电力机车的传动控制技术

范文一：电力机车的传动控制技术

摘要：近年来, 为了适应“提速、重载”的要求, 功率大、性能技术先进的新型国产内燃、电力机车的投人运用, 成为我国铁路运输的主要牵引动力。自1995年以来, 我国铁路机车迅速更新换代, 不仅蒸汽机车迅速退出历史舞台, 而且国产第一代内燃机车和第二代内燃机车的早期产品也批量报废, 国产第一代电力机车早期产品已开始批量报废, 第二代国产电力机车正通过大修改造为第三代相控电力机车。近年来, 大批量生产的是适应“ 提速、重载” 的第三代内燃、电力机车, 并在积极研制第四代新型内燃、电力机车。本文简要介绍了机车电力传动形式的转变历程，回顾了交流传动的发展历史，揭示出电力电子技术与电传动技术的密切关系，重点阐述了我国电力牵引技术的发展与现状，并展望了以交流传动技术为方向的我国铁路机车车辆装备制造业的发展前景。

关键词：电力机车传动，控制技术，发展与现状。

1.电力传动形式的转变 .................................................................................................................... 3

2.交流传动技术 ................................................................................................................................ 4

2.1 交流传动技术的发展 ........................................................................................................ 4

2.2交流传动技术的原理简介 ................................................................................................ 6

3.我国机车电传动技术的发展 ........................................................................................................ 6

3.1 第一代电力机车控制技术 ................................................................................................ 6

3.2 第二代电力机车控制技术 ................................................................................................ 7

3.3 第三代电力机车控制技术 ................................................................................................ 8

4.展望.............................................................................................................................................. 10

参考文献： ..................................................................................................................................... 11

1.电力传动形式的转变

从很早的年代开始,人们就一直努力探索机车牵引动力系统的电传动技术。1879年的世界第一台电力机车和1881年的第一台城市电车都在尝试直流供电牵引方式。1891年西门子试验了三相交流直接供电、绕线式转子异步电动机牵引的机车, 1917年德国又试制了采用“劈相机”将单相交流供电进行旋转、变换为三相交流电的试验车。这些技术探索终因系统庞大、能量转换效率低、电能转换为机械能的转换能量小等因素,未能成为牵引动力的适用模式。

1955年,水银整流器机车问世,标志着牵引动力电传动技术实用化的开始。1957年,硅可控整流器( 即普通晶闸管) 的发明, 标志着电力牵引跨入了电力电子时代。大功率硅整流技术的出现，使电传动内燃机车和电力机车的传动型式从直-直传动(直流发电机或直流供电-直流电动机)，很自然地被更优越的交-直传动(交流发电机或交流供电-硅整流-直流电动机)所取代。1965年,晶闸管整流器机车问世, 使牵引动力电传动系统发生了根本性的技术变革, 全球兴起了单相工频交流电网电气化的高潮。随着大功率的晶闸管特别是大功率可关断晶闸管(GTO)的出现和微机控制技术等的发展，20世纪70年代以后出现了交-直-交传动(交流发电机或交流供电-硅整流-逆变器-交流电动机)，即所谓的交流传动，又很自然地取代了交-直传动。

2.交流传动技术

2.1 交流传动技术的发展

交流电动机作为牵引电动机使用, 具有独特的优越性：

(1)交流电动机体积小、质量轻、功率大。体积小, 解决了安装空间的限制问题；质量轻, 减小了机车转向架的簧下质量,改善了轮轨作用力,适应了高速的需要；功率大, 解决了高速所必需的动力问题。

(2)交流电动机保持恒定大功率的速度范围宽,有利于实现客货通用型机车。

(3)交流电动机无换向器,消除了电刷与换向器磨耗,提高了可靠性,也降低了制造和维修成本。

(4)异步交流电动机具有优异的牵引性能,陡峭的自然特性有利于提高粘着利用,能更好地发挥牵引力。

虽然交流电动机,尤其是异步电动机具有上述优势, 但在上世纪70年前,由于直流电机控制的简便性,以及电力电子技术仅具备整流晶闸管器件和完善的整流技术,交流传动无法与直流传动相媲美。随着快速晶闸管的出现,采用异步牵引电机、快速晶闸管变流机组、电流--滑差控制方法的交流传动系统的DE-2500内燃机车问世了，交流传动在牵引领域展现出前所未有的活力。从此,机车车辆装备进人了新时代。

1983年,世界首批5台BR120型大功率干线交流传动电力机车,赢得了德国联邦铁路的认可。BR120机车在系统设计、总体布置、参数选择与优化规则、电路结构方面以及在主要部件,如卧式主变压器、牵引变流器、牵引电动机、空心轴万向节传动装置、辅助变流器等的设计和制造方面, 成功地进行了尝试, 奠定了当代交流机车设计和运行的基本模式。交流传动系统不仅能充分发挥了交流电动机的优越性,而且采用新技术后,带来了新的优势：

(1)机车采用四象限脉冲变流器,大大减少了供电网的电流谐波分量, 改善了供电品质,解除了对通信、信号的干扰；

(2)交流传动机车可使供电网获得近似于1的功率因数, 从而减小了供电网损耗,再生制动时还可以向电网反馈品质良好的电能,节能效果显著；

(3)机车向前/向后、牵引/制动操纵无需位置转换开关即可进行主电路的转换, 电路简单, 可靠性高。

西方发达国家投入巨资研发轨道交通交流传动系统, 经过30年的研发、考核、技术更新, 已完成了机车车辆直流传动向交流传动的产业转换。TGV、新干线、ICE已经成为铁路现代化和国家综合实力的标志之一。交流传动成为铁路实现高速和重载的唯一选择和发展方向。

在这发展过程中,电力电子器件的发展是交流传动技术进步的物质基础。第一代机车采用快速晶闸管,变流机组复杂、效率较低、可靠性和可维修性等均不理想。随着大功率GTO器件的诞生, 上世纪80 年代中后期被迅速应用于大功率交流传动机车动车, 技术性能又有新的提高。进入上世纪90年代,中高压IGBT相继问世,器件品质进一步提高,变流机组又开始更新换代。

与此同时, 控制策略的发展是交流传动技术进步的理论基础。先后研究、应用了晶闸管移相整流控制、PWM控制、四象限脉冲整流控制、磁场定向控制、直接转矩控制等方法。

微电子、信息技术等为交流传动技术进步提供了现代控制手段。从过去复杂的模拟--数字电路实现简单的控制功能,进人现代网络化控制、小型化及模块化结构。微计算机和微处理器品质不断提升,由8位进步到32位、64位,由定点运算进步到浮点运算,处理能力大幅提升,构筑了以高速数字信号处理器为核心的实时控制器。

由此可见,电力电子技术这门综合学科对牵引动力交流传动系统的发展产生了强大的推动力。

(1)机车采用四象限脉冲变流器,大大减少了供电网的电流谐波分量, 改善了供电品质,解除了对通信、信号的干扰；

(2)交流传动机车可使供电网获得近似于1的功率因数, 从而减小了供电网损耗,再生制动时还可以向电网反馈品质良好的电能,节能效果显著；

(3)机车向前/向后、牵引/制动操纵无需位置转换开关即可进行主电路的转换, 电路简单, 可靠性高。

由此可见,电力电子技术这门综合学科对牵引动力交流传动系统的发展产生了强大的推动力。

2.2交流传动技术的原理简介

交直流传动电力机车是采用直流供电,，由直流或脉流串励电动机牵引的机车。其优点是串励电动机具有“ 软特性” ，在电源电压一定时, 电动机的转速和转矩中随着负载阻力的变化而自行调节，特别适合机车牵引特性的要求。其缺点是电机结构复杂，用铜多、重量大、维修不便，且由于换向器能力限制, 负载大时易环火，故无法进一步提高电机功率。交流传动电力机车是采用交流供电，交流异步电动机牵引的机车，其优点是交流异步电动机结构简单、维修方便、体积小、重量轻、功率大，而且粘着利用率高，电机恒功区宽，特别适合大功率机车采用。其难点是交流异步电动机必须采用变频调整，且大功率变频器不仅技术难度大，而且需要大功率高性能的电力电子元件。

国产电力机车交流传动装置，基本上均采用架控供电方式的交直交电传动系统。电力机车的供电方式分为集中供电、架控供电和轴控供电三种。由一台大功率牵引逆变器向机车所有电机供电，称为集中供电方式由一台牵引逆变器向一个转向架的几个电机供电，称为架控供电方式；由一台牵引逆变器向一个动轴上的一个电机供电，称为轴控供电方式。因架控供电的逆便变器功率和数量适中，并且于实施轴重转移电气补偿，因此，国产交传动电力机车均采用架控供电方式。交直交电传动机车的关键部件是牵引逆变器，它承担着将电压稳定的中间直流电转换为电压和频率均可调的三相交流电的任务，目前已经历了三代逆变器的发展过程。第三代牵引逆变器以智能功率模块为元件，它性能更好，关断电流大，开关频率很高。

3.我国机车电传动技术的发展

3.1 第一代电力机车控制技术

我国电力机车控制技术的发展历史可追塑到本世纪60年代末、70年代初。期间,株洲电力机车研究所的科技人员对SS2型试验用电力机车成功地进行了相

控改造,为我国电力机车电传动控制技术的发展奠定了基础。

电子控制技术真正用于国产电力机车始于1978年竣工的6轴SS3型电力机车。由于晶闸管应用技术的推广,该车采用了8级调压开关有级转换和级间相控平滑调压的主电路结构,因此电子控制系统相对比较复杂。其主要功能有：

(1)

(2)

(3)

(4) 牵引工况恒电枢电流控制,具有最高电机电压限制功能；制动工况恒励磁电流控制,具有最大制动电流限制功能; 具有超压、二次侧短路、电机过流等保护功能; 具有调压开关进、退级与相控调压有关逻辑联锁、监控及保护电路。在电路系统设计上,为提高装置的可靠性,采用了A、B两组相同的控制系统,当一组出现故障时,可人工切换至另一组,从而不影响机车运行。这一设计思想为后续各型机车控制系统所借鉴。经过不断地改进、完善,该车型电子控制装置成为最早批量装车,技术比较成熟的第一代产品。

3.2 第二代电力机车控制技术

80年代我国采用技贸结合的方式从欧洲50Hz集团采购了150台8K型电力机车,其中2台机车在株洲合作生产。株洲电力机车研究所在此期间承担了电子控制装置的合作生产和技术国产化工作,并在此基础上,在“七五”、“八五”期间成功地开发出了SS5、SS6、SS3B、SS4改进型、SS6B、SS7等不同车型的电力机车电子控制装置。这一代控制系统功能完善,技术上达到国际80年代初水平,并实现了标准化、模块化,从而实现了我国电力机车控制技术的一次更新换代。第二代控制技术的特点有:

（1) 电路组成单元主要以LM124、LM139、74HC系列IC等新一代数、模集成电

路为主构成。部分电路如功率因数补偿、空电联合制动控制电路采用单板机技术；

（2) 采用了符合IEC有关标准的电路板、机箱结构和法拉第箱概念设计的机柜,

具有良好的防尘、防潮、防震和电磁屏蔽性能；

（3) 在系统设计上,较完整地考虑了电位隔离、滤波、屏蔽等抗干扰措施。如

对数字IO信号采用光耦和继电器进行电位隔离,对模拟IO信号采用电磁变换原理进行电位隔离等；

（4) 系统电路设计上采用了高精度霍耳电流、电压传感器、0.5%精密电阻等措

施,可保证电路板精度,系统精度达2%；

（5) 各型控制装置电路板标准化、通用化程度高(12种电路板中有9种是通用

电路板)；

（6) 系统充分考虑了各种控制需要,功能模块齐全,可满足特性控制,防空转

滑行控制,功率因数补偿控制,空电联合制动控制,加馈或再生制动控制,重联控制以及各种保护的功能要求；

（7) 工艺上采用绕接、压接布线,自动波峰焊接,全自动功能测试等新工艺,提

高了产品质量；

3.3 第三代电力机车控制技术

第三代电力机车控制技术是以微型计算机技术为核心的新一代控制技术。我国电力机车微机控制技术1987年开始起步,并于1991年底首次在SS438号车上装车运行考核,目前已成功地推广应用于SS8准高速客运电力机车、SS4B重载货运电力机车和首次出口伊朗的电动车组头车(TM1)。

从机械结构上来看,微机控制装置沿用了第二代控制系统一样的柜、插件箱、板三层结构,但增加了司机室诊断显示功能。在系统上采用三级分层结构，即:

（1) 人机对话级。本级由显示屏、键盘及显示控制装置组成。它除具有替代原

机车模拟仪表显示机车工况及参数的功能外,还具有日历、时针显示,机车累计运行参数统计,机车轮径设置,故障记录查询,自检项选择和自检结果及参数显示等功能。早期为等离子体显示屏,主CPU为8088,采用汇编语言编程以提高汉字图形方式下的屏幕响应速度,现采用TFT彩色液晶屏,并将显示控制装置与显示屏融为一体,主机为486,PC104总线,并采用C语言编程；

（2) 特性控制级。主CPU为80186,采用功能块图形语言编程(FUPLA),以便提

高编程效率,便于移植,它担负着机车级机车特性控制及各种保护和诊断功能；

（3) 变流器控制级。CPU为8097,采用汇编语言编程以满足脉冲触发部分实时

快速的要求；

经过近6年的考核、改进以及1年的批量装车运行表明,电力机车微机控制系统经受住了考验,其优越性已为大多数用户所认可,概括其特点主要有:

(1) 硬件标准化、通用化程度高,不同的特性、参数和控制功能只需在软

件上区别,硬件可做到通用,因而系统的灵活性高；

(2) 装置的可靠性提高。经SS8型电力机车郑武线近期运行考核表明,微

机控制系统平均无故障工作时间(MTBF)近1万小时,远远高于以前

系统4000小时的水平；

(3) 微机系统智能化程度高,其故障诊断、显示功能实时监测系统的主要

部件,便于确认系统状态,查找分析故障原因；

(4) 便于功能的扩展和升级,如与其他部件或系统(辅助变流器、PLC、制

动单元、速度分级控制系统)通过串行通信方式建立联系、交换信息。

为追踪世界新型“交-直-交”电力机车新技术，更为了满足社会经济发展的要求, 推动轨道交通装备技术进步, 我国研究、应用交流传动技术, 经历了技术探索( 理论认识与基础开发)、引进应用( X2000动车组)、合作研制(“蓝箭”动车组和NJ1内燃调车等)、自主开发几个阶段。上世纪70年代,我国开始研究交流电传动系统的基础技术；80年代完成了中等功率交流电传动系统的试验研究；90年代初研制了1Mw大功率变流系统并促进AC4000原型机车的研制与组装；90年代中期相继启动高性能交流传动控制技术、大功率GTO牵引变流器工程化、中大功率IGBT牵引变流器、大功率异步牵引电机等一系列核心技术的攻关工程, 取得了丰硕成果, 并于本世纪初开始装车应用。

2001年9月我国自行研制成功200km/h“奥星”交流传动电力机车，同年10月时速200km/h的“蓝箭”号在广深线投入使用；2001年又研制成功采用交流传动技术的200km/h的“先锋”号及160km/h的“中原之星”动力分散型电动

车组。从2006年开始，我国分别从日本、德国、法国等国引进先进技术，并消化吸收及国产化，成为“具有我国自主知识产权”的动车组产品系列-CRH系列动车组，它们均属于强动力分散系动车组，这些均预示着机车性能的深刻变革，因而成为今后我国电力机车的发展方向。

我国自主研发的交流传动产品还有：国防科技大学磁浮列车、DF8BJ型“西部之光”内燃机车、DJJ2型“中华之星”高速动车组、DJ7CJ型内燃机车、“天梭”电力机车、KZ4A型哈萨克斯坦电力机车、国产化地铁列车、自主知识产权北京地铁客车等,共计50多台套。

4.展望

我国机车电传动技术已走过50余年的发展里程，取得了巨大进步，铁路运输从速度和功率已被用到技术极限的交-直传动迈入速度更快、功率更高的交流传动的阶段，但这项技术的创新和开拓是永无止境的，它必将随着相关技术的发展而不断提高到更新的水平上。通过贯彻“引进先进技术，联合设计生产，打造中国品牌”的总体要求进行技术引进和合作，我国机车车辆制造业的骨干企业开始批量生产交流传动电力、内燃机车和电动车组。在技术引进的基础上，进行消化吸收和再创新研究，轨道交通装备核心、关键技术的相关平台和体系初步形成，在满足国内铁路运输市场需求的同时，促进铁路机车车辆制造行业走向成熟，实现交流传动机车车辆的国内开发和制造，彻底解决铁路运力不能满足改革开放以来国民经济日益发展要求的矛盾，为我国的社会主义现代化建设做出贡献，进而走向世界，在高速、重载铁路牵引设备领域与世界先进企业同台竞争。

参考文献：

[1]刘友梅．我国电力机车四十年技术发展综述[J]．机车电传动，1998(11)．

[2]黄济荣．电力牵引交流传动与控制[M]．北京：机械工业出版社．1998．

[3]冯江华．机车交流传动控制系统的发展[J]．机车电传动，2001(4).

[4]Ruge W．从GTO变流器到IGBT变流器看传动技术的发展(一)[J]．变流技术与电力牵引，2006(5)．

[5]Ruge W．从GTO变流器到IGBT变流器看传动技术的发展(二)[J]．变流技术与电力牵引，2006(6)．

[6]张波，杨万坤，李杰波. 世界铁路牵引发展50年. 铁道机车车辆,2005(12).

[7]张大勇.我国机车电传动技术的发展[J].机车电传动,2007(5).

[8]丁荣军.快速控制原型技术的发展现状[J].机车电传动，2009(4).

[9]黄济荣．我国交流牵引传动技术的最新进展[J]．机车电传动，2001(1) .

[10]冯江华．电力电子技术与铁路机车牵引动力的发展[J].变流技术与电力牵引，2006(2).

[11]丁荣军.现代轨道牵引传动及控制技术研究与发展[J]. 机车电传动,2010(9).

[12] 张莹,杨利军.交流传动电力机车发展的重要因素——新型电力电子器件[J].电气开关，2005(4).

[13] 黄济荣．跨入21世纪的电力电子与传动技术[J]. 电力机车与城轨车辆,2004(3).

[14] W.D.Weigel. 先进的交流电传动现状和展望[J]. 变流技术与电力牵引,2004(3).

[15] 严云升. 国产交直传动电力机车微机控制技术的发展[J]. 电力机车与城轨车辆,2003(1).

范文二：电力牵引传动与控制技术现状与发展

电力牵引传动与控制技术现状与发展

李继松张晶赵亮徐凯强苏擎宇

(中南大学交通运输工程学院湖南长沙 410075)

摘要:

电力牵引传动与控制技术已经成为衡量一个国家铁路技术水平的最重要标志之一。

本文从车载交流牵引传动系统的应用特点出发，描述了大功率牵引传动系统在实际工程

应用中面临的诸多技术难题，介绍了在全系列电力电子器件及应用技术、大功率牵引传

动变流装置及其控制系统、列车网络控制系统等关键部件的核心技术成果，分析了牵引

传动及控制技术的未来发展，展望了利用轨道牵引传动及控制核心技术向光伏发电、直

流输电、电动汽车、冶金轧机、舰船推进、油气输送等领域的应用前景。

关键词:电力电子器件;变流装置;传动控制;变频

Abstract: The technology of modern railway traction and control had been one of the most important marks to measure a country's level of railway technology. From the application characteristics of AC traction, this paper described the problems faced by the practical application of the high power traction drive system. This paper introduced the core technologies results of power electronic devices, high power traction device and its control system and train network control system. This paper also analyzed the future development of traction and control technology and prospected the future application of railway traction and control technology to solar power, HVDC, electric vehicle, metallurgy and rolling mill, marine propulsion and oil and gas delivery, etc.

Key words: power electronic devices; converter device; drive control; frequency conversion

牵引传动及控制技术是轨道交通机车车辆必须的技术配置，它推动了机车车辆技术的进步，成为高速铁路和重载货运发展的基础。可以说，是否拥有成熟的牵引传动及控制技术，已经成为衡量一个国家铁路技术水平的重要标志之一。同时，牵引传动领域的技术进步和成熟，将辐射到电气自动化、节能等诸多领域，形成具有核心竞争力的自主品牌。

1 车载交流传动系统应用特点

1.1 牵引/制动特性

轨道运输装备的牵引/制动特性是其最基本、最重要的性能，是运输装备设计首要考虑的重要因素之一，它包括了运输装备的持续运行速度、最高运行速度、牵引/制动力特性以及装备的加速性能，以满足铁路运输的需求。在轨道运输装备减速制动时通常优先采用再生制动，将电机回馈的电能通过变流装置回馈给电网，达到绿色环保节能的目的。在系统研究与实际工程应用中，采用高功率密度变流装置、变压器、牵引电机和直接转矩控制等先进电机控制策略，在实现对电机的牵引/制动特性准确控制的同时，获得毫秒级的转矩阶跃动态响应性能。

1.2 轮轨关系

轮轨粘着条件是指轮轨之间的自然粘着特性，它决定了运输装备所能发挥的最大牵引/制动力，是制约运输装备性能的关键因素之一，对于大功率货运机车而言显得尤为重要。试验表明，轮轨粘着特性不仅自身具有显著的非线性特征，而且在不同的气候条件、轨道曲线半径和轨面清洁度时也截然不同，表现出强烈的随机性和易变性。在各种千差万别的轮轨粘着条件下，怎样使运输装备输出的牵引力尽量逼近当前轮轨粘着条件所容许的最大牵引力是粘着利用控制的主要任务。在理论研究与工程应用中采取了独创的、先进的自适应粘着控制策略，采用线性系统理论，通过对牵引力的测量与计算，间接地获取粘着特性曲线斜率，实现最佳粘着利用。

1.3 弓网关系

采用电力牵引轨道运输装备，在运行时需从接触网取电，转换成机械能驱动列车运行，或者将列车动能转化成电能，在实现列车制动的同时向电网回馈能量。牵引系统必须与电网友好匹配，即:低干扰电流、高功率因数、4QS运行等。另外，由于接触网的不平顺或受电弓的振动，会使得受电弓与接触网导线在几十个毫秒瞬时离开，俗称为“跳弓”。“跳弓”现象在电力机车(包括动车组)是很常见的现象。当发生“跳弓”时，对于常处于几MW负荷的变流装置，突然失电，工况非常复杂，如果不能非常及时地处理，通常会导致变流器瞬时过压、过流，甚至损坏器件。在探索、掌握高动态响应、高系统稳定性、高性能指标的主电路参数和控制理论基础上，通过高速硬件平台微秒级的快速采集网侧电量信号，检测到信号发生变化后，四象限和电机控制系统必须快速地对控制参数进行及时调整，以保证变流装置能稳定正常工作，适应各种极端的运行工况，实现高可靠性的工程应用。

1.4 功率流密度

轨道车辆车载设备对体积、重量有非常高的苛求，需不断追求变流装置更高的功率流密度。由IGBT器件组成的单模块容量从最初的400 kVA，到如今1 600 kVA(在7 200 kW电力机车上大批量应用),如采用最新6 500 V元件可达到2 000 kVA，采用IGCT器件模块可达到9 MVA。

1.5 电磁兼容性要求高

电磁兼容性指设备或系统在电磁环境中能正常工作，且不对该环境中的任何事物构成不能承受的电磁干扰的能力。对于低压小功率的变流应用场合这个问题不突出，但在功率通常都在MW级以上的大功率牵引系统领域，由于体积、空间的限制，强弱电共存，且强弱设备共用一个接地点，通常控制装置与高压开关器件相邻布局，辐射干扰和传导干扰等电磁干扰问题非常突出，也成为大功率牵引变流及控制技术的一个关键应用难题。在不断探索与应用中，掌握了接地抗干扰技术、屏蔽抗干扰技术、磁场屏蔽技术等来改善牵引系统本身的电磁兼容性，以提高抗外部干扰的能力，有效减小对外界生物的辐射污

染。通过主电路合理的布线设计来提高弱电信号的抗干扰能力，同时采用诸如优化的脉宽调制技术等先进的控制方式，有效抑制电流谐波带来的干扰问题;通过长期的经验积累，良好的EMC试验条件，严格的EMC试验，形成了EMC工程技术能力。 1.6 环境条件

轨道牵引传动设备的现场应用环境条件非常恶劣，振动与冲击、环境温度与湿度、海拔高度、耐腐蚀性以及抵抗风雪雨等指标都远高于普通的工业应用。以机车为例，变流控制装置通常在夏天要承受60 ?左右的环境温度，冬天要承受-40 ?的低温，这对电子产品的耐受性、可靠性提出了更高要求，同时，还要考虑盐雾、湿热、振动、沙尘等工作环境，从而提高了对控制系统的设计要求。

2 变流技术

2.1 系统技术的突破

2.1.1 电传动系统的性能最佳匹配技术

受轨道牵引车辆轴重的限制，在满足车辆动力性能的前提下，要求牵引变流器与异步牵引电动机的最佳匹配和适度的主电路网侧电参数，以实现系统的性能最佳、重量最轻和经济性。在实际工程应用中，采取配合牵引/电制动特性选择适当的齿轮传动比，使电机既能在牵引的最高转速处具有一定的力矩过载倍数，又能发挥高速的峰值功率，同时使启动电流和峰值电流在变流器的允许值范围之内;根据所要求的旅行速度，由典型区段计算出的等效电流及电动机的发热温升来确定电机的额定功率等;高压电器的选型和主要参数则要考虑高压电气性能、可靠性、所承受的供电网的过电压并根据主电路典型电流曲线等选取;同时，利用系统仿真手段，进行电传动系统的最优匹配设计。 2.1.2 功率器件性能最优利用技术

在低压小功率应用场合，由于器件设计余量可以选择比较大，几乎不用考虑功率器件的性能最优利用技术。但在高压大功率牵引传动系统中，器件本身非常昂贵，同时受器件本身的性能参数、安装空间和体积重量的限制，设计余量选择往往会决定最终性价比。

通常设计余量都尽可能的取得较低，这必须不断追求功率器件性能的最优利用以保持产品的持续竞争力。与此同时，高压大功率变流器开关频率低，变流器承受的尖峰电流和过电压都很高，功率器件的性能最优利用技术门槛非常高。经过长期的技术经验积累，我们掌握了高性能的异步电机直接转矩控制策略，可以充分利用开关频率，获得更低的尖峰电流及过电压指标;采取功率因数闭环控制和瞬态电流控制的四象限控制策略，可以在各种不同负载下获得接近1的高功率因数指标。这2种技术均可以使功率器件在同样的峰值电流下输出更大的基波电流，从而在同样的保护参数下的性能可以得到更充分的利用。同时，成熟的器件分级保护系统，特别是纳秒级检测、微秒级响应动作的硬件保护电路，可以确保功率器件在最优利用时的安全性和可靠性。

2.1.3 系统仿真平台技术

随着轨道交通行业的大发展，产品的开发和交付周期也不断地缩短，从而对设计的要求也越来越高。同时，由于传动系统结构庞大、参数时变、工作过程及控制技术复杂，整体的匹配性能要求高等特点，设计难度很大。仿真技术可以保证系统性能，降低设计风险，提升设计能力，推进创新，缩短系统及部件开发周期，快速响应市场需求，提升关键部件开发和系统研究与集成能力。经过近十年的努力，先后建立了多个仿真平台:牵引计算仿真平台，可以验证列车整个牵引电气系统的性能;系统主电路仿真计算平台，可以验证主电路原理并确定部件的电气参数;半实物实时仿真平台，包括硬件在回路(HIL)和快速控制原型(RCP)半实物实时仿真平台，可验证各种控制策略和控制算法;热仿真和结构仿真平台，可辅助热设计及机械结构设计。

2.2 部件技术突破

2.2.1 器件开发及其应用技术

新型电力电子器件及其相关新型半导体材料的研究，一直是电力电子行业极为活跃的领域。随着每一代新型电力电子器件的诞生，变流技术往往都会掀起一场革命浪潮，从晶闸管到GTO，再到如今的IGBT、IGCT，都是一代器件决定一代装置。电力电子器件已

经在国家节能减排、建设节约型社会中发挥着不可替代的作用。经过四十多年的努力，攻克了金刚石台面工艺、离子注入工艺、全压接工艺等关键技术，成为国际上为数不多的具备普通器件、IGCT、IGBT完整产品链的大功率半导体器件供应商，产品最大规格达到6英寸(6×25.4 mm)，最高电压达到8 500 V。成功开发出4 500 V/4 000 A IGCT器件，成为全球第二家掌握该器件技术的企业。在轨道牵引应用领域，器件开发技术必须考虑下列特点:能够承受较强的振动冲击，外部结构必须紧固，设计时必须考虑器件内部的应力;器件的环境温度变化通常在50 ?以上，必须承受大的温度应力;由于空间体积、重量的限制，要求器件尽量小，必须掌握器件高效率的散热技术;工作的电磁环境恶劣，必须考虑EMC设计。在高压直流输电应用领域，通常需要上百个器件串联运行，必须考虑器件的动态均压技术，确保串联器件的反向恢复电荷保持高度一致性;可靠性要求极高，使用寿命长，器件必须考虑设计容量;充分考虑电压冲击，满足特殊的雪崩浪涌试验和应用要求。

1)电力电子器件的串并联技术

随着现代电力电子变流技术的飞速发展，实际工程应用中对变流装置高压、大功率的需求越来越迫切，而电力电子器件的串并联技术是当前变流装置实现高压大功率的最关键的技术。但是串并联将导致元件间电压、电流的静态与动态均匀分布问题。以高压直流输电变流器为例，上百个的开关器件串联后并入高压电网，必须保证器件触发的高度同步，否则微秒级的差异会带来灾难性的后果。可靠的同步触发技术、优良的吸收回路是解决该问题的关键。通过长期从事高压大功率变流装置的研发，采用独特的吸收回路设计，高同步脉冲触发技术，攻克了器件串并联应用中的均压、均流技术。在晶闸管串并联应用技术方面，公司为某军事风洞试验基地研制的135 MW晶闸管整流大功率电源，最大空载输出电压44 000 V，稳定功率135 MW。在IGBT串并联方面，公司为国家电网公司研制的直流柔性输电融冰装置，并联输出电流能力达到4 800 A。大批量应用的7 200 kW交流传动机车也是采用IGBT功率器件并联技术。

2)电力电子器件的驱动技术

电力电子器件在应用中的驱动和保护是一项关键技术。先进的驱动控制技术可以有效减小电力电子器件的导通压降、开关损耗以及提高短路电流所带来的应力，更重要的是降低电力电子器件开关时的过电压，防止潜在震荡，减小噪声干扰，保护器件正常工作。经过长期的研究，掌握了各种电压等级的晶闸管、IGBT、IGCT驱动技术。前期掌握的电信号通过隔离变压器驱动技术，随着电压等级的提高，常出现在变压器隔离后导致脉冲陡度不够，不能可靠触发驱动器件动作，同时也暴露出电信号通过隔离变压器方式的抗扰能力差等问题，通过技术攻关，又成熟掌握了光触发技术，解决了高压大功率可靠驱动难题。

2.2.2 冷却技术

随着变流技术的不断发展，变流装置的体积趋于紧凑化，但系统趋于复杂化，高热密度成了一股不可抗拒的发展趋势。变流装置的紧凑化和集成化要求冷却装置具有紧凑性、可靠性、高散热效率、维护简便等特点。几种主要的冷却技术的特点见表1。表1 几种主要的冷却技术特点

风冷技术

油冷技术

水冷技术

热管散热

效率低、结构简单、噪声大、体积大

效率中等、噪声小、结构复杂、重量重、现场维护难

效率高、结构复杂、重量轻

效率中等、噪声小、结构简单

在小功率变流应用场合，如电动汽车、辅助变流器等，可采用风冷技术;在中功率变流应用场合，如城市地铁轨道车辆等，采用热管散热冷却技术;在大功率变流应用场合，

如干线电力机车等，采用水冷却方式。通过长期的技术研究，掌握了冷却技术的仿真计算技术，散热器热阻、流阻设计及试验技术，自主研制的热管散热器批量应用于地铁项目，水冷散热器和嵌片散热器批量应用于7 200 kW电力机车。

2.2.3 低感母排技术

低感母排是一种多层复合结构连接排。与传统导线联接方法相比，低感母排可以大大降低线路的杂散电感，降低开关器件的过电压，使得器件工作于更加安全的区域，并提供现代的、易于二次设计、安装快速和结构清晰的配电系统。通过长期的技术研究，掌握了低感母排的高低温极限条件材料技术、高性能绝缘薄膜介电技术、柔性连接技术、压合技术及灌封技术等关键技术。

2.3 变流器产品及应用

IGBT器件及变流装置(见图1)应用于“HXD1C”6轴7 200 kW交流传动货运电力机车、北京地铁13号线车辆、上海地铁1号线车辆、广州地铁1号线车辆、北京房山线车辆、沈阳2号线车辆、深圳5号线车辆、上海低速磁悬浮车、电动汽车、国家电网直流融冰装置、柔性输电设备等项目。7 200 kW电力机车变流器与国外跨国公司同类产品对比如表2。

表2 3种变流器的性能对比

技术性能TEG HXD1C 西门子HXD1 西门子HXD1B

主电路

?两级过压保护，可用性高;

?可实现单轴隔离，损失1 / 6 动力

?一级过压保护;

?变流器架控，实现单架隔离，损

失1/2 动力

?一级过压保护;

?单轴隔离，损失1/ 6 动力

控制方式直接力矩控制矢量控制矢量控制选用的IGBT 3 300 V，价格低，

成熟度高，货源广

3 300 V 6 500 V，价格高，

成熟度低，货源紧张

500 Hz 250 Hz 350 Hz 开关频率450,

功能各种功能及保护与西门子相当，均能满足用户需求变流器模块

四象限模块与逆变器模块完全通用，降低了维修成本和备品备件数量

可以互换不能互换

谐波开关频率高，谐波小，噪声小开关频率低，谐波大，噪声大开关频率低，谐波大，

噪声大

体积3 100 mm× 1 060 mm × 2 000 mm (L × W× H)

3 700 mm × 1 060 mm ×

2 000 mm(L × W× H)

3 400 mm × 1 060 mm ×

2 000 mm(L × W× H)

质量0.7 kg/kW 0.71 kg/kW 0.58 kg/kW

3 控制技术

3.1 关键技术突破

3.1.1 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。在高压大功率变流应用场合，开关频率低是

电机频率小一个显著特点。以变频电机控制为例，随着电机频率的增加，当开关频率/于10 Hz时，如果仍然采用普通异步调制技术将导致电机谐波转矩显著加大，此时采用同步脉宽调制技术可保证三相电流波形的对称，降低尖峰电流和转矩脉动。同步调制技术实际工程应用异常复杂，必须保证各种模式平滑切换，避免给系统带来的功率冲击。通过长期的理论分析和试验研究，掌握了异步?同步分频调制?方波的控制及切换技术，保证系统在各种模式下能实现平滑过渡，获得最优的电流对称性及转矩控制性能，取得了“一种基于空间矢量的闭环同步调制方法及系统”，“一种基于空间矢量的同步调制方法及系统”两项国家发明专利。

3.1.2 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。矢量控制策略

存在一些固有缺点，比如转子磁链难以准确观测，对电机参数比较敏感，实际工程应用时矢量控制必须具备异步电动机参数自动辨识功能。与直接转矩控制相比，矢量控制具有直接的电流闭环控制特点，电流控制的稳定性高，有独立的PWM调制单元，决定其转矩控制结果是一个开关周期内的平均值。如果在大功率低开关频率应用时，高速区必须采用同步调制技术。同步调制技术与直接转矩控制相比，开关频率利用不充分，在逆变器峰值电流、电机谐波损耗、转矩脉动、直流侧电流谐波等重要性能指标上比直接转矩控制差。而直接转矩控制PWM调制在磁链和转矩控制中直接实现，转矩动态性能高，但在低速高开关频率区性能比矢量控制差。通常在小功率高开关频率场合应用矢量控制，在大功率低开关频率场合应用直接转矩控制。

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。目前，通过对直接转矩控制的深入理论分析和试验研究，掌握了转矩—磁链动态开关控制、定子磁链的轨迹优化控制、最佳开关频率利用控制、恒功区的动态弱磁控制等核心技术，该技术已经大批量应用于干线电力机车(如“和谐”型7 200 kW交流电力机车)、城市轨道交通领域(如上海地铁1号线、北京房山线，深圳5号线，沈阳2号线等)，如图2所示。

3.1.3 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。该项技术已经批量应用于和谐号大功率电力机车、国家电网柔性输电工程及变电所无功补偿装置等项目。 2)软开关技术

目前，牵引变流器中辅助变流器选择较高的开关频率，这样有助于改善系统性能，减少谐波含量、降低电磁干扰和音频噪声。但问题是这样会使变流器系统效率降低，增加额外耗能，同时也会引发电磁干扰。通过长期研究后，软开关技术已成功应用于中、小功率变流装置。该技术的应用可使电力电子器件的开关速度大幅度提高，开关损耗和开关元件上的电应力大大降低。相应地，变流器的体积和重量也可大幅下降，同时产品的电磁干扰和音频噪声也大大下降，具有非常高的绿色节能效果，可广泛应用于城轨车辆、铁路客车、动车组、电力机车的辅助变流器以及光伏发电逆变器等相关拓展领域。 3.2 变流控制产品及应用TEC3000平台的传动控制单元(DCU)是新一代交直交机车牵引变流器控制装置(见图3)，采用高速专用总线贯穿整个控制单元，通过高性能C P

U(PowerPC5200)为主构建系统管理器进行管理和调度，周期短、信息化程度高。变流器硬件平台实时控制器主处理器采用TMS320C60000系列高性能浮点DSP，浮点运算速度高达每秒上亿次。采用多DSP结构，从而使变流器实时运算能力达到最优，完全具备了应对各种复杂变流器高性能实时控制的能力。硬件平台的处理能力达到甚至超过西门子SIBAS 32，Bombardier的MITRAC，ABB Cont rol AC 800PEC的水平。DCU可通过数字化软件编程来设置保护门阀值，实现变流器多级保护，达到DCU对变流器故障的纳秒级快速响应。异步电机控制、四象限控制、粘着利用控制等技术的关键指标达到国际先进水平。面向系统集成用户开放的CSRDriver软件平台(见图4)，可完成变流器的控制模式选择、参数配置、高速数据监视、单点程序下载、故障记录、数据分析等功能。TEC3000传动控制系统与庞巴迪公司产品的主要性能对比如表3。

4 信息技术与列车通信网络控制技术

列车信息化系统集检测、控制、诊断、信息管理于一体，是列车的大脑，协调各子系统有序工作。

4.1 关键技术突破

4.1.1 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IEC 61375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、Lonworks)、控制系统模块化软硬件技术、实时控制与故障诊断技术以及图形化编程技术，并取得了多项专利授权。DTECS平台其整体技术水平达到了西门子、庞巴迪公司当前主流产品的技术水平，并已经在多个铁路干线机车、城轨地铁车辆项目上得到批量应用。DTECS网络系统与跨国公司同类产品对比如4。表

4.1.2 列车运行控制技术

列车运行控制系统简称列控(ATP/ATC)，是保证列车安全、快速运行的集中控制中心，同时是列车的事件记录的“黑匣子”。在干线铁路列控系统领域，完成了LKJ93和LKJ2000列车运行装置的开发与应用，均具有完全自主知识产权，具备了CTCS0级ATP设备产品标准，在我国铁路多次大提速中发挥了至关重要的作用。

4.2 网络控制产品及应用

分布式网络控制系统DTECS(见图，不仅适用于各种干线机车列车/车

辆级控制，而且适用于地铁列车/车辆的控制，现已经广泛应用于各类地铁、干线电力机车，构成标准化、网络化的车载控制与诊断系统。LKJ93、LKJ2000监控装置(见图6)已在国内全路近2万台机车上装车，有效减少了铁路信号险性事故发生率，并累计取得17项专利成果授权以及15项软件著作权。

5 产品质量保证与试验技术

在产品质量保证方面，搭建了电子产品可靠性工程、失效分析等系统，并且制订了一系列严格可靠的项目管理、研发过程管理和产品生产制度。建成交流传动试验室、变流技术应用/综合试验室、复合环境试验室、电磁兼容试验室等18个国内领先、国际先进的研究性试验室，并引进了具有国际先进水平的专用测试设备及仪器，引入了CAD/CAM/CAE计算机系统、多通道数据采集和处理系统、环境试验箱、振动与冲击试验台以及从事变

流技术应用研究和开发的相关实验室的全套设备，拥有具有国际先进水平的电子产品、半导体器件和专用测试设备及仪器。

6 未来技术的发展

6.1 功率器件

碳化硅(SiC)是一种物理化学特性仅次于金刚石的化合物半导体材料，有着非常优秀的物理特性。可极大地提高电力电子变换器的效率，使各类变换器的体积减少到原来的5%~20%，具有耐高压(达数万伏)、耐高温(大于500 ?)的特性,被公认为是下一代电力电子器件的最佳候选者之一。

6.2 无线传输技术

现代高速列车通过车—地信息网络来达到安全运行的要求。随着无线技术的日益发展，无线技术应用越来越被各行各业所接受。通过采用先进的无线局域网(LAN)和GPRS/GSM无线通信技术实现快捷的信息处理;采用无线通信方式实现高速列车远程监控技术;采用无线通信方式实现远程列车设备检修数据库的访问技术等，从而摆脱地面设备的束缚，实现实时列车状态的跟踪运行。

6.3 新一代传动控制技术

6.3.1 永磁驱动及控制技术

与异步电机相比，永磁同步电机具有高能流密度、高功率因数、高效率、体积小、重量轻等特点，与同容量的异步电机相比，永磁同步电机的体积和重量大约能减少15%,30%左右;转速平稳、过载能力强;噪声低，可靠性高;结构多样化，应用范围广。永磁同步电机将在未来取代异步电机，成为轨道牵引传动的主流牵引电机。近年来对永磁驱动及控制技术进行了大量研究，小功率的永磁驱动技术已经在电动汽车上批量装车应用，正针对“500 km/h高速动车组”项目进行大功率永磁驱动及控制技术的研究。 6.3.2 无速度传感器控制技术

无速度传感器控制技术可减小牵引电机的体积和传感器故障的发生率，大大提高了传动

控制单元的系统可靠性。省掉速度传感器及连接电缆的费用，节约了成本。无速度传感器控制系统近年来已成为交流传动控制研究的热点。目前，已经成功完成了异步电机无速度传感器技术的理论研究与地面试验，攻克了逆变器保护封锁后的带速度重投、极低速定子零频附近的额定转矩发挥以及再生制动状态等技术难题，正在积极进行工程化的应用研究。

6.3.3 现代控制技术改进

无论是矢量控制技术，还是直接转矩控制技术，在对于电机参数可能发生的变化时，都会影响变频器对电机的控制性能。自适应控制器可以根据对受控对象在工作过程中不断检测的系统状态参数或性能指标的变化情况，自行修正控制参数或控制作用以适应环境和对象本身的动态变化，保证系统始终在最优或次最优的工作状态下。目前，正在积极采用自适应控制技术进行电机参数自辨识技术的研究，不断提高传动控制的性能。 6.4 功率模块的集成化

随着功率电子器件、功率电子设备以及变流技术向着模块化方向发展，使得功率模块的功能、通用性以及性能越来越强。已成功完成了IGBT、IGCT以及高压大功率晶闸管的模块化集成工作，成功解决了各类模块化器件在集成过程中产生的控制、驱动以及故障保护检测等问题，正朝着体积更小、重量更轻、功率更高、效率更高的方向发展。 7 总结

随着电力电子技术的飞速发展以及控制技术的日益更新，现代轨道牵引传动及控制技术已经广泛应用于电力机车、内燃机车、新型动车组、城市地铁轨道车辆以及电动汽车领域，并逐步朝着新能源(风力发电、太阳能光伏发电等)领域、电网电能质量的改善(大型变电装置、大功率无功补偿装置)以及大量的民用装备领域(石油钻井、船舶推进系统、大型实验装备)发展。

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范文三：电力牵引与传动控制技术现状与发展

电力牵引与传动控制技术

现状与发展

交通设备与信息工程0804班

陆钦 1104080816

陈天宽 1104080802

电力牵引与传动控制技术现状与发展

陆钦陈天宽

（中南大学交通运输工程学院，湖南长沙 410075）

摘要：至今，电气化铁路的发展已走过一百多年的历程。进入21世纪以来，轨道电力牵引在电力电子原件，控制技术等方面已经日趋成熟。本文从我国电力牵引与传动控制的现状出发，介绍了在全系列电力电子器件及应用技术、大功率牵引传动变流装置及其控制系统、列车网络控制系统等关键部件的核心技术成果。并分析了牵引传动及控制技术的未来发展，展望了利用轨道牵引传动及控制核心技术向相关领域的应用前景。

关键词：电力电子器件；变流技术；控制技术

The present situation and development of electric traction and control technology Abstract:Up to the present,the development of electric railways has lasted for more than one hundred years. Since the beginning of 21 century, railway electric traction has been more mature in the fields of power electronic devi-ces, control technology,etc.From the present situation of electrical traction and drive control in our country,this paper introduced the core technologies result of power electronic devices, high power traction device and its control system and train network control system.Simultaneously,this paper analyzed the future development of traction and control technology and prospected the future a-pplication of railway traction and control technology to the relevant fields. Key words:power electronic devices;converter technology;control technology 牵引传动及控制技术是轨道交通机车车辆必须的技术配置，它推动了机车车辆技术的进步，成为高速铁路和重载货运发展的基础。可以说，是否拥有成熟的牵引传动及控制技术，已经成为一个国家铁路技术水平发展程度的衡量标准。同时，牵引传动领域的技术进步和成熟，将辐射到电气自动化、节能等诸多领域，带动相关技术领域共同进步与发展。

1. 车载传动系统相关特性

1.1 牵引与制动特性

轨道交通工具的牵引/制动特性是其最基本、最重要的性能，它包括运输装备的持续运行速度、最高运行速度、牵引/制动力特性以及装备的加速性能。目前，在轨道交通工具减速制动时通常优先采用再生制动，将电机回馈的电能通过变流装置回馈给电网，以实现可持续发展，节能环保。在系统研究与实际工程应用中，采用高功率密度变流装置、变压器、牵引电机和直接转矩控制等先进电机控制策略，在实现对电机的牵引/制动特性准确控制的同时，获得毫秒级的转矩阶跃动态响应性能，以提高控制效率。

1.2 粘着特性

轮轨间的粘着特性决定了轨道交通工具所能获得的最大牵引力及制动力，直

接影响其性能。试验表明，轮轨粘着特性具有相当的随机性，有显著地非线性特征，而且在不同的气候条件、轨道曲线半径和轨面清洁度时也截然不同。怎样使轨道交通工具的牵引力在不同工作条件下都能逼近所容许的最大牵引力是当前的一个重要课题。目前，在理论研究与工程应用中普遍采取了独创的、先进的自适应粘着控制策略，采用线性系统理论，通过对牵引力的测量与计算，间接地获取粘着特性曲线斜率，实现最佳粘着利用。

1.3 弓网关系

电力牵引轨道交通工具时，从接触网取电，转换成机械能进行驱动是轨道交通工具正常工作的必要条件。目前，再生制动，即列车制动的同时将机械能转换为电能，向电网回馈能量，也必须有良好的弓网关系。牵引系统必须与电网友好匹配，即：低干扰电流、高功率因数、4QS 运行等。由于接触网的不平顺或受电弓的振动，会出现“跳弓”现象。“跳弓”现象，即受电弓与接触网导线在几十个毫秒瞬时离开。“跳弓”现象在电力机车（包括动车组）是很常见的现象。当发生“跳弓”时，通常会出现变流器瞬时过压、过流，甚至损坏器件的现象。在探索、掌握高动态响应、高系统稳定性、高性能指标的主电路参数和控制理论基础上，通过高速硬件平台微秒级的快速采集网侧电量信号，检测到信号发生变化后，四象限和电机控制系统必须快速地对控制参数进行及时调整，以保证变流装置能稳定正常工作，适应各种极端的运行工况，实现高可靠性的工程应用，这是目前弓网系统发展的趋势。 1.4 环境条件

轨道交通的现场工作环境条件极其复杂，振动与冲击、环境温度与湿度、海拔高度、耐腐蚀性以及抵抗风雪雨等指标都远高于普通的工业应用。以青藏铁路为例，铁路系统通常在高原缺氧，高原低温，高原强紫外线辐射，高原冻土等环境下工作，对各种列车设备及控制系统的可靠性提出了很高的要求。

2. 变流装置的发展

2.1 电力电子器件及其应用技术

大功率电力电子器件及其相关新型半导体材料的研究，一直是电力电子行业极为活跃的领域。大功率电力电子器件的发展，已经从最初的晶闸管，GTO ，GTR ，发展到如今的IGBT 、IGCT 、IPM ，每一代器件决定了一代装置。电力电子器件已经在国家节能减排、建设节约型社会中发挥着不可替代的作用。

2.2 GTO 晶闸管

一直到70 年代末期，晶闸管始终是大功率应用领域中的主力军。但运行经验证实 GTO 存在-些明显的缺点: (1) 典型的关断增益在3 到5 之间，要求很大的门极关断电流，门极单元复杂，驱动功率大 (2) 必须配置复杂而臃肿的开关吸收电路 (3) 开关频率仅限于200 Hz~300Hz。为了克服这些缺陷，当前在电力电子器件领域存在两种创新途径: 第一种是对传统GTO 晶闸管进行结构和工艺上的革新，衍生出新的器件，其中特别值得提出的是IGCT; 第二种是采用混合集成技术，把两种器件结合在一起构成新的器件，使其具有两种器件的综合性能，鉴于Power-MOSFET( 电力场效应晶体管) 的控制功率比双极型晶体管小得多，并具有较高的开关频率，利用它可改进电力电子器件的开关性能，简化门极电路，从而产生了一些新的器件，如MOS 控制的晶闸管(MCT) ，注入增强型门极晶体管( IEGT) ，射极关断晶闸管(ETO)。而由MOSFET 和双极型晶体管复合组成的IGBT 器件，自90年代以来逐步在牵引领域替代原来GTO 的市场地位。

2.3 IGCT( 集成门极换相晶闸管)

IGCT 是改进结构的GTO( 即G T)与具有极低电感的门极驱动单元的集成。在保存GTO 晶闸管的高性能价格比和可靠性的同时，还采取了一系列措施:(1) 采用新的门极控制技术——强驱动。采用更大的门极控制电流和电流上升率dz/dt 可显著提高GTO 的性能，使器件在承受阻断电压之前，全部阳极电流快速地从阴极转移到门极。也就是说，器件在1MS 内从通态压降低、损耗小的PNPN 晶闸管状态变换成关断性能好的PNP 晶体管状态。因之，有可能不需要关断吸收电路。 (2)采用缓冲层结构，并以较薄的阳极透明发射极替代传统的阳极短路结构。缓冲层是位于N 基区和阳极之间的附加N 层，其好处在于使PN 结阻断状态下N 基区中的电场呈梯形而非三角形。因此在保持相同的阻断电压的前提下，硅片厚度减少3%~40%，通态和动态能耗也随之减少。透明发射极可让电子在其中以极高的穿透几率通过，但不会同时引发空穴注入。这样，既能降低关断损耗，又不需要大的门极触发电流( 几乎减少一个数量级) 。 ( 3) 把续流二极管集成于一体。

2.4 IGBT （绝缘门极双极型晶体管）

2.4.1 IGBT 已成为主流技术

绝缘门极双极型晶体管（IGBT ），它是按照集成电路的工艺制造出来的，由MOSFET 和双极型晶体管复合组成。IGBT 具有电压驱动、不需要复杂的吸收电路、由它们构成的逆变器的成本和体积比同等GTO 小、提高了开关频率并减少谐波等优点。IGBT 取代GTO 已成为不争的事实，以下的几个因素更巩固了其地位：第一、选择热膨胀系数更接近的材料作为器件中的衬底和底板，减少了因焊接结构和疲劳带来的故障，提高了可靠性。第二、阻断电压（6.5 kV）和容量的提高，已可与GTO 并驾齐驱。另外，通过更精确的表面图形设计和扩散工艺的改进，进一步改善了IGBT 的性能，新开发的CSTBT （载流子存贮挖槽栅双极型晶体管）与传统的IGBT 相比，通态压降较小，驱动功率减少，耐短路电流能力提高，而电压U CE （Sat ）具有正温度系数的特点使其更易于并联。

2.4.2 IGBT 的结构形式

IGBT 器件主要有两种型式：焊接式的模块和压接式的平板型结构。后者在外观上很像一个普通的晶闸管。基于设计规范化和降低生产成本的考虑，集成式结构是这种器件的一大特点。把IGBT 器件及其反并联二极管、门极控制单元、保护监测装置、引线甚至水冷散热器集成在一个模块中，构成一个开关组件（半相电路）。此外，还可以进一步把逆变器同一相电路的上、下两组件集成在一起，成为半成品的相构件。

如何使所开发的变流器具有更广泛的适应性、满足不同供电模式（包括25 kV 50 Hz 15 kV 16.7 Hz 和直流3.0 kV 与1.5 kV）的要求，是目前IGBT 发展的趋势。

2.5 IPM 智能功率模块

2.5.1 IPM 简述

IPM （Intelligent Power Module），即智能功率模块，不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起。而且还内藏有过电压，过电流和过热等故障检测电路，并可将检测信号送到CPU 。它由高速低功耗的管芯和优化的门极驱动电路以及快速保护电路构成。即使发生负载事故或使用不当，也可以保证IPM 自身不受损坏。IPM 一般使用IGBT 作为功率开关元件，内藏电流传感器及驱动电路的集成结构。IPM 以其高可靠性，使用方便赢得越来越大的市场，尤其适合于驱动电机的变频器和各种逆变电源，是变频调速，冶金机械，电力牵引，伺服驱动，变频家电的一种非常理想的电力电子器件。

2.5.2 IPM 与IGBT 对比

IPM 与以往IGBT 模块及驱动电路的组件相比具有如下特点：

(1) 内含驱动电路。设定了最佳的IGBT 驱动条件，驱动电路与IGBT 间的距离很短，输出阻抗很低，因此，不需要加反向偏压。所需电源为下桥臂1组，上桥臂3组，共4组。

(2) 内含过电流保护(OC)、短路保护(SC)。由于是通过检测各[GBT集电极电流实现保护的，故不管哪个IGBT 发生异常，都能保护，特别是下桥臂短路和对地短路的保护。

(3) 内含驱动电源欠电压保护(UV)。每个驱动电路都具有UV 保护功能。当驱动电源电压UCC 小于规定值UV 时，产生欠电压保护。

(4) 内含过热保护(OH)。OH 是防止IGBT 、FRD(快恢复二极管) 过热的保护功能。IPM 内部的绝缘基板上没有温度检测元件，检测绝缘基板温度Tcoh(IGBT、FRD 芯片异常发热后的保护动作时间比较慢) 。R —IPM 进一步在各IGBT 芯片内没有温度检测元件，对于芯片的异常发热能高速实现OH 保护。

(5) 内含报警输出(ALM)。ALM 是向外部输出故障报警的一种功能，当OH 及下桥臂OC 、Tjoh 、UV 保护动作时，通过向控制IPM 的微机输出异常信号，能切实停止系统。

(6) 内含制动电路。和逆变桥一样，内含IGBT 、FRD 、驱动

3. 控制技术的发展

3.1 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。PWM （Pulse Width Modulation ）控制技术就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值），从而实现交流到直流，直流到交流的能量变换。面积等效原理是PWM 技术的重要基础理论。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。SVPWM 技术具有如下特点：

(1) 在每个小区间虽有多次开关切换，但每次开关切换只涉及一个器件，所以开关损耗小。

(2) 利用电压空间矢量直接生成三相PWM 波，计算简单。

(3) 逆变器输出线电压基波最大值为直流侧电压，比一般的SPWM 逆变器输出电压高15%。

在高压大功率变流应用场合，开关频率低是一个显著特点。以变频电机控制为例，随着电机频率的增加，当开关频率/电机频率小于10 Hz时，如果仍然采用普通异步调制技术将导致电机谐波转矩显著加大，此时采用同步脉宽调制技术可保证三相电流波形的对称，降低尖峰电流和转矩脉动。同步调制技术实际工程应用异常复杂，必须保证各种模式平滑切换，避免给系统带来的功率冲击。

3.2 传动控制技术

传动控制技术是牵引传动的核心技术。主要有转差频率控制，矢量控制和直接转矩控制三种方式。目前，转差频率控制已逐渐被淘汰。

3.2.1 转差频率控制

转差频率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，已不能适应现代传动控制要求，故逐步被矢量控制与直接转矩控制等方式取

代。

3.2.2 矢量控制

矢量控制，又称为磁场定向控制（FOC ），在上世纪70年代由西门子工程师F.Blaschke 首先提出。矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量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，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。矢量控制策略存在一些固有缺点，比如转子磁链难以准确观测，对电机参数比较敏感，实际工程应用时矢量控制必须具备异步电动机参数自动辨识功能。

矢量控制与直接转矩控制在应用领域各有侧重，矢量控制适用于宽范围调速系统和伺服系统，而直接转矩控制适用于需要快速转矩响应的大惯量运动控制系统。矢量控制具有直接的电流闭环控制特点，电流控制的稳定性高，有独立的PWM 调制单元，决定其转矩控制结果是一个开关周期内的平均值。如果在大功率低开关频率应用时，高速区必须采用同步调制技术。同步调制技术与直接转矩控制相比，在一些重要指标上不如直接转矩控制，如开关频率利用，逆变器峰值电流，电机谐波损耗等。所以通常在小功率高开关频率场合应用矢量控制，在大功率低开关频率场合应用直接转矩控制。

3.2.3 直接转矩控制

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。这种“直接自控制”的思想以转矩为中心来进行综合控制，不仅控制转矩，也用于磁链量的控制和磁链自控制。直接转矩控制与矢量控制的区别是，它不是通过控制电流、磁链等量间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量控制，其实质是用空间矢量的分析方法，以定子磁场定向方式，对定子磁链和电磁转矩进行直接控制的。这种方法不需要复杂的坐标变换，而是直接在电机定子坐标上计算磁链的模和转矩的大小，并通过磁链和转矩的直接跟踪实现PWM 脉宽调制和系统的高动态性能。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。

目前，通过对直接转矩控制的深入理论分析和试验研究，掌握了转矩—磁链动态开关控制、定子磁链的轨迹优化控制、最佳开关频率利用控制、恒功区的动态弱磁控制等核心技术，该技术已经大批量应用于干线电力机车（如“和谐”型7 200 kW交流电力机车）、城市轨道交通领域（如上海地铁1号线、北京房山线，深圳5号线，沈阳2号线等）。

3.3 其他控制技术

变流器+异步电机的模式已成为现代轨道交通牵引的主流模式。但是，此牵引系统产生的谐波及无功分量会增加电网的电流容量，同时也造成资源的浪费。为了迎合绿色节能的可持续发展理念，必须采用高性能的网侧控制技术及高效的主电路形式。

3.3.1 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。该项技术已经批量应用于和谐号大功率电力机车、国家电网柔性输电工程及变电所无功补偿装置等项目。

3.3.2 软开关技术

目前，牵引变流器中辅助变流器选择较高的开关频率，这样有助于改善系统性能，减少谐波含量、降低电磁干扰和音频噪声。但问题是这样会使变流器系统效率降低，增加额外耗能，同时也会引发电磁干扰。软开关技术是使变流器得以高频化的重要技术之一, 它应用谐振的原理, 使开关器件中的电流(或电压) 按正弦或准正弦规律变化。当电流自然过零时, 使器件关断(或电压为零时, 使器件开通) , 从而减少开关损耗。它不仅可以解决硬开关变换器中的硬开关损耗问题、容性开通问题、感性关断问题及二极管反向恢复问题, 而且还能解决由硬开关引起的EMI 等问题。但是在电路中并联或串联谐振网络, 势必产生谐振损耗, 并使电路受到固有问题的影响。为此, 人们在谐振技术和无损耗缓冲电路的基础上提出了组合软开关功率变换器的理论。组合软开关技术结合了无损耗吸收技术与谐振式零电压技术、零电流技术的优点, 其基本原理是通过辅助管实现部分主管的零电流关断或零电压开通, 主管的其余软开关则是由无损耗吸收网络来加以实现, 吸收能量恢复电路被ZCT 、ZVT 谐振电路所取代, 辅助管的软开关则是由无损耗吸收网络或管电压、电流自然过零来加以实现。换言之, 即电路中既可以存在零电压开通, 也可以存在零电流关断, 同时既可以包含零电流开通, 也可以包含零电压关断, 是这四种状态的任意组合。由此可见, 由无损耗缓冲技术和谐振技术组合而成的新型软开关技术将成为新的发展趋势。此项技术已经广泛应用于城轨车辆、铁路客车、动车组、电力机车的辅助变流器以及光伏发电逆变器等相关拓展领域。

4. 列车通信网络控制技术

当今人类正进入网络是社会，计算机网络的迅猛发展正在改变着人们的工作和生活。铁路运输也不例外，城轨车、动车组、高速铁路、地铁、摆式列车等列车控制命令和状态信息的传递，对各部件的诊断，信息显示等均离不开列车网络系统。列车信息化系统集检测、控制、诊断、信息管理于一体，是列车的大脑，协调各子系统有序工作。

4.1 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IEC 61375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 、Lonworks ）、控制系统模块化软硬件技术、实时控制与故障诊断技术以及图形化编程技术，并取得了多项专利授权。DTECS 平台其整体技术水平达到了西门子、庞巴迪公司当前主流产品的技术水平，并已经在多个铁路干线机车、城轨地铁车辆项目上得到批量应用。

列车通信网络标准TCN IEC61375技术要求（图表1）

图表1

DTECS 是基于ITC61375-1列车通信网络（TCN ）标准的分布式模块化控制系统，它由TCN 网关模块、车辆控制模块（VCM ）、数字量输入输出模块（DXM ）、模拟量输入输出模块（AXM ）、智能显示装置（IDD ）等组成，其结构框图如下

DTECS 的结构框图

GWM 模块将所有电路封装在一个较小的铸铝模块中，具有结构简单、体积小、成本低、可靠性高、易维护等特点，该模块及配套的DTECS 系统已完成包括高低温、振动、EMC 等全部试验，并在上海地铁上考核运行近两年，其性能稳定、可靠，能很好替代国外同类产品，该系统已通过省级鉴定。

4.2 列车运行控制技术

列车运行控制系统简称列控（ATP/ATC），是保证列车安全、快速运行的集中控制中心，同时是列车的事件记录的“黑匣子”。在干线铁路列车控系统领域，完成了LKJ93和LKJ2000

列车运行装置的开发与应用，均具有完全自主知识产权，

具备了CTCS0级ATP 设备产品标准，在我国铁路多次大提速中发挥了至关重要的作用。

4.3 网络控制产品及应用

分布式网络控制系统DTECS （见图），不仅适用于各种干线机车列车 / 车辆级控制，而且适用于地铁列车 / 车辆的控制，现已经广泛应用于各类地铁、干线电力机车，构成标准化、网络化的车载控制与诊断系统。

LKJ93、LKJ2000监控装置（见图6）已在国内全路近2万台机车上装车，有效减少了铁路信号险性事故发生率，并累计取得 17 项专利成果授权以及 15 项软件著作权。

5. 未来技术展望

5.1 功率器件

碳化硅（SiC ）是一种物理化学特性仅次于金刚石的化合物半导体材料，有着非常优秀的物理特性。可极大地提高电力电子变换器的效率，使各类变换器的体积减少到原来的 5%~20%，具有耐高压（达数万伏）、耐高温（大于 500 ℃）的特性, 被公认为是下一代电力电子器件的最佳候选者之一。

5.2 无线传输技术

现代高速列车通过车—地信息网络来达到安全运行的要求。随着无线技术的日益发展，无线技术应用越来越被各行各业所接受。通过采用先进的无线局域网(LAN)和GPRS/GSM无线通信技术实现快捷的信息处理；采用无线通信方式实现高速列车远程监控技术；采用无线通信方式实现远程列车设备检修数据库的访问技术等，从而摆脱地面设备的束缚，实现实时列车状态的跟踪运行。

5.3 新传动控制技术

5.3.1 永磁驱动及控制技术

与异步电机相比，永磁同步电机具有高能流密度、高功率因数、高效率、体积小、重量轻等特点，与同容量的异步电机相比，永磁同步电机的体积和重量大约能减少 15%～30%左右；转速平稳、过载能力强；噪声低，可靠性高；结构多样化，应用范围广。永磁同步电机将在未来取代异步电机，成为轨道牵引传动的主流牵引电机。近年来对永磁驱动及控制技术进行了大量研究，小功率的永磁驱动技术已经在电动汽车上批量装车应用，正针对“500 km/h 高速动车组”项目进行大功率永磁驱动及控制技术的研究。

5.3.2 无速度传感器控制技术

无速度传感器控制技术可减小牵引电机的体积和传感器故障的发生率，大大提高了传动控制单元的系统可靠性。省掉速度传感器及连接电缆的费用，节约了成本。无速度传感器控制系统近年来已成为交流传动控制研究的热点。目前，已经成功完成了异步电机无速度传感器技术的理论研究与地面试验，攻克了逆变器保护封锁后的带速度重投、极低速定子零频附近的额定转矩发挥以及再生制动状态等技术难题，正在积极进行工程化的应用研究。

5.3.3 当前技术改进

5.4 功率模块集成化

随着功率电子器件、功率电子设备以及变流技术向着模块化方向发展，使得功率模块的功能、通用性以及性能越来越强。已成功完成了 IGBT 、IGCT 以及高压大功率晶闸管的模块化集成工作，成功解决了各类模块化器件在集成过程中产生的控制、驱动以及故障保护检测等问题，正朝着体积更小、重量更轻、功率更高、效率更高的方向发展

6. 总结

今天，随着我国铁路事业日渐发展，轨道电力牵引在电力电子原件，控制技术等方面已经日趋成熟。这标志着我国铁路事业已经进入成熟阶段，我国花费了很多时间来研究变流装置、控制技术、列车通信网络控制技术等技术，我们也取的了比较好的效果，在很多方面都有突破。比如DTECS 模块列车通信网络控制技术，它是基于ITC61375-1列车通信网络（TCN ）标准的分布式模块化控制系统。它是既有中国自主研发的产品，DTECS 平台其整体技术水平达到了西门子、庞巴迪公司当前主流产品的技术水平，并已经在多个铁路干线、机车、城轨地铁车辆项目上得到批量应用。GWM 模块将所有电路封装在一个较小的铸铝模块中，具有结构简单、体积小、成本低、可靠性高、易维护等特点，该模块及配套的DTECS 系统已完成包括高低温、振动、EMC 等全部试验，并在上海地铁上考核运行近两年，其性能稳定、可靠，能很好替代国外同类产品，该系统已通过省级鉴定。鉴于MVB 、WTB 相对以太网等而言速率较低，对于大容量数据传输场合，例如视频与图像、波形等信息传输，可考虑采用工业以太网等技术。同时，在图形编程软件方面，ISaGRAF 因采用虚拟机，其效率较低，可考虑采用更高的MultiProg 。我们也还在努力寻找新材料，为了提高电力电子变换器的效率高，使能流密度高、高功率因数、高效率，使通信信息快捷化、安全化和远程化等等。随着电力电子技术的飞速发展以及控制技术的日益更新，现代轨道牵引传动及控制技术已经广泛应用于电力机车、内燃机车、新型动车组、城市地铁轨道车辆以及电动汽车领域，并逐步朝着新能源（风力发电、太阳能光伏发电等）领域、电网电能质量的改善（大型变电装置、大功率无功补偿装置）以及大量的民用装备领域（石油钻井、船舶推进系统、大型实验装备）发展。

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作者简介：

陆钦（1990~），男，本科在读，主要学习机车车辆方向课程

陈天宽（1986~），男，本科在读，主要学习机车车辆方向课程

两位作者均为文章第一作者

范文四：[论文]机电传动控制技术的发展概述

机电传动控制技术的发展概述

一、设备驱动方式的发展概述

1、发展

按电动机供电电流制式的不同～有直流电力拖动和交流电力拖动两种。早期的生产机械如通用机床、风机、泵等不要求调速或调速要求不高～以电磁式电器组成的简单交、直流电力拖动即可以满足。随着工业技术的发展～对电力拖动的静态与动态控制性能都有了较高的要求～具有反馈控制的直流电力拖动以其优越的性能曾一度占据了可调速与可逆电力拖动的绝大部分应用场合。自20年代以来～可调速直流电力拖动较多采用的是直流发电机-电动机系统,并以电机扩大机、磁放大器作为其控制元件。电力电子器件发明后～以电子元件控制、由可控整流器供电的直流电力拖动系统逐渐取代了直流发电机-电动机系统,并发展到采用数字电路控制的电力拖动系统。这种电力拖动系统具有精密调速和动态响应快等性能。这种以弱电控制强电的技术是现代电力拖动的重要特征和趋势。

交流电动机没有机械式整流子～结构简单、使用可靠,有良好的节能效果,在功率和转速极限方面都比直流电动机高,但由于交流电力拖动控制性能没有直流电力拖动好～所以70年代以前未能在高性能电力拖动中获得广泛应用。随着电力电子器件的发展～自动控制技术的进步～出现了如晶闸管的串级调速、电力电子开关器件组成的变频调速等交流电力拖动系统～使交流电力拖动已能在控制性能方面与直流电力拖动相抗衡和媲美～并已在较大的应用范围内取代了直流电力拖动。

2、主要形式:

1) 成组拖动

成组拖动的方式为:一台电动机---一根天轴---一组生产机械设备。其特点是:机构复杂,损耗大,效率低,工作可靠性差.

2) 单台电动机拖动

单台电动机拖动的结构方式是:一台电动机---一台设备。其特点是:当生产机械设备运动部件较多时,机构仍复杂,满足不了生产工艺要求.

3) 多台电动机拖动

多台电动机拖动的结构式:一台专门的电动机---同一台设备的每一个运动部件。其特点为:机构简单,控制灵活,便于生产机械的自动化.

举例:龙门刨床的刨台,左垂直刀架,右垂直刀架,侧刀架,横梁,夹紧机构,都是分别由一台电动机拖动的.

二、电气控制系统的发展概况

1、发展

电气控制系统一般称为电气设备二次控制回路～不同的设备有不同的控制回路～而且高压电气设备与低压电气设备的控制方式也不相同。

随着科学技术的不断发展、生产工艺的不断改进～特别是计算机技术的应用～新型控制策略的出现～不断改变着电气控制技术的面貌。在控制方法上～从手动控制发展到自动控制,在控制功能上～从简单控制发展到智能化控制,在操作上～从笨重发展到信息化处理,在控制原理上～从单一的有触头硬接线继电器逻辑控制系统发展到以微处理器或微计算机为中心的网络化自动控制系统。现代电气控制技术综合应用了计算机技术、微电子技术、检测技术、自动控制技术、智能技术、通信技术、网络技术等先进的科学技术成果。

2、主要形式:

1) 继电器-接触器控制系统

, 能对控制对象实现起动,制动,有级调速控制;

, 结构简单,动作可靠;控制速度慢,控制精度差.

2) 连续控制方式和自动控制系统

, 20世纪30年代的电机放大机控制,40-50年代的磁放大器控制和水银整

流器控制,1958年以后的晶闸管-直流电动机无级调速系统,80年代以来

的新型电力电子元件-交流电动机无级调速系统;控制简单

, 可靠性高,连续控制,拖动性能好.

3) 可编程序控制器(PLC)

, 是继电器常规控制技术与微机技术的结合,是一台按开关量输入的工业

控制专用计算机;

, 具有逻辑运算功能,定时/计数功能,数字运算功能,通信功能.

4) 计算机数字控制系统

, 1952年美国出现第一台数控铣床,1958年出现加工中心,20世纪70年代

CNC应用于数控机床和加工中心,80年代出现了柔性制造系统(FMS);

, 提高了生产机械的通用性和效率,实现机械加工全盘自动化.

范文五：铁路电力远动控制技术要求论文

试述铁路电力远动控制技术要求

摘要:铁路的运行与许多方面相关，但其中一个很重要的就是，高速铁路与电力运行的关系和影响，铁路电力是铁路安全的基础，它由分布在铁路沿线的变配电所、自动闭塞电力线路、电力贯通线路、站场供电线路及车站变配电装置等组成，主要以线状供电网络向铁路沿线各种负荷供电。

主要就是介绍有关于这一方面的内容，清楚的向大家说明铁路电力远动系统的工作原理和基础的理论学习，希望大家能够通过以下的介绍，更加的了解这一知识的构架和运行的机制，掌握铁路电力远动系统的工作模式以及对于其的延伸了解。

1、铁路电力远动系统的简介

1.1铁路运动系统的具体内涵

铁路电力远动系统，是实现电力调度对行车信号电源及其它重要负荷供电状态实时监控和控制的计算机网络系统。它是有着调度端设备(主控站)、执行端设备(被控站)及远动通道设备等组成，在被控站将采集到的末端电力设备的测量、状态和事故信息，经远动终端单元的软硬件设备处理后，由远动通道上传至主控站，在主控站通过调度管理软件实现日常管理、故障判断及对终端设备的控制。主控站采用计算机局域网结构，分布式控制系统，以计算机设备为核心系统配置了前置机、后台处理机、值班工作站、模拟屏等网络节点设备及相应的入机接口，设备还设置了其他许多功能。

1.2铁路远动通道的主要涵义

远动通道是指调度端(叙主控站)与各执行端设备(被控站)的信息传输路径，信息的传输可通过多种方式实现，比如电力载波、无线电台、网络以及专线。

1.3远动系统的功能

1.3.1遥测功能

遥测功能的字面涵义就是通过一定的技术对于远动技术中的变量进行一定的测量和分析，具体表现为可对接入的贯通、自闭低压侧三相电流和单相电流，以及两路单相电压进行监测，并依据测量值计算出电压、负序电压、有功功率、无功电率。对于测量出的数值，我们的遥测技术有着很高的准确性，保证我们对于数据的绝对把握和可靠，使得我们的工程和技术进行的更加准确和齐全，也使得我们的操作更加的容易进行。

1.3.2遥信功能

遥信功能是指采集所有被控开关(高压断路器)的位置以及变压器温度报警信号、高压线路接地故障报警信号、低压开关故障跳闸报警信号等其他状态信号。这个过程主要是我们对于数据的变化和数字的变动的掌握，要求我们对于信号的了解有着绝对的把握，并且要保证信号的准确性和对于信号出现的时机的把握。

1.3.3遥控功能

遥控功能的主要体现就是要接受远方控制命令，并执行相应开关的分合操作。在一定的指示或命令下，对于命令的执行度，遥控的最大作用就是能够使得系统对于我们实施的命令绝对的执行，也是高效

的保证了我们的实施力度和作用。

1.3.4越限检测及报警

当任一路信号电源发生任一相电流或电压越限时，将生成相应的报警信息，包括越限时间以及两路信号电源各相电压和电流信号在越限时刻前后的反映和变化。越限检测的最大好处就是能够在信号电源超过限制的时候，让我们更快的知晓和了解，并且做出了一定的应对反应，让我们时刻处于有准备的阶段，然后让我们对于这类越限和变化做出一定的准备和应对。

1.3.5故障检测机报警

当任一路信号电源发生过流或特定遥信变位时，记录两路电源各相电压、电流的波形，作为事故分析的依据。故障的发生具有一定的不稳定性和突发性，也是我们不能预料到的一个因素，我们对于故障的检测系统和机制一定要完全和完善，故障波形能够反映系统从故障前稳定到故障后稳定各阶段各相电压和电流的变化特性。要保证在故障发生的时候尽最大的可能减少故障所造成的伤害和损失。

1.3.6相序检测及报警

当所监视的任一路信号电源的相序出错，系统将产生相序检测，并有一定的警告信息。相序检测就要求要有一定的顺序和相对的工序，一旦出现了紊乱，系统就会自动的报警，并且做出一系列的应答反应和行动。

1.3.7通信功能

就在RTU通信口和MODEM模块发生故障的时候，与TMIS生产网

相连可实现与调度之间的点对点或一对多点的通信。它能够保障我们得到信息的传递和接收，能够使得我们更加快速的了解和获取信息，帮助我们更加快速的应对突发事故的产生。

1.3.8远方鉴定功能

所有越限、故障定值以及通信等有关参数均可以实现远方整定。远方鉴定不需要我们时刻进行，也不需要我们当地进行，它是根据一定的技术控制，使得我们能够进行一定的远程控制。

2、铁路电力远动系统干扰源分析

从铁路电力远动系统实际运行来看，对于电力稳定性的要求是确保远动系统可靠性的关键。但由于在远动系统中各远动设备及终端自身电磁干扰的存在，对电力远动系统进行设计时需要进行充分的考虑和分析。总的来看，对于铁路远动系统常见的干扰主要有自然因素形成的干扰，如雷电等，自然界中的雷电常常伴随较大的电磁干扰;铁路自身电网中各设备带来的干扰，特别是对铁路电网及设备来说，强大的电噪声及电磁干扰会损坏铁路电力装置，对于铁路电网中各变、配电线路来说，由于各线路自身阻抗及负载的差异性，如大功率设备与大功率电机之间的肩动，大型变压器的励磁冲击电流等，都会给供电电压带来瞬时影响，而瞬时产生的强电压、强电流及高频振荡都会造成较强的干扰;以及远动系统放电过程中的干扰，作为远动系统的主要放电干扰，多表现在静电类型上，如电弧放电所造成的瞬时干扰，很容易带来破坏性事故，从而直接造成系统内部发生干扰，致使系统运行出现故障。

3、铁路电力远动系统设计优化

铁路电力远动系统中的干扰源具有复杂性，需要从实际分析中来综合预防，以提升远动系统的稳定与安全。主要从以下几个方面着手:一是系统的有效屏蔽，从屏蔽措施上加大防范，如对于变电所中继设备尽量采用专门屏蔽，防范高频干扰对远动终端设备的影响;对于高压设备及输电线路采用带屏蔽的电缆，并对两端接地，减少耦合干扰。对于远动终端输入端子采用电容接地，如耐高压电容来抑制外部高频干扰。二是完善各系统接地设计，从系统接地要求上，做好系统的防雷保护，如对于断路器接地端加大接地极数量，增加接地扁铁，确保良好接地;对于设备接地采用网络互联线，以减少接地网对设备的二次电磁干扰;对于二次系统接地上分类对待，安全接地与工作接地要分开，从设备绝缘性能上来确保设备的安全接地，免遭用电危险，如采用多股铜软线来保障良好接地;对于工作接地主要从设备的正常运行上，利用保护装置来建设环流干扰;对于远动终端微机电源接地不能与机壳相连，防范机壳与电源线的分布电容，增强抗共模干扰能力。三是加大对滤波器的优化设计，从开关滤波电路的应用中，减少高次谐波、抑制共模干扰，如采用软件来适当优化滤波技术。四是对于供电模块采用分散方式单独供电，并对各功能块采用电压过载保护，防范个别电源故障带来的对系统电源稳定性的干扰。五是对数据采集上采用抗干扰设计，以变送器封装在RTU内，减少变送器弱电流电路长度;对遥信控制系统进行优化，避免因合闸不到位或二次侧振动带来的遥信干扰。

结语

铁路电力远动系统对于提升铁路运输安全与稳定关系重大，在优化电磁干扰措施上，一方面要从技术上加以改进，另一方面做好良好的隔离，防范干扰带来的程序失常而影响电力远动系统的安全。此外，加大对铁路供电可靠性的改善，从供电质量上减少供电隐患，实现铁路系统不间断优质供电目标。

参考文献:

[1]王家冕，杜善慧，丁月明.基于电力远动技术供电段电力自动化分析[J].电子制作，2013，24:216.

[2]李强.试论铁路电力的远动控制技术[J].电子制作，2013，24:69.

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