轨道交通车辆牵引控制发展现状与趋势研究

薛广治 李鹤彬

摘 要：为了实现现代轨道交通车辆牵引控制的现代化，需要引入牵引控制的系统操作。在现阶段的发展当中，轨道交通车辆所采用的数字控制技术已经趋于淘汰，取而代之的是通过计算机系统控制的电气牵引，这种牵引方式能够通过计算机系统完成自检，从而达到自控的目标。同时，自主控制还能够进行智能化的信号处理、信号输出，并利用数据传输完成对车辆的控制，对轨道交通来说具有极高的应用价值。

关键词：轨道交通;牵引控制

一、轨道交通牵引技术发展和应用

1.牵引传动的发展

目前城市轨道交通车辆所选用的能源方式大部分为电能，在传动技术研究中，针对城市轨道交通的牵引方式，根据电流特点的不同可以分为直流传动和交流传动两种主要的传动方式，原理为通过电力能源进入到电力发动机，由发动机完成对车辆的牵引。其中直流牵引发动机结构复杂，一般需要通过半控型晶闸管完成对直流的斩波，从而使斩波调压与相控调压相结合。随着技术的发展，异步电机的交流传动应用于轨道车辆牵引传动当中，并随着变频变压的电压逆变器问世，使得交流传动成为主要牵引技术，直流传动车辆在1990年代便在欧洲国家停产，并退出了历史舞台。

2.牵引技术的运用

交流传动方式是现阶段最为主要的车辆牵引技术，它通过牵引变流器来实现对轨道车辆的控制。为了能够实现牵引变流，需要在车辆设计当中运用变频器，从而弥补电压等级不足等问题。例如德国和日本就分别才用过1200V和1700V的三电平逆变器，随着发展，这种逆变器加入了高压模块，输出波形更加。与此同时，为了实现对行车速度和停车方式的控制，还需要在交流传动当中加入速度传感器和全电制动，保证电气牵引的灵活和可靠。

二、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;車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。

现代列车控制和诊断系统都采用车载网络系统。列车网络系统基本特性主要体现在实时性、确定性、可靠性和安全性（包括安全完整性与信息安全）等;其应用特性主要包括：实现列车动态解编的通信网络初运行，监视数据、过程数据、消息数据、流数据的实现等。

故障诊断与网络系统以及传感技术的结合，使得列车级诊断-车辆级诊断-设备诊断分级诊断综合系统的建立成为现实，并扩展到车地一体化的远程综合系统。

三、现代列车牵引控制系统技术体系

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的基础是现代数学与计算科学、计算机科学、微电子科学以及传感检测理论与控制理论等。网侧控制、电机控制和粘着控制是现代交流传动系统牵引控制的核心，控制策略决定了电传动系统的技术性能。网侧变流器先后经历了二极管器件不可控整流、相控整流和四象限脉冲整流器3个阶段。四象限脉冲整流器实际上是一个交、直流侧均可控的四象限运行变流装置，其通过多重化等手段可以实现网侧电流的谐波抑制，使得整流器输入电流与输入电压均为高度正弦化，避免谐波对电网的污染。牵引电机是列车电气传动系统机电能量转换的核心，其控制方法包括异步电机转差频率控制、转子磁场定向矢量控制、异步电机直接转矩控制以及直接自控制等。目前，在列车上开始使用无速度传感器控制技术、永磁牵引电机牵引系统控制技术和优化的列车粘着利用控制技术等。

2.列车通信网络技术体系

列车通信网络TCN的基本模型采用开放系统互联OSI模型。为了保证过程数据在确定的较小时延下能够被及时发送与确认接收，TCN实时协议省略了网络层、传输层、会话层和表示层，只保留了链路层和应用层;而消息数据按需传输，传输需要建立连接，保留OSI模型中的网络层、传输层、会话层和表示层。

3.RAMS保障技术

RAMS包括可靠性、可用性、维修性和安全性等几个方面。其工程化技术体系是在系统保证计划总体要求的指导下展开的。系统保证计划规划需要开展的RAMS工作、可靠性设计技术包括可靠性建模、可靠性分配和预计等。

以可靠性为中心的维修RCM是目前国际上通用的、用以确定产品预防性维修需求、优化维修制度的一种系统工程方法，以维修停机损失最小为目标优化系统的维修策略。产品安全性设计从安全需求转化为对各过程的风险分析、控制，从而实现产品“故障安全”的过程。安全性分析关键技术包括：故障模式、影响与危害性分析FMECA、初步危害分析PHA及事件树分析ETA等。

四、结语

第二次产业革命的需要与蒸汽机技术的出现，18世纪初世界上第一条铁路应运而生。在最近2个世纪的时间里，铁路列车的牵引动力经历了从蒸汽机、内燃机到电力牵引的变革，其中电力牵引又经历了交直传动到交流传动的发展，牵引控制技术也随之变革。本文主要讨论了其技术发展过程、现状和趋势。

参考文献：

[1]李志军 地铁列车牵引制动小型模拟试验装置设计 《科学与财富》-2017 年第9期.

[2]陈锋 地铁车辆牵引传动系统检测与保护电路的设计与实现 《城市建设理论研究》-2017年第4期.