（电力电子与电力传动专业论文）直线电机轨道交通牵引传动系统研究.pdf

流能耗制动相结合的复合制动控制策略，并对复合制动过程中的能量损耗进行了 分析。仿真结果表明本文所提出的复合制动控制策略应用到直线电机轨道交通中 时在制动工况下可以有效的抑制直流侧电压的泵升。结合北京奥运机场线的特点 及先前所提出的复合制动控制策略的思想，本文给出了优化北京奥运机场线制动 模式的建议。 关键词：直线电机轨道交通，直线感应电机，矢量控制，滑模变结构控制，互馈 试验系统，效率优化控制，再生制动，制动模式 分类号：t m 9 2 1 2t m 3 5 9 4 i 匕塞交道太堂煌堂焦论塞一 旦s ! 基g ! a bs t r a c t a b s t r a c t ：t h el i n e a ri n d u c t i o nm o t o r ( l i m ) r a i lt r a n s i ts y s t e mi sd e v e l o p e d q u i c k l yi nc h i n a ，i ti sn e c e s s a r yt or e s e a r c ht h ed r i v es y s t e mo ft h el i mr a i l t r a n s i t s y s t e m t h i sd i s s e r t a t i o np r o b e si n t ot h el i md r i v es y s t e m p r o d u c t i v er e s e a r c hl e a d st o f i n d i n g si nt h ef o l l o w i n gs c o p e s ：r e c i p r o c a lp o w e r - f e dt e s tr i gf o rl i md r i v es y s t e m ， h i g hp e r f o r m a n c ec o n t r o ls t r a t e g yf o rl i m ，o p t i m a le f f i c i e n c yc o n t r o lo fl i m ，a n d o p t i m i z eb r a k i n gm o d e lo fl i mr a i lt r a n s i ts y s t e m t h ee n de f f e c t sa n dv e r t i c a lf o r c ec h a r a c t e r i s t i e so fl i n e a ri n d u c t i o nm o t o ra l e r e s e a r c h e dw i t hf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm e t h o d ，a n dt h ec u r v e so ft h ee l e c t r o m a g n e t i c f o r c ea l eg o t b e c a u s et h ea i rg a po fl i mi se a s i l yc h a n g ew h e nt h ev e h i c l e sa r em o v e ， s ot h a tt h ec o n t r o lp e r f o r m a n c eo fl i mi sa f f e c t e d av e c t o rc o n t r o lm e t h o db a s e do n a c o m b i n e ds l i d i n g - m o d ev a r i a b l es t r u c t u r ec u r r e n tc o n t r o l l e ri sp r o p o s e df o rt h ea b o v e q u e s t i o n s i m u l a t i o na n dt e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dc o n t r o ls t r a t e g yh a sg o o d s t e a d y - s t a t ep e r f o r m a n c e ，g o o df e a t u r e so fs p e e da n dl o a df o r c ea d j u s t m e n tw h e nt h ea i r g a po fl i m i sc h a n g e d a f t e ra n a l y z i n gt h ed e v e l o p m e n to ft h et e s tr i gf o rl i mr a i lt r a n s i ts y s t e m ，an e w r e c i p r o c a lp o w e r - f e dt e s ts y s t e mf o rl i m i sp r o p o s e d t h ew o r kp r i n c i p l ea n de n e r g y c o n s e r v i n gp r i n c i p l eo ft h es y s t e ma r ee x p a t i a t e d t h ed i s s e r t a t i o nd e s i g n sa n db u i l d s t h em e c h a n i s mc o m p o n e n ta n dt r a n s i tc o m p o n e n to ft h es y s t e m ，a n dd e v e l o p sa c o n v e r t e rc o n t r o ls y s t e mi n c l u d i n gd s pc o n t r o lb o a r d ，i g b td r i v e rb o a r d ，e t c t h e a u t h o rc o m e so u tt h ea s s o c i a t e dc o n t r o ls t r a t e g yo ft w i nm o t o r sb a s e do nv e c t o rc o n t r o l ， w h e nt h eb a l a n c er e l a t i o n so ft h et h r u s tf o r c eo ft h et w i nm o t o r sw e r ea n a l y z e d s i m u l a t i o na n dt e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h er e c i p r o c a lp o w e r - f e dt e s ts y s t e mf o rl i mu s i n g t h ea b o v ec o n t r o ls t r a t e g yh a sg o o ds t e a d y - s t a t ep e r f o r m a n c e ，g o o df e a t u r e so fs p e e d a n dl o a df o r c ea d j u s t m e n t ，a n dt h ea v a i l a b i l i t yo fe m u l a t i n gt r a c t i o na n db r a k i n g c o n d i t i o nt e s t so fl i n e a rm e t r ov e h i c l e s t h i sd i s s e r t a t i o n a n a l y z e s t h e p o w e rf l o w , l o s sc o m p o n e n t a n de f f i c i e n c y c h a r a c t e r i s t i co fl i m ，a n da l s ot h el o s sm o d e lo fi n v e r t e r a no p t i m a le f f i c i e n c yc o n t r o l s t r a t e g yc o m b i n e dw i t hv e c t o rc o n t r o li sp r o p o s e db a s e d o nl o s sm o d eo fl i m i no r d e r t or e d u c et h ee f f e c tf o rt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c e ，as w i t c hc o n t r o lm e t h o di sp r o p o s e d t h es t a b i l i t yo ft h ec o n t r o ls t r a t e g yi sa n a l y z e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h ev a l i d i t yo f v 匕塞交通叁堂谴堂僮i 金塞 旦墨! b ! t h ep r o p o s e dc o n t r o ls t r a t e g yc o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lv e c t o rc o n t r o lm e t h o d ， e s p e c i a l l yi nl o wl o a dc o n d i t i o n t e s tr e s u l t s s h o wt h a tt h ee f f i c i e n c yo fl i mi s i m p r o v e dal i t t l eb e c a u s eo ft h ei n e x a c t i t u d ep a r a m e t e ro fl i m s t e a d ya n dd y n a m i c t e s t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dc o n t r o ls t r a t e g yh a sg o o ds t e a d y - s t a t ea n dd y n a m i c p e r f o r m a n c e b ya n a l y z i n g t h eb r a k i n gs c h e m eo fl i n e a rm e t r oa n dp o w e rl o s si nb r a k i n gp r o c e s s ， ac o m b i n e db r a k i n gc o n t r o ls t r a t e g yb a s e do nf e e d b a c kb r a k i n ga n de n e r g y - c o n s u m i n g b r a k i n gi sp u tf o r w a r d b o t ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e f e a s i b i l i t ya n dv a l i d i t yo ft h ep r o p o s e dm e t h o d c o n s i d e r e da b o u tt h ec h a r a c t e r i s t i co f t h el i n e a rm e t r ol i n ei nb e i j i n ga n dt h ea b o v em e t h o d ，t h i sd i s s e r t a t i o ng i v e st h e o p t i m i z e db r a k i n gm o d es u g g e s t i o no f l i n e a rm e t r ol i n ei nb e i j i n g k e y w o r d s ：l i n e a rm e t r o ，l i n e a ri n d u c t i o nm o t o r ( l i m ) ，v e c t o rc o n t r o l ， s l i d i n g - m o d ev a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o l ，r e c i p r o c a lp o w e r - f e dt e s ts y s t e m ，o p t i m a l e f f i c i e n c yc o n t r o l ，f e e d b a c kb r a k i n g ，b r a k i n gm o d e c l a s s n o ：t m 9 21 2t m 3 5 9 4 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期： 年 月e t 签字日期：年月日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 1 3 5 致谢 本论文的研究工作是在导师郑琼林教授的悉心指导下完成的。从论文的选题、 系统方案的论证设计、仿真与试验现象的分析研究以及论文定稿等各个方面无不 凝聚着导师的心血。导师渊博的学识、严谨求实的治学态度、一丝不苟的工作作 风，深深影响着我，使我受益匪浅。他对学术问题、甚至人生和社会问题的精辟 见解往往使人茅塞顿开，难以忘怀。在我人生遭遇困境的时候，导师的鼓励和无 微不至的关怀让我终身难忘。在此谨向多年来培养我的导师，致以衷心的敬意和 感谢! 感谢叶斌教授、游小杰教授、林飞副教授、杨中平副教授、郝瑞祥博士后、 张立伟博士后等予以学术上的指导，感谢孙湖、黄先进等老师的帮助，师长们的 关心和爱护为我的学业提供了不懈的动力。在论文研究过程中，得到了高吉磊、 郑慧超以及赵佳同学的默契协作，在此向他们表示衷心的感谢；同时马志文博士、 郭文杰博士、邓永红、张艳芳、黄小光、郭超勇、马亮等同学给予我热情的帮助 和支持，在此向他们表示感谢。 同时还要感谢电气工程学院范瑜教授、周希德教授、刘志刚教授、王毅教授、 王立德教授、和敬涵副教授等老师的关心和支持，在此向他们表示诚挚的谢意。 感谢我的父母、妻子和所有的亲人们对我学习和生活上的大力支持，他们的 支持是我克服困难、不断前进的强大动力。 谨以此文献给所有关心和帮助过我的人们，以表达我深深的感激和感恩之情。 第一章绪论弟一旱硒化 1 1 直线电机轨道交通系统的发展和现状 自1 8 6 3 年世界上第一条地铁( 6 k m ) 在英国伦敦投入运营，迄今已有1 4 0 多 年的历程。据日本地铁协会公布，目前，全球已有4 0 多个国家和地区的1 2 0 多个 城市拥有地铁，总营运里程超过7 0 0 0 k m ，地铁已成为城市轨道交通运载工具的主 流模式。此外，轻轨( l r t ) 、有轨电车( t r o l l e yb u s ) 、市郊通勤车( c o m m u t e r ) 以及新交通系统( a g t ) 也都获得了不同程度的应用与发展。它们都是一种通过 旋转电机驱动，依靠轮轨黏着作用来传递牵引制动力的传统的技术模式。这种技 术模式由于其结构简单，技术成熟，承载能力大，运行阻力小等优点，长期以来 在技术上得到了不断的完善和扩展，目前仍然主导着城市轨道交通运载系统的发 展方向。 随着世界城市化进程的加快，交通问题日益成为城市发展的难题，在城市轨 道交通系统的建设发展上面临着一些新的问题【l 】： 由于城市轨道交通的规划往往落后于城市的建设发展，这就使城市轨道交 通的选线，无论是地下还是高架，尤其是城市核心区显得非常的困难； 随着地铁车辆速度不断地加快和站间距不断的缩短，要求地铁车辆的起动 加速和停车减速性能进一步提高，对黏着系数的期望值越来越高； 对全天侯运营和环保的要求越来越高，希望运营性能受环境影响小，且对 环境造成的振动和噪声也尽可能小； 地铁建设造价降低的压力也不断增加，希望能在有限的资金下建设更多的 线路。 传统技术模式的地铁车辆是依靠轮轨作用来发挥牵引制动力，由于物理黏着 的存在限制了其n 减速度性能和爬坡能力的提高；此外它还存在全天候运行特性 较差，运行的机械振动和噪声较大，车辆结构轻量化和小型化相对困难等缺点， 不能很好地适应新的运行特点。因此，长期以来科技界、工业界一直在追求研发 一种新的技术模式。 在这种形式下，直线感应电机运载系统走上了历史舞台。直线感应电机运载 系统是采用直线感应电机驱动的城市轨道交通模式。其最早开始于日本和德国对 于超导和常导磁悬浮系统的研究中。1 9 7 1 年德国克劳斯马菲公司生产了第一台采 用直线感应电机驱动的常导磁悬浮样车。1 9 7 4 年同本的高速地面运输系统也采用 j 匕塞变适太堂盟堂僮论塞箜二童 绪i 金 l 神、 了直线感应电机驱动。磁悬浮列车由于仍处于研究阶段，没有得到普及应用。在 城市轨道交通中应用的直线感应电机运载系统不同于磁悬浮，仍然采用轮轨完成 其支撑和导向，而利用直线感应电机来进行驱动，可以认为是介于磁悬浮和重载 旋转电机驱动系统的中间模式。从8 0 年代中期加拿大多伦多s c a r b o r o u g h 线和温 哥华s k y t r a i n 线的建成通车开始，其后2 0 多年中，直线感应电机运载系统在国外 得到了良好的发展，目前全世界已有5 个国家共1 0 条直线感应电机驱动地铁线路 投入商业运营，直线感应电机运载系统正在逐渐成为城市轨道交通的一种主要模 式1 2 j 。表1 1 为目前世界上已投入运营的1 0 条线路。 表l 一1直线感应电机运载系统在世界城市轨道交通应用情况统计 线路名称 开通年份线路长度( k m )车站数 加拿大温哥华s k y t r a i n 1 9 8 65 13 l 加拿大多伦多s c a r b o r o u g h 线 1 9 8 56 46 马来西亚吉隆坡p u t r a 系统1 9 9 82 9 42 4 美国底特律d p m 系统 1 9 8 74 81 3 美国纽约肯尼迪机场线 2 0 0 31 3l o 日本大阪市营地铁7 线 1 9 9 01 5 1 7 同本东京都营地铁1 2 号线 1 9 9 l 3 8 73 8 r 本神户市营地铁海岸线 2 0 0 17 9l o 同本福冈市营地铁3 号线 2 0 0 51 2 o1 6 中国广州市地铁4 号线 2 0 0 73 6 4 1 3 为了更好的了解直线感应电机运载系统，现把它与目前使用较为广泛的传统 轮轨技术、适用于城市轨道交通的日本h s s t 中低速磁悬浮技术和胶轮运载系统 进行简要比较。表1 2 为传统轮轨运载系统与直线感应电机运载系统相关技术指标 比较；表1 3 为h s s t 中低速磁悬浮运载系统与直线感应电机运载系统相关技术指 标比较；表1 4 为胶轮运载系统与直线感应电机运载系统相关技术指标比较。 表1 - 2 传统轮轨运载系统与直线感应电机运载系统相关技术指标比较 项目传统轮轨运载系统 直线感应电机运载系统 运输能力( 高峰小时 小于8 万人h小于5 万人h 单向客流) 牵引形式旋转电机牵引直线感应电机牵引 最大坡度 3 4 6 , - - - 8 ，短距离可用 1 0 最小曲线半径 3 0 0 m8 0 m ，车辆段内3 5 m 轨道常规设计需对感应板进行设计，在 轨道交叉处，感应轨需被 断开，对轨枕的强度和轨 道平顺度要求更高 隧道直径( m ) 5 3 - 6 14 5 4 9 车辆段布置规模较大使用小曲线半径，使得车 辆段及停车场布局更加 紧凑 车辆维修工艺及其 维修工艺复杂，维修量大由于没有了旋转电机及 它功能设计传动机构，维修量降低 环境影响噪声大轻巧的线路产生的噪声 及振动很低，对周边环境 影响小 表1 3h s s t 中低速磁悬浮运载系统与直线感应电机运载系统相关技术指标比较 项目 h s s t 中低速磁悬浮运载系统 直线感应电机运载系统 牵引形式直线感应电机牵引 直线感应电机牵引 支承形式利用吸附式磁力悬浮，通过控车轮支承，轨道安装时控 制元件控制磁浮间隙，控制程制直线电机与感应板之 序较为复杂 间的间隙，平时不需要调 整 导向用于悬浮的电磁铁同时具备导径向转向架，结构简单 向作用，是悬浮力的分力，曲 线段设计尤为复杂 轨道轨道梁加工精度要求高、制造、 同传统轮轨系统，只对感 架设和安装精度有严格要求，应板安装有要求，轨道结 较为复杂 构简单 道岔道岔随轨道梁整体移动和转 普通道岔，同传统轮轨系 向，是一种结构复杂、造价高、统，结构简单、造价低， 实施难度较大的轨道结构部件感应板只需要在此处断 开 噪声距轨道中心1 0 m 处，1 0 0 k m h距线路中心1 5 m 处， 时速，噪声值6 5 d b ( 根据日方 1 0 0 k m h 时速，噪声值为 提供资料) 6 5 7 3 5 d b 表1 4胶轮运载系统与直线感应电机系统相关技术指标比较 项目胶轮运载系统 直线感应电机运载系统 牵引方式胶轮、混凝土黏着驱动 直线感应电机牵引、非黏 着驱动 运行阻力大小 运行性能雪天较差 无黏着驱动，雪天性能不 受影响 最大坡度 5 - - - 6 6 - - - 8 ，短距离可用 l o 运行维护胶轮更换频繁，转向架维 轮缘磨耗降低，没有旋转 护复杂，旋转电机及传动电机及传动装置，维护检 装置的维护量大修量降低 转弯性能转向机构复杂径向转向架很容易通过 急弯，轴距和轮径较小 噪声 低速和中速时，噪声很低噪声较低 环境污染胶轮破损产生胶粒粉尘，污染较小 污染较大 经过上述比较，直线感应电机驱动的地铁车辆具有如下优点： 车辆的运动是依靠直线感应电机所产生的电磁力来推进，而车辆车轮仅起 支撑承载作用，不传递力，不再受到轮轨黏着因素的制约。因此，车辆可以获得 很强的起动、加速和减速动力性能，尤其具有突出的爬坡能力，线路最大坡度可 以允许在6 0 8 0 o ，并能在恶劣的环境和轨面条件下保持良好的性能。 采用直线感应电机取代旋转电机后，轴间不再需要传动装置和电机的安 装，比较容易实现径向转向架的采用，提高了车辆的曲线通过性能和运行平稳性， 地铁运行线路的最小曲线半径也可降低到8 0 m ( 传统的地铁车辆为2 5 0 m ) 。并且 由于中间传动装置的取消，可以采用小的轮对，便于车辆的小型化。 鉴于以上两点，使线路更加容易避开已建和规划好待建建筑物，方便城市 选线；缩短地下一高架过渡距离，减少线路占地和拆迁量；并可对地铁纵断面进行 合理选择，降低土建工程造价，尤其在隧道区段特别明显； 由于直线感应电机驱动的地铁车辆，没有齿轮传动机构的啮合振动和噪 声；其次，车轮也不是驱动轮，没有动力轮对与钢轨蠕滑滚动产生的振动和噪声； 再加上径向转向架良好的曲线通过性能，避免了过曲线时轮轨冲角带来的振动和 噪声。所以该型地铁车辆具有振动小，噪声低的优点，有利于环境保护，车轮擦 伤的可能性减小，延长了车辆的使用寿命。 4 由于直线感应电机驱动地铁车辆是典型的非粘着驱动方式，牵引一制动性 能发挥不依赖于环境，是一种全天候的运载工具。直线感应电机驱动的电磁力的 分力使轮轨间产生一定的附加压力，有利于提高轮轨运动的稳定性，因此其安全 性指标较高。再加上取消了旋转电机驱动所必须的滚动轴承、传动齿轮，磨耗小， 大大提高了车辆运行的可靠性和可维护性，维修工作量较小，维护成本较低。 由于直线感应电机驱动的地铁车辆具有比传统车辆更强的加减速性能，有 更高的停车位置控制精度，因此更容易实现小编组，高密度，自动驾驶的运行模 式。由于直线感应电机驱动地铁车辆仍采用钢车轮和钢轨来支撑和引导车辆运行， 所以仍可采用长期运用成熟的、安全可靠的轨道电路信号系统来实行对列车的信 号传输，运行监控和集中调度，运营适应性较好。 但直线感应电机驱动地铁也有其天生的缺陷。由于车载初级与地面次级是处 在一个相对直线运动的弹性( 轴箱垂向弹性定位) 系统间，不可避免地会造成相 互间隙变化，因此气隙设计得不能太小，否则会导致不安全因素，一般定在1 2 r a m 左右。再加上直线感应电机是有端部的( 旋转电机是闭环) ，因此漏磁场较大，机 电能量转化率低，所以直线感应电机的效率较低，一般在0 7 - - 0 8 之间，功率因 数也较低，一般在0 5 - - 0 6 之间，因而效率问题就成为了直线电机系统的最大问 题。此外，对于直线感应电机气隙的安装、运行、保养、维护较困难，如何确保 运行中气隙的精度是直线感应电机驱动地铁应给予高度关注的技术难题，为此所 需的工作量和维护成本较高，只有综合多项控制技术，充分发挥直线感应电机的 技术特点，才能达到节能、经济的效果。 。， 国内城市轨道交通筹建工作始于2 0 世纪5 0 年代的北京，第一条线于6 0 年代 动工，7 0 年代投入使用。目前，北京、上海、广州、重庆、青岛等2 0 多个城市正 在积极筹建形式不同的轨道交通系统。据国资委资料显示，“十五”计划期间，中 国城市交通投资将达8 0 0 0 亿元人民币，其中至少有2 0 0 0 亿元用于地铁建设。大 多数线路的选择仍采用传统的成熟的轮轨粘着驱动方式，广州地铁4 号线是国内 第一条采用直线感应电机驱动的地铁线路，广州地铁5 、6 号线和首都机场线也拟 定采用此种驱动方式，这些成为国内直线感应电机运载系统的研究、发展和应用 的开端。 1 2 电牵引传动系统的发展概况 ， 在交通运输中，采用电动机驱动来满足车辆牵引的电气传动部分，称为电牵 引传动系统。它以牵引电机为控制对象，对电机的牵引力和速度进行调节，以满 足车辆牵引和制动特性的要求【3 1 。比如，干线集中动力的电力机车、内燃电传动机 5 车，分散动力的干线客运电动车组、城市轨道交通列车等。我国已经问世的磁悬 浮列车和直线电机轨道交通车辆同样是采用电牵引传动系统。 根据所采用传动电机是直流牵引电机还是交流牵引电机的不同，电牵引传动 系统可以分为直流传动系统和交流传动系统两大类。交流感应电机与直流电机相 比，结构简单、易于制造、价格便宜、无触点导流、维护量极少。故18 8 8 年特斯 拉( n i c k o l at e s l a ) 发明了实用化的交流感应电机以来，得到了广泛应用【4 1 。但交 流感应电机要满足车辆牵引特性要求的调速手段非常复杂。由于当时的技术条件 限制，交流感应电机一直没能在牵引领域得到实际应用。而直流电机很容易满足 牵引特性要求，故交通领域的电牵引传动系统长期以来一直是直流传动系统。到 了2 0 世纪9 0 年代初期，在电力电子器件和交流电机调速理论等相关技术充分发 展前提下，以交流感应电机作为牵引电机的交流传动系统开始取代直流传动系统。 1 9 9 5 年前后，欧洲和同本等工业化国家已经停止生产直流传动系鲥5 6 】。 1 2 1 牵引供电方式 1 8 7 9 年建成第一条电气化铁路【7 j 。由于变压器和交流发电机于1 8 8 3 年和1 8 8 5 年才得以实用，故当时的电力机车直接采用了原始的低效率直流电源供电。1 8 9 1 年在德国、奥地利地区建成了世界上第一个三相交流输电系统【8 】。同年，西门子 ( s i e m e n s ) 公司制造的试验车采用了三相交流电供电，通过两条架空线和一条轨 道供给5 5 0 v 电压。1 8 9 8 年，通过在车上安装变压器，西门子公司采用了三根架 空线提供1 0 k v 5 0 h z 的三相交流电的牵引供电方式。1 9 0 3 年，意大利北部采用了 3 k w l 6 6 6 6 7 h z 的三相交流牵引供电方式进行了试验。但采用三相交流制牵引供电 方式的建造和维修成品很高，也不方便，因此这种牵引供电方式最终被放弃了。 为了简化接触网的结构和成品，牵引供电方式发展成了单相交流供电方式和 直流供电方式两种。 1 9 1 7 年德国试验了l l k v 2 5 h z 的单相交流供电方式。后来发展了 15 k v 16 6 6 6 7 h z 、2 5 k w l6 6 6 6 7 h z 的单向交流供电方式。二战以后，欧洲专家进 行了多种形式的比较试验，认为在干线铁路交通中，采用单相工频2 5 k v 交流电具 有更好技术经济效益。1 9 5 0 年我国电气化铁路开始建设就采用了2 5 k v 5 0 h z 单相 工频牵引供电方式。直流供电方式主要用于城市轨道交通中，有采用第三轨供电 的，也有采用高架桥接触网供电的。直流电压制式较多，如6 0 0 v ( 伦敦，纽约等) 、 7 0 0 v ( 巴尔的摩) 、7 5 0 v ( 东京，巴黎，墨西哥城) 、8 2 5 v ( 莫斯科，基辅等) 、1 0 0 0 v ( 旧金山) 、1 2 0 0 v ( 巴塞罗那) 、1 5 0 0 v ( 东京，京都，开罗等) 、3 0 0 0 v ( 巴西的 许多城市) 等。我国地铁和轻轨主要采用7 5 0 v d c ( 北京、天津和长春等北方地区， 6 采用第三轨供电) 和1 5 0 0 v d c ( 上海、广州和深圳等地方地区，采用高架接触网 供电) 两种制式，无轨电车采用6 0 0 v d c 供电制式。在1 0 条建成并投入运营的直 线电机轨道交通线路中，供电方式主要分为两种【9 j ：一种是第三轨供电( 以温哥华 s k y t r a i n 为代表) ；另一种是高架桥接触网供电( 以日本东京1 2 号线为代表) 。日 本投入运营的4 条直线电机地铁线主要采用的是高架桥接触网供电方式，其中只 有部分线路的部分区段采用的是第三轨供电。供电电压也主要分为两种：一种是 直流7 5 0 v ( 主要应用于第三轨供电方式) ，一种是直流1 5 0 0 v ( 主要应用于高架 桥接触网供电方式) 。至今为止，世界上直线电机车辆轨道交通系统中采用第三轨 供电方式的城市占5 5 ，采用高架桥接触网供电方式的城市占4 5 。两种供电方 式各有其优缺点，在技术上是同时并存的。在直线电机车辆轨道交通系统中究竟 采用那种牵引供电方式，应该综合考虑各相关方面的因素：速度的需求、既有线 路的供电制式、客流量和车辆的编组、限界的要求、投资来源与国产化、供电可 靠性、施工安装与运营维护、能量损耗、人身安全、杂散电流防护、对周围环境 的电磁干扰、再生能量的利用、对城市景观的影响等。只有在综合考虑各个方面 的因素后，才能确定一种比较合适的供电方式。但是从综合效益和长远利益来考 虑，有一个总体的趋势是高架桥接触网供电方式优于第三轨供电方式。 1 2 2 电牵引传动控制方式 电牵引传动控制方式是指为实现电传动机车的起动、调速和制动特性要求的。 控制方式。机车在起动时希望有较大的牵引力，以得到较大的速度，或牵引更重 的列车。但机车的牵引力( 也包括制动力) 受多种因素影响，如牵引电机本身的 电气特性、电机的励磁方式、电机速度控制方式、电机之间的联结方式、机械悬 挂方式和机械走行部分结构等。机车所能发挥的牵引力主要受牵引电机端电压、 最大电流限制和轮轨间粘着条件限制。因此，为了发挥电牵引机车中设备的极限 能力，机车在低速区有最大力矩( 电流) 的限制；当机车加速到一定速度时，要 受到最大功率的限制，即进入恒功区。对于干线高速动车来说，为了给机车的高 速运行留有裕量，还要求能运行在自然特性的降功率阶段。 1 9 7 1 年，首辆采用电力电子技术的d e 2 5 0 0 交流电传动内燃机车在联邦德国 试验成功，开始了现代交流传动时代】。现代交流传动的控制方式常见的有3 种： 一种方法是标量控制( 即转差频率控制) ；第二种是矢量控制；第三种是直接转矩 控制。 转差频率控制的理论基础是稳态下的电磁关系式，实现了电动机调速控制过 程中对电压、频率的平稳调节，控制原理简单，易于实现。但该方法实施控制难 7 j 量塞銮适太堂盛堂僮途塞箜= 童绻途 忖咛 以保证系统可获得良好的动态特性。d e 2 5 0 0 型交流电传动内燃机车和国产第一台 交流传动电力机车a c 4 0 0 0 原型车上，均采用转差频率控制。目前投入运营的直线 电机轨道交通车辆也都是采用转差频率控制【l 引。 转子磁场定向矢量控制采用电机的动态模型，从理论上讲可获得较理想的动 态特性。根据转子磁场检测方式的不同，又分为间接转子磁场控制和直接转子磁 场控制两种。通过磁场定向方式，借助矢量控制，将交流电动机三相动态方程变 化为旋转坐标系下的两相正交模型，从而控制变量分解成磁链分量和转矩分量。 由于其中采用了许多线性调节器，而且对磁场定向的精度要求较高，对系统参数 变化敏感，对系统参数辨识的精度要求高，所以实现起来有一定难度。德国s i e m e n s 和法国a l s t h o m 等公司成功开发了城轨动车和铁路机车的磁场定向控制方案。 直接转矩控制以简单物理过程为基础，不需像矢量控制那样进行复杂的坐标 变换计算，而是直接在定子坐标系中计算定子磁链与电机转矩，并极其方便的实 现磁链与转矩的闭环控制，获得高动态响应调速特性。但直接转矩控制方法在低 速时受定子绕组电阻及转速测量的影响很大。而且低速走六边形轨迹时，转矩脉 动也显得突出，且转矩频谱不断变化、不可预测。这使得变流装置的器件结温不 易估算，从而影响到装置的优化设计。a d 口a n z 公司率先成功地把直接转矩控制方 法应用于交流传动车辆中。 对直线感应电机来说上述三种方法中，对于速度突变工况，直接转子磁场定 向控制的响应最快且没有振荡；在低速范围的速度突变工况下，直接转矩控制和 矢量控制都有着较快的响应，但是直接转矩控制存在一个稳态误差。对于加速度 的大小来说，直接转矩控制和转差频率控制能获得较大的加速度，而矢量控制的 初始加速度较小。控制的复杂程度上，直接转矩控制方法实现起来最为简单，只 需要知道初级阻抗的值就可以；转差频率控制方法需要知道一相等效电路的所有 参数；而矢量控制实现起来较为复杂，需要知道大量的直线感应电机的参数。综 合而言，矢量控制方法性能比较优异，特别是直接转子磁场定向控制在速度控制 和位置控制上都有很高的精确度。直接转矩控制实现较为方便，而转差频率控制 也是可行的，但在动态特性上，转差频率控制要比直接转矩控制和矢量控制要差。 1 2 3 牵引变流器及其控制方式 交流牵引供电的交一直一交传动系统牵引变流器由单相四象限脉冲整流器和 牵引逆变器组成；直流牵引供电和内燃电牵引的直一交传动系统的牵引变流器主 要指牵引逆变器。牵引变流器分为电流型变流器和电压型变流器两类。相对而言， 电流型变流器电路比较简单，装置也更为坚固和可靠，而且不存在诸如直通短路 故障之类的问题。它对电力半导体器件要求不高，控制相对较为容易，且造价相 应便宜，因此，在交流传动初期，在一些动车上采用了电流型变流器。8 0 年代初， 德国也曾研制出一台采用电流型变流器的电力机车。但电流型变流器具有滞缓的 动态性能，在轻载和高频情况下存在稳定性问题。它控制性能不如电压型变流器， 对电动机设计又有特殊要求。另外，对于多个电机加载到一个逆变器上，或多个 逆变器加载到一个整流器上的轨道牵引方案，采用电流型逆变器是相当困难的。 现在几乎都采用重量轻和效率高的电压型变流器。， 随着电力电子技术的发展，牵引交流器所采用的器件和电路结构也在发展。 1 9 6 0 年一1 9 8 0 年开发的牵引变流器的功率器件采用了强迫关断的晶闸管。这 种变流器开关频率低导致机车控制性能差，复杂的换流电路增加了装置的体积和 重量，同时降低了变流器效率。1 9 8 3 年德国的b r l 2 0 电力机车和我国首台交直交 原型车a c 4 0 0 0 电力机车使用的器件就是快速晶闸管。 1 9 8 0 年中后期开发了g t o 功率器件的牵引变流器。由于g t o 具有自关断能 力，且器件容量大、装置体积小、重量轻、可靠性好，目前在国外的机车上大量 生产和使用。但g t o 器件为电流型控制器件，且控制增益小，特别是关断驱动电 流幅值往往达到g t o 阳极关断电流的1 5 至1 3 ，驱动电路的设计相当复杂；同时 d v d t 和d i m 的承受力不大，装置中必须设计开通和关断吸收电路。g t o 驱动电路 和吸收回路的损耗较大和复杂的设计限制了它的应用范围。 1 9 9 0 年中后期，中大功率的变流装置的开发越来越多地采用容量不断提高的 i g b t 器件。i g b t 器件是电压型控制的自关断器件，开关频率高，d v d t 和d f f c t t 的承受力大。这就使得i g b t 变流器结构设计可以采用低感复合母排，降低回路电 感，从而简化甚至取消吸收回路。装置体积和重量进一步减小，可靠性进一步提 高。i g b t 器件在一定的功率等级范围内，正在取代g t o 器件。但i g b t 的通态 压降比g t o 高。为此，一种对g t o 控制和驱动电路进行改进的器件，i g c t 得到 了有关电力半导体器件厂家的推崇【l 引。 为了提高牵引变流器中间直流电压，同时改善牵引逆变器输出电流波形，还 开发了三电平牵引变流器。三电平逆变器共有2 7 种工作状态，比通常的两电平逆 变器8 种工作状态大大增加。采用三电平逆变器可加快主电路对控制系统的响应 速度，提高系统的动态性能。日本e 2 系、e 4 系等车辆大量采用了三电平逆变器， 欧洲有的车辆和我国的2 0 0 k m h 动力分散型电动车组也采用了三电平牵引变流器。 但两电平逆变器控制方便，重量轻，体积小，运行可靠，易于维护。所以，目前 牵引变流器倾向于采用两电平电路结构。只有在电力半导体器件电压水平达不到 要求时，才采用三电平变流器。 牵引逆变器的控制，从晶闸管的方波控制，发展到现在g t o 和i g b t 等器件 9 的p w m 控制。1 9 6 4 年a s e h o n u n g 和h s t e m m l e r 在( ( b b c 评论上发表文章， 提出把p w m 技术用于交流传动逆变器的控制以来，正弦脉宽调制( s p w m ) 技术 得到飞速发展。最简单的s p w m 是采用三角载波和正弦调制波基准进行比较得到； 目前广泛应用的是在规则采样p w m 技术的基础上发展起来的准优化p w m ( s u b o p t i m a lp w m ) 法和圆形磁通轨迹的p w m 技术。为了减少和消除牵引变流 器p w m 中开关频率比较低带来的噪声问题，一种可产生随机噪声频谱、称之为 r a n d o mp w m 的调制技术近年来得到了重视【l 引。 1 3 牵引传动系统效率优化控制技术发展和现状 关于牵引传动系统效率优化控制技术的研究，已经引起了包括轨道交通领域 在内的各领域专家的广泛关注，并成为当今电气传动的一个趋势，高效率不仅对 于节约能源和装置自身的冷却具有重要的意义，而且在控制环境污染方面也具有 广阔的前景。 国内外对传统变频调速异步电机效率优化控制的研究已经有将近3 0 年的时 间，至今为止，还没有哪一种效率优化策略被公认为有权威性。较为具体的研究 最早见于r o w a n 和l i p o 15 1 ，k u s k o 和g a l l e r 1 6 j ，以及k i m t l 7 】等人的三篇文献，他 们基于电机的损耗模型，研究了异步电机的效率优化问题。目前，各种效率优化 控制策略在本质上都是控制励磁磁链随负载减小而下降，从而使电机的损耗下降， 效率和功率因数随之提高。但是由于各种策略控制思路的差异，造成了控制性能 也各有所长。 归纳起来，异步电机驱动系统效率优化控制方法大致分为三种类型：基于损 耗模型的最优励磁控制策略、输入功率最小控制策略和定子电流最小控制策略。 基于损耗模型的效率优化控制是一种前馈式控制算法，是由电机的数学损耗模型 推导出电机损耗最小或效率最高时的最优励磁磁链，从而实现效率优化；输入功 率最小控制策略通常采用搜索算法在线检测最小功率输入，即在电机输出工况不 变的前提下，通过逐步减小转子磁链，改变电机的铁损和铜损分配，最终减少电 机( 或逆变器) 的输入功率，实现效率优化；最小定子电流控制与最小输入功率 控制策略是类似的，只是它直接以定子电流最小作为控制的目标，来达到优化系 统效率的目的。 其他效率优化策略包括降低定子电压、恒功率因数以及转差频率控制等，这 些控制策略与定子电流最小控制策略一样，属于近似的效率最优控制。 上述的三种电机效率优化的策略各有优缺点。输入功率最小控制策略，能够 实现传动效率的全局最优，且不受电机参数变化的影响，但需要实时检测输入功 l o 率，增加了硬件投资。依据损耗模型来优化装置效率的方法，其效率也是全局最 优的，但由于用到了几乎所有的电机参数，而这些参数经常随电机运行状况的改 变而改变，因此，实现起来是困难的，实用中经常要对模型简化，以实现装置效 率的次最优。相对来讲，定子电流最小控制策略，实现起来最为简单，也有较好 的节能效果，因此在实际中得到较为广泛的应用。但是，定子电流最小并不保证 效率全局最优，它只是一种部分效率最优的策略。 1 3 1 效率优化控制的新思路和新方向 ( 1 ) 损耗模型和搜索控