城市轨道交通车辆电力牵引与控制课程设计(C车)

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iOOOkW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292ktx}lh。在自主开发方面，2001年起我国相继研制成功了拥有自主知识产权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i}l。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;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，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120km／h及以下等级、160km／h等级、200km／h等级、250km／h等级以及300km／h的电力机车或动力分散型动车组。160km／h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250km／h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。2.牵引系统主图ABC蓄电池充电器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，包括牵引电机总图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MCM1500V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。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