牽引控制在軌道交通工程淺析

摘 要：為了實現現代軌道交通車輛牽引控制的現代化，需要引入牽引控制的系統操作。在現階段的發展當中，軌道交通車輛所采用的數字控制技術已經趨于淘汰，取而代之的是通過計算機系統控制的電氣牽引，這種牽引方式能夠通過計算機系統完成自檢，從而達到自控的目標。同時，自主控制還能夠進行智能化的信號處理、信號輸出，并利用數據傳輸完成對車輛的控制，對軌道交通來說具有極高的應用價值。

關鍵詞：軌道交通;牽引控制

一、軌道交通牽引技術發展和應用

1.牽引傳動的發展

目前城市軌道交通車輛所選用的能源方式大部分為電能，在傳動技術研究中，針對城市軌道交通的牽引方式，根據電流特點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入到電力發動機，由發動機完成對車輛的牽引。其中直流牽引發動機結構復雜，一般需要通過半控型晶閘管完成對直流的斬波，從而使斬波調壓與相控調壓相結合。隨著技術的發展，異步電機的交流傳動應用于軌道車輛牽引傳動當中，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，直流傳動車輛在1990年代便在歐洲國家停產，并退出了歷史舞臺。

2.牽引技術的運用

交流傳動方式是現階段最為主要的車輛牽引技術，它通過牽引變流器來實現對軌道車輛的控制。為了能夠實現牽引變流，需要在車輛設計當中運用變頻器，從而彌補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，隨著發展，這種逆變器加入了高壓模塊，輸出波形更加穩定。與此同時，為了實現對行車速度和停車方式的控制，還需要在交流傳動當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、現代列車牽引傳動系統控制特點

列車牽引電傳動系統的基本任務是通過機電能量轉換，達到速度、位置和轉矩控制的目的。其本質是電機和變流系統的性能?，F代牽引系統采用交-直-交（城軌系統為直-交）電傳動形式。牽引設備主要有高壓電器（主變壓器）、牽引變流器和牽引電機及相關控制系統等。牽引主電路包括網側電路、（四象限整流電路）直流環節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矩構成了粘著力的三要素。

列車是以基本動力單元為基礎構成的，并可以靈活組合形成不同的編組，以滿足不同的運輸需求。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車或固定重聯機車、動力分散的動車組或城軌列車以及重載組合列車等。根據模塊化、平臺化與結構化思想，列車牽引控制功能可以劃分為3個層次，即列車控制級、車輛控制級和傳動控制級。牽引控制系統的列車控制級負責整列車的上層控制、狀態監測與故障診斷等，主要功能包括：操作端選擇與確定邏輯、運行方向及左右側，牽引和制動指令以及列車速度特性控制、牽引和制動力協同、列車級故障診斷與安全導向、輔助系統控制及記錄和信息交互等;車輛級控制實現動力單元內控制、狀態監測與故障診斷等;傳動控制級實現四象限脈沖整流器、逆變器和異步牽引電動機控制等，主要功能包括牽引變流系統和電機控制、空轉與滑行保護控制（或粘著控制）等。

現代列車控制和診斷系統都采用車載網絡系統。列車網絡系統基本特性主要體現在實時性、確定性、可靠性和安全性（包括安全完整性與信息安全）等;其應用特性主要包括：實現列車動態解編的通信網絡初運行，監視數據、過程數據、消息數據、流數據的實現等。

故障診斷與網絡系統以及傳感技術的結合，使得列車級診斷-車輛級診斷-設備診斷分級診斷綜合系統的建立成為現實，并擴展到車地一體化的遠程綜合系統。

三、現代列車牽引控制系統技術體系

1.交流傳動牽引控制策略與控制技術

現代列車傳動控制理論的基礎是現代數學與計算科學、計算機科學、微電子科學以及傳感檢測理論與控制理論等。網側控制、電機控制和粘著控制是現代交流傳動系統牽引控制的核心，控制策略決定了電傳動系統的技術性能。網側變流器先后經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個階段。四象限脈沖整流器實際上是一個交、直流側均可控的四象限運行變流裝置，其通過多重化等手段可以實現網側電流的諧波抑制，使得整流器輸入電流與輸入電壓均為高度正弦化，避免諧波對電網的污染。牽引電機是列車電氣傳動系統機電能量轉換的核心，其控制方法包括異步電機轉差頻率控制、轉子磁場定向矢量控制、異步電機直接轉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、永磁牽引電機牽引系統控制技術和優化的列車粘著利用控制技術等。

2.列車通信網絡技術體系

列車通信網絡TCN的基本模型采用開放系統互聯OSI模型。為了保證過程數據在確定的較小時延下能夠被及時發送與確認接收，TCN實時協議省略了網絡層、傳輸層、會話層和表示層，只保留了鏈路層和應用層;而消息數據按需傳輸，傳輸需要建立連接，保留OSI模型中的網絡層、傳輸層、會話層和表示層。

3.RAMS保障技術

RAMS包括可靠性、可用性、維修性和安全性等幾個方面。其工程化技術體系是在系統保證計劃總體要求的指導下展開的。系統保證計劃規劃需要開展的RAMS工作、可靠性設計技術包括可靠性建模、可靠性分配和預計等。

四、結語

第二次產業革命的需要與蒸汽機技術的出現，18世紀初世界上第一條鐵路應運而生。在最近2個世紀的時間里，鐵路列車的牽引動力經歷了從蒸汽機、內燃機到電力牽引的變革，其中電力牽引又經歷了交直傳動到交流傳動的發展，牽引控制技術也隨之變革。本文主要討論了其技術發展過程、現狀和趨勢。

參考文獻

[1]曹陽 地鐵車輛牽引傳動系統檢測與保護電路的設計與實現 《西南交通大學》-2017.

[2]程志鵬 地鐵列車牽引制動小型模擬試驗裝置設計 《西南交通大學》-2017.

作者簡介：于天帥，1998年7月出生，男，河北衡水人，本科，研究方向：車輛工程。