动车组牵引控制系统关键技术与性能优化研究

动车组牵引控制系统关键技术与性能优化研究

王金亮 张海鹏

中车唐山机车车辆有限公司 河北省唐山市

摘要：随着我国经济的飞速发展，我国的高速铁路技术已经走到了世界的前沿，尤其是八横八纵线路的规划与实施进一步促进了我国高铁的发展。在高速铁路系统的发展中，动车组是其中的关键，动车组的各系系统中牵引控制系统是其核心的组成部分。动车组的牵引控制系统是其动力的来源和控制的保障，对于动车组的运营安全具有十分重要的价值和意义。动车组牵引控制系统的性能与状态直接关系到高速铁路运行的安全、稳定以及舒适。本文通过对动车组牵引控制系统的关键技术展开分析，并根据其特点提出了一定的优化策略，为动车组的稳定安全运行提供一定的思路和建议。

关键词：高速动车组；牵引控制系统；关键技术；性能优化

前言：

交通系统的建设意义重大，虽然表明上不产生直接的经济效益，甚至在运营中还会出现亏本运营的情况，但是高效的交通系统可以促进人员和物资的流动，促进生产力和经济的发展，可以说是生产力中的生产力。高铁是我国交通系统新的发展战略之一，我国的铁路技术目前已经处于世界前沿，在高速铁路系统中，动车组牵引控制系统其核心的技术系统之一。牵引控制系统的性能和控制效果的质量直接关系到动车组的安全和稳定，在我国复杂而庞大的铁路系统占据极其重要的地位，是基础中的基础，关键中的关键。因此，对其关键技术展开研究分析，并积极进行性能优化和改进有重要的意义。

一、动车组牵引控制系统的构成元素和意义

动车组牵引控制系统的构成的主要元素有牵引电机、牵引变压器、牵引变流器、主断路器以及受电弓组成。而目前应用广泛的牵引控制系统为交直交传动系统，此系统的牵引变流器主要由三部分构成分别是：四象限整流、PWM逆变器和中间直流环节。在实施过程中，其中，四象限整流可以将工频交流电源整流成直流电并实现了能量双向流通；而PWM逆变器又可以将直流电逆变成交流电供给牵引电机并且可以根据牵引电机的需要对电压和频率进行控制，而中间直流环节主要为PWM逆变器和辅助逆变器进行供能。

高效的牵引控制系统是我国复杂庞大的轨道交通安全运营的保障和基础，其对于我国的人员流动，物资流动有重要的意义。此外，随着八纵八横项目的建设，一带一路战略的推进，铁路运输系统在未来必将发挥出巨大的作用。在境外，通过一带一路的建设和推进，对于我国打破海洋第一岛链与第二岛链的封锁，推进路上丝绸之路，保障能源安全通过快捷迅速的路上交通实现中华民族的伟大复兴，实现中华人民共和国的和平崛起，都具有重大的现实意义。

二、动车组牵引控制系统的关键技术与性能优化研究

动车组牵引控制系统是一个复合程度高，专业性强的复杂系统，其中有多项关键技术，比如拍频控制技术、低开关频率下的脉宽调制技术、谐波抑制技术以及电机磁链优化控制技术等等，对其展开研究并进行性能优化非常重要。以下进行详细的分析研究

（1）牵引控制系统的软件优化控制研究

研究内容：通过软件优化牵引控制系统可以达到取代一部分主电路硬件的功能，在原有牵引控制性能效果不变的条件下减少硬件的安装，降低动车组列车的整体质量，降低动车组硬件的成本。比如CRH型动车组的主电路硬件中设计有二次滤波的过程，如果通过对牵引控制系统软件的算法优化，保证直流侧的输出品质不变，则可以降低支撑电容的容量设计并缩减二次滤波的过程，不仅可以提高牵引控制的效率，减少控制环节而且可以降低支撑电容的质量和二次滤波的设备质量和投入，精简动车组的结构。由于二次滤波结构的存在CRH型列车的牵引变流器不仅体积较大而且安装复杂，质量也较重，对于列车来说是一个较大的负担，如果可以精简二次滤波的硬件，缩小支撑电容的容量，则是一个巨大的改进。而动车组的牵引控制系统主电路结构改变后，需要对其原有的牵引控制系统进行改进，通过已有的成熟的牵引控制方式与先进控制理论的结合和实践，形成新的稳定有效的组合，保障牵引控制系统的保持原有的效能甚至提升其控制能力。

研究成果：对原有牵引控制系统的主电路硬件分析，先从理论的角度分别探讨有二次滤波环节与无二次滤波环节的支撑电容的容量应该怎样进行设计。并对二重化脉冲整流器在载波移相控制时对直流侧脉动造成的影响进行定性定量的分析，而分析结果说明二倍开关的频率近处存在着大量的直流侧电压高次谐波，通过二重化脉冲整流器进行载波移相控制技术可以非常有效抑制二倍开关频率近处的直流侧电压高次谐波，稳定牵引控制系统运行时的直流电压，降低直流侧电压纹波系数。这个研究表明可以降低支撑电容的容量设计。当将二次滤波电路去除后，则直流侧电压存出现了100Hz脉动，传统的牵引控制系统的控制策略无法适应新的电路结构，出现了拍频现象。拍频电流现象下的牵引电机出现了抖动和发热的状况，表明了牵引电机中有严重的低频脉动。对取消二次滤波电路出现的100Hz直流侧脉动电压来源进行分析可以发现牵引电机拍频现象出现的原因以及牵引电机的抗特性进行结合，发现当牵引逆变器的工作频率与二倍电路的频率越接近拍频现象就越严重，表明引起拍频现象的主要原因是二倍脉动在牵引电机侧引起的谐波电压电流。通过实施基于电压补偿和频率补偿的无拍频控制技术，可以有效抑制拍频现象。

（2）牵引控制系统的谐波抑制优化研究

研究内容：动车组的牵引控制系统中存在着许多大功率的电子装置设备，其可以产生大量的谐波电流，造车电网污染，导致接触网电能质量降低甚至导致电网的震荡。一般而言，降低大功率电子装置设备造成的谐波电流影响，主要有两种方法，一种是开发装备高频的大功率开关；另外一种是改进牵引控制系统的软件算法。本文分析后者对大功率电子装置设备造成的谐波电流的抑制。比如在CRH型动车组中，根据列车的结构特点以及高次谐波和低次谐波的产生机理，分别改进其谐波抑制算法，实现谐波抑制的效果。

研究成果：对于两重化四象限脉冲整流器可采用90度相角进行载波移相控制，可以有效错开脉冲整流器输入电流的高次谐波，既维持了原有的主电路结构，又不需要增多整流器的开关频率，而且减小了系统的输出谐波；而使用电压外环的谐波抑制方法和陷波滤波器谐波抑制方法结合使用，无论是否存在谐波均可以达到抑制低次谐波的效果，而且此类方法算法简单更容易使用，对牵引交流传动的网侧脉冲整流器尤其适用。研究结果表明陷波滤波器和谐波抑制算法进行结合使用，可以实现对高次谐波和低次谐波的同时抑制，效果非常明显。

结束语：

动车组的牵引控制系统非常的复杂，目前其主要采用交直交传动系统，通过理论分析和工程试验相结合的研究方法，对动车组的牵引控制系统进行软件算法的优化，可以部分取代主电路的功能，并不降低使用效果，达到精简动车组结构的目的，既节约了成本有提高了效率。同时也可以实现对大功率电子装置设备产生的谐波进行抑制。随着动车组的发展和未来各种新技术的出现，铁路建设必将迎来更大的发展，不断针对动车组牵引控制系统关键技术的研究和分析，对其针对性的进行优化，可以有效促进动车组的发展，促进我国我国铁路交通系统的发展，促进一带一路战略的实施，促进中华民族的伟大复兴。

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