电力牵引与传动控制技术现状与发展

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电力牵引与传动控制技术

现状与发展

交通设备与信息工程0804

陆钦1104080816

陈天宽1104080802

电力牵引与传动控制技术现状与发展

陆钦陈天宽

(中南大学交通运输工程学院,湖南长沙410075)

摘要:至今,电气化铁路的发展已走过一百多年的历程。进入21世纪以来,轨道电力牵引在电力电子原件,控制技术等方面已经日趋成熟。本文从我国电力牵引与传动控制的现状出发,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。并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相关领域的应用前景。

关键词:电力电子器件;变流技术;控制技术

The present situation and development of

electric traction and control technology

Abstract:Up to the present,the development of electric railways has lasted for more than one hundred years. Since the beginning of 21 century, railway electric traction has been more mature in the fields of power electronic devi-ces, control technology,etc.From the present situation of electrical traction and drive control in our country,this paper introduced the core technologies result

of power electronic devices, high power traction device and its control system and train network control system.Simultaneously,this paper analyzed the future development of traction and control technology and prospected the future a-pplication of railway traction and control technology to the relevant fields.

Key words:power electronic devices;converter technology;control technology 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,已经成为一个国家铁路技术水平发展程度的衡量标准。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,带动相关技术领域共同进步与发展。

1.车载传动系统相关特性

1.1牵引与制动特性

轨道交通工具的牵引/制动特性是其最基本、最重要的性能,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。目前,在轨道交通工具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,以实现可持续发展,节能环保。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,以提高控制效率。

1.2粘着特性

轮轨间的粘着特性决定了轨道交通工具所能获得的最大牵引力及制动力,直接影响其性能。试验表明,轮轨粘着特性具有相当的随机性,有显著地非线性特征,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。怎样使轨道交通工具的牵引力在不同工作条件下都能逼近所容许的最大牵引力是当前的一个重要课题。目前,在理论研究与工程应用中普遍采取了独创的、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

电力牵引轨道交通工具时,从接触网取电,转换成机械能进行驱动是轨道交通工具正常工作的必要条件。目前,再生制动,即列车制动的同时将机械能转换为电能,向电网回馈能量,也必须有良好的弓网关系。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。由于接触网的不平顺或受电弓的振动,会出现“跳弓”现象。“跳弓”现象,即受电弓与接触网导线在几十个毫秒瞬时离开。“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,通常会出现变流器瞬时过压、过流,甚至损坏器件的现象。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,这是目前弓网系统发展的趋势。

1.4环境条件

轨道交通的现场工作环境条件极其复杂,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。以青藏铁路为例,铁路系统通常在高原缺氧,高原低温,高原强紫外线辐射,高原冻土等环境下工作,对各种列车设备及控制系统的可靠性提出了很高的要求。

2.变流装置的发展

2.1电力电子器件及其应用技术

大功率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。大功率电力电子器件的发展,已经从最初的晶闸管,GTO,GTR,发展到如今的IGBT、IGCT、IPM,每一代器件决定了一代装置。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。

2.2GTO晶闸管

一直到70 年代末期,晶闸管始终是大功率应用领域中的主力军。但运行经验证实GTO 存在-些明显的缺点: (1) 典型的关断增益在3 到5 之间,要求很大的门极关断电流,门极单元复杂,驱动功率大(2) 必须配置复杂而臃肿的开关吸收电路(3) 开关频率仅限于200 Hz~300Hz。为了克服这些缺陷,当前在电力电子器件领域存在两种创新途径: 第一种是对传统GTO 晶闸管进行结构和工艺上的革新,衍生出新的器件,其中特别值得提出的是IGCT; 第二种是采用混合集成技术,把两种器件结合在一起构成新的器件,使其具有两种器件的综合性能,鉴于Power-MOSFET( 电力场效应晶体管) 的控制功率比双极型晶体管小得多,并具有较高的开关频率,利用它可改进电力电子器件的开关性能,简化门极电路,从而产生了一些新的器件,如MOS 控制的晶闸管(MCT) ,注入增强型门极晶体管( IEGT) ,射极关断晶闸管(ETO)。而由MOSFET 和双极型晶体管复合组成的IGBT

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