軌道交通車輛牽引控制發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢研究

汪宏宇?孫兆毅

摘 要：為了實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代軌道交通車輛牽引控制的現(xiàn)代化，需要引入牽引控制的系統(tǒng)操作。在現(xiàn)階段的發(fā)展當(dāng)中，軌道交通車輛所采用的數(shù)字控制技術(shù)已經(jīng)趨于淘汰，取而代之的是通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制的電氣牽引，這種牽引方式能夠通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完成自檢，從而達(dá)到自控的目標(biāo)。同時(shí)，自主控制還能夠進(jìn)行智能化的信號處理、信號輸出，并利用數(shù)據(jù)傳輸完成對車輛的控制，對軌道交通來說具有極高的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：軌道交通;牽引控制

一、軌道交通牽引技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用

（一）牽引傳動的發(fā)展

目前城市軌道交通車輛所選用的能源方式大部分為電能，在傳動技術(shù)研究中，針對城市軌道交通的牽引方式，根據(jù)電流特點(diǎn)的不同可以分為直流傳動和交流傳動兩種主要的傳動方式，原理為通過電力能源進(jìn)入到電力發(fā)動機(jī)，由發(fā)動機(jī)完成對車輛的牽引。其中直流牽引發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般需要通過半控型晶閘管完成對直流的斬波，從而使斬波調(diào)壓與相控調(diào)壓相結(jié)合。隨著技術(shù)的發(fā)展，異步電機(jī)的交流傳動應(yīng)用于軌道車輛牽引傳動當(dāng)中，并隨著變頻變壓的電壓逆變器問世，使得交流傳動成為主要牽引技術(shù)，直流傳動車輛在1990年代便在歐洲國家停產(chǎn)，并退出了歷史舞臺。

（二）牽引技術(shù)的運(yùn)用

交流傳動方式是現(xiàn)階段最為主要的車輛牽引技術(shù)，它通過牽引變流器來實(shí)現(xiàn)對軌道車輛的控制。為了能夠?qū)崿F(xiàn)牽引變流，需要在車輛設(shè)計(jì)當(dāng)中運(yùn)用變頻器，從而彌補(bǔ)電壓等級不足等問題。例如德國和日本就分別才用過1200V和1700V的三電平逆變器，隨著發(fā)展，這種逆變器加入了高壓模塊，輸出波形更加。與此同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)對行車速度和停車方式的控制，還需要在交流傳動當(dāng)中加入速度傳感器和全電制動，保證電氣牽引的靈活和可靠。

二、現(xiàn)代列車牽引傳動系統(tǒng)控制特點(diǎn)

列車牽引電傳動系統(tǒng)的基本任務(wù)是通過機(jī)電能量轉(zhuǎn)換，達(dá)到速度、位置和轉(zhuǎn)矩控制的目的。其本質(zhì)是電機(jī)和變流系統(tǒng)的性能?，F(xiàn)代牽引系統(tǒng)采用交-直-交（城軌系統(tǒng)為直-交）電傳動形式。牽引設(shè)備主要有高壓電器（主變壓器）、牽引變流器和牽引電機(jī)及相關(guān)控制系統(tǒng)等。牽引主電路包括網(wǎng)側(cè)電路、（四象限整流電路）直流環(huán)節(jié)電路和三相逆變電路等。列車的牽引力來源于動輪與鋼軌之間的粘著力。輪重、輪軌材料的彈性及在車輪上施加的轉(zhuǎn)矩構(gòu)成了粘著力的三要素。

列車是以基本動力單元為基礎(chǔ)構(gòu)成的，并可以靈活組合形成不同的編組，以滿足不同的運(yùn)輸需求。按照列車動力的動力需求及用途，多動力單元的組合形式有動力集中的機(jī)車或固定重聯(lián)機(jī)車、動力分散的動車組或城軌列車以及重載組合列車等。根據(jù)模塊化、平臺化與結(jié)構(gòu)化思想，列車牽引控制功能可以劃分為3個(gè)層次，即列車控制級、車輛控制級和傳動控制級，如圖1所示。牽引控制系統(tǒng)的列車控制級負(fù)責(zé)整列車的上層控制、狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷等，主要功能包括：操作端選擇與確定邏輯、運(yùn)行方向及左右側(cè)，牽引和制動指令以及列車速度特性控制、牽引和制動力協(xié)同、列車級故障診斷與安全導(dǎo)向、輔助系統(tǒng)控制及記錄和信息交互等;車輛級控制實(shí)現(xiàn)動力單元內(nèi)控制、狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷等;傳動控制級實(shí)現(xiàn)四象限脈沖整流器、逆變器和異步牽引電動機(jī)控制等，主要功能包括牽引變流系統(tǒng)和電機(jī)控制、空轉(zhuǎn)與滑行保護(hù)控制（或粘著控制）等。

現(xiàn)代列車控制和診斷系統(tǒng)都采用車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)基本特性主要體現(xiàn)在實(shí)時(shí)性、確定性、可靠性和安全性（包括安全完整性與信息安全）等;其應(yīng)用特性主要包括：實(shí)現(xiàn)列車動態(tài)解編的通信網(wǎng)絡(luò)初運(yùn)行，監(jiān)視數(shù)據(jù)、過程數(shù)據(jù)、消息數(shù)據(jù)、流數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)等。

故障診斷與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以及傳感技術(shù)的結(jié)合，使得列車級診斷-車輛級診斷-設(shè)備診斷分級診斷綜合系統(tǒng)的建立成為現(xiàn)實(shí)，并擴(kuò)展到車地一體化的遠(yuǎn)程綜合系統(tǒng)。

三、現(xiàn)代列車牽引控制系統(tǒng)技術(shù)體系

（一）交流傳動牽引控制策略與控制技術(shù)

現(xiàn)代列車傳動控制理論的基礎(chǔ)是現(xiàn)代數(shù)學(xué)與計(jì)算科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、微電子科學(xué)以及傳感檢測理論與控制理論等。網(wǎng)側(cè)控制、電機(jī)控制和粘著控制是現(xiàn)代交流傳動系統(tǒng)牽引控制的核心，控制策略決定了電傳動系統(tǒng)的技術(shù)性能。網(wǎng)側(cè)變流器先后經(jīng)歷了二極管器件不可控整流、相控整流和四象限脈沖整流器3個(gè)階段。四象限脈沖整流器實(shí)際上是一個(gè)交、直流側(cè)均可控的四象限運(yùn)行變流裝置，其通過多重化等手段可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流的諧波抑制，使得整流器輸入電流與輸入電壓均為高度正弦化，避免諧波對電網(wǎng)的污染。牽引電機(jī)是列車電氣傳動系統(tǒng)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的核心，其控制方法包括異步電機(jī)轉(zhuǎn)差頻率控制、轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制、異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制以及直接自控制等。目前，在列車上開始使用無速度傳感器控制技術(shù)、永磁牽引電機(jī)牽引系統(tǒng)控制技術(shù)和優(yōu)化的列車粘著利用控制技術(shù)等。

（二）列車通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系

列車通信網(wǎng)絡(luò)TCN的基本模型采用開放系統(tǒng)互聯(lián)OSI模型。為了保證過程數(shù)據(jù)在確定的較小時(shí)延下能夠被及時(shí)發(fā)送與確認(rèn)接收，TCN實(shí)時(shí)協(xié)議省略了網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會話層和表示層，只保留了鏈路層和應(yīng)用層;而消息數(shù)據(jù)按需傳輸，傳輸需要建立連接，保留OSI模型中的網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會話層和表示層。

（三）RAMS保障技術(shù)

RAMS包括可靠性、可用性、維修性和安全性等幾個(gè)方面。其工程化技術(shù)體系是在系統(tǒng)保證計(jì)劃總體要求的指導(dǎo)下展開的。系統(tǒng)保證計(jì)劃規(guī)劃需要開展的RAMS工作、可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)包括可靠性建模、可靠性分配和預(yù)計(jì)等。

以可靠性為中心的維修RCM是目前國際上通用的、用以確定產(chǎn)品預(yù)防性維修需求、優(yōu)化維修制度的一種系統(tǒng)工程方法，以維修停機(jī)損失最小為目標(biāo)優(yōu)化系統(tǒng)的維修策略。產(chǎn)品安全性設(shè)計(jì)從安全需求轉(zhuǎn)化為對各過程的風(fēng)險(xiǎn)分析、控制，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品“故障安全”的過程。安全性分析關(guān)鍵技術(shù)包括：故障模式、影響與危害性分析FMECA、初步危害分析PHA及事件樹分析ETA等。

四、結(jié)束語

第二次產(chǎn)業(yè)革命的需要與蒸汽機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)，18世紀(jì)初世界上第一條鐵路應(yīng)運(yùn)而生。在最近2個(gè)世紀(jì)的時(shí)間里，鐵路列車的牽引動力經(jīng)歷了從蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)到電力牽引的變革，其中電力牽引又經(jīng)歷了交直傳動到交流傳動的發(fā)展，牽引控制技術(shù)也隨之變革。本文主要討論了其技術(shù)發(fā)展過程、現(xiàn)狀和趨勢。

參考文獻(xiàn)

[1]李志軍地鐵列車牽引制動小型模擬試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)《科學(xué)與財(cái)富》-2017年第9期.

[2]陳鋒地鐵車輛牽引傳動系統(tǒng)檢測與保護(hù)電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)《城市建設(shè)理論研究》-2017年第4期.