轨道交通车辆牵引控制发展现状与趋势分析

轨道交通车辆牵引控制发展现状与趋势分析

发表时间：2018-05-23T10:06:58.213Z 来源：《基层建设》2018年第4期作者：刘蔚

[导读] 摘要：轨道交通车辆牵引控制技术在两个世纪前就已经产生了，随着社会的不断发展，科学技术的不断进步，轨道交通车辆牵引控制技术也在不断发展个变革，该技术的发展经历了一系列的变革，从牵引装置为中心发展为现代的以平台化技术为中心的高性能控制技术，在很大程度上推动了其标准化和个性化。

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摘要：轨道交通车辆牵引控制技术在两个世纪前就已经产生了，随着社会的不断发展，科学技术的不断进步，轨道交通车辆牵引控制技术也在不断发展个变革，该技术的发展经历了一系列的变革，从牵引装置为中心发展为现代的以平台化技术为中心的高性能控制技术，在很大程度上推动了其标准化和个性化。本研究针对轨道交通车辆牵引控制的发展现状以及趋势展开了详细的探究，首先就铁路电力牵引技术的发展历程进行了分析，然后分析了现代列车牵引传动系统控制特点以及现代列车牵引控制系统技术体系，最后分析了轨道交通车辆牵引控制技术的发展趋势。

关键词：轨道交通；车辆；牵引控制；发展现状；趋势

1 我国铁路电力牵引技术发展历程

我国坚持走自主研发与技术引进相结合的方式，不断发展进步，电力牵引控制技术发展路径与国际上技术发展路径相类似，经历了交直电传动到交流电传动的发展历程。基于交直传动系统形成“韶山”系列电力机车和东风系列内燃机车，基于交流传动系统形成目前的HX系列机车、CRH系列动车组和高速列车以及系列城市轨道交通车辆。我国于1958年仿制出第1台参照前苏联H60型的单相引燃管整流器6Y1型电力机车，1968年改名为SS1并小批量生产；1968~1985期间，SS1型机车的速度控制技术发展为变压器极间调压加可控硅整流方式，并批量生产；自主研制成功采用以运算放大器为核心器件的闭环控制SS2型原型车；1979年株洲电力机车工厂和株洲电力机车研究所吸收了SS1和SS2的成熟经验，研制成功采用相控整流和模拟电子控制技术的SS3型机车，并大批量生产；1985年，试制成功我国第1台相控整流8轴货运电力机车SS4，并发展形成了较为完整采用相控整流及调速控制直流传动的4、6、8轴货运、客运系列机车，包括SS3B、SS5（原型车）、SS6、SS4G、SS7等车型。1985/1986年在进口8K和6K机车的同时，同步引进了这些机车的先进技术，在消化吸收与结合中国国情的基础上，自主研制成功了基于计算机（网络）检测控制电力机车，包括SS8、SS9、SS4B、SS4C、SS6B、SS7B、SS7C等机车，故障诊断技术得到应用。

2 现代列车牵引传动系统控制特点

列车牵引电传动系统的基本任务是通过机电能量转换，达到速度、位置和转矩控制的目的。其本质是电机和变流系统的性能。现代牵引系统采用交-直-交（城轨系统为直-交）电传动形式。牵引设备主要有高压电器（主变压器）、牵引变流器和牵引电机及相关控制系统等。牵引主电路包括网侧电路、（四象限整流电路）直流环节电路和三相逆变电路等。列车的牵引力来源于动轮与钢轨之间的粘着力。轮重、轮轨材料的弹性及在车轮上施加的转矩构成了粘着力的三要素。列车是以基本动力单元为基础构成的，并可以灵活组合形成不同的编组，以满足不同的运输需求。按照列车动力的动力需求及用途，多动力单元的组合形式有动力集中的机车或固定重联机车、动力分散的动车组或城轨列车以及重载组合列车等。根据模块化、平台化与结构化思想，列车牵引控制功能可以划分为3个层次，即列车控制级、车辆控制级和传动控制级，如图1所示。牵引控制系统的列车控制级负责整列车的上层控制、状态监测与故障诊断等，主要功能包括：操作端选择与确定逻辑、运行方向及左右侧，牵引和制动指令以及列车速度特性控制、牵引和制动力协同、列车级故障诊断与安全导向、辅助系统控制及记录和信息交互等；车辆级控制实现动力单元内控制、状态监测与故障诊断等；传动控制级实现四象限脉冲整流器、逆变器和异步牵引电动机控制等，主要功能包括牵引变流系统和电机控制、空转与滑行保护控制（或粘着控制）等。

3 现代列车牵引控制系统技术体系

面向应用的牵引控制系统主要包含技术：一是直接面向控制对象的控制技术，包括实现牵引动力单元控制需求的控制技术和控制策略，以及实现多动力单元协同控制需求的车辆级和列车级控制技术；二是保证分布式列车分级控制系统信息传输的通信技术；三是以系统集成技术为总揽，以可靠性、可用性、维护性和安全性RAMS专项技术提升产品效能，以试验验证技术确保实际产品满足产品技术功能要求的保障技术。

3.1交流传动牵引控制策略与控制技术

现代列车传动控制理论基础是计算机科学和数学，传感控制理论。牵引电机是列车电气传动系统进行机电能量转换的核心，主要的控制方式包括电机转差频率控制，异步电机直接转矩控制，直接自控制等等。列车已经开始使用传感器控制，永磁牵引电机牵引控制系统等技术。

3.2列车通信网络技术体系

为了最大限度的保障过程数据在产生后及时进行发送和接收成功，需要保留链路层和应用层，数据传输的时候需要充分建立连接，保留模型中的网络层以及传输层，表示层。

3.3 RAMS保障技术

RAMS技术包括可靠性，安全性，稳定性，可使用性等几个方面，工程化技术体系是保障系统计划总体要求的情况下展开的，以可靠性为中心的维修RCM是目前国际上通用的，用来确定产品性能的技术，也是一种系统工程方法，目的是维修停机损失最小的系统优化。

4 列车牵引控制技术的发展趋势

目前我国电力牵引控制技术的重点是开发、设计与验证中国标准高速动车组、30吨轴重重载电力机车（5万吨列车）、城际快速动车组与市域列车、现代有轨电车、磁悬浮列车（低速磁浮列车在长沙线投入运行）等。牵引控制关键部件与装置包括大功率功率半导体器件以及新型碳化硅功率器件、高速动车组相关装备、制动能量再生反馈相关装备等。永磁同步电机以其高效率、高功率密度、强过载能力等优点在轨道交通牵引系统领域受到重视。

4.1网络化、信息化和智能化

轨道交通机车车辆内的牵引、制动和面向旅客服务的设施增多，列车的编组方式也呈多样化发展，列车通信网络是实现列车实时控制和各类信息传递的唯一装备，其包括重联控制信息、逻辑控制信息、牵引、制动和速度控制信息、状态监视和诊断信息、各动车单元协调