100%低地板車牽引變流系統控制技術

陳德文 董 侃 刁利軍

(1.長春市軌道交通集團有限公司 長春 130000;2.北京交通大學電氣工程學院 北京 100044)

100%低地板車牽引變流系統控制技術

陳德文1董 侃2刁利軍2

(1.長春市軌道交通集團有限公司 長春 130000;2.北京交通大學電氣工程學院 北京 100044)

介紹我國首列完全自主研制的100%低地板車牽引變流系統的組成及其牽引控制技術:采用先進的矢量控制技術來實現獨立輪轉向架牽引電機的控制，控制性能良好;分析列車控制功能的實現機理和相互之間的邏輯關系，給出了載荷調整、防滑/防空轉等重要的列車控制策略。給出現場試驗波形，驗證其良好的牽引控制性能。

城市軌道交通;100%低地板車;牽引系統;矢量控制;防滑防空轉

1 輕軌車輛優點

輕軌交通(light rail transport，LRT)是鐵路運輸的一種，又稱輕軌捷運、輕軌鐵路，簡稱“輕軌”，泛指所有在道路、街道上面或旁邊行走的電車以及多節的鐵路列車［1］。與地鐵相比，輕軌交通具有以下突出的優點［2－4］。人性化、建設成本低、周期短:低地板輕軌車客室的地板面低，只需要很低的站臺，可方便老人、小孩上下車，輕軌在土建成本上遠低于地鐵，建設周期也短得多。噪聲低:輕軌不會對周邊環境產生太大的影響。景觀和諧:由于基本不需要建設隧道和高架，所以不會對城市環境和景觀造成破壞，與城市建設相結合，反而給人一種和諧之美。節能:沒有因為隧道而增加的環控設備費用和二次能源消耗。靈活適應運量變化:輕軌車“短小精悍”，可以更好地應對高低峰時刻客流反差引起的編組變更問題。

依托國家“十一五”科技支撐重點項目“100%低地板車研制”，以北車長春客車股份有限公司、北京交通大學、北車大連研發中心、北車永濟電機廠為主要合作單位，成功開發研制出我國首列具有完全自主知識產權的100%低地板輕軌車(見圖1)，掌握了以下關鍵核心技術:獨立輪動/拖車轉向架、輕量化鋁合金車體、牽引變流器、輔助逆變器及充電機、牽引電機、列車網絡監控系統、多模塊鉸接裝置等關鍵技術［5］。下面從系統組成、電機控制技術、車輛控制、運行試驗結果等方面，介紹由北京交通大學負責研制的牽引變流系統的控制技術。

圖1 我國首列100%低地板輕軌車

2 牽引變流系統

2.1 變流系統組成

如圖2所示，整車變流系統由牽引系統TSYS1和TSYS2組成，每個變流系統包括1套牽引變流器TCU(traction control unit)、1套輔助變流器。牽引變流器主要用于將直流電轉換成可變頻變壓的交流電，對牽引電機進行控制;牽引控制采用1個逆變器控制1個牽引電機的1C1M方式，同時完成車輛控制和電機控制功能。

2.2 變流系統功能

整個變流系統與列車獨立輪轉向架的縱向布置電機對應，牽引變流系統采用1C1M模式，系統功能包括牽引電機驅動、車輛控制、網絡監控等，如圖3所示。

圖2 變流器系統組成

圖3 牽引變流系統功能

牽引變流系統接收司控臺的給定指令，通過先進的矢量控制技術，將750 V直流電壓變換成電壓幅值及頻率可變的交流電壓來控制牽引電機，實現列車的牽引/制動功能。通過CANOpen網絡與列車控制單元(vehicle control unit，VCU)配合，同時通過硬線的直接輸出，實現對列車的邏輯控制，包括防滑控制、制動配合等。通過以太網絡與電腦的通信，可實現對變流系統的直接監控、故障數據下載和診斷以及現場調試功能，具有友好的人機接口。

2.3 控制系統結構

為了實現完善的電機控制、車輛控制及網絡監控功能，變流系統的控制采用雙數字信號處理器DSP和現場可編程門陣列FPGA結構，軟件控制采用分層方式，如圖4所示。

1)頂層:主要由DSP1完成系統的監控、診斷、顯示及其他低速控制功能，并實現與司控臺和VCU以及人機接口的通信，控制周期為ms級。

2)中層:由DSP2實現主要的電機控制算法和信號邏輯控制，采用高級語言C或C++實現，控制周期為幾十到幾百μs。

3)快速控制:由FPGA完成，包括系統級保護、數據交互、信號測量等功能，周期一般小于100 μs。

圖4 控制系統結構

4)驅動層:主要實現功率單元的驅動和保護功能，速度最快。

3 牽引電機控制

輕軌車采用3對極的異步感應電機，由于其具有非線性、強耦合、時變等特點［6］，為了得到良好的控制性能，最后采用了以矢量控制策略為主的電機控制技術。

3.1 矢量控制原理

控制原理如圖5所示［7］:采樣定子兩相電流，通過三相靜止/兩相旋轉的Park變換，得到定子^電流的同步旋轉dq軸分量id、iq，計算得到轉子磁鏈ψr。司控器手柄給出參考牽引力，經過列車牽引特性曲線及牽引力，由電機轉矩轉換后得到電機轉矩給定值，經Iqcal模塊得到轉矩分量的給定量i*q;由轉矩分量給定i*q和轉子磁鏈計算得到給定轉差頻率，加上轉子頻率后積分得到轉子磁鏈的位置角θe，作為下次旋轉變換的變換角。把轉子轉速送入弱磁單元得到轉子磁鏈給定值，對實際值進行PI1運算后獲得定子電流的勵磁分量給定值。將轉矩分量給定i*q和勵磁分量給定i*d分別與實際采樣值iq和id相減，經PI3運算后得到dq坐標系的電壓分量 uds、uqs，與耦合分量 udcc、uqcc相加后，得到經前饋解耦后的電壓控制信號u*ds、u*qs，送入空間矢量調制模塊，得到脈沖信號，送給電壓型逆變器進行電機控制。

3.2 實際試驗結果

圖6給出了實際列車牽引/制動時牽引電機的試驗波形，圖7給出了采用矢量控制的列車運行波形，從圖中可以看出，牽引電機實現了勵磁分量和轉矩分量的良好控制，列車牽引制動穩定。

圖5 牽引電機矢量控制原理

圖6 牽引電機矢量控制試驗波形

圖7 列車正常運行時電機控制相關波形

圖8 TCU狀態關系轉換

4 車輛控制

車輛控制主要是根據司機給定指令和車輛的工況進行控制，以維持列車穩定、可靠運行。車輛的啟動、運行、關閉均由牽引控制單元(traction control unit，TCU)控制，TCU的幾種控制狀態的轉換關系如圖8所示，各種狀態動作如下:

1)待機(IDLE):當直流側電壓大于500V時，輔助逆變器運行正常，TCU進入IDLE狀態，等待充電指令。

2)準備(READY):當網側電壓在滿足運行范圍時(500～900 V)，檢測司控器指令;當有充電命令時，對直流母線電容充電。充電完后，TCU進入READY狀態，等待運行指令。

3)運行(RUN):充電完成后，根據司控器指令，控制列車牽引、制動運行，TCU進入RUN狀態。

4)故障(TRIP):當檢測到故障時，TCU進入TRIP狀態。TCU會相應地封鎖脈沖，斷開線路接觸器，給出故障信號。TCU存儲故障信息后，重啟再運行，進入IDLE狀態。

考慮各種因素，可以認為整個車輛的控制邏輯是一個由各種約束組成的串聯結構，如圖9所示。

圖9 車輛控制邏輯

其中，“系統執行狀態機”表示列車的行駛方向(向前、向后、無方向或方向切換)和牽引、制動、惰行以及限速、洗車、倒行等狀態的判斷和執行;在此基礎上，根據列車速度和司機給定的牽引力指令，通過“牽引特性曲線”得到初步的給定牽引力;然后考慮車輛載荷、系統狀態以及沖動、防滑等因素，得到最終的給定牽引力，由牽引系統控制牽引電機達到期望的控制效果?！跋到y限制”主要考慮在系統異常的情況下適當降低牽引力，以保證系統在異常狀態不惡化的情況下保持列車的持續運行，主要考慮過溫(變流器、電機、空氣等過溫)、同一轉向架的輪徑差太大、超速、輪徑異常、網壓異常等因素的影響?！皼_動控制”主要具有以下作用:獲得平滑的給定，限制牽引/制動的功率突變以減小EMI，減小對電網的沖擊。對于路權獨立或帶平交路口的線路，輕軌車的沖動率一般控制在1.0 m/s3以內;而對于共享路權的線路，則可以控制在2.0～3.0 m/s3。沖動控制的實現，將通過調節牽引力或制動力的上升/下降斜率來進行。載荷調整及防滑/防空轉的控制原理將在后面論述。

4.1 載荷調整功能

載荷調整的主要作用是:根據實際車輛載荷的變化，適時調整給定牽引力，以保證列車牽引制動的平穩性，一般按照比例進行調整，如圖10所示。

圖10 載荷調整后的車輛控制邏輯

載荷調整必須符合以下原則:每站間只進行一次載荷修正及運算調整;在未知載荷的情形下，默認采用AW2載荷參與運算;如果有隔離的或關閉的TCU模塊，將負載修正系數設置到100%，以模擬最大負荷;在高速段，由于車輛阻力存在，將負載修正系數設置到100%，以補償阻力。

4.2 防滑/防空轉控制

牽引系統的防滑/防空轉模塊用在不利的軌道條件下，以提高加速和減速的性能，具有以下任務:充分利用輪軌黏著力;防止牽引時驅動軸的空轉，以及制動時驅動軸的滑行;減少車輪和軌道的磨耗。

防滑/防空轉保護由TCU執行，且此控制功能僅對動車施加，制動時拖車的滑行保護由制動控制單元BCU執行，其基本原理如圖11所示。對動車兩個電機的速度和拖車速度進行測量，并將其傳輸到TCU牽引控制單元中，再對測量值進行比較，以獲得參考車速;TCU連續監控參考速度和動車電機的旋轉速度，如果有差值，則牽引力就自動減少，以滿足輪軌黏著力;如果軌道條件變好，摩擦系數變高，那么牽引力將按照一定的斜率(可調節)提高到輪軌黏著力。這種通過限制牽引力矩來抵消滑行和空轉的方法，被廣泛應用于輕軌系統。

圖11 防滑/防空轉基本原理

當TCU無法獲取參考車速時，使用無參考速度的防滑/防空轉模塊，將根據動車電機的加速度進行保護。

為了驗證列車防滑/防空轉的控制效果，將肥皂液或混合劑灑在列車前進方向側車輪踏面的軌面上，使受試車輛具備產生空轉或滑行的條件。測試時，使用最大牽引級位，使列車達到40～70 km/h的速度，然后使用最大制動力停車，獲得的試驗波形如圖12所示?？梢钥闯?，被控電機速度與參考速度的差異較小，控制效果良好。

圖12 防滑/防空轉試驗波形

5 結語

我國第一列100%低地板車已在長春輕軌正線完成了5 000 km的中試試驗，充分說明了所研制的牽引變流系統設計合理，具有良好的電機控制和車輛控制性能，為車輛的穩定、可靠運行提供了重要保障，也為我國完全自主創新、自主研發的低地板車技術裝備的發展和競爭提供了有力的支持。

［1］Glossary of transit terminology.Online Publications and Databases［R］.American Public Transportation Authority，2008.

［2］王渤洪.現代低地板軌道車輛創新走行部［J］.機車電傳動，2009(2):44－47.

［3］鄒婷婷，李莉.阿爾斯通公司展示Citadis輕軌車模型［J］.國外鐵道車輛，2009(1):6.

［4］王歡，戴煥云.低地板輕軌車輛的技術分析與自主研發選型［J］.中國鐵路，2009(10):56－59.

［5］劉志剛.100%低地板車牽引傳動系統研究及裝備研制［J］.都市快軌交通，2010，23(5):17－21.

［6］Bose B.K.Modern power electronics and AC drives［M］，Harlow:Prentice － Hal，2002.

［7］刁利軍.電力推進負載模擬系統研究［D］.北京:北京交通大學，2008.

Control Technologies of Traction Converter for 100%Low－Floor Vehicles

Chen Dewen1Dong Kan2Diao Lijun2
(1.Changchun Railway Group Co.，Ltd，Changchun 130000;2.School of Electrical Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044)

Abstract:This paper introduces the composition and traction control functions of the traction converter system for the first domestic 100%low-floor vehicles,which were innovated by ourselves with the complete proprietary intellectual property right.Advanced vector control was adopted for motor control of independent-wheel bogie with good performance achieved.The train control theory and logic relation were also analyzed,such as load regulation,anti-slip/slide control,etc.The onsite experimental wave forms validated the good performance of traction control.

Key words:urban rail transit;100%low-floor vehicle;traction system;vector control;anti-slip/slide

U266.2

A

1672－6073(2012)04－0111－05

10.3969/j.issn.1672 －6073.2012.04.027

收稿日期:2011－07－02

2011－08－1

作者簡介:陳德文，男，副經理，工程師，從事城市軌道交通電力牽引及電力電子技術與傳動研究，ljdiao@bjtu.edu.cn

“十一五”國家科技支撐計劃重點項目(2006BAG02B00);北京市科技計劃項目(D101100049610001)

(編輯:郭 潔)