轨道交通车辆牵引控制技术与发展趋势
谭正祥
摘 ?要：近年来，我国轨道交通车辆技术发展速度不断加快，在轨道交通技术中，牵引控制技术为轨道车辆提供动力，有关轨道交通车辆牵引控制技术的研究有很多，相关专家希望通过改善轨道交通车辆的牵引控制技术，促进我国轨道交通体系的进一步发展。该文主要探讨了轨道交通车辆牵引控制发展现状与趋势。
关键词：轨道交通车辆;牵引控制;技术发展
中图分类号：U22 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文献标志码：A
自18世纪蒸汽机问世以来，轨道交通车辆牵引控制技术不断改进，轨道交通车辆使用交流传动电力牵引方式使运行效率得到飞跃性的发展，随着科技的不断进步，轨道交通车辆未来发展趋势引起了专家学者的关注。
1 国际领域轨道交通车辆牵引控制发展
为满足第二次工业革命发展，蒸汽机技术为轨道交通车辆运行发展提供了技术支撑，18世纪出现了世界上首条铁路。标志着轨道交通的时代到来，经过长达200年的发展，铁路车辆牵引技术由最初的蒸汽机牵引发展到后来电力牵引。
19世纪80年代，轨道交通车辆主要采用的是直流供电方式牵引控制，90年代，西门子在轨道车辆牵引控制中应用绕线式异步电动机，20世纪初，德国开始在轨道交通车辆中使用三相交流电，50年代，硅可控整流器应用引起轨道交通车辆牵引方式的巨大的变革。60年代，角直传动系统应用于牵引控制中。70年代，异步牵引电机得到应用推广。轨道车辆牵引控制应用交流传动系统的优点是降低供电的电流谐波分量，电路简单可靠，控制电机的质量轻，有助于简化转向架结构，具备防空转的功能。
2 国内轨道交通车辆牵引控制的发展
辅助供电系统为车载设备供电，列车牵引系统用电量占总用电量的一半，技术发展需要有利于节能降耗。列车牵引系统的节能降耗要充分利用再生制动，以永磁同步牵引系统为代表，提高功率密度，以碳化硅为代表的宽禁带半导体器件可能带来革命性变化。
2.1 轨道车辆牵引控制发展历程
1958年，我国轨道交通车辆牵引控制推出6YI型电力机，一直遵循自主研发的原则，取得了较为显著的发展成果。我国轨道牵引技术发展由交直传动方式的韶山系列，到交流电传动的HX系列等高速列车。
1958年，我国仿制苏联H60型单相引燃管整流器6Y1型电力机车，1968～1985年，SS1型机车速度控制技术发展变为变压器极间调压方式，1979年，株洲电力机车研究所研制成功采用相控整流技术的SS3型机车。1985年，首台相控整流8轴货运电力机车SS4试制成功，采用相控整流传动的SS4，6，8轴货运系列机车，包括SS3B、SS6、SS44G等车型。1985年引进8k机车先进技术，自主研制了基于计算机检测控制电力机车，包括SS9、SS4C、SS7B等機车。
我国70年代开始研究交流电传动基础技术，1966年成功研制AC4000交流传动原型电力机车，研制出NJ1内燃调车机车，DJ2型奥星电力机车，DF8BJ型西部之光内燃机车，KZ4A型哈萨克斯坦电力机车等。
2003年，铁道部提出中国跨越式发展方针，购买4个国外车型高速列车平台，联合设计3个型号的大功率交流传动电力机车，2008年科技部启动《中国高铁自主创新联合行动计划》，在计划的支持下，形成了平台化，系列化的产品平台，交流传动产品全面覆盖大功率交流传统机车，在国际市场上实现稳步发展。
2.2 轨道车辆牵引控制发展现状
目前我国轨道列车牵引控制技术主要包括控制、通信与保障技术。控制技术综合运用了计算机等多学科技术。通信系统的主要功能保证及时需要具备可靠性、实效性等特点，确保系统符合运行要求。
我国采用的轨道车辆牵引设备主要包括变压器、电机及其他控制系统。车轮转矩，轮轨材料相互作用产生附着力，主要包括列车控制、传动与车辆控制模块。
列车控制模块主要负责监测列车状态，诊断列车运行故障。具有逻辑选择功能，信息记录功能等。车辆控制模块主要监控列车动力单元，传统控制系统控制范围主要包括逆变器、脉冲整流等。具备空转保护功能。
不同型号的辅助变流器功率密度差异巨大。日系平台功率密度约为0.1级别，诞生年代越新，功率密度越高。Knorr电源子公司Power Tech辅助变流器产品功率密度达到0.3级别。假定既有车辆采用130 kVA东芝变流器，功率密度0.09，如功率密度提高到0.3，将减重977 kg。功率密度提高，已成为车载变流器的发展趋势。
3 现代列车牵引传动系统控制特点
列车牵引传动系统基本任务是控制位置与转矩。现代牵引系统采用交—直—交电传动形式，轮重，车轮上施加的转矩与轮轨材料弹性是黏着力三要素。列车以基本动力单元为基础构成，按照列车的动力需求，多动力单元的组合形式有动力集中的机车，动力分散的动车组等。根据模块化，结果化思想，列车牵引控制功能分为列车控制级、传动控制级与车辆控制级。
牵引控制系统是列车控制级复杂列车上层控制等，主要功能包括确定运行方向、选择操作端、牵引制动协同、辅助系统控制和列车故障诊断等。车辆控制级实现动力单元内控制等，传动控制主要功能包括电机、空转保护控制等。
现代列车控制系统采用车载网络系统，列车网络要体现可靠性与实时性等特点，其应用特性主要包括监视数据，实现动态通信网络初运行等。
4 列车牵引控制技术发展趋势
目前我国电力牵引控制技术重点是开发30 t轴重载电力机车、现代有轨电车等。牵引控制关键部件与装置及新型谈话硅功率器件，制动能量再生反馈相关装备等。永磁同步电机以其高效率等优点进入商业应用阶段。
建立新材料与节能技术等基础上的牵引与电传动技术，及现代电力电子技术。现代牵引控制技术涉及绿色装备制造体系，轨道列车制造体系，建立物联网全寿命服务体系，新的技术对轨道交通牵引技术的创新是新的革命。
轨道交通车辆牵引控制发展趋势朝向平台化，标准化。近年来，轨道列车牵引控制系统供应电商，结合计算机技术，开发了牵引控制系统平台，产品平台化主要是分析市场发展趋势，明确产品平台功能定位，将产品的功能性进行细致划分。
随着轨道交通系统的游客数量不断增加，加大了轨道交通的管理难度，迫切要求结合信息技术，实时控制列车各方面信息。具体包括状态监视信息、逻辑控制信息等。
轨道列车平台化为标准化发展提供了基础。为了能满足用户多元化需求，轨道车辆牵引控制系统向模块化趋势发展。轨道车辆牵引系统可靠性大幅提升，达到降低产品生产成本的作用。
车载储能吸收率装置回收制动能量有30%的节能效果，牵引系统的轻量化可减少车辆的荷载，永磁同步牵引系统可实现更高效率。新一代半导体器件对变流器领域可能带来革命性变化。城市轨道交通牵引技术相互交叉，其技术成熟水平不同。储能吸收装置可以改造地面的供电设备，但能否普及取决于储能技术的发展。轻量化是车载变流器新产品的发展方向。Sic器件的成熟应用有待时日。
新技术能否走向普及，需要关注承载技术的产品能否在全寿命周期内降低成本，节能可能增加的检修维护成本等诸多因素。只有总成本下降，才能使新技术得到推广普及。
5 结语
该文围绕轨道交通车辆牵引控制发展现状与趋势进行研究，分析我国轨道交通车辆牵引控制技术特点，梳理了国际轨道交通车辆牵引控制的发展历程，展望了轨道交通车辆牵引控制的发展趋势。
参考文献
[1]郭其一，康劲松，冯江华，等.轨道交通车辆牵引控制发展现状与趋势[J].电源学报，2017，15（2）：40-45.
[2]许红科.基于CAN总线的城轨车辆牵引控制的应用研究[D].四川：西南交通大学，2014.
[3]徐少哲.轨道交通车辆牵引控制发展现状与趋势分析[J].科技资讯，2017，15（32）：84-85.
