高福昕

摘 要：伴隨當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展、更新與完善，有效推動(dòng)了變頻傳動(dòng)控制技術(shù)的適用性發(fā)展。隨著以微處理器件為核心的數(shù)字控制技術(shù)及更大功率的自關(guān)斷器件的不斷發(fā)展與完善，促進(jìn)了城市軌道交通車(chē)輛中變頻傳動(dòng)控制技術(shù)的有效運(yùn)用。本文通過(guò)分析變頻傳動(dòng)技術(shù)在我國(guó)城市交通車(chē)輛上的實(shí)際運(yùn)用特點(diǎn)，探討此技術(shù)在城軌交通車(chē)輛當(dāng)中的有效運(yùn)用舉措。

關(guān)鍵詞：城市軌道；交通車(chē)輛；變頻傳動(dòng)控制技術(shù)；運(yùn)用

中圖分類(lèi)號(hào)：U239.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）01-0097-01

在國(guó)外，城市軌道交通車(chē)輛已經(jīng)有百余年發(fā)展歷史，伴隨當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的日趨發(fā)展與廣泛應(yīng)用，有利推進(jìn)了整個(gè)電力傳動(dòng)系統(tǒng)的迅速發(fā)展，使其有了大幅改變，其調(diào)速與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)從原先的變阻調(diào)速演變成為了斬波器調(diào)速，現(xiàn)今又發(fā)展成為運(yùn)用交流三相異步牽引電動(dòng)機(jī)并且選用變頻調(diào)速調(diào)壓的傳動(dòng)技術(shù)。因此種變頻傳動(dòng)技術(shù)具有自身獨(dú)特的優(yōu)良性，所以在世界諸多發(fā)達(dá)國(guó)家有關(guān)輕軌與地鐵車(chē)輛的研發(fā)方面機(jī)會(huì)均選用交流電傳動(dòng)變頻調(diào)速技術(shù)。伴隨當(dāng)今能源、環(huán)保與人類(lèi)之間關(guān)系的日趨緊密，運(yùn)用此種調(diào)速技術(shù)的機(jī)車(chē)將會(huì)在市場(chǎng)上具有更為廣闊的發(fā)展前景。

1 在我國(guó)城市交通車(chē)輛上運(yùn)用變頻傳動(dòng)技術(shù)的特點(diǎn)分析

（1）采用交流變頻調(diào)速傳動(dòng)的車(chē)輛所具有的優(yōu)點(diǎn)。通常交流變頻傳動(dòng)系統(tǒng)的組成包含兩部分，即變頻器及其控制裝置與三相交流異步電動(dòng)機(jī)。交流變頻傳動(dòng)系統(tǒng)相比于直流傳動(dòng)系統(tǒng)，主要有如下優(yōu)點(diǎn)：異步電動(dòng)機(jī)相比于直流電動(dòng)機(jī)，具有更加簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，無(wú)換向器，因此，重量輕且運(yùn)行可靠，價(jià)格低廉，效率高。其具有較強(qiáng)的機(jī)械特性，牽引性能優(yōu)異；此外，交流變頻傳動(dòng)系統(tǒng)在控制電路方面，相比于直流傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)，更為簡(jiǎn)單切便于維護(hù)。（2）我國(guó)運(yùn)用新型的變頻節(jié)能無(wú)軌電車(chē)相應(yīng)節(jié)能情況。比如廣州本田公司運(yùn)用150臺(tái)變頻電車(chē)代替了50臺(tái)斬波控制車(chē)及100臺(tái)采用電阻式予以控制的舊電車(chē)。在運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路相同的情況下，他們分別測(cè)定了各種電車(chē)的耗電量，最終結(jié)果顯示，新型車(chē)在耗電量上僅為電阻式控制車(chē)的72.5%。通過(guò)對(duì)這150臺(tái)新型變頻車(chē)及相同數(shù)量的舊車(chē)在一年的耗電量上進(jìn)行計(jì)算比較可知，新型車(chē)在耗電量上同比減少25%，由此可知，新型變頻傳動(dòng)控制的車(chē)齡具有十分明顯的節(jié)電效果。另?yè)?jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，運(yùn)用GTO變頻器傳動(dòng)的裝置較之容量相同的斬波調(diào)速直流傳動(dòng)裝動(dòng)裝置，在效率方面能夠提升5%～8%。至此，在城市交通車(chē)輛當(dāng)中應(yīng)用變頻傳動(dòng)技術(shù)，已經(jīng)獲取了較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。所以，在電子工業(yè)“十二個(gè)五”規(guī)劃當(dāng)中，我國(guó)電子工業(yè)部特別強(qiáng)調(diào)將以以變頻器傳動(dòng)裝置為代表的節(jié)能技術(shù)作為行業(yè)的重點(diǎn)發(fā)展內(nèi)容。

2 城軌交通車(chē)輛中變頻傳動(dòng)技術(shù)的有效運(yùn)用

2.1 變頻傳動(dòng)系統(tǒng)（牽引/制動(dòng)系統(tǒng)）組成分析

現(xiàn)以廣州地鐵一號(hào)線(xiàn)為例作以分析，牽引和電制動(dòng)系統(tǒng)主要由制動(dòng)電阻、牽引電機(jī)、DCU/UNAS牽引控制單元、VVVF牽引逆變器、受電弓及高速短路器HSCB等組成，當(dāng)列車(chē)受電弓自接觸網(wǎng)受流且經(jīng)過(guò)高速斷路器之后，向VVVF牽引逆變器送入1500V的DC直流電。由于VVVF牽引逆變器所運(yùn)用的乃是PWM脈寬調(diào)制模式，能夠逆變1500V的DC直流電，使之成為在電壓及頻率方面均可調(diào)節(jié)的三相交流電，然后以平行供給方式，輸送至車(chē)輛的四臺(tái)交流鼠籠式異步牽引電機(jī)，通過(guò)調(diào)速電機(jī)，促使列車(chē)的制動(dòng)機(jī)牽引功能的實(shí)現(xiàn)，對(duì)于其半導(dǎo)體交流元件而言，因其選用的是4500V/3000A的GTO，其斬波頻率最大為450Hz。VVVF幅值調(diào)節(jié)區(qū)間為0～1147V的AC交流電，輸出電壓頻率調(diào)節(jié)區(qū)間0～112Hz。

2.2 變頻傳動(dòng)系統(tǒng)（牽引/制動(dòng)系統(tǒng)）工作原理分析

整個(gè)控制系統(tǒng)由多環(huán)節(jié)構(gòu)成，即能量反饋、脈沖發(fā)生器、電機(jī)控制、速度測(cè)量及輸入值設(shè)定。（1）輸入值設(shè)定。DCU利用列車(chē)對(duì)來(lái)自于控制系統(tǒng)的相應(yīng)牽引與制動(dòng)力絕對(duì)值進(jìn)行接收，此外，還可對(duì)司機(jī)所發(fā)出的制動(dòng)或牽引指令進(jìn)行接收，以此來(lái)決定施加制動(dòng)力還是牽引力。在給定值控制實(shí)際電機(jī)前夕，需經(jīng)過(guò)如下處理操作：①載荷校驗(yàn)。DCU依據(jù)列車(chē)實(shí)際載荷情況，對(duì)實(shí)際牽引/制動(dòng)力進(jìn)行調(diào)整，這是因?yàn)檫\(yùn)用了動(dòng)力分散型控制，為了保持具有最小的車(chē)鉤之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)，且促使整車(chē)在動(dòng)態(tài)特性方面達(dá)成一致。②沖擊限制。對(duì)于不同給定值在大小方面的改變，均需于沖擊限制相應(yīng)規(guī)定相符，但在激活防滑/防空轉(zhuǎn)功能時(shí)，此限制不對(duì)其起作用。③速度限制（牽引時(shí)）。速度控制的優(yōu)先級(jí)相比于電機(jī)控制，高于后者，比如廣州地鐵一號(hào)線(xiàn)同時(shí)規(guī)定了3個(gè)速度限制，分別為慢行速度為3km/h，倒車(chē)速度為10km/h，正常速度為80km/h。④線(xiàn)電流限制（牽引時(shí)）。在牽引工況過(guò)程中，線(xiàn)電流控制的優(yōu)先級(jí)相比于電機(jī)控制，高于后者，若考慮功耗內(nèi)容，此限制值不得大于每節(jié)車(chē)720A。⑤欠壓保護(hù)（制動(dòng)時(shí)）。在實(shí)施制動(dòng)過(guò)程中，網(wǎng)壓始終受檢測(cè)，如若降低網(wǎng)壓，即使之低于1500V，網(wǎng)壓及制動(dòng)力矩隨速度均減少，此時(shí)氣制動(dòng)便會(huì)補(bǔ)充不足的制動(dòng)力。（2）速度檢測(cè)。各牽引電機(jī)據(jù)附帶有一個(gè)速度傳感器，另外，各牽引控制單元均與3個(gè)速度傳感器相連接，當(dāng)處于正常狀態(tài)時(shí)，此數(shù)值便會(huì)直接被送至DCU，然后實(shí)施牽引制動(dòng)。DCU不僅檢測(cè)電機(jī)速度，而且還會(huì)對(duì)拖車(chē)的速度進(jìn)行檢測(cè)。（3）電機(jī)控制?？刂品绞綖榭臻g矢量控制。利用逆變器輸出線(xiàn)的相電流、電壓及電機(jī)速度等參數(shù)，由近似而得到電機(jī)的磁通方向與大小。對(duì)于繞組當(dāng)中的電機(jī)電壓與電流而言，其相關(guān)于空間矢量的磁通量，此解耦過(guò)程促使能夠?qū)α丶按磐▽?shí)時(shí)單獨(dú)控制。（4）脈沖模式發(fā)生器。其有3個(gè)輸入變量，即校正角、定子頻率及相控因數(shù)。電機(jī)控制環(huán)節(jié)提供此3個(gè)變量。對(duì)于脈沖模式發(fā)生器而言，可依據(jù)此3個(gè)輸入變量，對(duì)牽引逆變器當(dāng)中的GTO觸發(fā)脈沖開(kāi)展實(shí)時(shí)計(jì)算。（5）能量反饋。對(duì)于電能能量反饋而言，能量是向電網(wǎng)中反饋的，如若為電制動(dòng)，電網(wǎng)則難以全部吸收所有的能量，對(duì)于多余的能量而言，需要相熱能轉(zhuǎn)換，并在制動(dòng)電阻上予以消耗，不然電網(wǎng)電壓將會(huì)大幅抬高，且達(dá)到難以承受的程度。制動(dòng)斬波器能夠保證大部分的能量被反饋至電網(wǎng)，另外，還可對(duì)電網(wǎng)上的其它設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，我國(guó)城市軌道車(chē)輛電力傳動(dòng)系統(tǒng)分別經(jīng)歷了直流至交流，變阻調(diào)速至斬波器調(diào)速，最后又發(fā)展為三相異步電動(dòng)機(jī)的變頻傳動(dòng)。經(jīng)實(shí)踐應(yīng)用檢驗(yàn)可知，變頻傳動(dòng)控制技術(shù)在城市軌道交通車(chē)輛中的應(yīng)用，具有很好的運(yùn)用效果與價(jià)值。

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