1 引言
隨著改革開放的不斷深入，城市的不斷發(fā)展，經(jīng)濟(jì)交往日益頻繁，流動(dòng)人口急劇增加，機(jī)動(dòng)車輛增多，城市地面交通擁堵問題越來越突出。為解決這一矛盾，興建具有高速度、大動(dòng)量、安全、準(zhǔn)時(shí)、舒適、節(jié)能、污染小的城市快速軌道交通地鐵、輕軌，已擺到了大城市的議事日程上。目前，我國除北京、天津、上海、廣州的地鐵已經(jīng)運(yùn)營外，前些年有21個(gè)城市曾先后積極籌建或提出建設(shè)地鐵、輕軌的設(shè)想。但是由于地鐵建設(shè)投資越來越大，致使財(cái)力難以承受，因此降低地鐵造價(jià)，設(shè)備進(jìn)行國產(chǎn)化已是當(dāng)務(wù)之急。
地鐵所用設(shè)備很多，車輛是其中較為重要的部分，車輛牽引系統(tǒng)的國產(chǎn)化是地鐵車輛國產(chǎn)化中最為困難的部分，目前國內(nèi)已經(jīng)有廠家在進(jìn)行這一方面的探索，并取得了一些經(jīng)驗(yàn)和一定的成果，這些都為我們進(jìn)行下一步的設(shè)計(jì)制造提供了很好的經(jīng)驗(yàn)。地鐵車輛牽引系統(tǒng)的特點(diǎn)是功率大(達(dá)1000kW以上)，負(fù)載波動(dòng)大，起動(dòng)制動(dòng)頻繁，體積有限制，環(huán)境惡劣，可靠性要求高等。本文就地鐵車輛牽引系統(tǒng)國產(chǎn)化的總體方案進(jìn)行一些研究和探討，初步提出具體可行的方案。
2 車輛牽引系統(tǒng)總體方案
電力電子器件和微電子技術(shù)的飛速發(fā)展帶動(dòng)了地鐵、輕軌車輛電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的迅速發(fā)展。就主傳動(dòng)系統(tǒng)而言，從牽引電機(jī)來看，目前可分為直流電機(jī)傳動(dòng)和交流電機(jī)傳動(dòng)兩大類，直流電機(jī)的調(diào)速方案主要有凸輪調(diào)阻、斬波調(diào)壓兩種，交流電機(jī)的調(diào)速方案主要有調(diào)頻調(diào)壓(VVVF)、失量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制三種。
從目前我國的技術(shù)水平、地鐵運(yùn)行狀況來看，直流電機(jī)凸輪調(diào)阻方案顯然已經(jīng)落后，即將被淘汰。直流電機(jī)凸輪調(diào)阻方案的主要缺點(diǎn)有：
(1)可靠性低
凸輪調(diào)阻器動(dòng)作繁多且接點(diǎn)眾多、機(jī)械/電氣的磨損與變形，以及接觸不良等因素導(dǎo)致故障不斷，列車服務(wù)的可靠性很受影響，若采用無機(jī)械磨損的電子調(diào)控系統(tǒng)，大量的觸點(diǎn)可以避免，從而大幅度提高列車運(yùn)行的可靠性。
(2)能耗巨大
凸輪調(diào)阻器在起動(dòng)與制動(dòng)時(shí)，大量的電能及列車動(dòng)能經(jīng)電阻及機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為熱能而白白耗散，地鐵列車的特點(diǎn)是起動(dòng)頻繁，因此能量損失很大，轉(zhuǎn)化出的熱能同時(shí)還使地鐵中的空調(diào)系統(tǒng)熱負(fù)荷加重。
從這兩點(diǎn)來看，直流電機(jī)凸輪調(diào)阻器即將完全退出歷史舞臺，取而代之的將是更為先進(jìn)合理的方案，國外最新技術(shù)是采用失量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制的交流調(diào)速方案，下面本文就目前技術(shù)水平對其它幾種方案作些研究探討。
2.1 直流電機(jī)斬波調(diào)壓方案
2.1.1 簡述
從六十年代開始，雖然交流電機(jī)的控制從理論到具體技術(shù)都已取得了巨大的發(fā)展，特別是大功率電力電子器件的迅猛發(fā)展，使交流電機(jī)的地位達(dá)到了一個(gè)前所未有的高度，在許多領(lǐng)域內(nèi)已經(jīng)完全能取代直流電機(jī)，但是研制完善直流電機(jī)斬波器仍然具有重大意義，其主要理由有：
(1) 技術(shù)水平達(dá)到發(fā)達(dá)國家九十年代初期水平
發(fā)達(dá)國家在地鐵車輛設(shè)計(jì)中，至九十年代初期，主要采用的是直流電機(jī)斬波器，其后交流電機(jī)才開始廣泛使用。上海地鐵一號線是1993年投入使用的，其車輛牽引系統(tǒng)是采用直流電機(jī)斬波器控制方案，香港地鐵在1995年對其車隊(duì)全部列車進(jìn)行了改造，同樣是采用了直流電機(jī)斬波器控制方案，從這些情況可以看到，直流電機(jī)斬波器控制方案并不十分落后。
(2) 市場依然存在
研制和完善直流電機(jī)斬波器控制方案在國內(nèi)仍然具有一定的市場空間?，F(xiàn)在正在運(yùn)營的北京地鐵、天津地鐵采用的是直流電機(jī)凸輪調(diào)阻方式，由于其存在著上面所談到的缺陷，隨著運(yùn)營空間的擴(kuò)大、時(shí)間的推移，它們必然要進(jìn)行改造，而其改造的首選方案必然是直流電機(jī)斬波器控制。上海地鐵一號線使用的是進(jìn)口直流電機(jī)斬波器控制，經(jīng)過一定的運(yùn)行時(shí)間后，故障將會(huì)增加，完全依靠國外廠家維護(hù)在經(jīng)濟(jì)上將難以承受。
(3) 為交流電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)取得經(jīng)驗(yàn)
直流電機(jī)斬波器設(shè)計(jì)使用將能為交流電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)提供大量的有用的經(jīng)驗(yàn)。直流電機(jī)斬波器和交流電機(jī)控制器在設(shè)計(jì)上有很多具有共性的地方，主要體現(xiàn)在：
(a) 工作環(huán)境一樣，它們安裝在地鐵車輛的底部，其通風(fēng)情況、環(huán)境溫度、振動(dòng)情況都相同，這些在電路設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)安裝中的考慮將完全一致。
(b) 工作電壓一樣、功率相當(dāng)，它們主回路的工作電壓都是1500V或750V，電機(jī)功率都在1000kW左右，因此其主回路器件的選擇將有很大的可比性，主回路的走線、布局分配、抗干擾設(shè)計(jì)也有很大的可參照性。
(c) 功率器件相同或近似，采用相同的功率器件其驅(qū)動(dòng)電路完全一樣。直流電機(jī)斬波器主要采用的是可關(guān)斷晶閘管(GTO)，其驅(qū)動(dòng)電路較為復(fù)雜，交流電機(jī)控制器主要采用的有GTO，絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、智能模塊(IPM)等。直流電機(jī)斬波器的研制將能在使用GTO等元器件上為今后采用交流電機(jī)控制提供參考。
發(fā)達(dá)國家地鐵車輛牽引系統(tǒng)的發(fā)展也經(jīng)歷直流電機(jī)斬波調(diào)速的過程，這一過程的存在同樣也為他們發(fā)展交流電機(jī)調(diào)速提供了大量寶貴的經(jīng)驗(yàn)?？梢哉J(rèn)為，不經(jīng)過直流電機(jī)斬波調(diào)速器的設(shè)計(jì)應(yīng)用，在交流電機(jī)調(diào)速器的設(shè)計(jì)上就難以如此迅速便捷。
? 2.1.2 直流斬波器主電路
M為串激電動(dòng)機(jī)，主控器件為一只GTO(V4)，HL為霍爾電流檢測器，S3是牽引、制動(dòng)轉(zhuǎn)換接觸器，S4、S5為向前、向后及牽引制動(dòng)轉(zhuǎn)換接觸器。L2是電機(jī)勵(lì)磁繞組，V2是續(xù)流二極管，V1是制動(dòng)回路二極管。
在此我們需要解決以下技術(shù)問題：
(1) 主回路器件規(guī)格選擇、器件布置。
(2) GTO器件的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。GTO器件的門極驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)是這種方案的重點(diǎn)，要滿足門極開關(guān)特性的要求，尤其是在關(guān)斷最大可關(guān)斷陽極電流時(shí)，其關(guān)斷電路的瞬時(shí)電流較大，這樣對電路設(shè)計(jì)要求較高。
(3) 電路接插件選擇，需要考慮振動(dòng)影響。
(4) 具體電路設(shè)計(jì)?，F(xiàn)在設(shè)計(jì)考慮采用模擬電路設(shè)計(jì)，各部分均采用模擬電路，在模擬電路成熟后可考慮數(shù)字化，但數(shù)字化時(shí)主要考慮器件工作的環(huán)境溫度。
2.2 交流電機(jī)調(diào)頻調(diào)壓(VVVF)?
2.2.1 簡述
交流電機(jī)與直流電機(jī)相比較，具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、價(jià)格低廉、轉(zhuǎn)速高、效率高、省銅、堅(jiān)固耐用、維護(hù)費(fèi)用低等一系列十分突出的優(yōu)點(diǎn)，隨著脈寬調(diào)制(簡稱PWM)變頻調(diào)速新技術(shù)的發(fā)展，大功率電力器件的容量耐壓的不提高，在地鐵車輛牽引系統(tǒng)中交流電機(jī)取代直流電機(jī)已經(jīng)成為不可阻擋之勢，它代表了電氣傳動(dòng)的發(fā)展方向。本文認(rèn)為在完善成熟直流斬波器的同時(shí)集中一部分人力進(jìn)行交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研制是完全必要的。
PWM變頻器可分為電壓型變頻器和電流型變頻器兩種，PWM電流型變頻器需要在主回路中串聯(lián)一個(gè)電抗器，這在地鐵車輛上使用十分不便，所以地鐵車輛牽引系統(tǒng)采用PWM電壓型變頻器。
由交流電機(jī)特性可知道，交流電機(jī)的控制應(yīng)對電壓和頻率進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，協(xié)調(diào)控制應(yīng)遵循以下一些基本原則：
1?保持電壓與頻率的比值恒定；
2?保持定子磁鏈恒定；
3?保持氣隙磁鏈恒定；
4?保持轉(zhuǎn)子磁鏈恒定；
5?保持轉(zhuǎn)子磁鏈在氣隙磁鏈方向上的分量恒定；
6?保持變頻運(yùn)行時(shí)的最大電磁轉(zhuǎn)矩等于額定頻率、額定電壓運(yùn)行時(shí)的最大電磁轉(zhuǎn)矩，以此原則協(xié)調(diào)控制電壓和頻率。
根據(jù)以上原則，我們設(shè)計(jì)時(shí)首選考慮按原則1的調(diào)壓調(diào)頻控制系統(tǒng)。
2.2.2 交流變頻器主電路
地鐵車輛的供電系統(tǒng)是直流1500V(或750V)，這就決定了在設(shè)計(jì)交流電機(jī)變頻控制器時(shí)主回路電路有兩種方案，一種是斬波器調(diào)壓、逆變器變頻的變頻裝置(圖2)，此方案存在諧波較大的問題；另一種是采用正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)逆變器的結(jié)構(gòu)形式(圖3)，當(dāng)開關(guān)頻率提高時(shí)，輸出波形幾乎可以得到非常逼真的正弦波。在地鐵車輛牽引系統(tǒng)中我們主要考慮采用SPWM逆變器的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。?在功率器件的耐壓和電流滿足使用條件時(shí)采用通用變頻器常采用的方式，即如圖3所示的原理圖；另一種是在功率器件的耐壓和電流不能滿足使用條件時(shí)，將功率器件進(jìn)行串并聯(lián)使用，在此主管器件的耐壓可大大降低，具體可參考文獻(xiàn)〔4〕的討論。
采用IGBT模塊設(shè)計(jì)的電路，由于載波頻率的提高(GTO設(shè)計(jì)為450Hz，IGBT設(shè)計(jì)為3000Hz)，其負(fù)載交流電機(jī)的電流波形將會(huì)有很大的改善，更加接近正弦波，因此電路產(chǎn)生的的諧波含量較少，效率非常高。
2.2.3 交流控制策略
遵循2.2.1節(jié)中提出的協(xié)調(diào)控制基本原則中的第一條，保持電壓與頻率的比值恒定是最易實(shí)現(xiàn)的交流變頻器控制策略，但是按此策略控制時(shí)，頻率越低，不僅最大轉(zhuǎn)矩減小，而且穩(wěn)定工作范圍也減小，所以在低速運(yùn)行時(shí)特性很差。物理上是由于頻率減小時(shí)，定子電阻壓降在整個(gè)阻抗壓降中所占的比重加大，因此在低速時(shí)應(yīng)該使電壓與頻率的比值增大一些，才能補(bǔ)償一些電阻壓降，使磁鏈和最大轉(zhuǎn)矩不變。
在地鐵車輛牽引系統(tǒng)中，由于旅客流量隨時(shí)間變化很大，因此電機(jī)的負(fù)載特性變化很大，現(xiàn)在乘客對乘坐的舒適度又有更高的要求，因此我們考慮采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)和轉(zhuǎn)矩閉環(huán)，即采用轉(zhuǎn)差頻率控制的控制策略來實(shí)現(xiàn)所需功能。閉環(huán)控制框圖如圖4所示。 功率驅(qū)動(dòng)PWM控制器部分采用SPWM控制。數(shù)字控制是SPWM目前常用的控制方法，通過微機(jī)軟件實(shí)時(shí)生成SPWM波形，或者使用SPWM專用集成電路芯片。在實(shí)際使用中主要是采用專用集成電路芯片來實(shí)現(xiàn)所需功能，目前使用的是帶有直接輸出SPWM信號的80C196MC單片微處理器。
目前采用此方案的困難主要在于：
1?功率器件的保護(hù)不成熟(包括過流保護(hù)、過壓保護(hù)、電流上升率限制、電壓上升率限制等)。
2?電路抗干擾設(shè)計(jì)不成熟。由于驅(qū)動(dòng)功率很大，負(fù)載波動(dòng)也大，而安裝尺寸和體積有限制，因此對電路的抗干擾要求比較高，在這一方面還有大量的工作需要完成。
2.3 矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制
交流電機(jī)的控制技術(shù)在VVVF的基礎(chǔ)上又發(fā)展出矢量控制技術(shù)。人們對交流電機(jī)控制時(shí)參考直流電機(jī)的控制，將負(fù)載電流和勵(lì)磁電流進(jìn)行解耦，以便分別對它們進(jìn)行控制，從而使交流電機(jī)的調(diào)速性能能夠與直流電機(jī)相媲美。在地鐵車輛牽引系統(tǒng)中運(yùn)用此項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于能提高乘客乘坐的舒適程度，使電機(jī)的加速、減速曲線能按照S形曲線運(yùn)動(dòng) ，并且機(jī)車在爬坡、制動(dòng)等情況下能更好地控制力矩。
采用矢量控制的控制系統(tǒng)主回路的電原理圖與VVVF控制系統(tǒng)的主回路電原理圖相類似，主要區(qū)別在控制算法上的不同。采用矢量控制，需要進(jìn)行較為復(fù)雜的矢量變換的運(yùn)算，雖然目前在一些進(jìn)行輔助運(yùn)算的芯片，但整個(gè)運(yùn)算工作量還是很大的。? 普通的調(diào)速系統(tǒng)在速度閉環(huán)控制時(shí)需要有速度傳感器來敏感速度量，提供系統(tǒng)使用。在地鐵車輛上多裝一種傳感器，系統(tǒng)的可靠性將下降許多，如果速度傳感器發(fā)生錯(cuò)誤，整個(gè)系統(tǒng)將不能正常運(yùn)行。采用矢量控制后，可以進(jìn)一步采用數(shù)字信號處理器(DSP)來構(gòu)成無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)，系統(tǒng)通過對電機(jī)的電流、電壓檢測來計(jì)算出速度量閉環(huán)，雖然調(diào)速的范圍有所降低，但是大大提高了系統(tǒng)的可靠性。
直接轉(zhuǎn)矩控制是在1985年從德國首先發(fā)展起來的，它是不同于矢量控制的一種新的控制方法，現(xiàn)在還在繼續(xù)深入地進(jìn)行研究。矢量控制由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)算量大，而且與電機(jī)本身的參數(shù)有相關(guān)性，因此人們尋求更為簡單的控制方法。直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制相比，結(jié)構(gòu)簡單，控制手段直接，信號處理的物理概念明確，因此在各種場合中的應(yīng)用正在蓬勃發(fā)展。直接轉(zhuǎn)矩控制在地鐵車輛牽引系統(tǒng)中也有一定的應(yīng)用前景，但還沒有看到國外在此系統(tǒng)中的成熟應(yīng)用實(shí)例。
3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)及大規(guī)模器件技術(shù)的發(fā)展，加速了計(jì)算機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，在地鐵中使用計(jì)算機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將有關(guān)交通系統(tǒng)所涉及的人、車、道及環(huán)境等信息有機(jī)的組合起來，發(fā)揮其智能作用，從而保證地鐵系統(tǒng)安全、通暢、可靠運(yùn)行。地鐵牽引系統(tǒng)框圖如圖5示。其中ATC是列車自動(dòng)控制系統(tǒng)，它使運(yùn)行的列車保持間隔距離，確保列車行車安全，并能按列車運(yùn)行時(shí)刻表自動(dòng)調(diào)整列車，其次ATC系統(tǒng)能夠輔助駕駛列車運(yùn)行。ATC系統(tǒng)控制主牽引系統(tǒng)，為主牽引系統(tǒng)提供控制信號，保證主牽引系統(tǒng)安全可靠的工作，同時(shí)完成列車的自動(dòng)運(yùn)行，包括列車自動(dòng)起動(dòng)加速、區(qū)間列車自動(dòng)調(diào)速、車站站臺自動(dòng)定位等功能。ATC系統(tǒng)對列車運(yùn)行、安全進(jìn)行自動(dòng)控制，避免人為因素的影響，使列車安全可靠運(yùn)行。
無論直流斬波器還是交流變頻調(diào)速器，在控制回路使用的主要元件是相同的或類似的。根據(jù)實(shí)際工作環(huán)境我們考慮采用單片機(jī)進(jìn)行處理，在直流斬波器中采用的主處理芯片是80C196，在交流變頻調(diào)速器上使用雙CPU處理，本文主要考慮采用80C196MC和DSP數(shù)字信號處理芯片(TMS320C25)。
4 結(jié)束語
現(xiàn)在各城市地鐵公司都在加快地鐵建設(shè)進(jìn)程，通過以上分析研究，本文認(rèn)為，就當(dāng)前我們的技術(shù)水平來看，應(yīng)該首先花費(fèi)一定的時(shí)間完成直流電機(jī)斬波器的設(shè)計(jì)工作，使直流電機(jī)斬波調(diào)速系統(tǒng)能完善成熟，符合使用要求，盡快占領(lǐng)和穩(wěn)定市場，同時(shí)集中一部分人力物力對交流電機(jī)變頻調(diào)速進(jìn)行攻關(guān)，在幾年的時(shí)間內(nèi)攻克交流調(diào)速國產(chǎn)化的各項(xiàng)難關(guān)，這樣我們的工作將十分主動(dòng)、十分有利。如果現(xiàn)在不顧一切地追求最新的技術(shù)，那么很可能欲速則不達(dá)，花費(fèi)時(shí)間清力更多而難以成功。