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[摘 要]现代列车的动力由牵引电传动系统提供。本文从现代列车电力牵引传动控制系统的基本结构和工作原理展开论述，进而逐一阐述了牵引传动系统中常用的几种控制方式以及电力牵引传动主要采取的控制措施，并且简单介绍了电机牵引控制技术、牵引变流器的控制方法、高速受流技术。
[关键词]现代列车；牵引传动；控制技术
中图分类号：U260113 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）45-0221-01
前言：铁路运输具有诸多优点——速度快、运量大、能耗低、污染清、安全性好等，在世界各国的现代化交通运输中均占有重要地位，在国民经济的发展中发挥着的作用也独树一帜。现代列车尤其是高速列车是世界铁路发展的新方向，是高新技术的精华，是机车车辆现代化的体现，其牵引控制技术需要更进一步了解。
1.现代列车电力牵引传动控制系统的基本结构和工作原理
1.1 基本结构
动车组牵引传动由受电弓（包括高压电器设备）、牵引变压器、脉冲整流器、牵引逆变器和牵引电机等组成。
1.2 工作原理
各个结构的工作原理如下：
牵引变流器：采用新型大功率半导体器件，从最早的晶闸管发展到GTO、IGBT、IPM，以至IGTC，牵引变流器发展的目标是小型化、轻量化、节能、环保、可靠和经济适用。随着变流器的模块化、系列化和小型化，出现了将牵引变流器与辅助变流器和列车供电变流器统筹考虑、集成设计、制造的新趋势，牵引变流器的冷却是另一项关键技术，它要求冷却率较高、体积小、易维修、不污染环境，目前的冷却方式主要是风冷、油冷、水冷、沸腾冷却和热管冷却。
主变压器：是牵引传动系统中质量、体积最大，耗损最多的部件，尤其在动力分散式动车组中，由于要求启动加速功率和再生制动功率大，而安装空间又有限，所以主变压器损耗占到总损耗的30%。因此，减轻质量、减小体积、降低损耗，一直是主变压器技术发展的目标。近代，随着电子技术的发展好高温超导线材性能的提高。出现了两种新型变压器，即电子变压器和高温超导变压器，它们与传统的工频变压器完全不同，具有质量轻、体积小、功率高的特点。
牵引电动机：现代列车大多采用三相交流异步牵引电动机，与直流电动机相比，它具有质量轻、功率大、结构简单、运用可靠、寿命长、维修简便的特点。
2.电力牵引传动主要采取的控制措施
2.1 电流控制
电流控制思想是在稳态条件下，建立定子电流幅值、转差频率与电动机转速、转矩的控制函数，由此推算各种运行条件下的转差频率，并与电动机转速相加，可得到定子频率。根据电压与频率的线性关系得到电动机电压即逆变器输出电压的基波幅值，同时由转速、转矩计算出的定子电流定值与实际反馈值形成闭环控制，补偿电动机端电压基波幅值。电流控制实现了电动机调速控制过程中对电压、频率的平衡调节。控制原理简单，易于实现，但该方法不能对动态过程解耦，动态响应不理想。这种控制方法只在早期的交流传动机车上得到应用，我国第一台交流传电机车AC400原型车也采用了这种控制方法。
2.2 磁场定向控制
磁场定向控制是模拟直流电动机的控制原理，通过磁场定向方式，借助矢量变换，将交流电动机三项动态方程变换为旋转坐标系下的两项正交模型，从而控制变量分解成磁链分量和转矩分量。在控制系统中，通过前馈解耦，实现磁链、转矩分量的独立控制。从这一基本思想出发，可以推导出各种旋转坐标系下磁场定向控制方式。其中以转子磁场定向控制方式最为简便，易于实现。在转子磁场定向控制技术中，首先应解决的问题是转子磁场检测。由此先后提出了磁场直接控制和磁场间接控制。前者采用直接测量方法或磁链模型计算转子磁链，其中磁链模型的计算方法有u-i、i-n以及混合模型，后者是用测得的电流、转速以求得的转差来计算转子磁链的幅值和相位。这两种方法在特性上互补，因而在许多系统中构成混合方式[1]。
2.3 直接转矩控制
直接转矩控制的特征是控制定子磁链，是直接在定子静止坐标下，以空间矢量概念，通过检测到的定子电压、电流，直接在定子坐标下计算与控制电动机的磁链和转矩，获得转矩的高动态性能。它不需要将交流电动机化成等效直流电动机，因而省去了矢量变换中的许多复杂计算，它也不需要模仿直流电动机的控制，从而也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型，而只需关心电磁转矩的大小。因此，控制上对出定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好，所引入的定子磁链观测器能很容易得到磁链模型，并方便的估算出同步速度信息，同时也很容易得到转矩模型、因而能方便地实现无速度传感器控制，如果在系统中再设置转速调节器，即可进一步得到高性能动态转矩控制。
3.电机牵引控制技术的简单介绍
电机牵引控制技术包含电机设计、电机控制、自动控制技术等多方向学科。与传统的工业电机传动不同，列车牵引特性可归纳为以下几点：低速区牵引力恒定或随速度升高略有下降，应与列车的黏着特性随速度的变化趋势相适应；由于列车大都采用轻量化技术，牵引力比大功率机车牵引力明显减小；高速区为恒功率曲线，牵引力随速度升高而呈双曲线关系下降。这与内燃机、电力机车的恒功牵引特性曲线是相似的，但恒功范围略小，一般恒功率范围为起始点速度的2-3倍；因采用动力分散牵引模式，在正常轨面状态下，启动时及低速范围的牵引力低于黏着限制曲线较多，因此在动车组的牵引特性曲线中，黏着特性曲线通常不画出来。
电机容量的满足只是保证列车获得足够动力的前提，在保证列车按照要求运行的同时，如果能够优化匹配动力单元设计、可以保证在最节能高效的情况下达到开行要求。现代列车的牵引单元配置。动车拖车配置，变流器配置与整车的动力输出有直接的影响，这在设计列车时也是研究的关键。
4.牵引变流器的控制方法的简单介绍
牵引变流器采用免维修模块结构。由功率单元、脉冲整流器单元、逆变功率单元、滤波电容器组成。配置有两排气口的电动轴流式通风机，向功率单元冷凝器送风。牵引变流器的零部件均采用模块化设计。牵引变流器采用电压型三点式电路，由脉冲整流器、中间直流电路、逆变器构成[2]。（逆变器：输入滤波电容器电压，依据无接点控制装置控制信号，输出变频变压的三相交流电对牵引电机进行速度、转矩控制，再生制动时牵引电机发出三相交流电，向滤波电容器输出直流电压。牵引电机控制采用矢量控制方式，独立控制扭矩电流和励磁电流。以使扭矩控制高度精化，反应高速，提高电流控制性能。）
5.高速受流技术的简单介绍
高速列车运行所需电能都是通过受电弓与电网接触取得，高速条件下弓网受流稳定性也就成为保证列车高速运行的关键因素。高速受流技术的研究主要包括受电弓设计和弓网关系，主要目的是保证受电弓有良好的受流。评价弓网受流性能的要求包括：弓网静态接触力、离线、硬点、接触线动态抬升量等。
高速受电弓设计是弓网关系设计的重要组成部分。要保证弓网接触可靠、磨耗小，从而具有良好的受流质量。受电弓活动部分规算质量要小，要有良好的静压力特性，具有足够的机械强度和刚度，具有良好的空气动力学性能。
结束语
现代列车的原动力是大功率电力牵引传动系统。显而易见，空气阻力是列车运行时的基本阻力，可以将其认为与速度的平方成正比，功率与速度的三次方成正比。本文最终得出了牵引传动系统中常用的几种控制方式以及电力牵引传动主要采取的控制措施。
参考文献
[1] 李福胜.机车牵引传动[M].郑州：郑州大学出版社，2008.
[2] 冯晓云，王利军等.高速动车组牵引传动控制系统的研究与仿真[J].电气传动，2008（11）：25-28.
作者简介
程红振（1985-），342222198511032078 266111，男，安微萧县人，本科，助理工程师，主要从事机械设计及火车研发工作。
[关键词]现代列车；牵引传动；控制技术
中图分类号：U260113 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）45-0221-01
前言：铁路运输具有诸多优点——速度快、运量大、能耗低、污染清、安全性好等，在世界各国的现代化交通运输中均占有重要地位，在国民经济的发展中发挥着的作用也独树一帜。现代列车尤其是高速列车是世界铁路发展的新方向，是高新技术的精华，是机车车辆现代化的体现，其牵引控制技术需要更进一步了解。
1.现代列车电力牵引传动控制系统的基本结构和工作原理
1.1 基本结构
动车组牵引传动由受电弓（包括高压电器设备）、牵引变压器、脉冲整流器、牵引逆变器和牵引电机等组成。
1.2 工作原理
各个结构的工作原理如下：
牵引变流器：采用新型大功率半导体器件，从最早的晶闸管发展到GTO、IGBT、IPM，以至IGTC，牵引变流器发展的目标是小型化、轻量化、节能、环保、可靠和经济适用。随着变流器的模块化、系列化和小型化，出现了将牵引变流器与辅助变流器和列车供电变流器统筹考虑、集成设计、制造的新趋势，牵引变流器的冷却是另一项关键技术，它要求冷却率较高、体积小、易维修、不污染环境，目前的冷却方式主要是风冷、油冷、水冷、沸腾冷却和热管冷却。
主变压器：是牵引传动系统中质量、体积最大，耗损最多的部件，尤其在动力分散式动车组中，由于要求启动加速功率和再生制动功率大，而安装空间又有限，所以主变压器损耗占到总损耗的30%。因此，减轻质量、减小体积、降低损耗，一直是主变压器技术发展的目标。近代，随着电子技术的发展好高温超导线材性能的提高。出现了两种新型变压器，即电子变压器和高温超导变压器，它们与传统的工频变压器完全不同，具有质量轻、体积小、功率高的特点。
牵引电动机：现代列车大多采用三相交流异步牵引电动机，与直流电动机相比，它具有质量轻、功率大、结构简单、运用可靠、寿命长、维修简便的特点。
2.电力牵引传动主要采取的控制措施
2.1 电流控制
电流控制思想是在稳态条件下，建立定子电流幅值、转差频率与电动机转速、转矩的控制函数，由此推算各种运行条件下的转差频率，并与电动机转速相加，可得到定子频率。根据电压与频率的线性关系得到电动机电压即逆变器输出电压的基波幅值，同时由转速、转矩计算出的定子电流定值与实际反馈值形成闭环控制，补偿电动机端电压基波幅值。电流控制实现了电动机调速控制过程中对电压、频率的平衡调节。控制原理简单，易于实现，但该方法不能对动态过程解耦，动态响应不理想。这种控制方法只在早期的交流传动机车上得到应用，我国第一台交流传电机车AC400原型车也采用了这种控制方法。
2.2 磁场定向控制
磁场定向控制是模拟直流电动机的控制原理，通过磁场定向方式，借助矢量变换，将交流电动机三项动态方程变换为旋转坐标系下的两项正交模型，从而控制变量分解成磁链分量和转矩分量。在控制系统中，通过前馈解耦，实现磁链、转矩分量的独立控制。从这一基本思想出发，可以推导出各种旋转坐标系下磁场定向控制方式。其中以转子磁场定向控制方式最为简便，易于实现。在转子磁场定向控制技术中，首先应解决的问题是转子磁场检测。由此先后提出了磁场直接控制和磁场间接控制。前者采用直接测量方法或磁链模型计算转子磁链，其中磁链模型的计算方法有u-i、i-n以及混合模型，后者是用测得的电流、转速以求得的转差来计算转子磁链的幅值和相位。这两种方法在特性上互补，因而在许多系统中构成混合方式[1]。
2.3 直接转矩控制
直接转矩控制的特征是控制定子磁链，是直接在定子静止坐标下，以空间矢量概念，通过检测到的定子电压、电流，直接在定子坐标下计算与控制电动机的磁链和转矩，获得转矩的高动态性能。它不需要将交流电动机化成等效直流电动机，因而省去了矢量变换中的许多复杂计算，它也不需要模仿直流电动机的控制，从而也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型，而只需关心电磁转矩的大小。因此，控制上对出定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好，所引入的定子磁链观测器能很容易得到磁链模型，并方便的估算出同步速度信息，同时也很容易得到转矩模型、因而能方便地实现无速度传感器控制，如果在系统中再设置转速调节器，即可进一步得到高性能动态转矩控制。
3.电机牵引控制技术的简单介绍
电机牵引控制技术包含电机设计、电机控制、自动控制技术等多方向学科。与传统的工业电机传动不同，列车牵引特性可归纳为以下几点：低速区牵引力恒定或随速度升高略有下降，应与列车的黏着特性随速度的变化趋势相适应；由于列车大都采用轻量化技术，牵引力比大功率机车牵引力明显减小；高速区为恒功率曲线，牵引力随速度升高而呈双曲线关系下降。这与内燃机、电力机车的恒功牵引特性曲线是相似的，但恒功范围略小，一般恒功率范围为起始点速度的2-3倍；因采用动力分散牵引模式，在正常轨面状态下，启动时及低速范围的牵引力低于黏着限制曲线较多，因此在动车组的牵引特性曲线中，黏着特性曲线通常不画出来。
电机容量的满足只是保证列车获得足够动力的前提，在保证列车按照要求运行的同时，如果能够优化匹配动力单元设计、可以保证在最节能高效的情况下达到开行要求。现代列车的牵引单元配置。动车拖车配置，变流器配置与整车的动力输出有直接的影响，这在设计列车时也是研究的关键。
4.牵引变流器的控制方法的简单介绍
牵引变流器采用免维修模块结构。由功率单元、脉冲整流器单元、逆变功率单元、滤波电容器组成。配置有两排气口的电动轴流式通风机，向功率单元冷凝器送风。牵引变流器的零部件均采用模块化设计。牵引变流器采用电压型三点式电路，由脉冲整流器、中间直流电路、逆变器构成[2]。（逆变器：输入滤波电容器电压，依据无接点控制装置控制信号，输出变频变压的三相交流电对牵引电机进行速度、转矩控制，再生制动时牵引电机发出三相交流电，向滤波电容器输出直流电压。牵引电机控制采用矢量控制方式，独立控制扭矩电流和励磁电流。以使扭矩控制高度精化，反应高速，提高电流控制性能。）
5.高速受流技术的简单介绍
高速列车运行所需电能都是通过受电弓与电网接触取得，高速条件下弓网受流稳定性也就成为保证列车高速运行的关键因素。高速受流技术的研究主要包括受电弓设计和弓网关系，主要目的是保证受电弓有良好的受流。评价弓网受流性能的要求包括：弓网静态接触力、离线、硬点、接触线动态抬升量等。
高速受电弓设计是弓网关系设计的重要组成部分。要保证弓网接触可靠、磨耗小，从而具有良好的受流质量。受电弓活动部分规算质量要小，要有良好的静压力特性，具有足够的机械强度和刚度，具有良好的空气动力学性能。
结束语
现代列车的原动力是大功率电力牵引传动系统。显而易见，空气阻力是列车运行时的基本阻力，可以将其认为与速度的平方成正比，功率与速度的三次方成正比。本文最终得出了牵引传动系统中常用的几种控制方式以及电力牵引传动主要采取的控制措施。
参考文献
[1] 李福胜.机车牵引传动[M].郑州：郑州大学出版社，2008.
[2] 冯晓云，王利军等.高速动车组牵引传动控制系统的研究与仿真[J].电气传动，2008（11）：25-28.
作者简介
程红振（1985-），342222198511032078 266111，男，安微萧县人，本科，助理工程师，主要从事机械设计及火车研发工作。