1、轨道交通的电气传动系统技术发展应用【摘要】文章首先简述了轨道交通的概述，结合传动系统应用特点，对电气传动系统进行了综合评价，并介绍了电力传动系统的控制方法，从而展示电气传动系统技术在轨道交通中的作用。 【关键词】轨道交通，电气传动，发展应用 中图分类号： C913 文献标识码： A 一、前言 我国轨道交通的电气传动系统技术在轨道交通发展中起到了很大的作用，只有在轨道交通中加强电气传动系统技术的应用，对轨道交通的电气传动系统技术发展应用进行分析，才能够促使电气传动系统技术的作用得到更大的发挥。 二、轨道交通的概述 近年来，城市轨道交通进入了高速发展阶段，路网运营安全影响因素众多，运营风险增大，尽
2、管如此，轨道交通在城市交通中的作用还是巨大的。 首先轨道交通大都采用与地面隔离的线路设备，运行准点性好、吸引力较其他公共交通方式大得多。 其次，轨道交通容量大，载客量大。以北京为例，北京地铁总长53km，不到全市总里程的 5%，但其承担的客运分担率达全市总客运量的15%以上。 城市交通系统的建设与发展要充分考虑城市经济的可持续发展，这一点已被发达国家的经验所证实。目前，发达国家的轨道交通系统的建设已经走在了世界的前列，即使是在极力倡导道路运输的美国，其近年轨道交通系统的建设也取得了很大成就。 同时，随着客流负荷量的提高，路网规模不断扩大，运营过程中随之产生的安全隐患不断增多，运营安全管理工作难
3、度增大。城市轨道交通安全的含义很广泛，涵盖了乘客乘车的全过程。在乘客乘车途中，城轨公司应对乘客的人生，财产安全负责。因此，制定和完善安全制度、应急措施预案也是城市轨道运营公司的重要工作之一。 三、传动系统应用特点 1、牵引、制动特性 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，它包括了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，以满足铁路运输的需求。在轨道运输装备减速制动时通常优先采用再生制动，将电机回馈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。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、
4、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，获得毫秒级的转矩阶跃动态响应性能。 2、轮轨关系 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。试验表明，轮轨粘着特性不仅自身具有显著的非线性特征，而且在不同的气候条件、轨道曲线半径和轨面清洁度时也截然不同，表现出强烈的随机性和易变性。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采取了独创的、先进的自
5、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，实现最佳粘着利用。 3、弓网关系 采用电力牵引的轨道运输装备，在运行时需从接触网取电、转换成机械能驱动列车运行，或者将列车动能转化成电能、在实现列车制动的同时向电网回馈能量。牵引系统必须与电网友好匹配。即：低干扰电流、高功率因数、4QS 运行等。 4、功率流密度 轨道车辆车裁设备对体积、重量有非常高的苛求，需不断追求变流装置更高的功率流密度。由 IGBT 器件组成的单模块容量从最初的400kVA到如今 1600kVA(在 7200kW 电力机车上大批量使用)，如采用最新 6500V 元件可达到 2000k
6、VA，采用 IGCT 器件模块容量可达到 9MVA。 5、电磁兼容性要求高 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，且强弱电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，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，有效的减
7、小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，有效抑制电流谐波带来的干扰问题；通过长期的经验积累，良好的 EMC 实验条件，严格的 EMC 试验，形成了 EMC 工程技术能力。 6、环境条件 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，变流控制装置通常在夏天要承受 60C 左右的环境温度，冬天要承受-40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
8、制系统的设计要求。 四、电力传动系统的控制方法 1、滑差频率控制方法 早期，用电流型或电压型逆变器供电异步牵引电机的交流传动系统都是采用滑差频率控制方法来实现调速。其要点是保持压频比 U/f 恒定，控制滑差 S 就可以调节转矩。由调速理论知道 U/f 恒定，即保持气隙磁通近似不变，当滑差不变时，便可实现恒转矩起动与调速，为充分发挥电机功率，达额定转速后再维持额定电压不变，速度继续上升，就进入弱磁恒功区。 滑差频率控制是属标量或稳态量控制，因而调节时都有一个进入稳态的过渡过程，为此动态性能不够好。随着微电子技术发展，功能强的微处理器芯片和数字信号处理器的应用，在标量的滑差频率控制中，引入定子电压
9、与电流的补偿，可改善其动态响应特性。因而，可以结合数字信号处理器的快速计算功能，对容易理解与实现的标量控制方法给予不断的改进以改善动态响应的特性。 2、转子磁场定向的旋转矢量控制 矢量控制概念是由 Sucmcns 于 1969 年提出，后由 Blaschke 于 1971年给予发展，形成一个完善的转子磁场定向的旋转矢量控制理论与方法。目前在铁路或城轨车辆交流传动系统上应用的有两个典型的代表：一是德国 Sucmcns 公司开发完善的矢量控制方案，另一是法国 Alsthorm 公司推出的矢量控制方案，由于要满足机车车辆高要求的牵引性能，这两种方案都是采用直接转子磁场定向控制方法。 磁通模块是采用电
10、压模型与电流模型结合的混合模型，一方面有利于平滑调速，另一方面也能对电机参数变化起自动补偿的作用。其次，对于阶跃信号采用电压前馈型解耦系统，系统的稳定性得到增强，并且对定子电流反馈滤波环节及转子磁链滤波环节带来的滞后影响也起到比较好的矫正作用。再次，频率确定单元中通过对起动及弱磁阶段滑差频率与定子电压频率的补偿，再考虑到电压与磁链频率在动态调节过程中的差异，分离出定子电压频率与转子磁链频率，从而达到高动态性能，提高矢量控制系统的实时性。此外，对于电压型逆变器的电压给定信号采用解耦电路输出量加上励磁电流分量与转矩电流分量的 PI 调节器的输出量，利于系统的稳定控制。 3、直接转矩控制 这种控制方
11、法是以磁链轨迹走六边形为基础的，它在基本速与高速情况下是合适的，但在低速时受定子绕组电阻及转速测量的影响很大，而且在低速走六边形轨迹时，转矩的脉动也显得突出。为此低速时常加以改进。一般有两种方法：一是走六边形轨迹的同时还不间断的插入零矢量；另一是不走六边形而是让磁链跟踪圆形轨迹来运动。目前都是采用后者方法来改善低速运行性能，而且对电机而言，谐波分量也小。 4、ISR 间接定子量控制 ISR 方法,也是在定子坐标系内对定子磁链与电机转矩进行直接计算并予以控制的，因而它也是属直接转矩控制范畴。它的引出是为了克服DSR 中低转速控制时转矩脉动的缺陷而让磁链走圆形轨迹所导出的方法。 五、结束语 轨道交通的电气传动系统技术是一项全面系统复杂的综合性技术，尤其要加强对电气传动系统的认识与研究，结合实际情况进行应用，加强电气传动系统技术的应用水平。 参考文献 1李力.城市轨道交通运营与管理综合应用,2008 2裴瑞江.城市轨道交通客运组织,2009(7) 3吕春娟.上海铁道科技.城市软道交通运营安全问题分析,2006
