地鐵車輛牽引電傳動系統控制關鍵技術

吳智富

[摘? ? 要]地鐵車輛作為城市交通的重要組成部分，它的技術水平將直接影響城市經濟發展速度。而地鐵車輛技術水平的發展進步，很大程度取決于它的牽引電傳動技術?；诖耍恼轮饕菍Φ罔F車輛所使用的牽引電傳動系統實現控制功能的關鍵技術進行分析闡述。希望能為軌道交通行業進一步技術完善發展，提供理論參考幫助。

[關鍵詞]地鐵車輛;牽引電傳動系統;控制功能

[中圖分類號]U270.38 [文獻標志碼]A [文章編號]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 牽引電傳動系統的應用概述

我國大多數地鐵車輛使用的是直流供電傳動模式，地鐵車輛所使用的牽引電傳動系統，基本原理如圖1所示。在地鐵車輛運行過程中，通過車輛頂部的受電弓與接觸網接觸，使接觸網的電能沿受電弓流入牽引傳動控制系統，作為電傳動的能源驅動。受電弓與接觸網接觸時，地鐵車輛會獲得1 500 V或750 V的直流電作為驅動能源，在此基礎上利用嵌入式網絡變電技術，由一個牽引變流器直接改變接入電機的電流強度，這樣就能實現控制牽引電機轉速的效果。所以地鐵車輛的牽引電傳動系統，是一個通過嵌入式變電所內置的主變壓器與牽引變流器，實現電流限制分類功能的控制系統[1]。即，由牽引電傳動系統負責輸入電流的調壓、調頻功能，在牽引電機的轉速調節上更加平滑靈活。在這樣的電傳動系統內運行的牽引動機，在滿功率運轉的情況下，最高理論轉速可以達到4 000 r/min左右。

2 地鐵車輛牽引電傳動技術系統的性能需求

2.1 弓網匹配關系

弓網系統是指地鐵車輛等有軌電車的接觸網、受電弓與鐵道之間組成的高壓電系統。弓網系統的功能就是作為地鐵車輛牽引電傳動系統的主要能源供給，因此弓網與牽引電傳動系統的匹配關系必須良好。這種系統匹配關系通常我們用干擾電流與功率因數來評價，其中前者決定整個弓網系統的運行穩定性，后者決定弓網輸出電能的實際效率。除此之外，弓網匹配關系還要用從物理接觸的層面考慮，這種弓網與牽引電傳動系統的不匹配關系，主要就是由于車頂受電弓與接觸網不平順引起的。由于接觸網存在斷點或者受電弓自振，導致受電弓與接觸網的電導線在特定位置出現斷開，俗稱“跳弓”現象。這種跳弓現象會引起整個牽引電傳動系統在10～45 ms作用出現突然失電。牽引電傳動系統的運行工況是非常復雜的，是變流系統頻繁地出現高負荷電流的斷續供應，很容易導致變流裝置瞬間過壓超載，導致擊穿損壞[2]。所以除了弓網與牽引電傳動系統之間的抗干擾性能與功率因數性能之外，必須確保接觸網與受電弓之間接觸良好平順，排除跳弓故障現象，避免牽引電傳動系統變流器等裝置損耗。

2.2 牽引電制動性能

牽引電制動性能是地鐵車輛設計時首先要考慮的問題。它包括了地鐵車輛的最高運行時速、持續運行時速、加速能力、制動能力等一系列運行方面的性能。當前我國地鐵車輛使用的牽引電傳動系統中，不僅最高運行時速與持續運行時速達到世界先列水平，且近年來在制動力再生上的研究也已經取得了進展，在這種技術的加持下，地鐵車輛在進站進行減速制動操作時，可以將電機牽引制動所產生的回饋動能轉化為電能回傳給弓網系統，這樣就能減少制動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。輪軌黏著性能優異不僅可以使牽引電傳動系統在高功率運行下獲得更大的牽引力與制動力，還能為地鐵車輛的安全穩定運行提供有力保障。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，如會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等方面影響。

3 地鐵車輛牽引電傳動系統的關鍵技術分析

3.1 制動控制技術

電機是車輛運行的主要動力來源，它的轉速決定了地鐵車輛的實時運行速度，而異步牽引電機的轉速控制是通過牽引電傳動系統的變流器來實現的。但僅僅有轉速控制還不夠，當地鐵車輛處于高速運轉狀態時，即使將異步牽引電機的轉速水平控制到最低，車輛仍然不能很快地減速運行。因此，還需要一種制動控制系統，實現地鐵車輛靈活的速度調節功能。當前我國地鐵制動系統的控制功能主要采用兩種技術類型：車控制動與架控制動。這兩種制動控制技術都是利用嵌入式的控制單元完成車輪的制動動作的。

3.1.1 車控制動

車控制動的技術是在地鐵車輛的每一處轉向架裝置的轉軸上，都裝有一個軸控防滑保護閥（DV），這樣的多組防滑保護閥根據車節部位劃分為一個個的控制單元（BCU），最后由一個嵌入式的微機制動控制單元（EBCU）來負責管理不同的控制單元。這樣的制動控制模式中，將所有動車上的智能閥以及拖車上的防滑閥，采用TCU通信的方式進行連接后，由EBCU的算法程序分析地鐵列車駕駛員的指令，并將指令解析后發送給所有的控制單元，通過保護閥的動作輔助智能閥運行完成整車的制動動作。

3.1.2 架控制動

架控制動與車控不同，它的制動功能不需要防滑保護閥（DV）來實現，在它的系統結構中，每一節動車與拖車都安裝有一個網關閥，負責地鐵車輛牽引系統與CAN總線之間的通信功能，同時每節車廂還要安裝一臺牽引逆變器。這樣的連接組網方式使每個用于制動的智能閥直接通過CAN總線與網關閥對接，因此微機制動控制單元可以直接對不同的智能閥下達制動指令[3]。盡管安裝牽引逆變器對于整車主電路來說存在接入觸點故障的因素，但架控模式下，單臺逆變器損壞僅是損失，因此它不需要防滑保護閥進行制動輔助。

3.1.3 車控制動與架控制動的差異性

從結構上來看，架控制動比車控制動多出了一組制動控制單元，而車控制動比架控制動多出若干個拖車防滑保護閥。因此，車控制動相比于架控制動來說，具有明顯的成本優勢。但架控制動的技術由于可以直接控制轉向架智能閥進行制動動作，因此它比車控制動的穩定性要高出許多。然而，從當前市場情況來看，車控制動的應用場景遠多于架控制動，這是因為只要EBCU與制動控制系統的網關閥存在不間斷通信關系，即使單節列車的制動力完全丟失，也可以用調高其他車節制動力的方式，將這部分丟失的制動力完全彌補回來。

3.2 牽引電機的矢量控制技術

3.2.1 異步牽引電機的矢量控制技術

從地鐵車輛牽引電傳動控制系統的實際工況來看，由于牽引電機、高速區與調速裝置均需要在單脈沖調制模式下運行，輸出電壓為飽和狀態，難以實現嚴格意義上的矢量控制效果。因此，當前主流的方案中，都是采用一種分段控制的技術實現電機矢量控制的。當牽引電機還沒有進入方波工況時，采用雙閉環矢量控制模式，而當牽引電機進入方波工況運行時，采用單閉環的標量轉差控制模式。在此基礎上，針對地鐵車輛這種開關動作頻率較低、通過變頻調速的牽引電傳動控制系統的特性，可以在單相PWM整流器上加設一組電流環，通過預測控制與的方式解決牽引電機的控制時延問題。這組電流環與傳統控制模式不同，它并不是通過調整給定電壓實現牽引電機的功率控制的，而是調節給定電流。這樣的調節控制方式，就能夠實時且精準地辨識出牽引電機轉子的實際時間常數了。但依靠電流環來降低異步牽引電機時延的方法，由于容易引起受電弓的直流供電電源與調速裝置的諧振作用，導致牽引電傳動系統出現不穩定振動，因此還需要在直流電網一側安裝一組電抗器和濾波支持電容器。

3.2.2 永磁同步電機的矢量控制技術

對于地鐵車輛來說，電機扭矩的矢量控制直接決定了功率轉速輸出的精準性，這也是衡量地鐵車輛運輸性能優劣的關鍵因素。盡管文章提及的控制技術可以實現對電機的扭矩進行精準的矢量控制，但為了實現這種傳動控制功能，加設了過多的電子元件，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的應用，也能解決電機扭矩的矢量控制問題。將永磁同步電機當作牽引電機的技術，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）、轉矩控制單元（DTC）[4]。這幾種電機矢量控制技術中，變頻控制單元是開環性質實現控制功能的，所以它僅適用于電路中的負載部分的響應精度不高，且負載部分不具備復雜特性的牽引電傳動系統，否則容易出現轉速失步與轉速振蕩等故障。由于永磁同步電機運轉時它的轉子不需要勵磁作用，且沒有電流調節裝置，所以在實際投入使用時，無須考慮電流相位與坐標變化的問題。

3.3 防滑、防空轉技術

任何一種有軌電車都分為動車節與拖車節。其中動車節就是為整個車輛提供牽引力的車節，而拖車節則相當于被動車節拖拽的傳動車節。地鐵頻繁地進出站牽動與制動時，若是沒有相應的措施避免動車節與拖車節之間出現的沖突碰撞，不僅會使牽引傳動系統因振動損壞，甚至還會導致車輛損壞甚至是人員受傷，所以地鐵車輛防空轉、防滑技術也是非常必要的。首先需要一組CAN通信的運行監控系統，通過對地鐵車輛的電制動力進行的動態監測情況，分析判斷車輛的電制動能力是否符合減速運行需求。當有減速操作發出時，如果某處的電制動能力無法滿足需求，由臨近車節進行補足，就能夠保證拖車節與動車節具有同樣的加速度與減速度。

3.4 無功補償技術

牽引電傳動系統由于電子元件數量多且構造復雜，這些電子元件在運作時會給地鐵車輛的牽引電傳動系統的直流電網輸入大量的諧波，導致電網的功率因數遠低于牽引電機的需求參數。因此，需要采用一種單相有源濾波器作為整個牽引電傳動系統的務工補償裝置。這種單相有源濾波器能夠實時根據地鐵車輛牽引電傳動系統的運行情況，進行只補償無功、只補償諧波以及無功與諧波同時補償3個擋位之間自由切換。它的主要構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時檢測單相電網的輸出電壓;電流互感器分為兩個，其中一個用于檢測牽引電傳動系統中電機負載部分流通的電流，另外一個用于檢測有源濾波器實時輸出的電流;而電壓霍爾傳感器則用于捕捉檢測電容器的端點電壓。而電容則是作為整個無功補償裝置的能量儲備容器，電容電壓會受到補償電流的影響而增大，但電容電壓的平均值卻不會受到補償影響，而僅僅與有功電流的波動有關。這樣的無功補償裝置接入牽引電傳動系統的單相直流電網中后，為了不使濾波器電容的平均電壓受到自身阻抗的影響，電網除了要滿足電機負載端的有功電流需求以外，還要單獨供應單相有源濾波器本身負載消耗的有功電流。而為了使這個單相有源濾波器在系統中起到自動多擋位投切功能，還需要借助一些硬件技術來實現。首先是在硬件結構上采用了DSP雙電路的設計，其中DSP1電路主要負責濾波器與外部設備的串行通信功能，如液晶顯示與開關控制;另外一個DSP2電路則負責數據處理業務，利用信號調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行信息。這兩個DSP電路的芯片用RAM雙端口連接，依靠PWM脈沖信號來實現數據通信功能。同時為了避免脈沖響應不變法帶來的頻率混疊影響，在數字濾波器上采用了雙線性變化法的設計。

4 結束語

文章提及的地鐵牽引電傳動系統關鍵技術主要分為3個部分：電制動控制技術、電機矢量控制技術和防滑防空轉控制技術。地鐵車輛的牽引電傳動系統是非常復雜的，實現的功能也是多樣的。在我國漫長的軌道交通發展史中，牽引電傳動控制技術始終被當作一種核心技術項目來看待。之所以牽引電傳動技術能夠擁有如此重要的地位，是因為軌道交通動力驅動系統的穩定性安全性需求。正是因為如此，我國地鐵牽引電傳動技術才需要進一步研究開發，提高地鐵車輛的運輸性能。

參考文獻

[1] 伍賽特.機車電傳動系統技術特點及未來發展趨勢研究[J].傳動技術，2021，35（3）：43-48.

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

[3] 趙楊.地鐵車輛牽引電傳動系統控制關鍵技術策略探討[J].工程建設與設計，2019（12）：126-127.

[4] 趙清良，楊浩，譚紹軍，等.地鐵車輛電傳動系統標準化產品平臺研制[J].現代城市軌道交通，2019（5）：16-24.