吴智富
[摘 要]地铁车辆作为城市交通的重要组成部分，它的技术水平将直接影响城市经济发展速度。而地铁车辆技术水平的发展进步，很大程度取决于它的牵引电传动技术。基于此，文章主要是对地铁车辆所使用的牵引电传动系统实现控制功能的关键技术进行分析阐述。希望能为轨道交通行业进一步技术完善发展，提供理论参考帮助。
[关键词]地铁车辆;牵引电传动系统;控制功能
[中图分类号]U270.38 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2022）04–00–03
Analysis on Key Control Technologies of Metro Vehicle Traction Electric Drive System
Wu Zhi-fu
[Abstract]As an important part of urban transportation， the technical level of subway vehicles will directly affect the speed of urban economic development. The development and progress of metro vehicle technology largely depends on its traction electric drive technology. Based on this， this paper mainly analyzes and expounds the key technologies of the traction electric drive system used in metro vehicles to realize the control function. It is hoped that this paper can provide theoretical reference and help for the further technical improvement and development of rail transit industry.
[Keywords]metro vehicles; traction electric drive system; control function
1 牵引电传动系统的应用概述
我国大多数地铁车辆使用的是直流供电传动模式，地铁车辆所使用的牵引电传动系统，基本原理如图1所示。在地铁车辆运行过程中，通过车辆顶部的受电弓与接触网接触，使接触网的电能沿受电弓流入牵引传动控制系统，作为电传动的能源驱动。受电弓与接触网接触时，地铁车辆會获得1 500 V或750 V的直流电作为驱动能源，在此基础上利用嵌入式网络变电技术，由一个牵引变流器直接改变接入电机的电流强度，这样就能实现控制牵引电机转速的效果。所以地铁车辆的牵引电传动系统，是一个通过嵌入式变电所内置的主变压器与牵引变流器，实现电流限制分类功能的控制系统[1]。即，由牵引电传动系统负责输入电流的调压、调频功能，在牵引电机的转速调节上更加平滑灵活。在这样的电传动系统内运行的牵引动机，在满功率运转的情况下，最高理论转速可以达到4 000 r/min左右。
2 地铁车辆牵引电传动技术系统的性能需求
2.1 弓网匹配关系
弓网系统是指地铁车辆等有轨电车的接触网、受电弓与铁道之间组成的高压电系统。弓网系统的功能就是作为地铁车辆牵引电传动系统的主要能源供给，因此弓网与牵引电传动系统的匹配关系必须良好。这种系统匹配关系通常我们用干扰电流与功率因数来评价，其中前者决定整个弓网系统的运行稳定性，后者决定弓网输出电能的实际效率。除此之外，弓网匹配关系还要用从物理接触的层面考虑，这种弓网与牵引电传动系统的不匹配关系，主要就是由于车顶受电弓与接触网不平顺引起的。由于接触网存在断点或者受电弓自振，导致受电弓与接触网的电导线在特定位置出现断开，俗称“跳弓”现象。这种跳弓现象会引起整个牵引电传动系统在10～45 ms作用出现突然失电。牵引电传动系统的运行工况是非常复杂的，是变流系统频繁地出现高负荷电流的断续供应，很容易导致变流装置瞬间过压超载，导致击穿损坏[2]。所以除了弓网与牵引电传动系统之间的抗干扰性能与功率因数性能之外，必须确保接触网与受电弓之间接触良好平顺，排除跳弓故障现象，避免牵引电传动系统变流器等装置损耗。
2.2 牵引电制动性能
牵引电制动性能是地铁车辆设计时首先要考虑的问题。它包括了地铁车辆的最高运行时速、持续运行时速、加速能力、制动能力等一系列运行方面的性能。当前我国地铁车辆使用的牵引电传动系统中，不仅最高运行时速与持续运行时速达到世界先列水平，且近年来在制动力再生上的研究也已经取得了进展，在这种技术的加持下，地铁车辆在进站进行减速制动操作时，可以将电机牵引制动所产生的回馈动能转化为电能回传给弓网系统，这样就能减少制动过程中造成的电能损失。
2.3 轮轨黏着性能
轮轨黏着性能是指地铁车辆的车轮与钢轨之间的自然黏着特性。轮轨黏着性能优异不仅可以使牵引电传动系统在高功率运行下获得更大的牵引力与制动力，还能为地铁车辆的安全稳定运行提供有力保障。通常轮轨黏着性能往往与一些非线性变化的外力因素有关，如会受到轨道表面清洁度、轨道曲线半径和不同气候条件下轨道的胀缩效应等方面影响。
3 地铁车辆牵引电传动系统的关键技术分析
3.1 制动控制技术
电机是车辆运行的主要动力来源，它的转速决定了地铁车辆的实时运行速度，而异步牵引电机的转速控制是通过牵引电传动系统的变流器来实现的。但仅仅有转速控制还不够，当地铁车辆处于高速运转状态时，即使将异步牵引电机的转速水平控制到最低，车辆仍然不能很快地减速运行。因此，还需要一种制动控制系统，实现地铁车辆灵活的速度调节功能。当前我国地铁制动系统的控制功能主要采用两种技术类型：车控制动与架控制动。这两种制动控制技术都是利用嵌入式的控制单元完成车轮的制动动作的。
3.1.1 车控制动
车控制动的技术是在地铁车辆的每一处转向架装置的转轴上，都装有一个轴控防滑保护阀（DV），这样的多组防滑保护阀根据车节部位划分为一个个的控制单元（BCU），最后由一个嵌入式的微机制动控制单元（EBCU）来负责管理不同的控制单元。这样的制动控制模式中，将所有动车上的智能阀以及拖车上的防滑阀，采用TCU通信的方式进行连接后，由EBCU的算法程序分析地铁列车驾驶员的指令，并将指令解析后发送给所有的控制单元，通过保护阀的动作辅助智能阀运行完成整车的制动动作。
3.1.2 架控制动
架控制动与车控不同，它的制动功能不需要防滑保护阀（DV）来实现，在它的系统结构中，每一节动车与拖车都安装有一个网关阀，负责地铁车辆牵引系统与CAN总线之间的通信功能，同时每节车厢还要安装一台牵引逆变器。这样的连接组网方式使每个用于制动的智能阀直接通过CAN总线与网关阀对接，因此微机制动控制单元可以直接对不同的智能阀下达制动指令[3]。尽管安装牵引逆变器对于整车主电路来说存在接入触点故障的因素，但架控模式下，单台逆变器损坏仅是损失，因此它不需要防滑保护阀进行制动辅助。
3.1.3 车控制动与架控制动的差异性
从结构上来看，架控制动比车控制动多出了一组制动控制单元，而车控制动比架控制动多出若干个拖车防滑保护阀。因此，车控制动相比于架控制动来说，具有明显的成本优势。但架控制动的技术由于可以直接控制转向架智能阀进行制动动作，因此它比车控制动的稳定性要高出许多。然而，从当前市场情况来看，车控制动的应用场景远多于架控制动，这是因为只要EBCU与制动控制系统的网关阀存在不间断通信关系，即使单节列车的制动力完全丢失，也可以用调高其他车节制动力的方式，将这部分丢失的制动力完全弥补回来。
3.2 牵引电机的矢量控制技术
3.2.1 异步牵引电机的矢量控制技术
从地铁车辆牵引电传动控制系统的实际工况来看，由于牵引电机、高速区与调速装置均需要在单脉冲调制模式下运行，输出电压为饱和状态，难以实现严格意义上的矢量控制效果。因此，当前主流的方案中，都是采用一种分段控制的技术实现电机矢量控制的。当牵引电机还没有进入方波工况时，采用双闭环矢量控制模式，而当牵引电机进入方波工况运行时，采用单闭环的标量转差控制模式。在此基础上，针对地铁车辆这种开关动作频率较低、通过变频调速的牵引电传动控制系统的特性，可以在单相PWM整流器上加设一组电流环，通过预测控制与的方式解决牵引电机的控制时延问题。这组电流环与传统控制模式不同，它并不是通过调整给定电压实现牵引电机的功率控制的，而是调节给定电流。这样的调节控制方式，就能够实时且精准地辨识出牵引电机转子的实际时间常数了。但依靠电流环来降低异步牵引电机时延的方法，由于容易引起受电弓的直流供电电源与调速装置的谐振作用，导致牵引电传动系统出现不稳定振动，因此还需要在直流电网一侧安装一组电抗器和滤波支持电容器。
3.2.2 永磁同步电机的矢量控制技术
对于地铁车辆来说，电机扭矩的矢量控制直接决定了功率转速输出的精准性，这也是衡量地铁车辆运输性能优劣的关键因素。尽管文章提及的控制技术可以实现对电机的扭矩进行精准的矢量控制，但为了实现这种传动控制功能，加设了过多的电子元件，给主电路带来了额外的触电故障因素。而另外一种永磁同步电机的应用，也能解决电机扭矩的矢量控制问题。将永磁同步电机当作牵引电机的技术，因控制逻辑与原理不同，分为变频控制单元（VVVF）、磁场定向控制单元（FOC）、转矩控制单元（DTC）[4]。这几种电机矢量控制技术中，变频控制单元是开环性质实现控制功能的，所以它仅适用于电路中的负载部分的响应精度不高，且负载部分不具备复杂特性的牵引电传动系统，否则容易出现转速失步与转速振荡等故障。由于永磁同步电机运转时它的转子不需要励磁作用，且没有电流调节装置，所以在实际投入使用时，无须考虑电流相位与坐标变化的问题。
3.3 防滑、防空转技术
任何一种有轨电车都分为动车节与拖车节。其中动车节就是为整个车辆提供牵引力的车节，而拖车节则相当于被动车节拖拽的传动车节。地铁频繁地进出站牵动与制动时，若是没有相应的措施避免动车节与拖车节之间出现的冲突碰撞，不仅会使牵引传动系统因振动损坏，甚至还会导致车辆损坏甚至是人员受伤，所以地铁车辆防空转、防滑技术也是非常必要的。首先需要一组CAN通信的运行监控系统，通过对地铁车辆的电制动力进行的动态监测情况，分析判断车辆的电制动能力是否符合减速运行需求。当有减速操作发出时，如果某处的电制动能力无法满足需求，由临近车节进行补足，就能够保证拖车节与动车节具有同样的加速度与减速度。
3.4 无功补偿技术
牵引电传动系統由于电子元件数量多且构造复杂，这些电子元件在运作时会给地铁车辆的牵引电传动系统的直流电网输入大量的谐波，导致电网的功率因数远低于牵引电机的需求参数。因此，需要采用一种单相有源滤波器作为整个牵引电传动系统的务工补偿装置。这种单相有源滤波器能够实时根据地铁车辆牵引电传动系统的运行情况，进行只补偿无功、只补偿谐波以及无功与谐波同时补偿3个挡位之间自由切换。它的主要构件由以下几部分组成：电压互感器、电流互感器、电压霍尔传感器以及电容。其中电压互感器能实时检测单相电网的输出电压;电流互感器分为两个，其中一个用于检测牵引电传动系统中电机负载部分流通的电流，另外一个用于检测有源滤波器实时输出的电流;而电压霍尔传感器则用于捕捉检测电容器的端点电压。而电容则是作为整个无功补偿装置的能量储备容器，电容电压会受到补偿电流的影响而增大，但电容电压的平均值却不会受到补偿影响，而仅仅与有功电流的波动有关。这样的无功补偿装置接入牵引电传动系统的单相直流电网中后，为了不使滤波器电容的平均电压受到自身阻抗的影响，电网除了要满足电机负载端的有功电流需求以外，还要单独供应单相有源滤波器本身负载消耗的有功电流。而为了使这个单相有源滤波器在系统中起到自动多挡位投切功能，还需要借助一些硬件技术来实现。首先是在硬件结构上采用了DSP双电路的设计，其中DSP1电路主要负责滤波器与外部设备的串行通信功能，如液晶显示与开关控制;另外一个DSP2电路则负责数据处理业务，利用信号调理电路来收集并分析电压、电流互感器与电压霍尔传感器等电子元件的运行信息。这两个DSP电路的芯片用RAM双端口连接，依靠PWM脉冲信号来实现数据通信功能。同时为了避免脉冲响应不变法带来的频率混叠影响，在数字滤波器上采用了双线性变化法的设计。
4 结束语
文章提及的地铁牵引电传动系统关键技术主要分为3个部分：电制动控制技术、电机矢量控制技术和防滑防空转控制技术。地铁车辆的牵引电传动系统是非常复杂的，实现的功能也是多样的。在我国漫长的轨道交通发展史中，牵引电传动控制技术始终被当作一种核心技术项目来看待。之所以牵引电传动技术能够拥有如此重要的地位，是因为轨道交通动力驱动系统的稳定性安全性需求。正是因为如此，我国地铁牵引电传动技术才需要进一步研究开发，提高地铁车辆的运输性能。
参考文献
[1] 伍赛特.机车电传动系统技术特点及未来发展趋势研究[J].传动技术，2021，35（3）：43-48.
[2] 刘安海，于惠钧，黄星，等.地铁车辆再生制动混合型储能回收装置研究[J].电工技术，2021（1）：1-4.
[3] 赵杨.地铁车辆牵引电传动系统控制关键技术策略探讨[J].工程建设与设计，2019（12）：126-127.
[4] 赵清良，杨浩，谭绍军，等.地铁车辆电传动系统标准化产品平台研制[J].现代城市轨道交通，2019（5）：16-24.
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