城市轨道交通车辆电力牵引与控制课程设计(C车)

1、城市轨道交通车辆电力牵引与控制课程设计（C车）摘要：至今，电气化铁路的发展已走过一百多年的历程。进入21世纪以来，轨道电力牵引在电力电子原件，控制技术等方面已经日趋成熟。本文从我国电力牵引与传动控制的现状出发，介绍了在全系列电力电子器件及应用技术、大功率牵引传动变流装置及其控制系统、列车网络控制系统等关键部件的核心技术成果。并分析了牵引传动及控制技术的未来发展，展望了利用轨道牵引传动及控制核心技术向相关领域的应用前景。关键词：电力电子器件；变流技术；控制技术1. 城市轨道交通车辆电力牵引与控制的发展与现状牵引传动及控制技术是轨道交通机车车辆必须的技术配置，它推动了机车车辆技术的进步，成为高速铁

2、路和重载货运发展的基础。可以说，是否拥有成熟的牵引传动及控制技术，已经成为一个国家铁路技术水平发展程度的衡量标准。同时，牵引传动领域的技术进步和成熟，将辐射到电气自动化、节能等诸多领域，带动相关技术领域共同进步与发展。1.1电力牵引与控制技术的发展 电力牵引作为轨道交通牵引动力的世界性趋势在发展，自1879年德国诞生第一辆电力机车以来，它己登上了牵引动力的首席。与以煤作为动力能源的蒸汽机车牵引和以油作为动力能源的内燃机车牵引相比，电力牵引具有突出的优越性(l0根据所采用传动电机是直流牵弓1电机还是交流牵引电机的不同，电力牵引传动方式可以分为直流传动和交流传动两大类。 到上世纪六七十年代，国际上

3、电力牵引直流传动技术已经发展到了顶峰。然而，长期以来的运用也暴露出了直流传动的弱点和缺陷，那就是受到直流换向的限制，电机的故障率高、检修维护困难、功率和转速难以进一步提升，再加上直流电机效率低、恒功范围窄、粘着利用率低、整车功率因数低。因此，从上世纪70年代国外就开始了交流传动机车的工程化工作。19'79年，第一批工程化的E124系列大功率干线交流传动电力机车研制成功，揭开了交流传动技术发展的序幕。截止上世纪90年代，发达国家己经开始逐渐普及交流传动，不论是高速、干线还是城市轨道交通均采用交流传动动力装置，新造机车车辆己不再装备直流传动的动力装置。交流传动模式有两种，一种是同步传动，另

4、一种是异步传动，后者是目前世界范围内的主流模式，前者仅在前期被法国等少数国家采用过。交流传动克服了直流传动的固有弱点，使轨道牵引动力的发展进入了一个崭新的时代。随着微机控制技术和大功率电力电子器件技术的发展，交流传动技术已经取得了工程化的巨大突破，交流传动单轴功率己达到I800kV'，电机转速己超过4000rlmin,较直流传动几乎提高了一倍，而重量则更轻。新型电力电子器件的出现，GT4晶闸管替代快速晶闸管，以及IGBT. IPM, IGCT等新器件的成功应用;微处理器替代电子模拟控制装置，具有高动态性能的磁场向控制和直接转矩控制方法对转差频率控制方法的更新;冷却方式从风、油、沸腾等介

5、质发展到水冷却等一系列新技术进步。这样就使得轨道电力牵引动力的重载化和高速化得以顺利实现。从过去30年来国际上电力牵引动力发展的历程看，交流传动有优异的牵引一制动特性，可以实现高粘着性能:持续功率大，重量轻、体积小，且有很宽的恒功速度范围，它所能达到的高起动力、大持续功率和宽大的恒功区等特点，使其成为名副其实的“通用型机车”。由于交流传动可以实现功率因数近似1，具有广泛的再生制动功能，很小的对通信干扰作用，大大减少了的维修量和维修成本等优势，使电力牵引动力从直流传动向交流传动转换的步伐不可逆转。中国铁路要实现技术上的跨越，必须尽快完成电力牵弓动力从直流传动向交流传动的转换z-0 从上世纪70年

6、代开始，我国就开始了对交流传动技术的跟踪和研究。经过较长时间的研究和试验，于土世纪90年代初期自主完成了i OOOkW电压型非对称快速晶闸管油冷变流机组和1025kW三相异步牵引电机的研制。1995年6月，株洲电力机车研究所和铁道部科学研究院合作研制成功我国首台干线交流传动原型车AC4000，同年年底在环行试验基地完成了最高速度120krn/h的各项运行试验，实现了我国交流传动电力机车“零”的突破。1998年12月，铁道部提出“争取用十年左右的时间完成直流传动向交流传动转换”的目标，“十年转换”工程对交流传动系统的开发为高速运载工具提供了新的动力。根据国际发展潮流，铁道部又提出2000年为“高

7、速、交传、发展”年。在引进、吸收、消化原则指导下，2000年“九方”号DJ型交流传动高速客运电力机车、“蓝箭”号DJJ1型动力集中式交流传动高速电动车组先后研制成功，2001年“先锋”号DJFi型动力分散式交流传动高速电动车组也相继问世，并都取得了高速运营的经验。2000年11月，“蓝箭”号广深线最高试验速度236km/h，并在广深线承担了“公交化”繁忙商业运营;2001年1月，“九方”号广深线最高试验速度231km/h; 2001年I1月，“先锋”号广深线最高试验速度249.SkrnTh 2002年9月秦沈线最高试验速度292ktxlh。在自主开发方面，2001年起我国相继研制成功了拥有自主

8、知识产权DJ2型“奥星”交流传动高速客运电力机车和DJ12“中华之星，交流传动高速客运电动车组，后者于2002年11月27日在秦沈客运专线试验中，创造了321.5km/h的中国铁路最高速度纪录il。经过铁路科技工作人员多年的努力，我国的交流传动技术取得了很大的进步，但必须看到与世界先进水平相比仍然存在一定的差距，如牵引电机制造技术、牵引控制技术、大功率电力电子模块的制造等方面仍然比较落后，短期内很难达到国际先进水平。2004年初，国务院通过的中长期铁路网规划提出了我国铁路的发展目标为:到2020年，全国铁路营业里程达到IO万公里，主要繁忙干线实现客货分线，复线率和电气化率均达到50，运输能力满

9、足国民经济和社会发展需求，主要技术装备达到或接近国际先进水平。2x04-2005年，按照中央提出的“引进先进技术，联合设计生产，打造中国品牌”的要求l81，铁道部先后与加拿大庞巴迪、日本川崎重工、法国阿尔斯通和德国西门子公司签订高速电动车组引进合同，这四家国外公司分别与国内的青岛BSP公司、四方股份、长客股份和唐山机车车辆厂四家制造商合作生产2007年第六次大提速和未来客运专线所需的200km/h (CRH1, CRH2. CRH5 )和300km/b (CRH3)电动车组;与德国西门子、法国阿尔斯通和日本东芝公司签订大功率电力机车引进合同，这三家国外公司分别与国内的株洲电力机车公司、大同电力

10、机车公司和大连机车车辆公司三家制造商合作生产和谐2Z,和谐2D、和谐3型大功率货运电力机车:并实现外方关键技术和主要配套技术的全面转让。执此难得的机遇，我国的铁路企业和研究机构都在扎实开展电动车组和电力机车关键技术及配套技术的消化吸收再创新工作，以提高我国电动车组和电力机车的制造水平，缩小与原创国家产品的差距，尽快提升我国铁路技术装备的水平。 无论是国外交流传动电力机车、电动车组的引进消化吸收再创新，还是国内交流传动电力机车、电动车组的自我研制生产，都需要对大功率交流传动系统及其部件进行比较全面和深入的试验研究。通过研究性试验、中间试验和验证试验来了解系统与部件的特性以及与外部环境的相互关系;

11、通过试验研究来了解系统与部件、部件与部件的相互关系、匹配条件、优化准则，以确定设计及制造的基本要求。为此，需要对交流传动系统及其部件(包括变流器、异步牵引电机、变流器控制系统等)进行功率相当的测试检验，这就离不开大功率交流传动试验系统。它的使用，对于消化吸收国外先进的交流传动技术，以及为引进交流传动电动车组和电力机车的试验、维护及国产车的研发、试验、维护提供技术平台，因此具有良好的经济和社会效益。1.2电力牵引与控制技术的发展电力牵引技术的现状可从以下五个方面来看：（1）牵引传动制式。牵引传动制式分为直流传动制式和交流传动制式。目前我国干线铁路使用的电力机车仍以直流传动制式为主，交流传动机车虽

12、然已经有了运用，但在电力牵引动力中所占的比重很小。由于交流传动机车性能的优越性，国外的主要机车生产商早已停止了直流传动机车的生产，基本上都是采用交流传动方式的牵引技术。我国铁路牵引的交流传动技术应用才刚刚开始，技术上远未达到成熟的程度。（2）动力配置方式。按牵引动力配置方式可以分为动力集中方式和动力分散方式。动力集中方式就是传统的机车牵引方式，这是我国目前电力牵引的主要模式，也是我国铁路运用比较成熟的牵引模式。动力分散型动车组是日本首创的，动力分散方式是城市地铁牵引模式的进化和发展，是一种发展迅速的牵引模式。欧洲国家近年来也纷纷采用动力分散型动车组的模式。目前我国也已经有了这种牵引模式的动车组

13、，如“中原之星”动车组,“先锋”号动车组以及CRH系列动车组，但无论在技术上还是在运用管理上都只是刚刚起步。（3）运行速度等级。我国已经有了120kmh及以下等级、160kmh等级、200kmh等级、250kmh等级以及300kmh的电力机车或动力分散型动车组。160kmh及其以下等级的机车在技术上已经比较成熟，也有了较为成熟的运用和管理经验；但对于250kmh及其以上等级机车的应用才刚刚开始，技术上也还不够成熟。（4）车载牵引功率。车载功率可以从总功率和单轴功率两个方面来看：我国直流传动机车的车载总功率最大为6400kW(SS4型机车)，单轴功率最大为900kW(SS8型机车)；交流传动机车

14、的车载总功率最大为7200kw(SSJ3型机车)，单轴功率最大为1200kW(“中华之星”动车组)。作为单轴1200kW的交流传动机车来说，已经达到了较高的水平，只是在技术上还不够成熟。（5）牵引控制系统。我国铁路机车已经普遍采用微机作为牵引控制系统，但在直流传动机车上仍有相当数量的模拟电子控制系统。动车组上已经开始使用列车和车厢的通信网络实现控制和信息交换，初步形成了分布式控制的雏形。但目前还没有我们自己的、成熟可靠的微机控制系统产品，控制网络的应用尚待完善。以上诸方面的关系是相互交叉和相容的。根据上述分析，可以说我国铁路在电力牵引的技术方面已经基本达到或接近国际先进水平，只是在技术的成熟度

15、和产品的可靠性方面需要进一步提高。总的来说目前在电力牵引系统方面，“中华之星”和“先锋”号动车组的技术含量相当高，已经试验运行了50多万km，有很多经验可以借鉴，而作为中国铁路第六次大提速上线运行的动车组和谐号动车组的技术，可以作为我国牵引动力技术最高水平的代表。总图主变流器模块辅助变流器模块三相输出滤波器，包括变压器ACM 电抗器机械驱动系统，包括牵引电机主变流器模块高压设备MCM 电抗器 (B)MCM 电抗器(C)机械驱动系统包括牵引电机蓄电池充电器ABC2.牵引系统主图3城市轨道交通车辆电力牵引与控制原理主要通过以下步骤：a.电网通过受电弓给车辆供电；b.通过高压元件和线路滤波器，供给M

16、CM 1500V的直流电压；c.MCM把直流电转换成变压变频的交流电，用来驱动电机；d.牵引电机把电能转换成机械力矩，使轮轴转动。3.1 牵引与制动特性轨道交通工具的牵引/制动特性是其最基本、最重要的性能，它包括运输装备的持续运行速度、最高运行速度、牵引/制动力特性以及装备的加速性能。目前，在轨道交通工具减速制动时通常优先采用再生制动，将电机回馈的电能通过变流装置回馈给电网，以实现可持续发展，节能环保。在系统研究与实际工程应用中，采用高功率密度变流装置、变压器、牵引电机和直接转矩控制等先进电机控制策略，在实现对电机的牵引/制动特性准确控制的同时，获得毫秒级的转矩阶跃动态响应性能，以提高控制效率

17、。3.2 粘着特性轮轨间的粘着特性决定了轨道交通工具所能获得的最大牵引力及制动力，直接影响其性能。试验表明，轮轨粘着特性具有相当的随机性，有显著地非线性特征，而且在不同的气候条件、轨道曲线半径和轨面清洁度时也截然不同。怎样使轨道交通工具的牵引力在不同工作条件下都能逼近所容许的最大牵引力是当前的一个重要课题。目前，在理论研究与工程应用中普遍采取了独创的、先进的自适应粘着控制策略，采用线性系统理论，通过对牵引力的测量与计算，间接地获取粘着特性曲线斜率，实现最佳粘着利用。3.3 弓网关系电力牵引轨道交通工具时，从接触网取电，转换成机械能进行驱动是轨道交通工具正常工作的必要条件。目前，再生制动，即列车

18、制动的同时将机械能转换为电能，向电网回馈能量，也必须有良好的弓网关系。牵引系统必须与电网友好匹配，即：低干扰电流、高功率因数、4QS运行等。由于接触网的不平顺或受电弓的振动，会出现“跳弓”现象。“跳弓”现象，即受电弓与接触网导线在几十个毫秒瞬时离开。“跳弓”现象在电力机车（包括动车组）是很常见的现象。当发生“跳弓”时，通常会出现变流器瞬时过压、过流，甚至损坏器件的现象。在探索、掌握高动态响应、高系统稳定性、高性能指标的主电路参数和控制理论基础上，通过高速硬件平台微秒级的快速采集网侧电量信号，检测到信号发生变化后，四象限和电机控制系统必须快速地对控制参数进行及时调整，以保证变流装置能稳定正常工作

19、，适应各种极端的运行工况，实现高可靠性的工程应用，这是目前弓网系统发展的趋势。3.4 环境条件轨道交通的现场工作环境条件极其复杂，振动与冲击、环境温度与湿度、海拔高度、耐腐蚀性以及抵抗风雪雨等指标都远高于普通的工业应用。以青藏铁路为例，铁路系统通常在高原缺氧，高原低温，高原强紫外线辐射，高原冻土等环境下工作，对各种列车设备及控制系统的可靠性提出了很高的要求。4城市轨道交通车辆电力牵引与控制部件组成1 主要通过以下6部分组成：2主变流器模块、冷却系统、DC回路、8台牵引电机、8个联轴节、8个齿轮。2 电气牵引系统包括：线路滤波器元器件、主变流器模块， MCM包括：（牵引逆变器、控制计算机、DCU

20、/M、过压/制动斩波器）、接地故障检测、线路跳闸继电器、牵引安全功能。3 主要部分缩写：ACM 辅助变流器模块AX 模拟输入/输出DCU 驱动控制单元DX 数字输入/输出GDU 门极驱动单元IGBT 绝缘栅双极晶体管LCB 线路断路器MCM 主变流器模块MVB 多功能列车总线PA 牵引与辅助PH 牵引和高压VTCU 列车计算机单元TM 牵引电机4.1变流装置的发展4.1.1 电力电子器件及其应用技术大功率电力电子器件及其相关新型半导体材料的研究，一直是电力电子行业极为活跃的领域。大功率电力电子器件的发展，已经从最初的晶闸管，GTO，GTR，发展到如今的IGBT、IGCT、IPM，每一代器件决定

21、了一代装置。电力电子器件已经在国家节能减排、建设节约型社会中发挥着不可替代的作用。4.1.2 GTO晶闸管一直到70 年代末期，晶闸管始终是大功率应用领域中的主力军。但运行经验证实 GTO 存在-些明显的缺点: (1) 典型的关断增益在3 到5 之间，要求很大的门极关断电流，门极单元复杂，驱动功率大 (2) 必须配置复杂而臃肿的开关吸收电路 (3) 开关频率仅限于200 Hz300Hz。为了克服这些缺陷，当前在电力电子器件领域存在两种创新途径: 第一种是对传统GTO 晶闸管进行结构和工艺上的革新，衍生出新的器件，其中特别值得提出的是IGCT; 第二种是采用混合集成技术，把两种器件结合在一起构成

22、新的器件，使其具有两种器件的综合性能，鉴于Power-MOSFET( 电力场效应晶体管) 的控制功率比双极型晶体管小得多，并具有较高的开关频率，利用它可改进电力电子器件的开关性能，简化门极电路，从而产生了一些新的器件，如MOS 控制的晶闸管(MCT) ，注入增强型门极晶体管( IEGT) ，射极关断晶闸管(ETO)。 而由MOSFET 和双极型晶体管复合组成的IGBT器件，自90年代以来逐步在牵引领域替代原来GTO 的市场地位。4.1.3 IGCT( 集成门极换相晶闸管)IGCT 是改进结构的GTO( 即G T)与具有极低电感的门极驱动单元的集成。 在保存GTO晶闸管的高性能价格比和可靠性的同

23、时，还采取了一系列措施:(1) 采用新的门极控制技术强驱动。采用更大的门极控制电流和电流上升率dz/dt 可显著提高GTO的性能，使器件在承受阻断电压之前，全部阳极电流快速地从阴极转移到门极。也就是说，器件在1MS内从通态压降低、损耗小的PNPN晶闸管状态变换成关断性能好的PNP晶体管状态。因之，有可能不需要关断吸收电路。 (2)采用缓冲层结构，并以较薄的阳极透明发射极替代传统的阳极短路结构。 缓冲层是位于N基区和阳极之间的附加N层，其好处在于使PN结阻断状态下N基区中的电场呈梯形而非三角形。因此在保持相同的阻断电压的前提下，硅片厚度减少3%40%，通态和动态能耗也随之减少。透明发射极可让电子

24、在其中以极高的穿透几率通过，但不会同时引发空穴注入。这样，既能降低关断损耗，又不需要大的门极触发电流( 几乎减少一个数量级) 。 ( 3) 把续流二极管集成于一体。4.1.4 IGBT（绝缘门极双极型晶体管）绝缘门极双极型晶体管（IGBT），它是按照集成电路的工艺制造出来的，由MOSFET 和双极型晶体管复合组成。IGBT具有电压驱动、不需要复杂的吸收电路、由它们构成的逆变器的成本和体积比同等GTO 小、提高了开关频率并减少谐波等优点。IGBT取代GTO 已成为不争的事实，以下的几个因素更巩固了其地位：第一、选择热膨胀系数更接近的材料作为器件中的衬底和底板，减少了因焊接结构和疲劳带来的故障，提

25、高了可靠性。第二、阻断电压（6.5 kV）和容量的提高，已可与GTO 并驾齐驱。另外，通过更精确的表面图形设计和扩散工艺的改进，进一步改善了IGBT的性能，新开发的CSTBT（载流子存贮挖槽栅双极型晶体管）与传统的IGBT 相比，通态压降较小，驱动功率减少，耐短路电流能力提高，而电压UCE（Sat）具有正温度系数的特点使其更易于并联。IGBT 器件主要有两种型式：焊接式的模块和压接式的平板型结构。后者在外观上很像一个普通的晶闸管。基于设计规范化和降低生产成本的考虑，集成式结构是这种器件的一大特点。把IGBT 器件及其反并联二极管、门极控制单元、保护监测装置、引线甚至水冷散热器集成在一个模块中，

26、构成一个开关组件（半相电路）。此外，还可以进一步把逆变器同一相电路的上、下两组件集成在一起，成为半成品的相构件。如何使所开发的变流器具有更广泛的适应性、满足不同供电模式（包括25 kV 50 Hz 15 kV 16.7 Hz 和直流3.0 kV 与1.5 kV）的要求，是目前IGBT发展的趋势。4.2 IPM智能功率模块4.2.1 IPM简述IPM（Intelligent Power Module），即智能功率模块，不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起。而且还内藏有过电压，过电流和过热等故障检测电路，并可将检测信号送到CPU。它由高速低功耗的管芯和优化的门极驱动电路以及快速保护电路构成。即使

27、发生负载事故或使用不当，也可以保证IPM自身不受损坏。IPM一般使用IGBT作为功率开关元件，内藏电流传感器及驱动电路的集成结构。IPM以其高可靠性，使用方便赢得越来越大的市场，尤其适合于驱动电机的变频器和各种逆变电源，是变频调速，冶金机械，电力牵引，伺服驱动，变频家电的一种非常理想的电力电子器件。4.2.2 IPM与IGBT对比IPM与以往IGBT模块及驱动电路的组件相比具有如下特点： (1) 内含驱动电路。设定了最佳的IGBT驱动条件，驱动电路与IGBT间的距离很短，输出阻抗很低，因此，不需要加反向偏压。所需电源为下桥臂1组，上桥臂3组，共4组。 (2) 内含过电流保护(OC)、短路保护(

28、SC)。由于是通过检测各GBT集电极电流实现保护的，故不管哪个IGBT发生异常，都能保护，特别是下桥臂短路和对地短路的保护。 (3) 内含驱动电源欠电压保护(UV)。每个驱动电路都具有UV保护功能。当驱动电源电压UCC小于规定值UV时，产生欠电压保护。 (4) 内含过热保护(OH)。OH是防止IGBT、FRD(快恢复二极管)过热的保护功能。IPM内部的绝缘基板上没有温度检测元件，检测绝缘基板温度Tcoh(IGBT、FRD芯片异常发热后的保护动作时间比较慢)。RIPM进一步在各IGBT芯片内没有温度检测元件，对于芯片的异常发热能高速实现OH保护。 (5) 内含报警输出(ALM)。ALM是向外部输

29、出故障报警的一种功能，当OH及下桥臂OC、Tjoh、UV保护动作时，通过向控制IPM的微机输出异常信号，能切实停止系统。 (6) 内含制动电路。和逆变桥一样，内含IGBT、FRD、驱动4.3 控制技术的发展4.3.1 pWM控制技术脉冲宽度调制技术（PWM）是现代变流技术广泛应用的起点，是奠定绿色变频节能的基础。PWM（Pulse Width Modulation）控制技术就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值），从而实现交流到直流，直流到交流的能量变换。面积等效原理是PWM技术的重要基础理论。通常采用的空间矢量脉宽调制（SVP

30、WM）技术在三相对称正弦波电压供电时，以合成旋转的空间电压矢量为参考，三相逆变器8种不同开关模式电压矢量合成参考电压矢量，形成PWM波。SVPWM技术具有如下特点： (1) 在每个小区间虽有多次开关切换，但每次开关切换只涉及一个器件，所以开关损耗小。 (2) 利用电压空间矢量直接生成三相PWM波，计算简单。 (3) 逆变器输出线电压基波最大值为直流侧电压，比一般的SPWM逆变器输出电压高15%。在高压大功率变流应用场合，开关频率低是一个显著特点。以变频电机控制为例，随着电机频率的增加，当开关频率/电机频率小于10 Hz时，如果仍然采用普通异步调制技术将导致电机谐波转矩显著加大，此时采用同步脉宽

31、调制技术可保证三相电流波形的对称，降低尖峰电流和转矩脉动。同步调制技术实际工程应用异常复杂，必须保证各种模式平滑切换，避免给系统带来的功率冲击。4.3.2 传动控制技术传动控制技术是牵引传动的核心技术。主要有转差频率控制，矢量控制和直接转矩控制三种方式。目前，转差频率控制已逐渐被淘汰。4.3.3 转差频率控制转差频率控制技术是一种早期的用于控制交流异步电机的方法，基于异步电动机的稳态数学模型，控制性能远不能与直流调速系统相媲美，系统的动态性能差，已不能适应现代传动控制要求，故逐步被矢量控制与直接转矩控制等方式取代。4.3.4 矢量控制矢量控制，又称为磁场定向控制（FOC），在上世纪70年代由西

32、门子工程师F.Blaschke首先提出。矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量 (励磁电流) 和产生转矩的电流分量 (转矩电流) 分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。矢量控制策略存在一些固有缺点，比如转子磁链难以准确观测，对电机参数比较敏感，实际工程应用时矢量控制必须具备异步电动机参数自动辨识功能。矢量控制与直接转矩控制在应用领域各有侧重，矢量控制适用于宽

33、范围调速系统和伺服系统，而直接转矩控制适用于需要快速转矩响应的大惯量运动控制系统。矢量控制具有直接的电流闭环控制特点，电流控制的稳定性高，有独立的PWM调制单元，决定其转矩控制结果是一个开关周期内的平均值。如果在大功率低开关频率应用时，高速区必须采用同步调制技术。同步调制技术与直接转矩控制相比，在一些重要指标上不如直接转矩控制，如开关频率利用，逆变器峰值电流，电机谐波损耗等。所以通常在小功率高开关频率场合应用矢量控制，在大功率低开关频率场合应用直接转矩控制。4.3.5 直接转矩控制直接转矩控制技术是继矢量控制技术之后发展起来的一种高性能异步电动机变频调速技术。这种“直接自控制”的思想以转矩为中

34、心来进行综合控制，不仅控制转矩，也用于磁链量的控制和磁链自控制。直接转矩控制与矢量控制的区别是，它不是通过控制电流、磁链等量间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量控制，其实质是用空间矢量的分析方法，以定子磁场定向方式，对定子磁链和电磁转矩进行直接控制的。这种方法不需要复杂的坐标变换，而是直接在电机定子坐标上计算磁链的模和转矩的大小，并通过磁链和转矩的直接跟踪实现PWM脉宽调制和系统的高动态性能。直接转矩控制可以充分利用逆变器的开关频率，从而特别适用于大功率牵引传动领域。目前，通过对直接转矩控制的深入理论分析和试验研究，掌握了转矩磁链动态开关控制、定子磁链的轨迹优化控制、最佳开关频率利用控制、恒

35、功区的动态弱磁控制等核心技术，该技术已经大批量应用于干线电力机车（如“和谐”型7 200 kW交流电力机车）、城市轨道交通领域（如上海地铁1号线、北京房山线，深圳5号线，沈阳2号线等）。4.3.6 其他控制技术变流器+异步电机的模式已成为现代轨道交通牵引的主流模式。但是，此牵引系统产生的谐波及无功分量会增加电网的电流容量，同时也造成资源的浪费。为了迎合绿色节能的可持续发展理念，必须采用高性能的网侧控制技术及高效的主电路形式。4.3.7 四象限脉冲整流技术牵引变流器的输入端是与电网密切相联的整流器，它既能把电能从电网送到变流器和负载，也能把负载和变流器运行中产生的“垃圾”（谐波、无功分量）带入电

36、网。为了彻底解决电能品质问题，只有在牵引传动系统才采用四象限脉冲整流技术，以达到对电网侧的高功率因数控制的目的。通过长期的理论分析和实际应用经验积累，掌握了高性能的四象限控制策略，采用基于瞬态电流的控制算法，通过精确的网压锁相检测，实现了电网电压与电网电流同相位、低谐波电流、高稳定的直流电压的目标，开发出独特的功率因数闭环跟踪控制技术，可以在低至20%的额定负载时，仍可以将网侧功率因数保持在98%以上，同时有效控制电网电流中的谐波分量。该项技术已经批量应用于和谐号大功率电力机车、国家电网柔性输电工程及变电所无功补偿装置等项目。4.3.8 软开关技术目前，牵引变流器中辅助变流器选择较高的开关频率

37、，这样有助于改善系统性能，减少谐波含量、降低电磁干扰和音频噪声。但问题是这样会使变流器系统效率降低，增加额外耗能，同时也会引发电磁干扰。软开关技术是使变流器得以高频化的重要技术之一, 它应用谐振的原理, 使开关器件中的电流(或电压) 按正弦或准正弦规律变化。当电流自然过零时, 使器件关断(或电压为零时, 使器件开通) , 从而减少开关损耗。它不仅可以解决硬开关变换器中的硬开关损耗问题、容性开通问题、感性关断问题及二极管反向恢复问题, 而且还能解决由硬开关引起的EMI 等问题。但是在电路中并联或串联谐振网络, 势必产生谐振损耗, 并使电路受到固有问题的影响。为此, 人们在谐振技术和无损耗缓冲电路

38、的基础上提出了组合软开关功率变换器的理论。组合软开关技术结合了无损耗吸收技术与谐振式零电压技术、零电流技术的优点, 其基本原理是通过辅助管实现部分主管的零电流关断或零电压开通, 主管的其余软开关则是由无损耗吸收网络来加以实现, 吸收能量恢复电路被ZCT、ZVT谐振电路所取代, 辅助管的软开关则是由无损耗吸收网络或管电压、电流自然过零来加以实现。换言之, 即电路中既可以存在零电压开通, 也可以存在零电流关断, 同时既可以包含零电流开通, 也可以包含零电压关断, 是这四种状态的任意组合。由此可见, 由无损耗缓冲技术和谐振技术组合而成的新型软开关技术将成为新的发展趋势。此项技术已经广泛应用于城轨车辆

39、、铁路客车、动车组、电力机车的辅助变流器以及光伏发电逆变器等相关拓展领域。5. 城市轨道交通车辆电力牵引与控制部件作用5.1高压设备（1） 1线路断路器和1充电回路，把牵引系统与直流供电电压相连接/断开。（2） 充电回路对DC回路电容进行充电。（3） 每个充电回路由下列组成：1) 1充电电阻；2) 1充电接触器；3) 1分离接触器.；（4） PH和PA箱 PH箱包括：1. 1 主变流器模块2. 1 充电回路3. 1 接地故障检测传感器4. 1 线路电抗器5. 2 线路断路器6. 1 接地开关7. 1 二极管8. 保护用的熔断器9. 1 车间供电接触器10. 1 车间供电插座11. 1 I/O单

40、元12. 1 外部风扇13. 1 内部风扇PA箱包括：1. 1 主变流器模块2. 1 辅助变流器模块3. 2 充电回路4. 1 接地故障传感器5. 1 外部风扇6. 2 内部风扇7. ACM输出滤波器，包括变压器5.2牵引系统 DC回路1) 保持直流侧电压稳定2) 电压源3) 能量缓冲器4) 组成:1 线路滤波电容器2 每变流器里包含1个3 线路滤波电抗器4 每变流器里包含1个5.3主变流器模块, MCM 功能（1） MCM把直流电转换成三相变压变频的交流电；（1） 牵引或制动牵引电机：DC+DC-制动电阻连接到牵引电机线路滤波电容器制动斩波器VVVF逆变器5.4主变流器模块- MCM1. 主

41、变流器模块：类型: ICON-M 2. 包括:1 1DC 回路电容器2 三相逆变器3 2制动斩波器4 1 DCU/M5 1电源单元6 IGBT 门极驱动单元7 2个用于检测输出相电流的电流传感器8 1个用于检测DC回路电流的电流传感器9 1个用于检测DC回路电压的电压传感器10 放电电阻门极驱动单元来自 DCU的光信号U U相IGBT 模块DC+DC -+ 24 V DC0 V DC+ 24 V DC0 V DC相电压门极驱动单元5.4.1 MCM 脉冲模块5.4.2 MCM 相电流5.4.3 MCM 给电机的电压020406080100120140160180050100150200牵引能量

42、kNTE (kN) Max.TE(kN) Cont.5.4.4 MCM 转矩参考值1) 调节司控器手柄得到所需的速度2) 列车计算机对负载和冲击率进行补偿3) 控制计算机使转矩参考值适应各自的轮轴对5.4.5 MCM 控制计算机5.5 DCU/M 功能5.5.1 控制和监控MCM的大部分功能：1 DC回路电容器的放电2 转矩3 RPM4 车轮空转保护5 过压保护6 过流保护7 温度8 测试功能5.5.2 DCU/M 与VTCU间的信号：1.输入到DCU/M ： 充电命令、激活命令、列车牵引方向、牵引/制动力参考值、列车实际速度。2.输出到VTCU : 达到的牵引/制动力、可用的制动力、轮轴速度

43、、故障指示。5.6MCM 过压保护相同的设备也进行过压保护：a. DC回路电压> 1950 VDC回路电容器通过过压斩波器进行放电，能量由过压电阻消耗。b. DC回路电压下降到 < 1850 V过压斩波器自动停止工作。c. 非正常运行通过过压斩波器IGBT的电压被监控；过压电阻的温度被监控。a. 过压保护(OVP)：1 防止MCM电压冲击2 在牵引和制动模式时激活，在电制动时关闭b. 在OVP模式下，只要DC回路检测到高压，斩波器就被激活，此时斩波器不是PWM控制；c. 如果DC回路电压继续上升到大于过压等级，DC回路显示过压并且施加保护关断；d. 如果在正常运行时DC回路电压小于

44、欠压等级，DC回路显示欠压并且施加保护闭锁。5.7 接地故障检测（1） 、接地故障检测装置可以检测到DC回路的任何接地故障，在运行期间，从DC供电到牵引电机的定子绕组的接地故障可被检测。（2） 、在MCM的DC+ 与DC-上安装了一个接地故障传感器，并将流进变流器的直流电与回流电流进行比较，如果电流的差值超过规定等级，接地故障在DCU/M上显示。MCM 非正常运行：使MCM失效的故障.=> 列车丧失25的牵引能力1 IGBT or GDU故障2 电流传感器或温度传感器损坏3 故障导致高相电流故障减少功率输出重复故障使MCM失效:=>25-50 % 牵引能量丧失. 1 瞬时相电流限制2 IGBT / 电机高温 3 DC回路电压纹波很大4 车轮空转重大故障:a. 主电路故障导致DC回路短路.b. 电压传感器，电压单元或DCU/M损坏.6.牵引系统与控制总体图ABC牵引与控制图（C车）7.总结今天，随着我国铁路事业日渐发展，轨道电力牵引在电力电子原件，控制技术等方面已经日趋成熟。这标志着我国铁路事业已经进入成熟阶段，我国花费了很多时间来研究变流装置、控制技术、列车通信网络控制技术等技术，我们也取的了比较好的效果，在很多方面都有突破。比如DTECS模块列车通信网络控制技术，它是基于ITC61375-1