现代轨道交通及其控制技术

现代轨道交通及其控制技术年晓红中南大学信息科学与工程学院内容：•一、轨道交通的演变与发展•二、中国高速铁路的发展•三、高速铁路的关键技术•四、中国高铁走向世界一、轨道交通的演变与发展轨道交通速度的演变1825年世界上第一条铁路在英国出现，列车最高运行速度只有24km/h1829年“火箭号”蒸汽机车牵引列车最高运行速度达到47km/h1840年1903年英国铁路试验速度达到120km/h德国电动车组试验速度达到209km/h，英国西蒸汽机车试验车达311km/h轨道交通速度的演变1964年日本东海道新干线最高运行速度210km/h，旅行速度达到160km/h2007年1990年1988年1988年1981年法国TGV列车试验速度达到380km/h德国ICE列车试验速度达到406.9km/h法国铁路试验速度达482.4km/h法国铁路试验速度达513.3km/h法国铁路试验速度再创574.8km/h世界纪录高速铁路•（一）定义：新建铁路最高运行速度达到250km/h及以上，既有铁路最高运行速度200km/h及以上，可称为高速铁路。•（二）高速列车按动力配置方式分为动力分散型和动力集中型，按转向架形式分为铰接式和独立式。我国CRH动车组属于动力集中型，独立转向架。高速铁路系统工务工程电动车组旅客服务系统信息系统人才培训综合检测综合维修动车段所运用维修通信信号车载子系统牵引供电建筑工程隧道工程桥涵工程安全监控系统联锁子系统调度集中CTC通信系统地面子系统客票售订系统客运管理系统线路枢纽路基工程电力系统接触网系统远程监控系统轨道工程供变电系统牵引系统制动系统列车网络系统总成车体转向架调度指挥系统环保工程当今世界各国高速铁路的发展特点日本日本是高速铁路首创国，目前已建成高速新线(准轨)2779km，最高运营速度300km/h。既有线是窄轨，但通过小型新干线及变轨距转向架，高速列车也能下既有线。主型高速列车是：700系、N700系、E2系、E4系(双层)日本新干线法国TGV法国法国是欧洲高速铁路第一个建成国，目前已建成高速新线1914km，最高运营速度320km/h，通过高速列车下既有线，能通达的里程已达8000km，主型高速列车是：欧洲之量(TGV-TMST)、塔列斯(TGV-PBKA)TGV-2N(双层)等。德国ICE3德国德国目前已建成高速新干线虽然只1020km，但德国是客货混运的高速铁路系统，既有线都能运营200km/h快速列车，既有线中的困难地段已建成高速新线，因此高速列车能全国通达，主型高速列车是ICE1、ICE2、ICE3。最高运营速度是330km/h。西班牙：西班牙目前已建成高速新线1518km，高速为准轨，既有线为宽轨，高速列车通过变轨距的转向架能够下既有线。西班牙主型高速列车是AVE(法TGV-A衍生)，最高运营速度300km/h。意大利目前已建成高速线766km，目标是在全国形成T字型高速干线，主型高速列车是ETR500，最高运营速度300km/h。意大利：美国：美国东北走廊既有线改造后，运营“飞人号”高速列车(庞巴迪制造)，最高运营速度240km/h。中国2008年8月1日京津城际高速客运专线通车，里程120km，最高运营速度350km/h，运营时间为28min。中国：•世界高速铁路发展水平2008年：世界高速铁路已投入运营的新线里程总计为9372km世界高速铁路的发展概述（2008年）2008年建成的350km/h及以上高速铁路2009年将新建高速铁路的国家350km/h等级世界高速列车比较世界高速铁路(高速动车组)发展方向—350km/h及以上二、中国高速铁路的发展•引进再吸收“引进先进技术、联合设计制造、打造中国品牌”，借鉴并吸收世界先进文明成果，掌握高速列车的关键技术。通过再创新，建立了“和谐号”产品系列和技术体系。高速动车组－国产化方案四方股份长客股份BSP引进消化吸收川崎重工E2-1000阿尔斯通SM3庞巴迪Regina中国品牌西门子Velaro-E唐山工厂高速动车组－国产动车组CRH1动车组CRH2动车组CRH3动车组CRH5动车组高速动车组——技术参数CRH动车组特性曲线•我国快速客运网主要由三个部分组成：–1、第一个部分是“四纵四横”，时速大部分在350公里–2、第二个部分，跨区际的快速通道，比如•贵州~广州•南宁~广州•江西~福建，•它速度的目标一般定位在时速250公里。–3、第三个部分，区域城市圈城市轨道交通•环渤海、长三角、珠三角等一些城市密集的地方构筑的。它的速度目标一般定位在200~250公里中国高铁的“四纵”客运专线•“四纵”客运专线：•1、北京—上海•简称“京沪高速铁路”•全长约1318km，预计4个小时•纵贯京津沪和冀鲁皖苏四省，连接环渤海和长江三角洲两大经济区中国高铁的“四纵”客运专线•2、北京—武汉—广州—深圳—香港•简称“京港高速铁路”•全长2260km，预计7个小时•连接华北、华中和华南地区。中国高铁的“四纵”客运专线•3、北京—沈阳—哈尔滨（大连）•全长约1700km，预计5个小时•连接东北和关内地区•其中：•秦皇岛—沈阳客运专线404公里已于2003年建成。中国高铁的“四纵”客运专线•4、杭州—宁波—福州—深圳•简称“东南沿海铁路”•全长约1600km，预计5个小时•连接长江、珠江三角洲和东南沿海地区•预留跨越台湾海峡，连接台湾的设计条件中国高铁的“四横”客运专线•“四横”客运专线：•1、徐州—郑州—兰州•全长约1400km，预计5个小时•设计时速为350km/h•连接西北和华东地区，并延伸至乌鲁木齐中国高铁的“四横”客运专线•2、杭州—南昌—长沙—昆明•简称“沪昆”•全长2000km，预计7个小时•连接华中和华东地区中国高铁的“四横”客运专线•3、青岛—石家庄—太原•全长约770km，预计3个小时•连接华北和华东地区。•其中，其延长线太原—中卫—银川也已经开工中国高铁的“四横”客运专线•4、上海—南京—武汉—重庆—成都•简称沪汉蓉高速铁路•全长约全长2078km，预计7个小时•连接西南、华中和华东地区•我国快速客运网主要由三个部分组成：–1、第一个部分是“四纵四横”，时速大部分在350公里–2、第二个部分，跨区际的快速通道，比如•贵州~广州•南宁~广州•江西~福建，•它速度的目标一般定位在时速250公里。–3、第三个部分，区域城市圈城市轨道交通•环渤海、长三角、珠三角等一些城市密集的地方构筑的。它的速度目标一般定位在200~250公里•城际客运系统由–环渤海城市群–长江三角洲城市群–珠江三角洲地区城市群•扩展到–长株潭城市群–成渝城市群–中原城市群–武汉城市群–关中城镇群–海峡西岸城镇群等地区•规划建设新线由1.6万公里调整为4.1万公里。关中城际圈城际铁路中原城际圈城际铁路武汉城际圈城际铁路长株潭城际圈城际铁路成渝城际圈城际铁路三、高速铁路的关键技术牵引供电轮轨关系(动车组/线路)电磁兼容供电(短路电路)通信信号(电缆走线,接线柜,信号,远动.)动车组限界(动态限界)动车组供电（弓网、自动过分相）线路道岔动车组列控（动车组/通信信号）土建工程(隧道,高架桥,桥梁,声屏障)路基,地层条件通信信号(接地和电气连接)电动车组与各子系统主要技术接口高速动车组的关键技术牵引控制系统牵引电机制动系统牵引变流器牵引变压器转向架列车网络控制系统铝合金、不锈钢车体动车组系统集成交流传动高速列车要达到高速运行，必须具有大功率的牵引系统，速度在300km/h以上的高速列车牵引功率需在10MW左右。大功率“交-直-交”变流技术是现代高速列车电力牵引的核心。交流传动系统集成电力电子技术的快速发展•不控和半控器件→电流全控器件→电压全控器件→功率集成器件；•器件体积减少了3~4个数量级；•大功率器件的开关时间从毫秒级降到了微秒级；小功率的甚至降到纳秒级；•工作频率从50Hz增加到兆赫级;•变流器的功率水平从几伏安提高到几百兆伏安，电压从伏级提高到几千伏级。牵引变流器关键技术基础研究成果IGBT相模块(IGBTphasemodule)IGBT器件IGBTdevice1.高压IGBT技术研究2.IGBT与FRD芯片结构研究3.IGBT芯片结构与电特性关系研究4.IGBT模块可靠性技术研究1.牵引变流器冷却技术研究2.各种冷却技术的研究3.牵引变流器热设计仿真4.稳态/瞬态下散热和冷却研究牵引变流器一台牵引变流器为4台牵引电机电源的控制设备，由脉冲整流器、直流平滑电路、逆变器、真空交流接触器等主电路设备和无触点控制装置、控制电源等控制电路设备构成。3种变流器的性能对比控制技术（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。其通过改变输出脉冲的占空比来实现等效的输出电压与频率，从而实现交流到直流，直流到交流的能量变换。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。（二）传动控制技术传动控制技术是牵引传动系统的核心技术，传动控制技术已经由转差电流控制发展成矢量控制和直接转矩控制等。1）转差电流控制技术转差电流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。2）矢量控制技术矢量控制，又称为磁场定向控制（FOC），其基本原理是将异步电动机的定子电流正交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，并同时控制两分量的幅值，从而达到控制异步电动机转矩的目的。转子磁场定向控制3）直接转矩控制技术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。与矢量控制不同，直接转矩控制通过直接控制转矩和磁链来间接控制电流，不需要复杂的坐标变换，因此具有控制结构简单、转矩响应快以及对参数鲁棒性好等优点，它在很大程度上解决了矢量控制中结构复杂、计算量大、对参数变化敏感等问题。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。直接转矩控制（三）绿色节能减排控制技术变流器＋异步牵引电机已成为现代轨道牵引装备的主流模式，极大地满足了铁路高速、重载运输的要求，但也带来了对电网和环境的负面影响，牵引系统运行时产生的谐波和电流无功分量，如果不加以控制，会对电网产生非常严重的污染，不仅增加电网容量，造成固定设备投资规模庞大，严重影响电能品质和稳定性，还可能引起电磁干扰及噪声污染。为了实现轨道牵引系统的绿色节能，实现万里路网低碳化，提高资源效能并保护环境，必须采用高性能的网侧控制技术及高效的主电路形式。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。四象限脉冲整流控制技术轻载牵引或制动工况下功率因数控制技术研究无电网电压传感器的四象限控制策略研究级连式多电平高压大功率牵引变流器四象限控制系统研究信息技术与列车通信网络控制技术（一）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、Lonwork