电力牵引与传动控制技术现状与发展.docx

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电力牵引与传动控制技术现状与发展

电力牵引与传动控制技术现状与发展

交通设备与信息工程0804班

陆钦1104080816

陈天宽1104080802

电力牵引与传动控制技术现状与发展

陆钦陈天宽

（中南大学交通运输工程学院，湖南长沙410075）

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

Thepresentsituationanddevelopmentofelectrictractionandcontroltechnology

Abstract:

Uptothepresent,thedevelopmentofelectricrailwayshaslastedformorethanonehundredyears.Sincethebeginningof21century,railwayelectrictractionhasbeenmorematureinthefieldsofpowerelectronicdevi-ces,controltechnology,etc.Fromthepresentsituationofelectricaltractionanddrivecontrolinourcountry,thispaperintroducedthecoretechnologiesresultofpowerelectronicdevices,highpowertractiondeviceanditscontrolsystemandtrainnetworkcontrolsystem.Simultaneously,thispaperanalyzedthefuturedevelopmentoftractionandcontroltechnologyandprospectedthefuturea-pplicationofrailwaytractionandcontroltechnologytotherelevantfields.

Keywords:

powerelectronicdevices;convertertechnology;controltechnology

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.车载传动系统相关特性

1.1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。

1.2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。

1.3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，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。

1.4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。

2.变流装置的发展

2.1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。

2.2GTO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200Hz~300Hz。

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。

2.3IGCT（集成门极换相晶闸管）

IGCT是改进结构的GTO（即GT）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。

2.4IGBT（绝缘门极双极型晶体管）

2.4.1IGBT已成为主流技术

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，提高了可靠性。

第二、阻断电压（6.5kV）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。

2.4.2IGBT的结构形式

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，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25kV50Hz15kV16.7Hz和直流3.0kV与1.5kV）的要求，是目前IGBT发展的趋势。

2.5IPM智能功率模块

2.5.1IPM简述

IPM（IntelligentPowerModule），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。

2.5.2IPM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（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）。

R—IPM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

3.控制技术的发展

3.1pWM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（PulseWidthModulation）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（SVPWM）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10Hz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。

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。

3.2.1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。

3.2.2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。

3.2.3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7200kW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）。

3.3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。

3.3.1四象限脉冲整流技术

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。

3.3.2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，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、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。

4.列车通信网络控制技术

当今人类正进入网络是社会，计算机网络的迅猛发展正在改变着人们的工作和生活。

铁路运输也不例外，城轨车、动车组、高速铁路、地铁、摆式列车等列车控制命令和状态信息的传递，对各部件的诊断，信息显示等均离不开列车网络系统。

列车信息化系统集检测、控制、诊断、信息管理于一体，是列车的大脑，协调各子系统有序工作。

4.1列车网络控制技术

以国际先进的网络控制系统设计思想为基础，通过在列车通信网络控制领域不断的研究与创新，在前期开发出的集中式列车网络系统基础上，自主研发出基于IEC61375国际列车通信网络（TCN）标准的分布式网络控制系统平台—DTECS，成功攻克了列车网络通信技术（CAN总线、车载以太网、TCN、Lonworks）、控制系统模块化软硬件技术、实时控制与故障诊断技术以及图形化编程技术，并取得了多项专利授权。

DTECS平台其整体技术水平达到了西门子、庞巴迪公司当前主流产品的技术水平，并已经在多个铁路干线机车、城轨地铁车辆项目上得到批量应用。

列车通信网络标准TCNIEC61375技术要求（图表1）

图表1

DTECS是基于ITC61375-1列车通信网络（TCN）标准的分布式模块化控制系统，它由TCN网关模块、车辆控制模块（VCM）、数字量输入输出模块（DXM）、模拟量输入输出模块（AXM）、智能显示装置（IDD）等组成，其结构框图如下

DTECS的结构框图

GWM模块将所有电路封装在一个较小的铸铝模块中，具有结构简单、体积小、成本低、可靠性高、易维护等特点，该模块及配套的DTECS系统已完成包括高低温、振动、EMC等全部试验，并在上海地铁上考核运行近两年，其性能稳定、可靠，能很好替代国外同类产品，该系统已通过省级鉴定。

4.2列车运行控制技术

列车运行控制系统简称列控（ATP/ATC），是保证列车安全、快速运行的集中控制中心，同时是列车的事件记录的“黑匣子”。

在干线铁路列车控系统领域，完成了LKJ93和LKJ2000列车运行装置的开发与应用，均具有完全自主知识产权，具备了CTCS0级ATP设备产品标准，在我国铁路多次大提速中发挥了至关重要的作用。

4.3网络控制产品及应用

分布式网络控制系统DTECS（见图），不仅适用于各种干线机车列车/车辆级控制，而且适用于地铁列车/车辆的控制，现已经广泛应用于各类地铁、干线电力机车，构成标准化、网络化的车载控制与诊断系统。

LKJ93、LKJ2000监控装置（见图6）已在国内全路近2万台机车上装车，有效减少了铁路信号险性事故发生率，并累计取得17项专利成果授权以及15项软件著作权。

5.未来技术展望

5.1功率器件

碳化硅（SiC）是一种物理化学特性仅次于金刚石的化合物半导体材料，有着非常优秀的物理特性。

可极大地提高电力电子变换器的效率，使各类变换器的体积减少到原来的5%~20%，具有耐高压（达数万伏）、耐高温（大于500℃）的特性,被公认为是下一代电力电子器件的最佳候选者之一。

5.2无线传输技术

现代高速列车通过车—地信息网络来达到安全运行的要求。

随着无线技术的日益发展，无线技术应用越来越被各行各业所接受。

通过采用先进的无线局域网（LAN）和GPRS/GSM无线通信技术实现快捷的信息处理；采用无线通信方式实现高速列车远程监控技术；采用无线通信方式实现远程列车设备检修数据库的访问技术等，从而摆脱地面设备的束缚，实现实时列车状态的跟踪运行。

5.3新传动控制技术

5.3.1永磁驱动及控制技术

与异步电机相比，永磁同步电机具有高能流密度、高功率因数、高效率、体积小、重量轻等特点，与同容量的异步电机相比，永磁同步电机的体积和重量大约能减少15%～30%左右；转速平稳、过载能力强；噪声低，可靠性高；结构多样化，应用范围广。

永磁同步电机将在未来取代异步电机，成为轨道牵引传动的主流牵引电机。

近年来对永磁驱动及控制技术进行了大量研究，小功率的永磁驱动技术已经在电动汽车上批量装车应用，正针对“500km/h高速动车组”项目进行大功率永磁驱动及控制技术的研究。

5.3.2无速度传感器控制技术

无速度传感器控制技术可减小牵引电机的体积和传感器故障的发生率，大大提高了传动控制单元的系统可靠性。

省掉速度传感器及连接电缆的费用，节约了成本。

无速度传感器控制系统近年来已成为交流传动控制研究的热点。

目前，已经成功完成了异步电机无速度传感器技术的理论研究与地面试验，攻克了逆变器保护封锁后的带速度重投、极低速定子零频附近的额定转矩发挥以及再生制动状态等技术难题，正在积极进行