交流变频控制系统在城市轨道交通车辆中的应用

一、概述

城市轨道交通具有运量大、效率高、节能、少污染、舒适、安全和准点的突出优点，是解决大城市交通拥堵、环保问题和提升城市形象的最好形式，已成为国际上城市公共交通发展的首选模式，必然加速发展。

为解决城市交通和环境问题，我国许多大城市已把发展城市轨道交通作为发展公共交通的根本方针。目前，已有60余个城市正在建设或开展了建设城市轨道交通的前期工作，每个城市提出的轨道交通建设规划线路都超过了100km。特别是上海，在2010年世博会前已构筑11条线路、420km长的轨道交通网络，2012年形成567km的轨道交通网络。 根据上海市最新近期规划，2020年上海城市轨道交通网络总规模将达到约877km。

我国在城市轨道交通装备关键技术方面、特别是车辆总体设计与系统集成技术与发达国家的差距较大，由于每条线采用的车辆不同，外商籍此对每条线的车辆收取上亿元的特殊设计费。

2005年以来，国务院已将轨道交通装备国产化和产业化，列为振兴装备业规划的重点产业之一。上海市政府也将轨道交通车辆和装备的国产化和产业化，列为上海市工业发展的重点。 尽快对轨道交通车辆和装备进行独立研发，形成自主知识产权并实现国产化生产，不但能提高轨道交通装备的国产化率并形成自主设计开发能力，还可为轨道交通车辆的维修奠定技术基础并降低维修成本，实现产业化已成为上海经济发展的一个新的增长点，意义重大。

二、城轨列车的牵引系统

1、城轨列车的供电方式

北京地区由于历史原因，采用DC750V区段供电，使用第三轨侧向受流。上海、广州、深圳、南京等后建城市轨道交通的城市，现在均采用DC1500V区段供电，使用接触网的受流方式。广州四号线直线电机车，采用了侧向第三轨DC1500V的受流方式。见图1。

图1 列车受流方式

2、牵引系统

北京地铁的1号和环线、上海早期的1号线，均采用的是直流调阻或直流斩波牵引系统；

除此之外，目前国内的城轨车辆，已经全部采用交流牵引系统；因为维修成本和备件价格的居高不下，上海地铁中最早引进的直流牵引系统，已经全部改造成国内自主研发的交流异步电机驱动的交流系统；除了Alstom公司设计的交流牵引系统，采用矢量控制+直接转矩控制策略外，其他的城轨列车的交流牵引系统，均采用直接转矩控制策略。

3、牵引和电制动特性

为了充分发挥和均衡交流异步电机的牵引能力，城轨列车采用了恒力和恒功两段牵引的特性，可以充分发挥电机的瞬时牵引功率。如额定190kW的电机，起动加速阶段的功率可达250kW（时间约20余s）。

为了充分发挥和均衡交流异步电机的电制动能力，城轨列车采用了恒力和恒功两段电制动的特性。与牵引状态相同，进行电制动的阶段，额定190kW的电机，可以运行在400kW的条件下。见图2。

由于城轨列车采用的是动力分散的驱动方式，为此列车的车厢要分成动车和拖车两种。如4辆编组的列车，其中有2辆动车和2辆拖车（两动两拖）；6辆编组的列车，其中有4辆动车和2辆拖车（四动两拖）。

在这种条件下，所有动车的轮周上的牵引力之和要满足整列车的牵引条件，同时还要满足不大于0.14～0.16的粘着条件（即牵引力与列车总重量之比）。

诚然，所有动车的电制动力之和要满足整列车的制动条件。如果电制动力无法达到列车的制动条件，则制动控制系统将通过实施机械制动，提供补足的制动力。制动时同样也要满足粘着条件。

图2 交流变频调速系统的牵引和电制动特性

因为城轨列车的站间距较短（1～2km），所以列车的启动加速度很大，可以达到0.8～1m/s2。

同样，城轨列车的制动减速度也很大，常用减速度要达到-1m/s2，快速和紧急制动的减速度要达到-1.3m/s2。

4、牵引变流器

牵引变流器的电气原理（图3）如下：

城轨列车的动车上，一般只安装一台牵引变流器。变流器内设置了两个三相功率模块INVMK1和INVMK2，分别驱动一台动车转向架上的两台牵引电机。

图3 牵引变流器的电气原理

每辆动车上装有两台动车转向架，共4台牵引电机。见图4。

城轨列车的动车如果采用车控模式，牵引变流器中只需要一个转矩闭环系统，全部的4台牵引电机的三相输入电压、频率、转矩，都保持完全一致。

城轨列车的动车如果采用架控模式，牵引变流器中则需要两个转矩闭环系统，每台转向架上的两台牵引电机的三相输入电压、频率、转矩，都保持完全一致。

在小雨、冰雪的条件下，动车上的轮对相对轨道会发生滑动，致使各轮对的转速产生差异（由电机轴上的测速传感器测出），则变流器将发出转矩减载的指令，使动车的驱动力下降，直至滑动结束，4台电机的转速一致才停止。

在做防滑控制的过程中，动车的驱动力下降，对列车的牵引和电制动有不利的影响，尤其是“动-拖比” 较小的列车，会产生很大的冲动。为此，许多列车采用了架控的模式，减载控制只发生在动车的一台转向架上，可以使整个动车的驱动力下降得不多，减少了列车的冲动。

由于大功率模块的工作频率特性的限制，在变流器的三相输出电压的频率在60Hz以下时，输出电压采用的是SPWM调制和18边形变换方式。超过60Hz时，则采用准方波和常规PWM调制以及6边形变换方式。为了保证这种转换的稳定性，频率在转换点的上升和下降时，要设置较大的回环。

图4 动车转向架的结构

牵引变流器在做电制动，并供电电网中有运转的设备或运行的列车时，它们可以吸收回馈的能量。

列车实施电制动，在回馈能量不能全部被吸收，并使直流侧电压升高达到DC 1 900V以上时，则制动电阻上的斩波元件开通，将回馈的能量消耗在制动电阻之上。

牵引变流器的控制原理见图5。

图5 牵引变流器的控制原理

由此可见，司机操纵司控器时，控制的是电机的驱动转矩。牵引状态是在正滑差之间调节牵引转矩，电制动状态是在负滑差之间调节制动转矩。

在供电电网处于DC1500V的条件下，牵引变流器的三相输出电压的最大有效值只能达到AC1150V左右。为了继续提高一些输出电压，可以采用注入三次谐波的方法，上移恒功转折点。因为电机采用星形接法，没有三次谐波电流，只是增加了高频噪声的干扰。见图6。

图6 注入三次谐波法

5、网络控制系统

由于城轨列车采用了动力分散的结构模式，为此车内的所有电气设备，均是用TCN制式的网络进行连接和通讯，实现指令和数据的广播式同步传输和分步式传输，目前也在开发工业以太网的网络控制系统。见图7。

网络分成列车级WTB和车辆级MVB两种，传播周期为几十到一百多毫秒；网络可以对电气设备进行数字指令的控制，也可以对设备的状态及故障信息进行上传，供司机和检修人员参考。

图7 网络拓扑结构

由于网络系统的应用，改变了以往硬连线只有模拟量和单一开关量的缺点，提高了信息传输的数量和可靠性。

现在的网络已经从设备的控制，拓宽到旅客信息及移动视频的领域，功能在不断地扩大。

三、城轨列车的速度控制

1、如何取得速度闭环控制的给定值

城轨列车在人工驾驶状态下的牵引控制，实际是在控制牵引电机的驱动转矩的大小和滑差的正负变化（牵引和电制动）。

城轨列车的速度闭环控制，则是由线路中的信号系统预先设定的速度给定值，加在车上的运行控制系统上来完成。

列车在两个车站之间，预先设计好了运行的速度曲线，列车运行到线路的任何一点，都有相应的速度给定要求。见图8。

图8 速度曲线示意

因此，城轨列车要实现闭环的速度控制，必须实时地知道列车在运行线路上的绝对位置。

在运行线路的轨枕上，每隔一定的间隔位置（如140m）放置可以读取数据的应答器（类似身份证的IC卡），预先在它们的内部存入卡号或绝对地标的里程值。通过列车上安装的阅读器来读取数据，就可以知道列车运行的绝对里程位置（如0m、140m、280m、...、140i）。见图9。

图9 运行线路上的里程测量元件

在列车的两个拖车转向架的轮对轴端，安装着齿轮式测速传感器。当轮对转过一周时，测速传感器将输出110个脉冲。如果车轮的直径是D，则两个脉冲的间隔，对应的是列车运行的实际距离，k＝πD /110，k可以达到220～240mm的精度（考虑磨损，车轮的实际直径将在0.84～0.77m之间）。

记录传感器在某段时间内发出的脉冲数n，则Sj＝πDn/110 也就获得了列车运行的位置和里程，在起点的里程标已知的情况下，就可以获得列车运行的绝对里程标的准确位置：S＝S0＋Sj。

当列车上的测量里程的阅读器，读到了表示整数里程的应答器时（如Si1＝140il），则可以将前面用齿轮传感器测到的精确里程数清零，下面的里程则是 Si2＝Si1＋kn 。

有源应答器的安装间隔是140m，其内设的编码对应的是安装点的绝对里程标，因此，列车每运动140m，阅读器就可以读到一个140m的倍数的等效里程标值。当阅读器读到已知的绝对里程标时，信号系统的计算机就开始记录测速传感器的脉冲数，列车相对于绝对里程标运行的相对距离。一旦阅读器读到无源应答器内的绝对里程标值时，测速传感器的测量值被清零，有源应答器的绝对里程标实际数值的基础上重新测量列车运行的相对里程，如此循环。可见，有源应答器给出的是粗测的绝对里程标，由测速传感器脉冲计算所得的是精测的相对里程标。将这两种测量方法结合起来，就可以准确获得列车的运行位置。

这种测量里程的方式，包含了应答器的绝对位置和齿轮传感器的相对位置，精度是很高的。由于轮对在运行时会发生打滑的情况，两个表示绝对里程的应答器之间的精测位置，将产生误差。

但是，由于设置了有指示绝对位置的整数应答器，它们之间的精测位置被清零重新记录，所以不会产生累计误差。

列车运行的速度曲线，可以用数据表的形式存储在计算机中，列车只要检测到列车的运行里程位置，就可以查到即时列车应该达到的速度。将这个速度作为牵引系统速度闭环的给定值，列车就可以实现速度闭环控制。

速度曲线上还有一个5km的保护限，列车运行速度一旦超过这个值，将自动实施紧急制动，这也称列车运行的ATP控制。

考虑运行中的车轮直径会磨损，擦伤时还需要镟轮，故信号系统中供计算用的轮径D不能预先设定而不变。为此，当列车每天出库时，线路上安装了专门用来测量轮径的两个应答器，它们相距100m。列车运行过这段距离时，将测到n个传感器的脉冲，则车轮的直径D=11000/πn。将这个测量到的车轮的直径D存入计算机的内存中，就可以进行里程表的计算。

2、速度的闭环控制

速度闭环的控制网络见图10。

图10 速度闭环的控制网络

城轨线路的轨道上，还安装着可以实时改写编码的有源应答器，不同的编码对应着红灯、绿灯、白灯等指令。列车上的阅读器读到这个信息后，就能够自动判断前方是“可以通行”、“应该停车”、“需要减速通过道岔”等运行的操作。见图11。

由于电制动的特性较软，在列车停车时无法实现精确定位，所以还需要在列车停住之前，慢慢切除电制动，将机械制动加上去，实施电气-机械制动转换。见图12。

转换时的速度点在8～10km/h左右，电制动力的下降和机械制动力的上升斜率要一致，才能保证总制动力不变。

列车上还安装了停车定位的传感器，轨道上安装了停车位置板。列车按照速度曲线的指令减速，只要传感器进入位置板的区间，机械制动器将增大制动力，把车停下来。见图13。

由于列车的制动主要是使用电气制动，机械制动的时间较短，所以列车的闸瓦和轮缘磨损很小；因为列车启动加速的时间不长，匀速运动时不需要很大的牵引力，再加上电制动时能量可以回馈。为此，一辆200多吨、总牵引装车功率可达4 000kW的列车，每公里的实际平均耗电约10kW·h，回馈的能量约5kW·h。

列车的速度闭环控制，由于设置了速度曲线，就可以实现车站之间真正的自动驾驶（ATO）；考虑停站上客的条件多变，列车关门开车的时刻，还需要司机人工操作关门，再按下自动驾驶按钮，列车才可以在下一个车站之间进行自动驾驶。

图13 车站停车定位的方式

即使人工驾驶，也需要安全速度保护限制，这也称手动ATP运行。此时，在列车的信号系统中，设置的是阶梯式的速度曲线。司机人工驾驶的列车速度只要接近这条速度曲线，系统将实施声光报警。如果5s之内列车仍不减速，系统将对列车自动实施紧急制动。

在上海的几条新开通的地铁线路上，最先采用的就是人工ATP的驾驶方式。ATO的调试，需要一定的时间，见图14。

图14 手动ATP运行时的速度曲线

3、车载信号系统

信号系统和列车的制动系统，安全级别很高，它们是最后一道防线。为此，这些系统的控制计算机，都要使用三选二的安全计算机。测量系统的各种设备和器件，一般也是两套以上，冗余度要求极高。见图15。

图15 车载信号系统的原理

四、中低速磁浮列车牵引控制的特殊性

单边气隙的直线电机在电枢通入三相电压以后，尽管轨道上铺设了等效次级导体作用的铝板，因为磁路中仍然有铁磁材料，电机和轨道之间依然要产生电磁吸力。

经过电机试验表明，单边气隙的直线电机在设定的工作气隙和额定运行条件下，其产生的电气牵引力和气隙磁场产生的电磁吸力和以及它们的变化趋势，规律基本相似。这个电磁吸力对悬浮电磁铁来讲，是一个负载力。

当电机在进行牵引和制动操作时，如果电机电流发生较强的突变，则相当于悬浮电磁铁的负载力也产生突变。

这种突变的电磁吸力变化的时间常数，如果与悬浮电磁铁的调节频率相近，将引起悬浮电磁铁的工作不正常，甚至发生震动或强烈地跳动。见图16。

图16 常导中低速磁浮列车的悬浮、导向和驱动原理

由于在旋转交流异步电机的牵引和电制动的转矩控制中，主要是对电机的正负滑差进行调节。从其控制原理可以看出，转矩给定的变化之前，已经加入了斜坡控制的条件。为了减少电流的突变，磁浮列车上的这个控制指令的斜率设置，又作了进一步地减小。

滑差的大小变化，可以由直接牵引力控制的调节品质决定，为了使电机的控制电流更加平滑，通过电机试验，找到了不同运行速度条件下的最佳滑差，并将其变化规律存入计算机。当直线电机进行牵引力控制时，可以把电机的滑差控制在最好的条件下，使电机的运行电流的变化更加趋于平稳。见图17。

此时，从悬浮控制器的输入电流来看，波动大大降低。诚然，悬浮电磁铁的振动和跳动，就很少出现了。

五、结束语

在几年之前，由于城市轨道交通的大部分列车，要么是直接从国外引进，要么是外方公司设计，由国内组装。许多关键技术，尤其是牵引、网络控制、制动、信号等系统，均为国外公司所掌握，我们完全处于被动状态；在国务院和发改委的装备业自主创新的战略推动下，城轨列车的自主化和国产化进程取得了很大的进步，绝大部分设备的核心应用技术，已经达到自主设计、自主集成、自主采购、自主试验的阶段，攻克余下的关键技术的时间，不会太长了。上海轨道交通设备发展有限公司在2007年研制成功A型地铁列车，真正实现了自主设计、自主采购、自主制造、自主试验的研发全过程，性能达到了正在运营的地铁列车的技术水平。2009年，在上海地铁9号线上完成了载客运营10万km，获得了MDBF＞25 000km和MTBF＞557h的运营指标，实现了上海市科教兴市项目的最终目标。

通过自主研发和实践，是取得关键技术突破的重要手段，下一阶段的重点目标，应该是各种系统的应用软件的自主设计和编制。