電力牽引傳動與控制技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展

電力牽引傳動與控制技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展摘要：電力牽引傳動與控制技術(shù)已經(jīng)成為衡量一個國家鐵路技術(shù)水平的最重要標(biāo)志之一。本文從車載交流牽引傳動系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)出發(fā)，描述了大功率牽引傳動系統(tǒng)在實(shí)際工程應(yīng)用中面臨的諸多技術(shù)難題，介紹了在全系列電力電子器件及應(yīng)用技術(shù)、大功率牽引傳動變流裝置及其控制系統(tǒng)、列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)等關(guān)鍵部件的核心技術(shù)成果，分析了牽引傳動及控制技術(shù)的未來發(fā)展，展望了利用軌道牽引傳動及控制核心技術(shù)向光伏發(fā)電、直流輸電、電動汽車、冶金軋機(jī)、艦船推進(jìn)、油氣輸送等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：電力電子器件；變流裝置；傳動控制；變頻Abstract:Thetechnologyofmodernrailwaytractionandcontrolhadbeenoneofthemostimportantmarkstomeasureacountry'slevelofrailwaytechnology.FromtheapplicationcharacteristicsofACtraction,thispaperdescribedtheproblemsfacedbythepracticalapplicationofthehighpowertractiondrivesystem.Thispaperintroducedthecoretechnologiesresultsofpowerelectronicdevices,highpowertractiondeviceanditscontrolsystemandtrainnetworkcontrolsystem.Thispaperalsoanalyzedthefuturedevelopmentoftractionandcontroltechnologyandprospectedthefutureapplicationofrailwaytractionandcontroltechnologytosolarpower,HVDC,electricvehicle,metallurgyandrollingmill,marinepropulsionandoilandgasdelivery,etc.Keywords:powerelectronicdevices;converterdevice;drivecontrol;frequencyconversion牽引傳動及控制技術(shù)是軌道交通機(jī)車車輛必須的技術(shù)配置，它推動了機(jī)車車輛技術(shù)的進(jìn)步，成為高速鐵路和重載貨運(yùn)發(fā)展的基礎(chǔ)?？梢哉f，是否擁有成熟的牽引傳動及控制技術(shù)，已經(jīng)成為衡量一個國家鐵路技術(shù)水平的重要標(biāo)志之一。同時，牽引傳動領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步和成熟，將輻射到電氣自動化、節(jié)能等諸多領(lǐng)域，形成具有核心競爭力的自主品牌。1車載交流傳動系統(tǒng)應(yīng)用特點(diǎn)1.1牽引/制動特性軌道運(yùn)輸裝備的牽引/制動特性是其最基本、最重要的性能，是運(yùn)輸裝備設(shè)計(jì)首要考慮的重要因素之一，它包括了運(yùn)輸裝備的持續(xù)運(yùn)行速度、最高運(yùn)行速度、牽引/制動力特性以及裝備的加速性能，以滿足鐵路運(yùn)輸?shù)男枨?。在軌道運(yùn)輸裝備減速制動時通常優(yōu)先采用再生制動，將電機(jī)回饋的電能通過變流裝置回饋給電網(wǎng)，達(dá)到綠色環(huán)保節(jié)能的目的。在系統(tǒng)研究與實(shí)際工程應(yīng)用中，采用高功率密度變流裝置、變壓器、牽引電機(jī)和直接轉(zhuǎn)矩控制等先進(jìn)電機(jī)控制策略，在實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的牽引/制動特性準(zhǔn)確控制的同時，獲得毫秒級的轉(zhuǎn)矩階躍動態(tài)響應(yīng)性能。1.2輪軌關(guān)系輪軌粘著條件是指輪軌之間的自然粘著特性，它決定了運(yùn)輸裝備所能發(fā)揮的最大牽引/制動力，是制約運(yùn)輸裝備性能的關(guān)鍵因素之一，對于大功率貨運(yùn)機(jī)車而言顯得尤為重要。試驗(yàn)表明，輪軌粘著特性不僅自身具有顯著的非線性特征，而且在不同的氣候條件、軌道曲線半徑和軌面清潔度時也截然不同，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的隨機(jī)性和易變性。在各種千差萬別的輪軌粘著條件下，怎樣使運(yùn)輸裝備輸出的牽引力盡量逼近當(dāng)前輪軌粘著條件所容許的最大牽引力是粘著利用控制的主要任務(wù)。在理論研究與工程應(yīng)用中采取了獨(dú)創(chuàng)的、先進(jìn)的自適應(yīng)粘著控制策略，采用線性系統(tǒng)理論，通過對牽引力的測量與計(jì)算，間接地獲取粘著特性曲線斜率，實(shí)現(xiàn)最佳粘著利用。1.3弓網(wǎng)關(guān)系采用電力牽引軌道運(yùn)輸裝備，在運(yùn)行時需從接觸網(wǎng)取電，轉(zhuǎn)換成機(jī)械能驅(qū)動列車運(yùn)行，或者將列車動能轉(zhuǎn)化成電能，在實(shí)現(xiàn)列車制動的同時向電網(wǎng)回饋能量。牽引系統(tǒng)必須與電網(wǎng)友好匹配，即：低干擾電流、高功率因數(shù)、4QS運(yùn)行等。另外，由于接觸網(wǎng)的不平順或受電弓的振動，會使得受電弓與接觸網(wǎng)導(dǎo)線在幾十個毫秒瞬時離開，俗稱為“跳弓”。“跳弓”現(xiàn)象在電力機(jī)車（包括動車組）是很常見的現(xiàn)象。當(dāng)發(fā)生“跳弓”時，對于常處于幾MW負(fù)荷的變流裝置，突然失電，工況非常復(fù)雜，如果不能非常及時地處理，通常會導(dǎo)致變流器瞬時過壓、過流，甚至損壞器件。在探索、掌握高動態(tài)響應(yīng)、高系統(tǒng)穩(wěn)定性、高性能指標(biāo)的主電路參數(shù)和控制理論基礎(chǔ)上，通過高速硬件平臺微秒級的快速采集網(wǎng)側(cè)電量信號，檢測到信號發(fā)生變化后，四象限和電機(jī)控制系統(tǒng)必須快速地對控制參數(shù)進(jìn)行及時調(diào)整，以保證變流裝置能穩(wěn)定正常工作，適應(yīng)各種極端的運(yùn)行工況，實(shí)現(xiàn)高可靠性的工程應(yīng)用。1.4功率流密度軌道車輛車載設(shè)備對體積、重量有非常高的苛求，需不斷追求變流裝置更高的功率流密度。由IGBT器件組成的單模塊容量從最初的400kVA，到如今1600kVA（在7200kW電力機(jī)車上大批量應(yīng)用）,如采用最新6500V元件可達(dá)到2000kVA，采用IGCT器件模塊可達(dá)到9MVA。1.5電磁兼容性要求高電磁兼容性指設(shè)備或系統(tǒng)在電磁環(huán)境中能正常工作，且不對該環(huán)境中的任何事物構(gòu)成不能承受的電磁干擾的能力。對于低壓小功率的變流應(yīng)用場合這個問題不突出，但在功率通常都在MW級以上的大功率牽引系統(tǒng)領(lǐng)域，由于體積、空間的限制，強(qiáng)弱電共存，且強(qiáng)弱設(shè)備共用一個接地點(diǎn)，通?？刂蒲b置與高壓開關(guān)器件相鄰布局，輻射干擾和傳導(dǎo)干擾等電磁干擾問題非常突出，也成為大功率牽引變流及控制技術(shù)的一個關(guān)鍵應(yīng)用難題。在不斷探索與應(yīng)用中，掌握了接地抗干擾技術(shù)、屏蔽抗干擾技術(shù)、磁場屏蔽技術(shù)等來改善牽引系統(tǒng)本身的電磁兼容性，以提高抗外部干擾的能力，有效減小對外界生物的輻射污染。通過主電路合理的布線設(shè)計(jì)來提高弱電信號的抗干擾能力，同時采用諸如優(yōu)化的脈寬調(diào)制技術(shù)等先進(jìn)的控制方式，有效抑制電流諧波帶來的干擾問題；通過長期的經(jīng)驗(yàn)積累，良好的EMC試驗(yàn)條件，嚴(yán)格的EMC試驗(yàn)，形成了EMC工程技術(shù)能力。1.6環(huán)境條件軌道牽引傳動設(shè)備的現(xiàn)場應(yīng)用環(huán)境條件非常惡劣，振動與沖擊、環(huán)境溫度與濕度、海拔高度、耐腐蝕性以及抵抗風(fēng)雪雨等指標(biāo)都遠(yuǎn)高于普通的工業(yè)應(yīng)用。以機(jī)車為例，變流控制裝置通常在夏天要承受60℃左右的環(huán)境溫度，冬天要承受-40℃的低溫，這對電子產(chǎn)品的耐受性、可靠性提出了更高要求，同時，還要考慮鹽霧、濕熱、振動、沙塵等工作環(huán)境，從而提高了對控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。2變流技術(shù)2.1系統(tǒng)技術(shù)的突破2.1.1電傳動系統(tǒng)的性能最佳匹配技術(shù)受軌道牽引車輛軸重的限制，在滿足車輛動力性能的前提下，要求牽引變流器與異步牽引電動機(jī)的最佳匹配和適度的主電路網(wǎng)側(cè)電參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的性能最佳、重量最輕和經(jīng)濟(jì)性。在實(shí)際工程應(yīng)用中，采取配合牽引/電制動特性選擇適當(dāng)?shù)凝X輪傳動比，使電機(jī)既能在牽引的最高轉(zhuǎn)速處具有一定的力矩過載倍數(shù)，又能發(fā)揮高速的峰值功率，同時使啟動電流和峰值電流在變流器的允許值范圍之內(nèi)；根據(jù)所要求的旅行速度，由典型區(qū)段計(jì)算出的等效電流及電動機(jī)的發(fā)熱溫升來確定電機(jī)的額定功率等；高壓電器的選型和主要參數(shù)則要考慮高壓電氣性能、可靠性、所承受的供電網(wǎng)的過電壓并根據(jù)主電路典型電流曲線等選取；同時，利用系統(tǒng)仿真手段，進(jìn)行電傳動系統(tǒng)的最優(yōu)匹配設(shè)計(jì)。2.1.2功率器件性能最優(yōu)利用技術(shù)在低壓小功率應(yīng)用場合，由于器件設(shè)計(jì)余量可以選擇比較大，幾乎不用考慮功率器件的性能最優(yōu)利用技術(shù)。但在高壓大功率牽引傳動系統(tǒng)中，器件本身非常昂貴，同時受器件本身的性能參數(shù)、安裝空間和體積重量的限制，設(shè)計(jì)余量選擇往往會決定最終性價(jià)比。通常設(shè)計(jì)余量都盡可能的取得較低，這必須不斷追求功率器件性能的最優(yōu)利用以保持產(chǎn)品的持續(xù)競爭力。與此同時，高壓大功率變流器開關(guān)頻率低，變流器承受的尖峰電流和過電壓都很高，功率器件的性能最優(yōu)利用技術(shù)門檻非常高。經(jīng)過長期的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)積累，我們掌握了高性能的異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制策略，可以充分利用開關(guān)頻率，獲得更低的尖峰電流及過電壓指標(biāo)；采取功率因數(shù)閉環(huán)控制和瞬態(tài)電流控制的四象限控制策略，可以在各種不同負(fù)載下獲得接近1的高功率因數(shù)指標(biāo)。這2種技術(shù)均可以使功率器件在同樣的峰值電流下輸出更大的基波電流，從而在同樣的保護(hù)參數(shù)下的性能可以得到更充分的利用。同時，成熟的器件分級保護(hù)系統(tǒng)，特別是納秒級檢測、微秒級響應(yīng)動作的硬件保護(hù)電路，可以確保功率器件在最優(yōu)利用時的安全性和可靠性。2.1.3系統(tǒng)仿真平臺技術(shù)隨著軌道交通行業(yè)的大發(fā)展，產(chǎn)品的開發(fā)和交付周期也不斷地縮短，從而對設(shè)計(jì)的要求也越來越高。同時，由于傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大、參數(shù)時變、工作過程及控制技術(shù)復(fù)雜，整體的匹配性能要求高等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)難度很大。仿真技術(shù)可以保證系統(tǒng)性能，降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，提升設(shè)計(jì)能力，推進(jìn)創(chuàng)新，縮短系統(tǒng)及部件開發(fā)周期，快速響應(yīng)市場需求，提升關(guān)鍵部件開發(fā)和系統(tǒng)研究與集成能力。經(jīng)過近十年的努力，先后建立了多個仿真平臺：牽引計(jì)算仿真平臺，可以驗(yàn)證列車整個牽引電氣系統(tǒng)的性能；系統(tǒng)主電路仿真計(jì)算平臺，可以驗(yàn)證主電路原理并確定部件的電氣參數(shù)；半實(shí)物實(shí)時仿真平臺，包括硬件在回路（HIL）和快速控制原型（RCP）半實(shí)物實(shí)時仿真平臺，可驗(yàn)證各種控制策略和控制算法；熱仿真和結(jié)構(gòu)仿真平臺，可輔助熱設(shè)計(jì)及機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。2.2部件技術(shù)突破2.2.1器件開發(fā)及其應(yīng)用技術(shù)新型電力電子器件及其相關(guān)新型半導(dǎo)體材料的研究，一直是電力電子行業(yè)極為活躍的領(lǐng)域。隨著每一代新型電力電子器件的誕生，變流技術(shù)往往都會掀起一場革命浪潮，從晶閘管到GTO，再到如今的IGBT、IGCT，都是一代器件決定一代裝置。電力電子器件已經(jīng)在國家節(jié)能減排、建設(shè)節(jié)約型社會中發(fā)揮著不可替代的作用。經(jīng)過四十多年的努力，攻克了金剛石臺面工藝、離子注入工藝、全壓接工藝等關(guān)鍵技術(shù)，成為國際上為數(shù)不多的具備普通器件、IGCT、IGBT完整產(chǎn)品鏈的大功率半導(dǎo)體器件供應(yīng)商，產(chǎn)品最大規(guī)格達(dá)到6英寸（6×25.4mm），最高電壓達(dá)到8500V。成功開發(fā)出4500V/4000AIGCT器件，成為全球第二家掌握該器件技術(shù)的企業(yè)。在軌道牽引應(yīng)用領(lǐng)域，器件開發(fā)技術(shù)必須考慮下列特點(diǎn)：能夠承受較強(qiáng)的振動沖擊，外部結(jié)構(gòu)必須緊固，設(shè)計(jì)時必須考慮器件內(nèi)部的應(yīng)力；器件的環(huán)境溫度變化通常在50℃以上，必須承受大的溫度應(yīng)力；由于空間體積、重量的限制，要求器件盡量小，必須掌握器件高效率的散熱技術(shù)；工作的電磁環(huán)境惡劣，必須考慮EMC設(shè)計(jì)。在高壓直流輸電應(yīng)用領(lǐng)域，通常需要上百個器件串聯(lián)運(yùn)行，必須考慮器件的動態(tài)均壓技術(shù)，確保串聯(lián)器件的反向恢復(fù)電荷保持高度一致性；可靠性要求極高，使用壽命長，器件必須考慮設(shè)計(jì)容量；充分考慮電壓沖擊，滿足特殊的雪崩浪涌試驗(yàn)和應(yīng)用要求。1）電力電子器件的串并聯(lián)技術(shù)隨著現(xiàn)代電力電子變流技術(shù)的飛速發(fā)展，實(shí)際工程應(yīng)用中對變流裝置高壓、大功率的需求越來越迫切，而電力電子器件的串并聯(lián)技術(shù)是當(dāng)前變流裝置實(shí)現(xiàn)高壓大功率的最關(guān)鍵的技術(shù)。但是串并聯(lián)將導(dǎo)致元件間電壓、電流的靜態(tài)與動態(tài)均勻分布問題。以高壓直流輸電變流器為例，上百個的開關(guān)器件串聯(lián)后并入高壓電網(wǎng)，必須保證器件觸發(fā)的高度同步，否則微秒級的差異會帶來災(zāi)難性的后果?？煽康耐接|發(fā)技術(shù)、優(yōu)良的吸收回路是解決該問題的關(guān)鍵。通過長期從事高壓大功率變流裝置的研發(fā)，采用獨(dú)特的吸收回路設(shè)計(jì)，高同步脈沖觸發(fā)技術(shù)，攻克了器件串并聯(lián)應(yīng)用中的均壓、均流技術(shù)。在晶閘管串并聯(lián)應(yīng)用技術(shù)方面，公司為某軍事風(fēng)洞試驗(yàn)基地研制的135MW晶閘管整流大功率電源，最大空載輸出電壓44000V，穩(wěn)定功率135MW。在IGBT串并聯(lián)方面，公司為國家電網(wǎng)公司研制的直流柔性輸電融冰裝置，并聯(lián)輸出電流能力達(dá)到4800A。大批量應(yīng)用的7200kW交流傳動機(jī)車也是采用IGBT功率器件并聯(lián)技術(shù)。2）電力電子器件的驅(qū)動技術(shù)電力電子器件在應(yīng)用中的驅(qū)動和保護(hù)是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。先進(jìn)的驅(qū)動控制技術(shù)可以有效減小電力電子器件的導(dǎo)通壓降、開關(guān)損耗以及提高短路電流所帶來的應(yīng)力，更重要的是降低電力電子器件開關(guān)時的過電壓，防止?jié)撛谡鹗?，減小噪聲干擾，保護(hù)器件正常工作。經(jīng)過長期的研究，掌握了各種電壓等級的晶閘管、IGBT、IGCT驅(qū)動技術(shù)。前期掌握的電信號通過隔離變壓器驅(qū)動技術(shù)，隨著電壓等級的提高，常出現(xiàn)在變壓器隔離后導(dǎo)致脈沖陡度不夠，不能可靠觸發(fā)驅(qū)動器件動作，同時也暴露出電信號通過隔離變壓器方式的抗擾能力差等問題，通過技術(shù)攻關(guān)，又成熟掌握了光觸發(fā)技術(shù)，解決了高壓大功率可靠驅(qū)動難題。2.2.2冷卻技術(shù)隨著變流技術(shù)的不斷發(fā)展，變流裝置的體積趨于緊湊化，但系統(tǒng)趨于復(fù)雜化，高熱密度成了一股不可抗拒的發(fā)展趨勢。變流裝置的緊湊化和集成化要求冷卻裝置具有緊湊性、可靠性、高散熱效率、維護(hù)簡便等特點(diǎn)。幾種主要的冷卻技術(shù)的特點(diǎn)見表1。表1幾種主要的冷卻技術(shù)特點(diǎn)風(fēng)冷技術(shù)油冷技術(shù)水冷技術(shù)熱管散熱效率低、結(jié)構(gòu)簡單、噪聲大、體積大效率中等、噪聲小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量重、現(xiàn)場維護(hù)難效率高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量輕效率中等、噪聲小、結(jié)構(gòu)簡單在小功率變流應(yīng)用場合，如電動汽車、輔助變流器等，可采用風(fēng)冷技術(shù)；在中功率變流應(yīng)用場合，如城市地鐵軌道車輛等，采用熱管散熱冷卻技術(shù)；在大功率變流應(yīng)用場合，如干線電力機(jī)車等，采用水冷卻方式。通過長期的技術(shù)研究，掌握了冷卻技術(shù)的仿真計(jì)算技術(shù)，散熱器熱阻、流阻設(shè)計(jì)及試驗(yàn)技術(shù)，自主研制的熱管散熱器批量應(yīng)用于地鐵項(xiàng)目，水冷散熱器和嵌片散熱器批量應(yīng)用于7200kW電力機(jī)車。2.2.3低感母排技術(shù)低感母排是一種多層復(fù)合結(jié)構(gòu)連接排。與傳統(tǒng)導(dǎo)線聯(lián)接方法相比，低感母排可以大大降低線路的雜散電感，降低開關(guān)器件的過電壓，使得器件工作于更加安全的區(qū)域，并提供現(xiàn)代的、易于二次設(shè)計(jì)、安裝快速和結(jié)構(gòu)清晰的配電系統(tǒng)。通過長期的技術(shù)研究，掌握了低感母排的高低溫極限條件材料技術(shù)、高性能絕緣薄膜介電技術(shù)、柔性連接技術(shù)、壓合技術(shù)及灌封技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。2.3變流器產(chǎn)品及應(yīng)用IGBT器件及變流裝置（見圖1）應(yīng)用于“HXD1C”6軸7200kW交流傳動貨運(yùn)電力機(jī)車、北京地鐵13號線車輛、上海地鐵1號線車輛、廣州地鐵1號線車輛、北京房山線車輛、沈陽2號線車輛、深圳5號線車輛、上海低速磁懸浮車、電動汽車、國家電網(wǎng)直流融冰裝置、柔性輸電設(shè)備等項(xiàng)目。7200kW電力機(jī)車變流器與國外跨國公司同類產(chǎn)品對比如表2。表23種變流器的性能對比技術(shù)性能TEGHXD1C西門子HXD1西門子HXD1B主電路①兩級過壓保護(hù)，可用性高；②可實(shí)現(xiàn)單軸隔離，損失1/6動力①一級過壓保護(hù)；②變流器架控，實(shí)現(xiàn)單架隔離，損失1/2動力①一級過壓保護(hù)；②單軸隔離，損失1/6動力控制方式直接力矩控制矢量控制矢量控制選用的IGBT3300V，價(jià)格低，成熟度高，貨源廣3300V6500V，價(jià)格高，成熟度低，貨源緊張開關(guān)頻率450～500Hz250Hz350Hz功能各種功能及保護(hù)與西門子相當(dāng)，均能滿足用戶需求變流器模塊四象限模塊與逆變器模塊完全通用，降低了維修成本和備品備件數(shù)量可以互換不能互換諧波開關(guān)頻率高，諧波小，噪聲小開關(guān)頻率低，諧波大，噪聲大開關(guān)頻率低，諧波大，噪聲大體積3100mm×1060mm×2000mm(L×W×H)3700mm×1060mm×2000mm(L×W×H)3400mm×1060mm×2000mm(L×W×H)質(zhì)量0.7kg/kW0.71kg/kW0.58kg/kW3控制技術(shù)3.1關(guān)鍵技術(shù)突破3.1.1PWM控制技術(shù)脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（PWM）是現(xiàn)代變流技術(shù)廣泛應(yīng)用的起點(diǎn)，是奠定綠色變頻節(jié)能的基礎(chǔ)。其通過改變輸出脈沖的占空比來實(shí)現(xiàn)等效的輸出電壓與頻率，從而實(shí)現(xiàn)交流到直流，直流到交流的能量變換。通常采用的空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）技術(shù)在三相對稱正弦波電壓供電時，以合成旋轉(zhuǎn)的空間電壓矢量為參考，三相逆變器8種不同開關(guān)模式電壓矢量合成參考電壓矢量，形成PWM波。在高壓大功率變流應(yīng)用場合，開關(guān)頻率低是一個顯著特點(diǎn)。以變頻電機(jī)控制為例，隨著電機(jī)頻率的增加，當(dāng)開關(guān)頻率/電機(jī)頻率小于10Hz時，如果仍然采用普通異步調(diào)制技術(shù)將導(dǎo)致電機(jī)諧波轉(zhuǎn)矩顯著加大，此時采用同步脈寬調(diào)制技術(shù)可保證三相電流波形的對稱，降低尖峰電流和轉(zhuǎn)矩脈動。同步調(diào)制技術(shù)實(shí)際工程應(yīng)用異常復(fù)雜，必須保證各種模式平滑切換，避免給系統(tǒng)帶來的功率沖擊。通過長期的理論分析和試驗(yàn)研究，掌握了異步→同步分頻調(diào)制→方波的控制及切換技術(shù)，保證系統(tǒng)在各種模式下能實(shí)現(xiàn)平滑過渡，獲得最優(yōu)的電流對稱性及轉(zhuǎn)矩控制性能，取得了“一種基于空間矢量的閉環(huán)同步調(diào)制方法及系統(tǒng)”，“一種基于空間矢量的同步調(diào)制方法及系統(tǒng)”兩項(xiàng)國家發(fā)明專利。3.1.2傳動控制技術(shù)傳動控制技術(shù)是牽引傳動系統(tǒng)的核心技術(shù)，傳動控制技術(shù)已經(jīng)由轉(zhuǎn)差電流控制發(fā)展成矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等。1）轉(zhuǎn)差電流控制技術(shù)轉(zhuǎn)差電流控制技術(shù)是一種早期的用于控制交流異步電機(jī)的方法，基于異步電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，控制性能遠(yuǎn)不能與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美，系統(tǒng)的動態(tài)性能差。2）矢量控制技術(shù)矢量控制，又稱為磁場定向控制（FOC），其基本原理是將異步電動機(jī)的定子電流正交分解為產(chǎn)生磁場的電流分量(勵磁電流)和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量(轉(zhuǎn)矩電流)分別加以控制，并同時控制兩分量的幅值，從而達(dá)到控制異步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。矢量控制策略存在一些固有缺點(diǎn)，比如轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測，對電機(jī)參數(shù)比較敏感，實(shí)際工程應(yīng)用時矢量控制必須具備異步電動機(jī)參數(shù)自動辨識功能。與直接轉(zhuǎn)矩控制相比，矢量控制具有直接的電流閉環(huán)控制特點(diǎn)，電流控制的穩(wěn)定性高，有獨(dú)立的PWM調(diào)制單元，決定其轉(zhuǎn)矩控制結(jié)果是一個開關(guān)周期內(nèi)的平均值。如果在大功率低開關(guān)頻率應(yīng)用時，高速區(qū)必須采用同步調(diào)制技術(shù)。同步調(diào)制技術(shù)與直接轉(zhuǎn)矩控制相比，開關(guān)頻率利用不充分，在逆變器峰值電流、電機(jī)諧波損耗、轉(zhuǎn)矩脈動、直流側(cè)電流諧波等重要性能指標(biāo)上比直接轉(zhuǎn)矩控制差。而直接轉(zhuǎn)矩控制PWM調(diào)制在磁鏈和轉(zhuǎn)矩控制中直接實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)矩動態(tài)性能高，但在低速高開關(guān)頻率區(qū)性能比矢量控制差。通常在小功率高開關(guān)頻率場合應(yīng)用矢量控制，在大功率低開關(guān)頻率場合應(yīng)用直接轉(zhuǎn)矩控制。3）直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是繼矢量控制技術(shù)之后發(fā)展起來的一種高性能異步電動機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)。與矢量控制不同，直接轉(zhuǎn)矩控制通過直接控制轉(zhuǎn)矩和磁鏈來間接控制電流，不需要復(fù)雜的坐標(biāo)變換，因此具有控制結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快以及對參數(shù)魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)，它在很大程度上解決了矢量控制中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、計(jì)算量大、對參數(shù)變化敏感等問題。直接轉(zhuǎn)矩控制可以充分利用逆變器的開關(guān)頻率，從而特別適用于大功率牽引傳動領(lǐng)域。目前，通過對直接轉(zhuǎn)矩控制的深入理論分析和試驗(yàn)研究，掌握了轉(zhuǎn)矩—磁鏈動態(tài)開關(guān)控制、定子磁鏈的軌跡優(yōu)化控制、最佳開關(guān)頻率利用控制、恒功區(qū)的動態(tài)弱磁控制等核心技術(shù)，該技術(shù)已經(jīng)大批量應(yīng)用于干線電力機(jī)車（如“和諧”型7200kW交流電力機(jī)車）、城市軌道交通領(lǐng)域（如上海地鐵1號線、北京房山線，深圳5號線，沈陽2號線等），如圖2所示。3.1.3綠色節(jié)能減排控制技術(shù)變流器＋異步牽引電機(jī)已成為現(xiàn)代軌道牽引裝備的主流模式，極大地滿足了鐵路高速、重載運(yùn)輸?shù)囊?，但也帶來了對電網(wǎng)和環(huán)境的負(fù)面影響，牽引系統(tǒng)運(yùn)行時產(chǎn)生的諧波和電流無功分量，如果不加以控制，會對電網(wǎng)產(chǎn)生非常嚴(yán)重的污染，不僅增加電網(wǎng)容量，造成固定設(shè)備投資規(guī)模龐大，嚴(yán)重影響電能品質(zhì)和穩(wěn)定性，還可能引起電磁干擾及噪聲污染。為了實(shí)現(xiàn)軌道牽引系統(tǒng)的綠色節(jié)能，實(shí)現(xiàn)萬里路網(wǎng)低碳化，提高資源效能并保護(hù)環(huán)境，必須采用高性能的網(wǎng)側(cè)控制技術(shù)及高效的主電路形式。1）四象限脈沖整流技術(shù)牽引變流器的輸入端是與電網(wǎng)密切相聯(lián)的整流器，它既能把電能從電網(wǎng)送到變流器和負(fù)載，也能把負(fù)載和變流器運(yùn)行中產(chǎn)生的“垃圾”（諧波、無功分量）帶入電網(wǎng)。為了徹底解決電能品質(zhì)問題，只有在牽引傳動系統(tǒng)才采用四象限脈沖整流技術(shù)，以達(dá)到對電網(wǎng)側(cè)的高功率因數(shù)控制的目的。通過長期的理論分析和實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)積累，掌握了高性能的四象限控制策略，采用基于瞬態(tài)電流的控制算法，通過精確的網(wǎng)壓鎖相檢測，實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)電壓與電網(wǎng)電流同相位、低諧波電流、高穩(wěn)定的直流電壓的目標(biāo)，開發(fā)出獨(dú)特的功率因數(shù)閉環(huán)跟蹤控制技術(shù)，可以在低至20%的額定負(fù)載時，仍可以將網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)保持在98%以上，同時有效控制電網(wǎng)電流中的諧波分量。該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)批量應(yīng)用于和諧號大功率電力機(jī)車、國家電網(wǎng)柔性輸電工程及變電所無功補(bǔ)償裝置等項(xiàng)目。2）軟開關(guān)技術(shù)目前，牽引變流器中輔助變流器選擇較高的開關(guān)頻率，這樣有助于改善系統(tǒng)性能，減少諧波含量、降低電磁干擾和音頻噪聲。但問題是這樣會使變流器系統(tǒng)效率降低，增加額外耗能，同時也會引發(fā)電磁干擾。通過長期研究后，軟開關(guān)技術(shù)已成功應(yīng)用于中、小功率變流裝置。該技術(shù)的應(yīng)用可使電力電子器件的開關(guān)速度大幅度提高，開關(guān)損耗和開關(guān)元件上的電應(yīng)力大大降低。相應(yīng)地，變流器的體積和重量也可大幅下降，同時產(chǎn)品的電磁干擾和音頻噪聲也大大下降，具有非常高的綠色節(jié)能效果，可廣泛應(yīng)用于城軌車輛、鐵路客車、動車組、電力機(jī)車的輔助變流器以及光伏發(fā)電逆變器等相關(guān)拓展領(lǐng)域。3.2變流控制產(chǎn)品及應(yīng)用TEC3000平臺的傳動控制單元（DCU）是新一代交直交機(jī)車牽引變流器控制裝置（見圖3），采用高速專用總線貫穿整個控制單元，通過高性能CPU(PowerPC5200)為主構(gòu)建系統(tǒng)管理器進(jìn)行管理和調(diào)度，周期短、信息化程度高。變流器硬件平臺實(shí)時控制器主處理器采用TMS320C60000系列高性能浮點(diǎn)DSP，浮點(diǎn)運(yùn)算速度高達(dá)每秒上億次。采用多DSP結(jié)構(gòu)，從而使變流器實(shí)時運(yùn)算能力達(dá)到最優(yōu)，完全具備了應(yīng)對各種復(fù)雜變流器高性能實(shí)時控制的能力。硬件平臺的處理能力達(dá)到甚至超過西門子SIBAS32，Bombardier的MITRAC，ABBControlAC800PEC的水平。DCU可通過數(shù)字化軟件編程來設(shè)置保護(hù)門閥值，實(shí)現(xiàn)變流器多級保護(hù)，達(dá)到DCU對變流器故障的納秒級快速響應(yīng)。異步電機(jī)控制、四象限控制、粘著利用控制等技術(shù)的關(guān)鍵指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平。面向系統(tǒng)集成用戶開放的CSRDriver軟件平臺（見圖4），可完成變流器的控制模式選擇、參數(shù)配置、高速數(shù)據(jù)監(jiān)視、單點(diǎn)程序下載、故障記錄、數(shù)據(jù)分析等功能。TEC3000傳動控制系統(tǒng)與龐巴迪公司產(chǎn)品的主要性能對比如表3。4信息技術(shù)與列車通信網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)列車信息化系統(tǒng)集檢測、控制、診斷、信息管理于一體，是列車的大腦，協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)有序工作。4.1關(guān)鍵技術(shù)突破4.1.1列車網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)以國際先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想為基礎(chǔ)，通過在列車通信網(wǎng)絡(luò)控制領(lǐng)域不斷的研究與創(chuàng)新，在前期開發(fā)出的集中式列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，自主研發(fā)出基于IEC61375國際列車通信網(wǎng)絡(luò)（TCN）標(biāo)準(zhǔn)的分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)平臺—DTECS，成功攻克了列車網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)（CAN總線、車載以太網(wǎng)、TCN、Lonworks）、控制系統(tǒng)模塊化軟硬件技術(shù)、實(shí)時控制與故障診斷技術(shù)以及圖形化編程技術(shù)，并取得了多項(xiàng)專利授權(quán)。DTECS平臺其整體技術(shù)水平達(dá)到了西門子、龐巴迪公司當(dāng)前主流產(chǎn)品的技術(shù)水平，并已經(jīng)在多個鐵路干線機(jī)車、城軌地鐵車輛項(xiàng)目上得到批量應(yīng)用。DTECS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與跨國公司同類產(chǎn)品對比如表4。4.1.2列車運(yùn)行控制技術(shù)列車運(yùn)行控制系統(tǒng)簡稱列控（ATP/ATC），是保證列車安全、快速運(yùn)行的集中控制中心，同時是列車的事件記錄的“黑匣子”。在干線鐵路列控系統(tǒng)領(lǐng)域，完成了LKJ93和LKJ2000列車運(yùn)行裝置的開發(fā)與應(yīng)用，均具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，具備了CTCS0級ATP設(shè)備產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，在我國鐵路多次大提速中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。4.2網(wǎng)絡(luò)控制產(chǎn)品及應(yīng)用分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)DTECS（見圖，不僅適用于各種干線機(jī)車列車/車輛級控制，而且適用于地鐵列車/車輛的控制，現(xiàn)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各類地鐵、干線電力機(jī)車，構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化的車載控制與診斷系統(tǒng)。LKJ93、LKJ2000監(jiān)控裝置（見圖6）已在國內(nèi)全路近2萬臺機(jī)車上裝車，有效減少了鐵路信號險(xiǎn)性事故發(fā)生率，并累計(jì)取得17項(xiàng)專利成果授權(quán)以及15項(xiàng)軟件著作權(quán)。5產(chǎn)品質(zhì)量保證與試驗(yàn)技術(shù)在產(chǎn)品質(zhì)量保證方面，搭建了電子產(chǎn)品可靠性工程、失效分析等系統(tǒng)，并且制訂了一系列嚴(yán)格可靠的項(xiàng)目管理、研發(fā)過程管理和產(chǎn)品生產(chǎn)制度。建成交流傳動試驗(yàn)室、變流技術(shù)應(yīng)用/綜合試驗(yàn)室、復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)室、電磁兼容試驗(yàn)室等18個國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進(jìn)的研究性試驗(yàn)室，并引進(jìn)了具有國際先進(jìn)水平的專用測試設(shè)備及儀器，引入了CAD/CAM/CAE計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、多通道數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)、環(huán)境試驗(yàn)箱、振動與沖擊試驗(yàn)臺以及從事變流技術(shù)應(yīng)用研究和開發(fā)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)室的全套設(shè)備，擁有具有國際先進(jìn)水平的電子產(chǎn)品、半導(dǎo)體器件和專用測試設(shè)備及儀器。6未來技術(shù)的發(fā)展6.1功率器件碳化硅（SiC）是一種物理化學(xué)特性僅次于金剛石的化合物半導(dǎo)體材料，有著非常優(yōu)秀的物理特性?？蓸O大地提高電力電子變換器的效率，使各類變換器的體積減少到原來的5%~20%，具有耐高壓（達(dá)數(shù)萬伏）、耐高溫（大于500℃）的特性,被公認(rèn)為是下一代電力電子器件的最佳候選者之一。6.2無線傳輸技術(shù)現(xiàn)代高速列車通過車—地信息網(wǎng)絡(luò)來達(dá)到安全運(yùn)行的要求。隨著無線技術(shù)的日益發(fā)展，無線技術(shù)應(yīng)用越來越被各行各業(yè)所接受。通過采用先進(jìn)的無線局域網(wǎng)(LAN)和GPRS/GSM無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)快捷的信息處理；采用無線通信方式實(shí)現(xiàn)高速列車遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)；采用無線通信方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程列車設(shè)備檢修數(shù)據(jù)庫的訪問技術(shù)等，從而擺脫地面設(shè)備的束縛，實(shí)現(xiàn)實(shí)時列車狀態(tài)的跟蹤運(yùn)行。6.3新一代傳動控制技術(shù)6.3.1永磁驅(qū)動及控制技術(shù)與異步電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)具有高能流密度、高功率因數(shù)、高效率、體積小、重量輕等特點(diǎn)，與同容量的異步電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)的體積和重量大約能減少15%～30%左右；轉(zhuǎn)速平穩(wěn)、過載能力強(qiáng)；噪聲低，可靠性高；結(jié)構(gòu)多樣化，應(yīng)用范圍廣。永磁同步電機(jī)將在未來取代異步電機(jī)，成為軌道牽引傳動的主流牽引電機(jī)。近年來對永磁驅(qū)動及控制技術(shù)進(jìn)行了大量研究，小功率的永磁驅(qū)動技術(shù)已經(jīng)在電動汽車上批量裝車應(yīng)用，正針對“500km/h高速動車組”項(xiàng)目進(jìn)行大功率永磁驅(qū)動及控制技術(shù)的研究。6.3.2無速度傳感器控制技術(shù)無速度傳感器控制技術(shù)可減小牽引電機(jī)的體積和傳感器故障的發(fā)生率，大大提高了傳動控制單元的系統(tǒng)可靠性。省掉速度傳感器及連接電纜的費(fèi)用，節(jié)約了成本。無速度傳感器控制系統(tǒng)近年來已成為交流傳動控制研究的熱點(diǎn)。目前，已經(jīng)成功完成了異步電機(jī)無速度傳感器技術(shù)的理論研究與地面試驗(yàn)，攻克了逆變器保護(hù)封鎖后的帶速度重投、極低速定子零頻附近的額定轉(zhuǎn)矩發(fā)揮以及再生制動狀態(tài)等技術(shù)難題，正在積極進(jìn)行工程化的應(yīng)用研究。6.3.3現(xiàn)代控制技術(shù)改進(jìn)無論是矢量控制技術(shù)，還是直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，在對于電機(jī)參數(shù)可能發(fā)生的變化時，都會影響變頻器對電機(jī)的控制性能。自適應(yīng)控制器可以根據(jù)對受控對象在工作過程中不斷檢測的系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)或性能指標(biāo)的變化情況，自行修正控制參數(shù)或控制作用以適應(yīng)環(huán)境和對象本身的動態(tài)變化，保證系統(tǒng)始終在最優(yōu)或次最優(yōu)的工作狀態(tài)下。目前，正在積極采用自適應(yīng)控制技術(shù)進(jìn)行電機(jī)參數(shù)自辨識技術(shù)的研究，不斷提高傳動控制的性能。6.4功率模塊的集成化隨著功率電子器件、功率電子設(shè)備以及變流技術(shù)向著模塊化方向發(fā)展，使得功率模塊的功能、通用性以及性能越來越強(qiáng)。已成功完成了IGBT、IGCT以及高壓大功率晶閘管的模塊化集成工作，成功解決了各類模塊化器件在集成過程中產(chǎn)生的控制、驅(qū)動以及故障保護(hù)檢測等問題，正朝著體積更小、重量更輕、功率更高、效率更高的方向發(fā)展。7總結(jié)隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展以及控制技術(shù)的日益更新，現(xiàn)代軌道牽引傳動及控制技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電力機(jī)車、內(nèi)燃機(jī)車、新型動車組、城市地鐵軌道車輛以及電動汽車領(lǐng)域，并逐步朝著新能源（風(fēng)力發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電等）領(lǐng)域、電網(wǎng)電能質(zhì)量的改善（大型變電裝置、大功率無功補(bǔ)償裝置）以及大量的民用裝備領(lǐng)域（石油鉆井、船舶推進(jìn)系統(tǒng)、大型實(shí)驗(yàn)裝備）發(fā)展。參考文獻(xiàn)：［1］丁榮軍，黃濟(jì)榮.現(xiàn)代變流技術(shù)與電氣傳動［M］.北京：科學(xué)出版社，2009.［2］李江紅，胡照文.影響鐵路機(jī)車運(yùn)行品質(zhì)的因素分析［J］.機(jī)車電傳動，2010(3)：53-54.［3］丁榮軍，桂衛(wèi)華，尚敬.電力機(jī)車交流傳動控制系統(tǒng)的半實(shí)物實(shí)時仿真［J］.中國