现代轨道交通牵引传动与控制技术

交流传动的优越性交流传动的基本原理交流传动技术是一门综合了高科技含量的技术，其本质是牵引电动机采用了交流异步电动机，其一系列的优点都是由此而表现出来的。交流传动机车之所以成为现代机车发展的方向，正是由异步电动机的特点和优点所决定的。与传统的串激直流电动机驱动系统相比，交流异步电动机驱动系统的优越之处表现在机械、绝缘、耐热、耐潮、粘着、维修、效率、重量尺寸等诸多方面。一、优越性

三相异步电动机结构中无换向器、无电刷装置，所以相同功率的电机，异步电动机的重量轻、体积小，可使机车转向架簧下部分重量相应减少，在机车通过曲线时，轮轨之间侧向压力也就相应减少，这对高速行车尤为重要；同时，由于电动机体积减小，便能选择更为合适的悬挂方式，从而简化了转向架结构；除轴承外无摩擦部件，密封性好，防潮、防尘、防雨雪性能好；全部电气部件均是绝缘的，且所用绝缘材料均为H级或F级，绝缘性能好，耐热性能好，因此故障率低，可靠性高；控制装置是模块结构，故障率也很低，驱动系统的全部运行过程和控制过程均由无触点电子元件完成，所以不存在传统系统中经常发生的触点磨损、粘连、接触不良、机械卡滞等问题。1.构造简单，转速高，可靠性高，维修简便一、优越性

据美国柏灵顿北方铁路介绍，该公司直流电动机的大修期一般在4～48万km之间，而交流牵引电动机的大修期可高达120～160万km。另外，交流传动机车有完备的计算机监视系统和故障诊断系统，可随时监视系统的技术状态，进行故障诊断。由此可知交流传动系统的可靠性是很高的，维修量很小，且检修简便，维修费用大大降低。加拿大CP4744型交流传动机车的应用实践表明：不仅延长了计划修间隔，而且还减少了计划外修理次数，每台机车每年可减少计划外修6次。1.构造简单，转速高，可靠性高，维修简便一、优越性

异步牵引电动机不存在换向问题，所以高速行车时电机的效率也就较高；同时，牵引电动机因无换向器，空间利用好，使机车功率得以进一步提高，再生制动时亦能输出较大的电功率。而串激直流电动机结构复杂，定子、转子都有绝缘要求很高的绕组，有换向器装置和电刷机构，摩擦部分多，接线复杂，机械转速受换向条件和机械强度的限制，只能达到2500r/min左右。交流异步电动机转速可达4000r/min以上，试验转速甚至可达6000r/min，这是直流电机望尘莫及的。2.功率大，牵引力大，机车可以发挥较高的输出功率一、优越性

（1）异步电动机有很硬的机械特性，所以当某电机发生空转时，随着转速的升高，转矩很快降低，具有很强的恢复粘着的能力。空转发生时，转速上升值不大，即使是同步转速，与原工作点的转速差一般也不会超出5%。串激电动机则不然，转矩变化一点，转速就变化很大。（2）异步电动机的工作点可以很方便地进行平滑调节，以实现最大可能的粘着利用，不会出现粘着中断情况。根据检测有关粘着控制的信号，准确、迅速地改变逆变器输出的电压和频率，寻求最佳工作点，使驱动系统既不会发生空转，又能充分发挥最大的牵引力。3.粘着性能好一、优越性

（3）可实现各轴单独控制。当某台电机发生空转时，可调节该台电机，这样能充分利用机车的粘着性能。在交直传动系统中，当某轴空转时，需要使其他所有轴的电机卸载，这样就大大降低了机车的牵引能力。由于上述特性和良好的控制功能，交流传动系统的粘着系数可以利用得很高。1992年，美国铁路协会（AAR）在向四家机车制造厂提出的26台交流传动机车投标建议书中提出的粘着指标是：起动粘着系数为45%，全天候牵引粘着系数为32%。如此高的粘着系数，正是得益于交流机传动机车良好的粘着控制性能，这对于交直流传动系统是不可能达到的。3.粘着性能好一、优越性

异步电动机的正、反转及牵引、制动状态的转换，通过机车控制电路就能实现，不需要改变主线路，所以机车主线路中的两个位置转换开关可以省去，主电路变得十分简单，使整车的可靠性大大提高，降低了使用维修费用。4.简化了机车主电路一、优越性5.动力性能和制动性能较好异步电动机结构紧凑、重量轻，同时采用特殊的悬挂装置，簧下重量小，有较高的曲线通过能力，对轨面的冲击力小；可在广阔的速度范围内实行电制动，甚至可以制动到零，制动功率大。其中部分电制动的能量可用于其他辅助设备。交流传动系统的总效率约为0.90，而交直流传动系统的总效率约为0.86。对E120型交流传动机车的长期应用对比中发现，客运作业时可节能3%～6%，货运作业时可节能8%～10%。由于其可靠性、耐久性和易于维修，使交流传动机车的利用率显著提高。与直流传动机车相比，BBC交流传动机车的利用率提高了10%。对铁路运营管理部门来说，在计算所需机车数量时，机车利用率起着重要作用，对所需投资有决定性的影响。交流传动机车有很强的使用灵活性，它既可满足货运的大的起动牵引力的要求，又可满足客运高速度的要求。综上所述，交流传动机车具有起动牵引力大、恒功率范围宽、粘着系数高、电机维护简单、功率因数高、等效干扰电流小等诸多优点，是目前我国铁路发展的必然趋势。新的铁路技术政策也明确指出，我国牵引动力将在十年之内，完成由直流传动向交流传动的升级换代。6.效率高，利用率高，使用灵活性强一、优越性图4-1交流传动系统的基本功能框图二、基本原理图4-2交流传动系统的主电路原理图二、基本原理图4-1、图4-2所示是交流传动系统的基本功能框图与主电路原理图。从图4-1和图1-2可以看出，交流传动机车由各种变流器供电，机车和动车组采用三相交流同步或异步电动机作牵引动力。机车在工作时，受电弓将网压引入机车变压器一次侧绕组，经变压器二次侧绕组降压后送入整流环节，将交流电转换为直流电，经中间直流环节消除脉动，送入逆变环节，再将直流电逆变为电压和频率可调的三相交流电，经平波电抗器供给牵引传动环节的三相异步牵引电动机，实现牵引运行。在这个系统中，机车先将电网的交流能量转换为直流能量，然后进一步转换成电压和频率可调的交流能量。机车主电路中整流电路的作用是将交流电转换为直流电，具体电路可以是不可控整流桥、相控整流桥、四象限脉冲变流器，目前交流传动机车主要采用四象限脉冲变流器作为整流电路。二、基本原理1牵引传动及控制技术是轨道交通机车车辆必需的技术配置，它推动了机车车辆技术的进步，成为高速铁路和重载货运发展的基础。可以说，是否拥有成熟的牵引传动及控制技术，已经成为衡量一个国家铁路技术水平的重要标志之一同时，牵引传动领域的技术进步和成熟，将辐射到电气自动化、节能等诸多领域，形成具有核心竞争力的自主品牌。交流传动系统的应用特点1

轨道运输装备的牵引/制动特性是其最基本、最重要的性能，是运输装备设计首要考虑的重要因素之一。它包括运输装备的持续运行速度、最高运行速度、牵引/制动力特性以及装备的加速性能。

在轨道运输装备减速制动时通常优先采用再生制动，将电机产生的电能通过变流装置回馈给电网达到绿色环保、节能的目的。

目前，在系统研究与实际工程应用中，采用高功率密度变流装置、变压器、牵引电机和直接转矩控制等先进电机控制策略，在实现对电机的牵引/制动特性准确控制的同时，可以获得毫秒级的转矩阶跃动态响应性能。牵引/制动特性轮轨关系1

轮轨粘着条件是指轮轨之间的自然粘着特性，它决定了运输装备所能发挥的最大牵引制动力，是制约运输装备性能的关键因素之一，对于大功率货运机车而言显得尤为重要。

在各种千差万别的轮轨粘着条件下，怎样使运输装备输出的牵引力尽量逼近当前轮轨粘着条件所容许的最大牵引力是粘着利用控制的主要任务。在理论研究与工程应用中，我国采取了独创的、先进的自适应粘着控制策略，采用线性系统理论，通过对牵引力的测量与计算，间接地获取粘着特性曲线斜率，实现了最佳粘者利用。弓网关系1

弓网关系即受电弓与接触网的关系。牵引系统必须与电网友好匹配:低干扰电流、高功率因数、4QS运行等。“跳弓”现象对于电力机车(包括动车组)来说是根常见的现象。如果不能及时处理，通常会导致变流器瞬时过压、过流，甚至损坏器件。在探索、掌握高动态响应，高系统稳定性、高性能指标的主电路参数和电机控制理论的基础上，通过高速硬件平台微秒级快速采集同侧电量信号，检测到信号发生变化后，四象限和电机控制系统会快速地对控制参数进行及时调整，以保证变流装置能稳定正常工作，适应各种极端的运行工况，实现高可靠性的工程应用。功率流密度1

轨道车辆车载设备对体积、重量有非常高的苛求，需不断追求变流装置的更高功率流密度。由IGBT器件组成的单模块容量从最初的400kV.A到如今1600kV-A(在7200kW交流传动电力机车上大批量应用)，如采用最新6500V元件可达到200k采用IGCT器件模块可达到9MVA。电磁兼容性要求高1电磁兼容性指设备或系统在电磁环境中能正常工作，且不对该环境中的任何事物构成不能承受的电磁干扰的能力。对于低压小功率的变流应用场合，这个问题不突出，但在功率通常都在MW级以上的大功率牵引系统领域，由于体积、空间的限制，强弱电共存，且强弱设备共用一个接地点，通常控制装置与高压开关器件相邻布局，辐射干扰和传导干扰等电磁干扰问题非常突出，也成为大功率牵引变流及控制技术的一个关键应用难题。在不断探索与应用中，我国已掌握了接地抗干扰技术、屏蔽抗干扰技术、磁场屏蔽技术等来改善牵引系统本身的电磁兼容性，以提高抗外部干扰的能力，有效减小了对外界生物的辐射污染;通过主电路合理的布线设计来提高弱电信号的抗干扰能力，同时采用诸如优化的脉宽调制技术等先进的控制方式，有效地抑制了电流谐波带来的干扰问题：通过长期的经验积累，我国已具备良好的EMC(ElectroMagneticCompatibility)试验条件、严格的EMC试验，形成了EMC工程技术能力。环境条件1

轨道牵引传动设备的现场应用环境条件非常恶劣:振动与冲击、环境温度与湿度、海拔高度、耐腐蚀性以及抵抗风雪雨等指标都远高于普通的工业应用。以机车为例，变流控制装資通常在夏天要承受60°C左右的环境温度，冬天要承受40°C的低温，这对电子产品的耐受性、可靠性提出了更高要求，同时，还要考虑盐雾、湿热、振动、沙尘等工作环境，从而提高了对控制系统的设计要求。电传动系统的性能最坐匹配技术1

1.系统技术的突破a.电传动系统的性能最佳匹配技术

受轨道牵引车辆制重的保制，在满足车辆动力性能的前提下，要求牵引变流器与异步牵引电动机的最佳匹配和适度的主电路网侧电参数。以实现系统的性能最佳、重量最轻和经济性。

我国在实际工程应用中，采取配合牵引电制动特性选择适当的齿轮传动比，使电机既能在牵引的最高转速处具有一定的转矩过载倍数，又能发挥高速的峰值功率，同时使起动电流和峰值电流在变流器的允许值范围之内:根据所要求的旅行速度，由典型区段计算出的等效电流及电动机的发热道开来确定电机的额定功幸等:高压电器的选型和主要多数则要考虑高压电气性能、可靠性、听承受的供电网的过电压并根据主电路典型电流曲线等选取，同时利用系统伤真手段，进行电传动系统的最优匹配设计。1

b.功率器件性能最优利用技术

在高压大功率李引传动系统中，器件本身非常昂贵，同时受器件本身的性能参数、安装空间和体积重量的限制，设计余量选择往往会决定最终性价比。通常设计余量都尽可能取得较低，这必须不断追求功率器件性能的最优利用以保持产品的持续竞争力。与此同时，高压大功率变流器开关频率低，变流器承受的尖峰电流和过电压都很高，功率器件的性能最优利用技术门槛非常高。

经过长期的技术经验积累，我国已掌握了高性能的异步电机直接转矩控制策略，可以充分利用开关频率，获得更低的尖峰电流及过电压指标;采取功率因数闭环控制和瞬态电流控制的四象限控制策略，可以在各种不同负载下获得接近1的高功率因数指标。这两种技术均可以使功率器件在同样的峰值电流下输出更大的基波电流，从而在同样的保护参数下的性能可以得到更充分的利用；同时，成熟的器件分级保护系统，特别是纳秒级检测、微秒级响应动作的硬件保护电路，可以确保功率器件在最优利用时的安全性和可靠性。电传动系统的性能最坐匹配技术1

c.系统仿真平台技术

仿真技术可以保证系统性能，降低设计风险，提升设计能力，推进创新.缩短系统及部件开发周期。快速响应市场需求，提升关键部件开发和系统研究与集成能力。

经过近十年的努力，我国先后建立了多个仿真平台：①牵引计算仿真平台，可以验证列车整个牵引电气系统的性能；②系统主电路仿真计算平台，可以验证主电路原理并确定部件的电气参数；③半实物实时仿真平台，包括硬件在环回路(HIL)和快速控制原型(RCP)半实物实时仿真平台，可验证各种控制策略和控制算法；④热仿真和结构仿真平台，可辅助热设计及机械结构设计。电传动系统的性能最坐匹配技术1

2.器件技术的突破a.器件开发及其应用技术

新型电力电子器件及其相关新型半导体材料的研究，一直是电力电子行业极为活跃的领域。随着每一代新型电力电子器件的诞生，变流技术往往都会掀起一场革命浪潮，从晶闸管到GTO,再到如今的IGBT、IGCT,都是一代器件决定一代装置。电力电子器件已经在国家节能减排、建设节约型社会中发挥着不可替代的作用。电传动系统的性能最坐匹配技术12.器件技术的突破b.冷却技术

随着变流技术的不断发展，变流装置的体积趋于紧凑化，但系统趋于复杂化，高热密度成了一股不可抗拒的发展趋势。变流装置的紧淡化利集成化要求冷却装置具有紧凑性、可靠性、高散热效率、维护简便等特点。在小功率变流应用场合，如电动汽车、辅助变流器等，可采用风冷技术:在中功率变流应用场合，如城市地铁轨道车辆等，采用热管散热冷却技术；在大功率变流应用场合，如干线电力机车等，采用水冷却方式。电传动系统的性能最坐匹配技术1

2.器件技术的突破c.低感母排技术

低感母排是种多层复合结构连接排。与传统导线连接方法相比，低感母排可以大大降低线路的杂散电感，降低开关器件的过电压，使器件工作于更加安全的区域，并提供现代的、易于二次设计、安装快速和结构清晰的配电系统。电传动系统的性能最坐匹配技术控制技术1

1.关键技术的突破a.PWM控制技术

脉冲宽度调制技术(PWM)是现代变流技术广泛应用的起点，是奠定绿色变频节能的基础。其通过改变输出脉冲的占空比来实现等效的输出电压与频率，从而实现交流到直流、直流到交流的能量变换。通常采用的空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术在三相对称正弦波电压供电时，以合成旋转的空间电压矢量为参考，三相逆变器8种不同开关模式电压矢量合成参考电压矢量，形成PWM波。1b.传动控制技术

目前，通过对直接转矩控制的深人理论分析和试验研究，我国已掌握了转矩磁链动态开关控制、定子磁链的轨迹优化控制、最佳开关频率利用控制、恒功区的动态弱磁控制等核心技术，该技术已经大量应用于干线电力机车，如和谐型7200kW交流电力机车，也应用于城市轨道交通领域，如上海地铁1号线，北京房山线、深圳5号线、沈阳2号线等。控制技术1c.绿色节能减排控制技术

变流器+异步牵引电动机已成为现代轨道牵引装备的主流模式，极大地满足了铁路高速、重载运输的要求，但也带来了对电网和环境的负面影响，牵引系统运行时产生的谐波和电流无功分量，如果不加以控制，会对电网产生非常严重的污染，不仅会增加电网容量，造成固定设备投资规模庞大，严重影响电能品质和稳定性，还可能会引起电磁干扰及噪声污染。控制技术1

2.变流控制产品及应用TEC3000平台的传动控制单元(DCU)是新一-代的交直交机车牵引变流器控制装置。采用高速专用总线贯穿整个控制单元，通过高性能CPU(PowerPC5200)为主构建系统管理器进行管理和调度，周期短、信息化程度高。变流器硬件平台实时控制器主处理器采用TMS320C60000系列高性能浮点DSP，浮点运算速度高达每秒上亿次。控制技术信息技术与列车通信网络控制技术1

列车信息化系统集检测、控制、诊断、信息管理于一体，是列车的大脑，它协调各子系统有序地工作。以国际先进的网络控制系统设计思想为基础，通过在列车通信网络控制领域的不断研究与创新，在前期开发的集中式列车网络系统的基础上，我国自主研发出基于IEC61375国际列车通信网络(TCN)标准的分布式网络控制系统平台-DTECS，成功攻克了列车网络通信技术(CAN总线、车载以太网、TCN、Lonworks)、控制系统模块化软硬件技术、实时控制与故障诊断技术以及图形化编程技术，并取得了多项专利。DTECS平台整体技术水平达到了西门子、庞巴迪公司当前主流产品的技术水平，并已经在多个铁路干线机车、城轨地铁车辆项目上得到批量应用。产品质量保证与试验技术1

在产品质量保证方面，我国已搭建了电子产品可靠性工程、失效分析等系统，并且制定了一系列严格可靠的项目管理、研发过程管理和产品生产制度。

我国已建成交流传动试验室、变流技术应用/综合试验室、复合环境试验室、电磁兼容试验室等18个国内领先、国际先进的研究性试验室，并引进了具有国际先进水平的专用测试设备及仪器，引入了CAD等计算机系统、多通道数据采集和处理系统、环境试验箱、振动与冲击试验台以及从事变流技术应用研究和开发的相关实验室的全套设备，拥有具有国际先进水平的电子产品、半导体器件和专用测试设备及仪器。

碳化硅(SiC)是一种物理化学特性仅次于金刚石的化合物半导体材料，有着非常优秀的物理特性，可极大地提高电力电子变换器的效率。可以使原件体积减少到原来的5%~20%，具有耐高压(达数万伏)、耐高温(大于500°C)的特性，被公认为是下一-代电力电子器件的最佳候选者之一。功率器件功率器件无线传输技术

现代高速列车通过车地信息网络来达到安全运行的要求。随着无线技术的日益发展，无线技术的应用越来越被各行各业所接受。通过采月先进的无线局域网(LAN)和GPRS/GSM无线通信技术实现快捷的信息处理；采用无线通信方式实现高速列车远程监控技术；采用无线通信方式实现远程列车设备检修数据库的访问技术等，从而摆脱地面设备的束缚，实现实时列车状态的跟踪运行。无线传输技术新一代传动控制技术

无速度传感器控制技术可减小牵引电机的体积和传感器故障的发生率，大大提高了传动控制单元的系统可靠性，并省掉了速度传感器及连接电缆的费用，节约了成本。无速度传感器控制系统近年来已成为交流传动控制研究的热点。目前，我国已经成功完成了异步电机无速度传感器技术的理论研究与地面试验，攻克了逆变器保护封锁后的带速度重投、极低速定子零频附近的额定转矩发挥以及再生制动状态等技术难题，正在积极进行工