)致電網(wǎng)的功率因數(shù)遠(yuǎn)低于牽引電機(jī)的需求參數(shù)。因此，需要采用一種單相有源濾波器作為整個(gè)牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)的務(wù)工補(bǔ)償裝置。這種單相有源濾波器能夠?qū)崟r(shí)根據(jù)地鐵車輛牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，進(jìn)行只補(bǔ)償無功、只補(bǔ)償諧波以及無功與諧波同時(shí)補(bǔ)償3個(gè)擋位之間自由切換。它的主要構(gòu)件由以下幾部分組成：電壓互感器、電流互感器、電壓霍爾傳感器以及電容。其中電壓互感器能實(shí)時(shí)檢測單相電網(wǎng)的輸出電壓;電流互感器分為兩個(gè)，其中一個(gè)用于檢測牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)中電機(jī)負(fù)載部分流通的電流，另外一個(gè)用于檢測有源濾波器實(shí)時(shí)輸出的電流;而電壓霍爾傳感器則用于捕捉檢測電容器的端點(diǎn)電壓。而電容則是作為整個(gè)無功補(bǔ)償裝置的能量儲(chǔ)備容器，電容電壓會(huì)受到補(bǔ)償電流的影響而增大，但電容電壓的平均值卻不會(huì)受到補(bǔ)償影響，而僅僅與有功電流的波動(dòng)有關(guān)。這樣的無功補(bǔ)償裝置接入牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)的單相直流電網(wǎng)中后，為了不使濾波器電容的平均電壓受到自身阻抗的影響，電網(wǎng)除了要滿足電機(jī)負(fù)載端的有功電流需求以外，還要單獨(dú)供應(yīng)單相有源濾波器本身負(fù)載消耗的有功電流。而為了使這個(gè)單相有源濾波器在系統(tǒng)中起到自動(dòng)多擋位投切功能，還需要借助一些硬件技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。首先是在硬件結(jié)構(gòu)上采用了DSP雙電路的設(shè)計(jì)，其中DSP1電路主要負(fù)責(zé)濾波器與外部設(shè)備的串行通信功能，如液晶顯示與開關(guān)控制;另外一個(gè)DSP2電路則負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)，利用信號(hào)調(diào)理電路來收集并分析電壓、電流互感器與電壓霍爾傳感器等電子元件的運(yùn)行信息。這兩個(gè)DSP電路的芯片用RAM雙端口連接，依靠PWM脈沖信號(hào)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信功能。同時(shí)為了避免脈沖響應(yīng)不變法帶來的頻率混疊影響，在數(shù)字濾波器上采用了雙線性變化法的設(shè)計(jì)。

4 結(jié)束語

文章提及的地鐵牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)主要分為3個(gè)部分：電制動(dòng)控制技術(shù)、電機(jī)矢量控制技術(shù)和防滑防空轉(zhuǎn)控制技術(shù)。地鐵車輛的牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)是非常復(fù)雜的，實(shí)現(xiàn)的功能也是多樣的。在我國漫長的軌道交通發(fā)展史中，牽引電傳動(dòng)控制技術(shù)始終被當(dāng)作一種核心技術(shù)項(xiàng)目來看待。之所以牽引電傳動(dòng)技術(shù)能夠擁有如此重要的地位，是因?yàn)檐壍澜煌▌?dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性安全性需求。正是因?yàn)槿绱耍覈罔F牽引電傳動(dòng)技術(shù)才需要進(jìn)一步研究開發(fā)，提高地鐵車輛的運(yùn)輸性能。

參考文獻(xiàn)

[1] 伍賽特.機(jī)車電傳動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)及未來發(fā)展趨勢研究[J].傳動(dòng)技術(shù)，2021，35（3）：43-48.

[2] 劉安海，于惠鈞，黃星，等.地鐵車輛再生制動(dòng)混合型儲(chǔ)能回收裝置研究[J].電工技術(shù)，2021（1）：1-4.

[3] 趙楊.地鐵車輛牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)控制關(guān)鍵技術(shù)策略探討[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2019（12）：126-127.

[4] 趙清良，楊浩，譚紹軍，等.地鐵車輛電傳動(dòng)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品平臺(tái)研制[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2019（5）：16-24.