轨道车辆电力控制技术的进化

【摘要】控制技术是城市轨道车辆系统里的不可或缺的一个部分，对于整个轨道车辆系统性能的保证与提升起着重要的作用。本文结合了历代国产轨道车辆的研究历程，提出了轨道车辆电力控制系统的关键技术突破，阐述了我国轨道车辆电力控制技术的发展历程。

【关键词】轨道车辆；电力控制系统；发展

轨道车辆是一种较为环保的大客流量交通工具，能够有效的解决困扰全世界各个大中型城市的交通问题。随着我国经济水平的稳步增长，城市化、机动化的进程也日益加快，越来越多的城市已经拥有或者正在、即将修建轨道交通系统，对于轨道交通的需求也越来越大。电力控制技术是轨道车辆的核心技术之一，对于整个轨道车辆系统性能的保证与提升起着重要的作用。

一、电力控制系统的关键技术突破

1.脉冲宽度调制技术（PWM）

PWM技术是利用开关器件的导通与断路，把直流电压变为交流脉冲，并通过改变交流脉冲的占空比实现电压与频率的等效输出的一种控制技术。PWM技术的为交流传动的应用开辟了新的局面。在实际应用中，对于三相对称正弦波供电往往通过采用空间矢量脉冲调制技术（SVPWM），通过三相逆变器的不同开关模式形成所需要的PWM波。轨道车辆系统的电力输出功率较大、电压较高、开关频率较低，传统的异步调制技术会明显增大电机的谐波转矩，而同步脉宽调制技术则可以降低尖峰电流，抑制转矩脉动，让电流波形保持对称。

2.传动控制技术

（1）转差频率控制技术

转差频率控制技术是基于交流异步电动机稳态运行的模型，在控制系统中安装速度传感器，对定子电流的频率以及电流进行控制，实现励磁电流控制。这种方法在80年代的轨道车辆中广泛应用，但是由于其反应速度慢，调速性能也比较差，现在已经淘汰。

（2）矢量控制技术

矢量控制，或称为磁场定向控制，是根据磁场定向原理对交流异步电机的定子电流进行测量，将其分解为励磁电流和转矩电流这两个矢量分别加以控制，从而实现对异步电动机转矩的控制，因而称为矢量控制。矢量控制需要准确的获取被控异步电动机的工作参数，目前，新型的矢量控制变频器已经具有异步电动机的参数识别以及自适应功能，进行有效的控制。采用矢量控制技术的变频器的调速范围较大，达到了直流电动机的水平，可以快速的控制电动机的输出转矩，瞬时特性较好，对空转、滑行等现象能够及时的进行反应。

（3）直接转矩控制技术

与矢量控制技术相比，直接转矩控制技术与不需要进行坐标变换，通过对转矩和磁链的直接控制，间接的控制电流，它的结构简单，控制响应快，因其可以充分的利用变流器的开关频率，尤其适用于输出功率较大的传动控制。

3.绿色低碳技术

目前，轨道车辆主要采用了变流器+异步牵引电机的模式，如果不加以控制，牵引系统运行时产生的谐波和无功分量会对严重污染整个电网，增加了电网容量，提高了设备负担，影响了整个电网运行的稳定性。以四象限脉冲整流技术、软开关技术等为代表的绿色低碳技术可以提高电网侧的功率系数，减少谐波含量，降低电磁干扰，从而提高资源利用效能，保护环境，实现轨道车辆系统的低碳化。

二、电力控制系统的发展历程

早在本世纪60年代末、70年代初，株洲电力机车研究所的科技人员对SS2型试验用电力机车成功地进行了相控改造，为我国轨道车辆的控制技术的发展奠定了基础。经过不断的改进与完善，于1978年竣工的6轴SS3型电力机车上，采用了较为成熟的，以分立器件为主体的第一代轨道车辆模拟电子线路控制系统。与现代技术相比，这套系统在设计上存在着一些不足，主要体现在：

（1）电路板密度比较低，控制精度以及可靠性都比较差，电路板无法相互更换，调整的难度大。

（2）控制功能比较简单，没有功率因数补偿等功能。

（3）系统的抗干扰性能较差，整个系统没有对高低电位进行隔离、屏蔽，缺乏过电压吸收、滤波等抗干扰措施。

80年代我国从欧洲50Hz集团引进了8K型电力机车，并在此基础上开发出了新一代轨道车辆电子控制装置，达到国际80年代初水平，其主要特点有：

（1）控制系统主要以新一代数、模集成电路为主。在系统电路设计方面，采用了高精度霍尔电流等精密措施，有效的提高了电路板的精度。

（2）控制系统的功能全面，充分考虑了各方面的控制需求，具有特性控制、重联，可对功率因数进行补偿等，保护功能也较为完备。

（3）采用了符合IEC标准的相关设计，具有良好的防尘、防潮、防震和电磁屏蔽以及抗干扰性能。

第三代轨道车辆控制技术是以微型计算机技术为核心的新一代控制技术，于1991年底首次在SS438号车上装车运行考核，得到了广泛的运用，其特点主要有：

（1）硬件标准化程度高，不同的参数、控制特性及功能只需在软件上区别，系统的通用性和灵活性好。

（2）微机控制系统的智能化程度明显提高，可以对其主要部件进行实时监测和显示，具有故障诊断功能，有利于确认系统的工作状态。

（3）微机控制系统的可靠性大大提高，平均无故障工作时间（MTBF）较以前的4000小时提升到近1万小时。

三、结束语

随着电力电子技术的发展以及控制技术的日益更新，我国轨道车辆的控制技术也在稳步发展。为了满足市场的需求，跟上世界先进控制系统的发展趋势，需要我们科研工作者的不懈努力。以先进、安全、可靠的原则，通过技术创新，逐步完善我国的轨道车辆的控制体系，提供一个可行的解决方案，是我们在研究工作中不断努力追求的永恒主题。

参考文献

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