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轨道交通车辆牵引驱动与控制实验台设计
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　　摘要：随着科技的进步，轨道交通在世界各国越来越受到重视，近几年我国城市轨道交通发展迅速，成为人们重要的交通工具。对缓解城市交通压力、减少温室气体排放做出了贡献，产生了巨大的经济效益和社会效益。本文对轨道交通牵引驱动与控制试验台的组成、原理与功能进行了详细的分析，为人们研究开发轨道交通控制系统提供了实验平台，具有重要的现实意义。
　　关键词：轨道交通；变频驱动；控制系统
　　中图分类号：G642.4
文献标志码：A
文章编号：（5-03
　　 轨道交通车辆牵引驱动与控制是一个与工程应用高度相关的专业，因此必须将理论与实践紧密结合起来才能起到事半功倍的效果，这就需要建设一个适应当今轨道交通车辆牵引驱动与控制技术发展的应用实验平台。
　　一、设计目标
　　作为电力电子与电力传动重点实验室的一个重要平台――轨道交通车辆牵引驱动与控制实验平台的建设目标是：①利用学校现有的电源能力建设一个包括DC1500V模拟电网、逆变器、异步牵引电动机、驱动控制系统、负载调节系统和测试系统在内的轨道交通组合试验系统。②按照国际标准、国家标准、行业标准的要求，同时结合我国轨道交通领域的实际的应用情况设计试验系统。③能够对功率等级不大于300kW的逆变器供电的异步电动机开展变频调速的内容、电机特性曲线、运行特性曲线、制动特性曲线和信号检测实验。④能够按照IEC06、TB/T的规定开展功率等级不大于300kW的逆变器供电的异步电动机及其控制系统的组合试验。⑤能够按照IEC02、TB/T的规定对异步牵引电动机开展功率等级不大于300kW的各项电性能试验。⑥能够按照IEC05、TB/T 的规定对逆变器开展输出容量不大于300kVA的各项电性能试验。⑦提供先进的试验测试系统，满足网络化、信息化实验室建设的要求。
　　二、技术原理
　　1.模拟电网电压等级选择。我们知道，轨道交通根据其动力来源的不同可以分为电力机车和内燃机车，广义而言电力机车在世界范围内的供电网又分为DC750V、DC1500V、DC3000V、AC162/3Hz 15kV、AC 50（或60）Hz 20kV、AC 50（或60）Hz 25kV、AC 50（或60）Hz 50kV等多种，我国现有DC750V、DC1500V和AC50Hz 25kV三种供电网，作为上海地铁的DC1500V供电系统也是我国地铁系统的首选供电系统，因此以DC1500V供电系统为参考建设轨道交通车辆牵引驱动与控制实验平台的模拟电网是符合电机学院的发展需求的。
　　2.试验系统原理框图。该试验台主要由控制PC机、司机控制台（含CCU）、PXI数据采集系统、电流电压传感器、信号调理模块、PLC控制器、2个逆变器、2台牵引电机、高压电器屏、十二脉波整流变压器、制动电阻屏、电源总进线柜、转矩转速传感器等部分组成。试验台的主要工作原理是：司机通过控制台上的PC机向逆变器的DCU发送指令，控制逆变器按要求输出电压和电流，从而控制轨道交通车辆上的电机按一定的速度运行。同时各种参数通过传感器、信号调理模块和PXI采集系统，将信号输送到PC机显示，实现对轨道交通车辆运行状态的监测。
　　三、功能说明
　　1.变频调速试验。通过对驱动控制单元DCU进行特殊设计，既可以按照牵引特性曲线进行控制，同时可以设置为电源模式进行控制――可以实现变频变压、定频调压和定压调频三种模式，从而可以很好地开展异步电机变频调速的试验。
　　2.电机特性试验。异步电动机的试验按照IEC02、TB/T的要求，即电动机的电压电流要尽可能接近机车变流器波形所含的谐波状况，可进行电机特性试验和温升试验。本试验系统的设计还可以进行异步电动机由电动机状态向发电机状态转化的过程。①异步电机空载试验。异步电机不连接负载，单机运转，试验步骤如下：将异步电机由静止起动到电机额定频率（FMN）、额定电压（UMN）空载运转，保持供电频率为异步电机额定频率，改变供电电压，记录上述各电压下电机电压、电流和功率；根据试验结果绘制出电机空载特性曲线。②异步电机堵转试验。将电机转子堵转，在电机不旋转状态的试验，试验步骤如下：电机堵转（n=0）；保持电源频率（电机额定频率或低于额定频率），施加电压使被试机电流为2～2.5IMN，调节电压获得不同电流下对应电压。如：2.5IMN、2.0IMN……0.32IMN，记录各电流下的电压。根据试验结果绘制出电机堵转特性曲线。③异步电机负载试验。负载电机为异步牵引电动机M2，M2工作在发电状态，M2输出的电能由U3整流后经过直流母排直接反馈该U2。试验步骤如下：M2控制在无负载输出状态；起动异步电机在电机额定频率、额定电压（根据需要，可以低于电机额定电压值）运行；通过U3控制M2运行在发电机状态，调节M2的发电功率，使被试异步电机M1运行在所需功率；保持异步电机的频率、电压不变，改变负载电机输出功率，记录不同负载下异步电机的输入功率、电压、电流，负载直流电机的端电压、电流；试验结束后，降低负载电机输出功率，被试电机制动停机。④试验结果。经上述试验并测定转速等其他有关数据，可得出异步电机的工作特性并完成电机的温升试验。
　　3.牵引特性试验。通过对驱动控制单元DCU进行设置，使逆变器驱动异步牵引电动机按照牵引特性曲线进行，例如横力矩起动，恒功率运行或磁削运行等。逆变器由十二脉波整流电源供电，异步电动机的负载由U3和M2进行调节。
　　4.制动特性试验。对于具有电制动功能的车辆，通过对驱动控制单元DCU进行设置，使逆变器驱动异步牵引电动机按照制动特性曲线进行。此时，异步电动机M2作为电动机运行，其电源由U3提供，通过控制U3和M2来提供制动特性所需的模拟动力。此时异步牵引电动机M1工作在发电机状态，而逆变器则工作在整流状态，其整流输出的电源即可由负载电阻消耗掉也可以直接通过直流母排反馈给U3。
　　轨道交通牵引与控制试验台可以完成变频调速试验、电机特性实验（异步电机空载试验、堵转实验、负载试验）、牵引特性试验、制动特性试验和线路运行模拟实验，采用双逆变器和背对背的控制模式，发出的电能经过回馈送到电网，节约能量，为人们研究开发轨道交通先进控制技术提供了实验平台，具有重要的现实意义和使用价值。
　　参考文献：
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　　[3]左钧超，赵勤，等.城市轨道交通电力监控系统研究[J].车务之家，2007.
　　[4]连健.城市轨道交通通信系统设计[J].科技资讯，2010，2.
　　[5]刘海东，毛保华，丁勇，贾文峥，赖树坤.城市轨道交通列车节能问题及方案研究[J].交通运输系统工程与信息，2007，5.
　　 基金项目：国家自然科学基金资助项目（）；上海人才发展资金资助项目（2009027）；上海市区科委创新项目（）()；上海市教育委员会重点学科资助（J51901）
　　 作者简介：王致杰（1964-），男，山东潍坊市人，教授，博士后，从事智能控制和故障诊断方面的研究。
本文出自：http://www.starlunwen.net/jiaoyujiaoxue/153281.html
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现代轨道牵引传动及控制技术研究与发展
现代轨道牵引传动及控制技术研究与发展丁荣军 (南车株洲电力机车研究所有限公司，湖南，株洲 412001） 摘要：轨道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最重要标志之一。从车载交流牵引 传动系统的应用特点出发，描述了大功率牵引传动系统在实际工程应用中面临的诸多技术难题，介绍了在 全系列电力电子器件及应用技术、大功率牵引传动变流装置及其控制系统、列车网络控制系统等关键部件 的核心技术成果．分析了牵引传动及控制技术的未来发展，展望了利用轨道牵引传动及控制核心技术向光 伏发电、直流输电，电动汽车、冶金轧机，舰船推进、油气辅送等领域的应用前景 关键词：电力电子器件；变流装置；传动控制；变频 中图分类号：U260．] 文献标识码：A 文章编号：10)05-0001-08 The Research and Development of Modern Railway traction and Control Technology DING Rong-jun (CSR ZhuZhou Institute Co. Ltd.，Hunan 412001，China) Abstract:The technology of modern railway traction and control had been one of the most important marks to measure a country's level of railway technology. From the application characteristics of AC traction, this paper described the problems faced by the practical application of the high power traction device and its control system and train network control system. This paper also analyzed the future development of traction and control technology and prospected the future application of railway traction and control technology to solar power, HVDC, electric vehicle, metallurgy and rolling mill, marine propulsion and oil and gas delivery, etc. Key words: po frequency conversion 牵引传动及控制技术是轨道交通机车车辆必须的技术配置，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。 1 车载交流传动系统应用特点 1.1 牵引 制动特性 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、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。 1.2 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。 1.3 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。另外，由于接触网的不平顺或受电弓的振动，会使得受电弓与接触网导线在几十个毫秒瞬时离开，俗称为“跳弓”“跳弓”现象在电力机车(包括动车组)是很常见的现象。当发生 。 “跳弓”时，对于常处于几 MW 负荷的变流装置，如突然失电，工况非常复杂，如果不能非常及时地处理， 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 标的主电路参数和控制理论基础上，通过高速硬件平台微秒级的快速采集网侧电量信号，检测到信号发生 变化后，四象限和电机控制系统必须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。 1. 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 7200 kW 电力机车上大批量使用)， 如采用最 新 6500V 元件可达到 2000kVA，采用 IGCT 器件模块容量可达到 9MVA。 1.5 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。 1.6 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 60°C 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，从而提高了对控制系统的设计要求。 2 变流技术 2.1 系统技术的突破 2.1.1 电传动系统的性能最佳匹配技术 受轨道牵引车辆轴重的限制，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。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力矩过载倍 数，又能发挥高速的峰值功率，同时使启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温升来确定电机的额定功率等；高压电器的选型和 主要参数则要考虑高压电气性能、可靠性、所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，利用系统仿真手段，进行电传动系统的最优匹配设计。 2.1.2 功率器件性能最优利用技术 在低压小功率应用场合，由于器件设什余量可以选择比较大，几乎不用考虑功率器件的性能最优利用 技术。但在高压大功率牵引传动系统中，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的取得较低，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， 我们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。 2.l.3 系统仿真平台技术 随着轨道交通行业的大发展，产品的开发和交付周期也不断地缩短，从而对设计的要求也越来越高。 同时，由于传动系统结构庞大、参数时变、工作过程及控制技术复杂，整体的匹配性能要求高等特点，设 计难度很大。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，先后建立了多个仿真平台：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；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；半实物实时仿真平台， 包括硬件在回路（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； 热仿真和结构仿真平台，可辅助热设计及机械结构设计。 2.2 部件技术突破 2.2.1 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。经过四十多年的努力，攻克了金刚石台面工艺、离子注入工艺、全压接工艺等关键技术，成为 国际上为数不多的具备普通器件、IGCT、IGBT 完整产品链的大功率半导体器件供应商，产品最大规格达 到 6 英寸（6Χ25.4mm)，最高电压达到 8500V。成功开发出 4500V/ 4000A IGCT 器件，成为全球第二家掌 握该器件技术的企业。 在轨道牵引应用领域，器件开发技术必须考虑下列特点：能够承受较强的振动冲击，外部结构必须紧 固，设计时必须考虑器件内部的应力；器件的环境温度变化通常在 50 度以上，必须承受大的温度应力； 由于空间体积、重量的限制，要求器件尽量小，必须掌握器件高效率的散热技术；工作的电磁环境恶劣， 必须考虑 EMC 设计。在高压直流输电应用领域，通常需要上百个器件串联运行，必须考虑器件的动态均 压技术，确保串联器件的反向恢复电荷保持高度一致性；可靠性要求极高，使用寿命长，器件必须考虑设 计容量；充分考虑电压冲击，满足特殊的雪崩浪涌试验和应用要求。 1) 电力电子器件的串并联技术 随着现代电力电子变流技术的飞速发展， 实际工程应用中对变流装置高压、 大功率的需求越来越迫切， 而电力电子器件的串并联技术是当前变流装置实现高压大功率的最关键的技术。但是串并联将导致元件间 电压、电流的静态与动态均匀分布问题。以高压直流输电变流器为例，上百个的开关器件串联后并入高压 电网，必须保证器件触发的高度同步，否则微秒级的差异会带来灾难性的后果。可靠的同步触发技术、优 良的吸收回路是解决该问题的关键。 通过长期从事高压大功率变流装置的研发，采用独特的吸收回路设计，高同步脉冲触发技术，攻克了 器件串并联应用中的均压、均流技术。在晶闸管串并联应用技术方面，公司为某军事风洞试验基地研制的 1 35 MW 晶闸管整流大功率电源，最大空载输出电压 44000V，稳定功率 135MW。在 IGBT 串并联方面， 公司为国家电网公司研制的直流柔性输电融冰装置， 并联输出电流能力达到 4800A。 大批量应用的 7 200kW 交流传动机车也是采用 IGBT 功率器件并联技术。 2) 电力电子器件的驱动技术 电力电子器件在应用中的驱动和保护是一项关键技术。先进的驱动控制技术可以有效减小电力电子器 件的导通压降、开关损耗以及提高短路电流所带来的应力，更重要的是降低电力电子器件开关时的过电压, 防止潜在震荡，减小噪声干扰，保护器件正常工作。 经过长期的研究，掌握了各种电压等级的晶闸管、IGBT，IGCT 驱动技术。前期掌握的电信号通过隔 离变压器驱动技术，随着电压等级的提高，常出现在变压器隔离后导致脉冲陡度不够，不能可靠触发驱动 器件动作，同时也暴露出电信号通过隔离变压器方式的抗扰能力差等问题，通过技术攻关，又成熟掌握了 光触发技术，解决了高压大功率可靠驱动难题。 2.2.2 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凄化，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。变流装置的紧凑化和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。几种主要的冷却技术的特点见表 1。 表 1 几种主要的冷却技术特点 类型 技术特点 风冷技术 效率低，结构简单，噪声大．体积大 油冷技术 效率中等，噪声小，结构复杂 重量重，现场维护难 水冷技术 效率高、结构复杂．重量轻 热管散热 效率中等、噪声小，结构简单 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。通过长期的技术研究，掌握了冷却技术的仿真计算技术，散热器热阻、流阻设计及试验技术，自主 研制的热管散热器批量应用于地铁项目，水冷散热器和嵌片散热器批量应用于 7200KW 电力机车。 2.2.3 低感母排技术 低感母排是一种多层复合结构连接排。与传统导线联接方法相比，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，使得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。 通过长期的技术研究，掌握了低感母排的高低温极限条件材料技术，高性能绝缘薄膜介电技术，柔性 连接技术，压合技术及灌封技术等关键技术。 2.3 变流器产品及应用 IGBT 器件及变流装置(见图 1)应用于“HXDlc”6 轴 7200kW 交流传动货运电力机车、北京地铁 13 号 线车辆、上悔地铁 1 号线车辆、广州地铁 1 号线车辆、北京房山线车辆、沈阳 2 号线车辆、深圳 5 号线车 辆、上诲低速磁悬浮车、电动汽车、国家电网直流融冰装置、柔性输电设备等项目。 7 200kW 电力机车变流器与国外跨国公司同类产品对比如表 2。3 控制技术 3.1 关键技术突破 3.1.1 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。 在高压大功率变流应用场合，开关频率低是―个显著特点。以变频电机控制为例，随着电机频率的增加，当开关频率/电机频率小于 10Hz 时，如果仍然采用普通异步调制技术将导致电机谐波转矩显著加大， 此时采用同步脉宽调制技术可保证三相电流波形的对称，降低尖峰电流和转矩脉动。同步调制技术实际工 程应用异常复杂，必须保证各种模式平滑切换，避免给系统带来的功率冲击。通过长期的理论分析和试验 研究，掌握了异步→同步分频调制→方波的控制及切换技术，保证系统在各种模式下能实现平滑过渡，获 得最优的电流对称性及转矩控制性能，取得了“一种基于空间矢量的闭环同步调制方法及系统”“一种基 、 于空间矢量的同步调制方法及系统”两项国家发明专利。 3.l.2 传动控制技术 传动控制技术是牵引传动系统的核心技术，传动控制技术已经由转差电流控制发展成矢量控制和直接 转矩控制等。 1) 转差电流控制技术 转差电流控制技术是一种早期的用于控制交流异步电机的方法，基于异步电动机的稳态数学模型，控 制性能远不能与直流调速系统相媲美，系统的动态性能差。 2) 矢量控制技术 矢量控制，又称为磁场定向控制(FOC)，其基本原理是将异步电动机的定子电流正交分解为产生磁场 的电流分量（励磁电流）和产生转矩的电流分量（转矩电流）分别加以控制，并同时控制两分量的幅值， 从而达到控制异步电动机转矩的目的。矢量控制策略存在一些固有缺点，比如转子磁链难以准确观测，对 电机参数比较敏感，实际工程应用时矢量控制必须具备异步电动机参数自动辨识功能。 与直流转矩控制相比， 矢量控制具有直接的电流闭环控制特点， 电流控制的稳定性高， 有独立的 PWM 调制单元，决定其转矩控制结果是一个开关周期内的平均值。如果在大功率低开关频率应用时，高速区必 须采用同步调制技术。同步调制技术与直接转矩控制相比，开关频率利用不充分，在逆变器峰值电流、电 机谐波损耗、转矩脉动、直流侧电流谐波等重要性能指标上比直接转矩控制差。而直接转矩控制 PWM 调 制在磁链和转矩控制中直接实现，转矩动态性能高，但在低速高开关频率区性能比矢量控制差。通常在小 功率高开关频率场合应用矢量控制，在大功率低开关频率场合应用直接转矩控制。 3) 直接转矩控制技术 直接转矩控制技术是继矢量控制技术之后发展起来的一种高性能异步电动机变频调速技术。与矢量控 制不同，直接转矩控制通过直接控制转矩和磁链来间接控制电流，不需要复杂的坐标变换，因此具有控制 结构简单、转矩响应快以及对参数鲁棒性好等优点，它在很大程度上解决了矢量控制中结构复杂、计算量 大、对参数变化敏感等问题。直接转矩控制可以充分利用逆变器的开关频率，从而特别适用于大功率牵引 传动领域。 目前，通过对直接转矩控制的深入理论分析和试验研究，掌握了转矩一磁链动态开关控制、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，该技术已经大批量应用于 干线电力机车(如“和谐”型 7 200kw 交流电力机车)、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)。 3.1.3 绿色节能减排控制技术 变流器+异步牵引电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，还可能引起电磁干扰及噪声污染。为了实现轨道牵引系统的绿色节能，实现万里路网低碳化，提高 资源效能并保护环境，必须采用高性能的网侧控制技术及高效的主电路形式。 1） 四象限脉冲整流技术 牵引变流器的输入端是与电网密切联系的整流器，它既能把电能从电网送到变流器和负载，也能把负 载和变流器运行中产生的垃圾（谐波、无功分量）代入电网。为了彻底解决电能品质问题，只有在牵引传 动系统才采用四象限脉冲整流技术，以达到对电网侧的高功率因数控制的目的。通过长期的理论分析和实 际应用经验积累，掌握了高性能的四象限控制策略，采用基于瞬态电流的控制算法，通过精确的网压锁相 检测，实现了电网电压与电网电流同相位、低谐波电流、高稳定的直流电压的目标，开发出独特的功率因 数闭环跟踪控制技术，可以在低至 20%的额定负载时，仍可以将网侧功率因数保持在 98%以上，同时有效控制电网中的谐波分量。该项技术已经批量应用于和谐号大功率电力机车、国家电网柔性输电工程及变电 所无功补偿装置等项目。 2） 软开关技术 目前，牵引变流器中辅助变流器选择较高的开关频率，这样有助于改善系统性能，减少谐波含量、降 低谐波干扰和音频噪声。但问题是这样会使变流器系统的效率降低，增加额外耗能，同时也会引发电磁干 扰。通过长期研究后，软开关技术已成功应用于中小功率变流装置。该技术的应用可使电力电子器件的开 关速度大幅度提高，开关损耗和开关元件上的电应力大大降低。相应地，变流器的体积和重量也可大幅下 降，同时产品的电磁干扰和音频噪声也大大下降，具有非常高的绿色节能效果，可广泛应用于城轨车辆、 铁路客车、动车组、电力机车的辅助变流器以及光伏发电逆变器等相关拓展领域。 3.2 变流控制产品及应用 TEC3000 平台的传动控制单元(DCU)是新一代交直流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。采用多 DSP 结构，从而使变流器实时运算能力达到最优，完全具备了应对各种复杂变流器 高性能实时控制的能力。硬件平台的处理能力达到甚至超过西门子 SIBAS 32，Bombardier 的 MITRAC， ABB Control AC800PEC 的水平。DCU 可通过数字化软件编程来设置保护门阀值，实现变流器多级保护， 达到 DCU 对变流器故障的纳秒级快速响应。异步电机控制、四象限控制、粘着利用控制等技术的关键指 标达到国际先进水平。 面向系统集成用户开放的 CSRDriver 软件平台，可完成变流器的控制模式选择、参数配置、高速数据 监视、单点程序下载、故障记录、数据分析等功能。 TEC3000 传动控制系统与庞巴迪公司产品的主要性能对比如表 3。4 信息技术与列车通信网络控制技术 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，协调各子系统有序工作。 4.1 关键技术突破 4.1.1 列车网络控制技术 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不断的研究与创新．在前期开发出的集中式列车网络系统基础上，自主研发出基于 IEC 61375 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，并取得了多项专利授权。 DTECS 平台其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。 DTECS 网络系统与跨国公司同类产品对比如表 4。4.1.2 列车运行控制技术 列车运行控制系统简称列控(ATP/ATC)，是保证列车安全、快速运行的集中控制中心，同时是列车的 事件记录的“黑匣子” 。在干线铁路列控系统领域，完成了 LKJ93 和 LKJ2000 列车运行装置的开发与应用， 均具有完全自主知识产权，具备了 CTCS0 级 ATP 设备产品标准，在我国铁路多次大提速中发挥了至关重 要的作用。 4.2 网络控制产品及应用 分布式网络控制系统 DTECS，不仅适用于各种干线机车列车/车辆级控制，而且适用于地铁列车/车辆 的控制，现已经广泛应用于各类地铁、干线电力机车，构成标准化、网络化的车载控制与诊断系统。 LK93、LKJ2000 监控装置已在国内全路近 2 万台机车上装车，有效减少了铁路信号险性事故发生率， 并累计取得 17 项专利成果授权以及 15 项软件著作权。 5 产品质量保证与试验技术 在产品质量保证方面，搭建了电子产品可靠性工程、失效分析等系统，并且制订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。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/CAM/CAE 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。 6 未来技术的发展 6.1 功率器件 碳化硅(SiC)是―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，使各类变换器的体积减少到原来的 5％―20％，具有耐高压(达数万伏)、 耐高温(大于 500℃)的特性，披公认为是下一代电力电子器件的最佳候选者之一。 6.2 无线传输技术 现代高速列车通过车一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，无线技术应用 越来越被各行各业所接受。 通过采用先进的无线局域网(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。 6.3 新一代传动控制技术 6.3.1 永磁驱动及控制技术 与异步电机相比，永磁同步电机具有高能流密度、高功率因数、高效率、体积小、重量轻等特点，与 同容量的异步电机相比， 水磁同步电机的体积和重量大约能减少 15％―30％左右； 转速平稳、 过载能力强； 噪声低，可靠性高；结构多样化，应用范围广。永磁同步电机将在未来取代异步电机，成为轨道牵引传动 的主流牵引电机。近年来对永磁驱动及控制技术进行了大量研究，小功率的永磁驱动技术已经在电动汽车 上批量装车应用，正针对“500km／h 高速动车组”项目进行大功率永磁驱动及控制技术的研究。 6.3.2 无速度传感器控制技术 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。省掉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，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 积极进行工程化的应用研究。 6.3.3 现代控制技术改进 无论是矢量控制技术，还是直接转矩控制技术，在对于电机参数可能发生的变化时，都会影响变频器 对电机的控制性能。自适应控制器可以根据对受控对象在工作过程中不断检测的系统状态参数或性能指标 的变化情况，自行修正控制参数或控制作用以适应环境和对象本身的动态变化，保证系统始终在最优或次 优的工作状态下。目前，正在积极采用自适应控制技术进行电机参数自辨识技术的研究，不断提高传动控 制的性能。 6.4 功率模块的集成化 随着功率电子器件、功率电子设备以及变流技术向着模块化方向发展，使得功率模块的功能、通用性 以及性能越来越强。已成功完成了 IGBT、IGCT 以及高压大功率晶闸管的模块化集成工作，成功解决了各 类模块化器件在集成过程中产生的控制、驱动以及故障保护检测等问题，正朝着体积更小、重量更轻，功 率更高、效率更高的力方向发展。 ? 7 总结 随着电力电子技术的飞速发展以及控制技术的日益更新，现代轨道牵引传动及控制技术已经广泛应用 于电力机车、 内燃机车、 新型动车组、 城市地铁轨道车辆以及电动汽车领域， 并逐步朝着新能源(风力发电、 太阳能光伏发电等)领域、电网电能质量的改善（大型变电装置、大功率无功补偿装置）以及大量的民用装 备领域（石油钻井、船舶推进系统、大型实验装备）发展。
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