1 引言
隨著改革開放的不斷深入，城市的不斷發(fā)展，經濟交往日益頻繁，流動人口急劇增加，機動車輛增多，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、大動量、安全、準時、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、廣州的地鐵已經運營外，前些年有21個城市曾先后積極籌建或提出建設地鐵、輕軌的設想。但是由于地鐵建設投資越來越大，致使財力難以承受，因此降低地鐵造價，設備進行國產化已是當務之急。
地鐵所用設備很多，車輛是其中較為重要的部分，車輛牽引系統(tǒng)的國產化是地鐵車輛國產化中最為困難的部分，目前國內已經有廠家在進行這一方面的探索，并取得了一些經驗和一定的成果，這些都為我們進行下一步的設計制造提供了很好的經驗。地鐵車輛牽引系統(tǒng)的特點是功率大(達1000kW以上)，負載波動大，起動制動頻繁，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)國產化的總體方案進行一些研究和探討，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的飛速發(fā)展帶動了地鐵、輕軌車輛電氣傳動系統(tǒng)的迅速發(fā)展。就主傳動系統(tǒng)而言，從牽引電機來看，目前可分為直流電機傳動和交流電機傳動兩大類，直流電機的調速方案主要有凸輪調阻、斬波調壓兩種，交流電機的調速方案主要有調頻調壓(VVVF)、失量控制、直接轉矩控制三種。
從目前我國的技術水平、地鐵運行狀況來看，直流電機凸輪調阻方案顯然已經落后，即將被淘汰。直流電機凸輪調阻方案的主要缺點有：
(1)可靠性低
凸輪調阻器動作繁多且接點眾多、機械/電氣的磨損與變形，以及接觸不良等因素導致故障不斷，列車服務的可靠性很受影響，若采用無機械磨損的電子調控系統(tǒng)，大量的觸點可以避免，從而大幅度提高列車運行的可靠性。
(2)能耗巨大
凸輪調阻器在起動與制動時，大量的電能及列車動能經電阻及機械制動系統(tǒng)轉化為熱能而白白耗散，地鐵列車的特點是起動頻繁，因此能量損失很大，轉化出的熱能同時還使地鐵中的空調系統(tǒng)熱負荷加重。
從這兩點來看，直流電機凸輪調阻器即將完全退出歷史舞臺，取而代之的將是更為先進合理的方案，國外最新技術是采用失量控制和直接轉矩控制的交流調速方案，下面本文就目前技術水平對其它幾種方案作些研究探討。
2.1 直流電機斬波調壓方案
2.1.1 簡述
從六十年代開始，雖然交流電機的控制從理論到具體技術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，使交流電機的地位達到了一個前所未有的高度，在許多領域內已經完全能取代直流電機，但是研制完善直流電機斬波器仍然具有重大意義，其主要理由有：
(1) 技術水平達到發(fā)達國家九十年代初期水平
發(fā)達國家在地鐵車輛設計中，至九十年代初期，主要采用的是直流電機斬波器，其后交流電機才開始廣泛使用。上海地鐵一號線是1993年投入使用的，其車輛牽引系統(tǒng)是采用直流電機斬波器控制方案，香港地鐵在1995年對其車隊全部列車進行了改造，同樣是采用了直流電機斬波器控制方案，從這些情況可以看到，直流電機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斬波器控制方案在國內仍然具有一定的市場空間。現(xiàn)在正在運營的北京地鐵、天津地鐵采用的是直流電機凸輪調阻方式，由于其存在著上面所談到的缺陷，隨著運營空間的擴大、時間的推移，它們必然要進行改造，而其改造的首選方案必然是直流電機斬波器控制。上海地鐵一號線使用的是進口直流電機斬波器控制，經過一定的運行時間后，故障將會增加，完全依靠國外廠家維護在經濟上將難以承受。
(3) 為交流電機控制器的設計取得經驗
直流電機斬波器設計使用將能為交流電機控制器的設計提供大量的有用的經驗。直流電機斬波器和交流電機控制器在設計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，其通風情況、環(huán)境溫度、振動情況都相同，這些在電路設計、結構安裝中的考慮將完全一致。
(b) 工作電壓一樣、功率相當，它們主回路的工作電壓都是1500V或750V，電機功率都在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、抗干擾設計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動電路完全一樣。直流電機斬波器主要采用的是可關斷晶閘管(GTO)，其驅動電路較為復雜，交流電機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控制提供參考。
發(fā)達國家地鐵車輛牽引系統(tǒng)的發(fā)展也經歷直流電機斬波調速的過程，這一過程的存在同樣也為他們發(fā)展交流電機調速提供了大量寶貴的經驗。可以認為，不經過直流電機斬波調速器的設計應用，在交流電機調速器的設計上就難以如此迅速便捷。
? 2.1.2 直流斬波器主電路
M為串激電動機，主控器件為一只GTO(V4)，HL為霍爾電流檢測器，S3是牽引、制動轉換接觸器，S4、S5為向前、向后及牽引制動轉換接觸器。L2是電機勵磁繞組，V2是續(xù)流二極管，V1是制動回路二極管。
在此我們需要解決以下技術問題：
(1) 主回路器件規(guī)格選擇、器件布置。
(2) GTO器件的驅動電路設計。GTO器件的門極驅動電路設計是這種方案的重點，要滿足門極開關特性的要求，尤其是在關斷最大可關斷陽極電流時，其關斷電路的瞬時電流較大，這樣對電路設計要求較高。
(3) 電路接插件選擇，需要考慮振動影響。
(4) 具體電路設計。現(xiàn)在設計考慮采用模擬電路設計，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)字化時主要考慮器件工作的環(huán)境溫度。
2.2 交流電機調頻調壓(VVVF)?
2.2.1 簡述
交流電機與直流電機相比較，具有體積小、重量輕、結構簡單、制造方便、價格低廉、轉速高、效率高、省銅、堅固耐用、維護費用低等一系列十分突出的優(yōu)點，隨著脈寬調制(簡稱PWM)變頻調速新技術的發(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)中交流電機取代直流電機已經成為不可阻擋之勢，它代表了電氣傳動的發(fā)展方向。本文認為在完善成熟直流斬波器的同時集中一部分人力進行交流驅動系統(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。
由交流電機特性可知道，交流電機的控制應對電壓和頻率進行協(xié)調控制，協(xié)調控制應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?保持轉子磁鏈恒定；
5?保持轉子磁鏈在氣隙磁鏈方向上的分量恒定；
6?保持變頻運行時的最大電磁轉矩等于額定頻率、額定電壓運行時的最大電磁轉矩，以此原則協(xié)調控制電壓和頻率。
根據(jù)以上原則，我們設計時首選考慮按原則1的調壓調頻控制系統(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)，這就決定了在設計交流電機變頻控制器時主回路電路有兩種方案，一種是斬波器調壓、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制(SPWM)逆變器的結構形式(圖3)，當開關頻率提高時，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逆變器的結構形式進行電路設計。?在功率器件的耐壓和電流滿足使用條件時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，將功率器件進行串并聯(lián)使用，在此主管器件的耐壓可大大降低，具體可參考文獻〔4〕的討論。
采用IGBT模塊設計的電路，由于載波頻率的提高(GTO設計為450Hz，IGBT設計為3000Hz)，其負載交流電機的電流波形將會有很大的改善，更加接近正弦波，因此電路產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現(xiàn)的交流變頻器控制策略，但是按此策略控制時，頻率越低，不僅最大轉矩減小，而且穩(wěn)定工作范圍也減小，所以在低速運行時特性很差。物理上是由于頻率減小時，定子電阻壓降在整個阻抗壓降中所占的比重加大，因此在低速時應該使電壓與頻率的比值增大一些，才能補償一些電阻壓降，使磁鏈和最大轉矩不變。
在地鐵車輛牽引系統(tǒng)中，由于旅客流量隨時間變化很大，因此電機的負載特性變化很大，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速閉環(huán)和轉矩閉環(huán)，即采用轉差頻率控制的控制策略來實現(xiàn)所需功能。閉環(huán)控制框圖如圖4所示。 功率驅動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，通過微機軟件實時生成SPWM波形，或者使用SPWM專用集成電路芯片。在實際使用中主要是采用專用集成電路芯片來實現(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?功率器件的保護不成熟(包括過流保護、過壓保護、電流上升率限制、電壓上升率限制等)。
2?電路抗干擾設計不成熟。由于驅動功率很大，負載波動也大，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 矢量控制和直接轉矩控制
交流電機的控制技術在VVVF的基礎上又發(fā)展出矢量控制技術。人們對交流電機控制時參考直流電機的控制，將負載電流和勵磁電流進行解耦，以便分別對它們進行控制，從而使交流電機的調速性能能夠與直流電機相媲美。在地鐵車輛牽引系統(tǒng)中運用此項技術的優(yōu)點在于能提高乘客乘坐的舒適程度，使電機的加速、減速曲線能按照S形曲線運動 ，并且機車在爬坡、制動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，需要進行較為復雜的矢量變換的運算，雖然目前在一些進行輔助運算的芯片，但整個運算工作量還是很大的。? 普通的調速系統(tǒng)在速度閉環(huán)控制時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)生錯誤，整個系統(tǒng)將不能正常運行。采用矢量控制后，可以進一步采用數(shù)字信號處理器(DSP)來構成無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)，系統(tǒng)通過對電機的電流、電壓檢測來計算出速度量閉環(huán)，雖然調速的范圍有所降低，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)深入地進行研究。矢量控制由于其結構復雜，運算量大，而且與電機本身的參數(shù)有相關性，因此人們尋求更為簡單的控制方法。直接轉矩控制與矢量控制相比，結構簡單，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用正在蓬勃發(fā)展。直接轉矩控制在地鐵車輛牽引系統(tǒng)中也有一定的應用前景，但還沒有看到國外在此系統(tǒng)中的成熟應用實例。
3 系統(tǒng)設計
計算機技術、通訊技術、自動化控制技術及大規(guī)模器件技術的發(fā)展，加速了計算機控制網絡的發(fā)展，在地鐵中使用計算機控制網絡技術，將有關交通系統(tǒng)所涉及的人、車、道及環(huán)境等信息有機的組合起來，發(fā)揮其智能作用，從而保證地鐵系統(tǒng)安全、通暢、可靠運行。地鐵牽引系統(tǒng)框圖如圖5示。其中ATC是列車自動控制系統(tǒng)，它使運行的列車保持間隔距離，確保列車行車安全，并能按列車運行時刻表自動調整列車，其次ATC系統(tǒng)能夠輔助駕駛列車運行。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，同時完成列車的自動運行，包括列車自動起動加速、區(qū)間列車自動調速、車站站臺自動定位等功能。ATC系統(tǒng)對列車運行、安全進行自動控制，避免人為因素的影響，使列車安全可靠運行。
無論直流斬波器還是交流變頻調速器，在控制回路使用的主要元件是相同的或類似的。根據(jù)實際工作環(huán)境我們考慮采用單片機進行處理，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 結束語
現(xiàn)在各城市地鐵公司都在加快地鐵建設進程，通過以上分析研究，本文認為，就當前我們的技術水平來看，應該首先花費一定的時間完成直流電機斬波器的設計工作，使直流電機斬波調速系統(tǒng)能完善成熟，符合使用要求，盡快占領和穩(wěn)定市場，同時集中一部分人力物力對交流電機變頻調速進行攻關，在幾年的時間內攻克交流調速國產化的各項難關，這樣我們的工作將十分主動、十分有利。如果現(xiàn)在不顧一切地追求最新的技術，那么很可能欲速則不達，花費時間清力更多而難以成功。