直線電機地鐵車輛牽引系統國產化應用研究*

崔霆銳, 宗立明, 李 熙

(北京市地鐵運營有限公司 地鐵運營技術研發中心,北京 102208)

0 引 言

直線電機(Linear Induction Motor,LIM)軌道交通模式相比傳統輪軌運載系統具有顯著優點，例如不受黏著因素的制約、突出的爬坡能力、曲線半徑小、工程造價低、噪聲和振動小等[1]。目前全世界運營和在建的LIM驅動軌道交通線路達20余條。國內包括北京地鐵機場線在內的4條LIM地鐵線路，其牽引傳動系統均由國外引進，關鍵技術及備品備件完全依賴進口，造成車輛維修維護困難、運營成本較高。

為響應國務院和發改委關于“城市軌道交通車輛平均國產化率不低于70%，牽引系統國產化率應達到40%以上”的號召，在借鑒國外技術的基礎上，國內首次開展了具有完全自主知識產權的大功率強迫風冷式LIM牽引變流器系統研發，并在北京地鐵機場線完成了靜動態調試及測試試驗，目前正處于載客運營考核階段。

1 控制系統技術方案

機場線原型車的加拿大Mark-I和Mark-II系統的直線牽引電機控制采用基于轉差頻率的開環變壓變頻(Variable Voltage Variable Frequency,VVVF)控制模式。在基速12 m/s以下，保持轉差頻率為5 Hz，由于邊緣效應的影響，牽引力略有下降；而基速以上，初級電壓不能再升高，維持轉差率不變，初級電流頻率隨速度升高而升高，電機處于近似恒功率運行，牽引力隨速度升高下降明顯。

1. 1 優化的矢量控制技術

相比于機場線原系統的VVVF開環控制，國產化牽引變流器控制單元(Traction Control Unit,TCU)采用先進的矢量控制技術[2-5]，控制原理如圖1所示。

國產牽引系統通過優化的間接磁場定向矢量控制方法，在低速起動區采用空間矢量脈寬調制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)方法，充分利用開關頻率，盡可能地降低了VVVF逆變器輸出電流的諧波含量，保證牽引傳動系統工作在較低的噪聲范圍內；在高速區和恒功區采用9次諧波消除和3次諧波消除相結合的調制方式(9-3次SHE)，最終過渡到方波輸出模式，在保證牽引性能的同時有效降低了噪聲和損耗，增加了系統可靠性。并針對LIM縱橫向邊端效應[6-7]、集膚效應、溫度等因素導致的電機參數變化問題研究了次級時間常數在線辨識算法，實時在線計算最優轉差頻率，達到對轉矩的精準控制和提升能效的目的。

圖1 牽引控制單元控制原理圖

1. 2 車輛級控制功能

圖2 TCU車輛級控制功能框圖

TCU完成LIM的實時控制，同時具備完整的牽引變流系統故障保護功能、模塊級的故障自診斷功能和一定程度的故障自復位功能以及部分車輛級控制功能，如圖2所示。TCU是組成列車通信網絡的一部分，與多功能車輛總線采用CANOPEN網絡接口進行通信[8]。TCU中設置自診斷模塊，具備運行數據和故障數據的記錄功能，自診斷網絡采用CAN網總線進行通信。

TCU根據司機指令或信號指令(無人駕駛模式DTO)完成對地鐵列車牽引、制動特性控制和邏輯控制，實現對主電路中接觸器的通斷控制和牽引逆變器的起/停控制，計算列車所需的牽引、電制動力等。

2 次級時間常數在線辨識

LIM特殊結構的邊端效應、溫度變化等使電機次級時間常數Tr發生變化，導致磁場定向有偏差，從而勵磁電流分量和轉矩電流分量不能實現完全解耦，因此電機動態性能降低，轉矩會產生穩態誤差和瞬時脈動[9]。因此，需要對Tr進行在線辨識。

針對參數辨識，目前國內外學者提出了很多方法。其中離線辨識只適用于LIM低速運行、動態邊端效應不明顯的情況。在線辨識方法中的模型參考自適應法(Model Reference Adaptive System,MRAS)應用較為廣泛，其工作原理是檢測參考模型和可調模型之間的誤差信號，用于修正辨識值直至誤差信號趨于零，但這種方法本身也依賴于電機其他一些參數，影響辨識精度[10-12]。本文提出的基于最小電流的參數在線辨識方法，計算簡單、不依賴電機其他參數。

2. 1 基于最小電流的參數辨識算法

間接磁場定向控制下，轉差頻率為ωsl，次級回路阻抗角為φ2，且arctanφ2=ωsl/Tr，計算得到的牽引力方程如下：

(1)

式中： “*”——指令值(計算值);

τ——電機極距;

Lr——次級電感;

Lm——勵磁電感;

ψd2——次級磁鏈d軸分量;

iq1——初級電流q軸分量;

Im——勵磁電流;

φ2——電機次級回路阻抗角。

(2)

計算牽引力與實際值之比為

(3)

根據式(3)可以推導出不同磁鏈角度偏差對應的牽引力變化規律，如表1所示。

表1 實際牽引力隨磁鏈角偏差變化規律

由表1可知，當初級電流勵磁和轉矩分量不相等時，牽引力隨次級磁鏈角偏差遞增或遞減。但是當兩分量相等時，無論次級磁鏈角有正或負的偏差，牽引力都會減小，牽引力只有在磁鏈角定向正確時才取最大值；換句話說，如果負載力矩恒定，只有磁鏈角定向正確時所需的輸入電流值最小。利用這一原理，得到了一種基于最小電流的次級時間常數辨識方法，算法流程如圖3所示。

圖3 基于最小電流的Tr辨識算法流程圖

圖4 一維全局尋優搜索算法流程圖

(4)

辨識算法起動的條件是判斷電機是否處于穩態。如果電機速度穩定則通過改變轉差頻率，也就是次級時間常數，一維全局尋優搜索最小電機輸入電流值。其算法流程如圖4所示。

2. 2 在線辨識試驗結果

圖5 參數辨識算法試驗波形

電機在真實的工作環境下，次級時間常數Tr不會隨溫度等因素發生如此劇烈變化。這里的階躍突變是一種極端情況，為了表明辨識算法的有效性。圖5的試驗結果表明次級時間常數辨識值能夠快速、準確追蹤真實值。

所提出的基于最小電流的參數辨識算法不僅具有良好的收斂性，而且計算簡單、無需檢測輸入電壓值，算法本身不依賴于電機其他參數，可靠性更高。

3 電氣回路系統方案設計

設計研發的國產化牽引變流器為強迫風冷式，輸入電壓為直流750 V，輸出為三相可變頻變壓的交流電壓。每臺牽引變流器驅動每節地鐵車輛的2臺直線電機。牽引系統由高壓箱和逆變柜組成。在高壓柜和逆變柜之間增加一個連接器用于兩者的信號傳輸，同時在逆變柜上增加一個測試端口便于后期運營維護。

3. 1 高壓箱技術方案

高壓箱主要組成部分如下。

(1) 輸入側電流電壓檢測單元，用于將直流側模擬信號轉換成數字信號給控制硬件系統。

(2) 預充電回路，為逆變柜支撐電容充電，由充電接觸器、主接觸器和充電電阻構成。

(3) 輸入電抗器部分，是主電路一部分，與直流回路支撐電容器組成濾波單元。用來限制直流側濾波單元的電壓、電流波動，吸收直流輸入端的諧波電壓，抑制逆變器對輸入電源網的干擾。

(4) 輸出側濾波單元由吸收電阻、濾波電容和磁環構成，用來抑制或濾除電壓、電流尖峰。

(5) 斬波電阻部分，通過斬波模塊控制吸收牽引系統在制動過程中電機釋放的能量。

3. 2 逆變柜技術方案

逆變柜主要組成部分如下。

(1) 支撐電容部分，與線路電抗器組成濾波單元。

(2) IGBT功率模塊，集成了散熱器、溫度傳感器、IGBT門控單元等元器件。IGBT元件之間及與支撐電容的連接使用低電感母排(Busbar)，減少了線路上的雜散電感，降低了開關元件在快速關斷過程中產生的尖峰過電壓，因此這種設計的優點是省去了用于吸收過電壓的緩沖電路，使電路更為簡潔可靠。從牽引控制單元(TCU)到逆變器模塊的IGBT門控單元間的信號傳輸采用光纖，很好地解決了高壓隔離問題，并提高了抗干擾性能。

(3) IGBT斬波模塊，能夠抑制因空轉或其他原因引起的瞬時過電壓；再生制動時，能夠吸收再生制動能量，確保再生制動的穩定進行。

4 運營線路試驗分析

為了考核國產化牽引變流器的性能，選擇北京地鐵機場線實際運營線路，在一列四車編組(+A1-B1-B2-A2+)的直線電機車輛(A1車)上，用1套國產化牽引變流器系統替換1套進口系統，為2臺直線電機供電，對1套國產化牽引變流器與3套進口牽引變流器同車組混用的情況進行試驗。

4. 1 試驗方案設計

整個試驗包括調試及測試兩部分，如表2所示。調試試驗主要是在列車空載情況下調試國產化牽引變流器的控制參數，使之與同車安裝的進口牽引變流器輸出性能一致。測試試驗包括空載(AW0)和超員(AW3)兩種工況，AW3工況加載56.8 t沙袋模擬。

表2 國產化牽引變流器裝車試驗項目

4. 2 數據采集方案

牽引變流器裝車試驗中數據采集有兩個渠道，一個是列車CANOPEN網絡數據，優點是可以同時保存多節車的數據作為對比；另一個是國產化牽引變流器控制器(TCU)上傳的自身數據，作用是當其他進口車單獨牽引列車時，A1車國產化牽引變流器仍然可以采集其速度數據，數據來源和A1車單獨牽引時相同，這樣速度及加減速度的對比更準確和更具有說服力。

4. 3 試驗結果

AW0工況時，A1車國產化牽引變流器單獨牽引整車與B1車進口牽引變流器單獨牽引整車0～35 km/h的加減速度對比如表3所示。

表3 0～35 km/h加減速度對比結果

從表3中可以看出，單臺國產化牽引變流器牽引整車與單臺進口牽引變流器牽引整車0～35 km/h加減速度基本相同，加速度略小，小0.180%；減速度略大，大1.765%。

整車AW0工況下列車以正常運營速度按照機場線運行圖全線運行，運行速度曲線如圖6所示,整車全線運行電壓電流波形如圖7所示。

圖6 整車全線運行速度曲線

圖7 整車全線運行電壓電流波形

由圖7可知，國產與進口牽引變流器電壓電流波動趨勢一致、取值近似，沒有出現過流等異常現象。AW0工況全線運行時國產與進口變流器直流平均功率及交流輸出電流平均值的對比如表4所示。

由表4可以看出，在平均交流輸出電流相近的基礎上，國產系統直流側平均功率更小，說明國產化牽引變流器的效率略高。

表4 全線運行國產與進口變流器效率對比

救援模式定義為1臺國產化牽引變流器與2臺進口牽引變流器共同牽引AW3工況的整列車(模擬1臺牽引變流器故障)，按照正常運營速度在機場線正線全線運行。圖8為救援模式下A1和B1車4臺電機的溫度曲線。圖8中曲線起始段不一致的原因主要是4臺電機在救援模式試驗前的運行工況不一致。

圖8 救援模式下4臺牽引電機的溫度曲線

溫度曲線表明國產化牽引變流器對電機的溫升效應略優于進口電機。

試驗期間國產化牽引變流器運行穩定無故障。試驗結果表明，國產與進口牽引變流器各項性能基本相當，能夠滿足車輛基本技術條件要求，而且效率等部分指標國產優于原車進口系統，可以實現國產化替代。

5 結 語

在借鑒國外先進技術的基礎上，研發了具有完全自主知識產權的大功率強迫風冷式LIM牽引變流器。采用優化的間接磁場定向控制，降低了損耗和噪聲，增加了系統可靠性。同時針對LIM邊端效應對磁場定向的影響，提出了一種參數在線辨識方法，試驗平臺結果驗證了算法的有效性。在北京地鐵機場線進行的靜動態試驗，充分表明國產化牽引變流器性能滿足車輛基本技術要求，技術參數與原車進口系統相當，效率等部分指標優于原系統，可以實現對進口產品的替代。

該研究成果打破了國外相關技術壟斷，填補了國內LIM軌道交通牽引傳動領域的空白。

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