基于信息交互的牵引系统控制策略研究

基于信息交互的牵引系统控制策略研究

李洪江  张山 陈敏

中车大连电力牵引研发中心有限公司 辽宁 大连 116052

摘要：城市轨道交通领域，有轨电车因其低成本建设、绿色环保、低噪音以及乘坐方便等特性，迅速崭露头角，成为不可或缺的组成部分。它不仅显著优化了城市交通环境，减轻了居民的出行负担，同时也美化了城市风貌。特别值得一提的是，独立轮对转向架技术，因其出色的横向稳定性、较低的磨损率、微小的噪音以及便于打造低地板车体的优势，在近年内被广泛运用于低地板有轨电车中。尽管独立轮对技术成功实现了低地板设计，但它缺乏纵向蠕滑力，不会出现蛇形摆动。一旦独立轮对的两侧牵引变流器出现故障，或者由于空转滑行控制不当导致输出力不均，这将对转向架的导向性能造成严重影响，因此对牵引系统的设计和控制提出了更高的特殊要求。

关键词：信息交互；牵引系统；控制策略

1牵引系统及牵引变流器主电路设计

在牵引系统及牵引变流器主电路设计中，我们首先需要明确设计目标，即实现高效、可靠、稳定的牵引系统。首先，针对牵引系统主电路设计，我们应充分考虑其电气性能、机械性能和热性能。在电气性能方面，要求主电路具有高电压、大电流、低损耗的特点；在机械性能方面，要求主电路结构紧凑、安装方便、维护简单；在热性能方面，要求主电路散热良好，避免因过热而影响系统性能。其次，针对牵引变流器主电路设计，我们需要关注以下几个方面：一是拓扑结构的选择，二是开关器件的选型，三是控制策略的制定。在拓扑结构选择上，应综合考虑系统的电气性能、机械性能和成本等因素，选择合适的拓扑结构。目前，常见的拓扑结构有PWM整流器、PWM逆变器、双PWM逆变器等。在开关器件选型上，应考虑开关器件的导通电阻、开关频率、耐压值等参数，选择性能优良、可靠性高的开关器件。在控制策略制定上，应针对不同工况，设计相应的控制策略，以满足牵引系统在不同运行状态下的性能需求。

2牵引变流器结构设计

2.1箱体设计

首先，箱体结构设计应遵循模块化原则。模块化设计有利于提高箱体结构的通用性和互换性，便于后期维护和升级。在设计过程中，应充分考虑各个模块之间的接口和连接方式，确保模块之间连接牢固、可靠。同时，模块化设计有助于缩短设计周期，降低成本。其次，箱体材料选择至关重要。箱体材料应具备良好的机械性能、耐腐蚀性、电磁屏蔽性能和散热性能。在满足性能要求的前提下，应尽量选用轻量化材料，以降低系统整体重量。目前，铝合金、镁合金和复合材料等轻量化材料在牵引系统箱体设计中得到广泛应用。再次，箱体散热设计是保证系统稳定运行的关键。在箱体设计中，应充分考虑散热器的布局和散热通道的优化。散热器应布置在箱体内部的高温区域，如电机、控制器等发热部件周围。散热通道设计应保证空气流动顺畅，提高散热效率。此外，箱体内部应设置散热风扇，以增强散热效果。此外，箱体电磁兼容性设计也不容忽视。在箱体设计中，应采用屏蔽、接地和滤波等措施，降低电磁干扰。具体措施包括：在箱体表面涂覆导电漆，提高电磁屏蔽效果；在箱体内部设置接地线，降低电磁干扰；在关键部件周围设置滤波器，抑制电磁干扰。最后，箱体设计还应考虑人机工程学原理。箱体内部布局应合理，便于操作和维护。操作面板、开关、按钮等元件应布局清晰，便于操作者快速找到所需功能。同时，箱体外观设计应美观大方，符合现代审美观念。

2.2牵引功率模块设计

牵引功率模块设计是牵引系统控制策略研究中的关键环节，其设计质量直接影响到整个牵引系统的性能和效率。在本文中，我们将从以下几个方面对牵引功率模块设计进行探讨。首先，牵引功率模块应具备高效率、高可靠性、高功率密度和良好的环境适应性。为了实现这一目标，我们需要对模块的拓扑结构、元件选择、控制策略等方面进行深入研究。在拓扑结构方面，我们应采用模块化设计，将牵引功率模块分为多个子模块，以提高系统的可靠性和可维护性。在元件选择上，应选用高性能、低损耗的电力电子器件，如IGBT（绝缘栅双极型晶体管）和SiC（碳化硅）器件，以降低系统损耗，提高效率。其次，针对牵引功率模块的控制策略，我们应采用先进的控制算法，如矢量控制、直接转矩控制等。矢量控制能够实现牵引系统的高性能运行，提高系统的动态响应速度和稳态精度。直接转矩控制则具有结构简单、响应速度快、鲁棒性好等优点。在实际应用中，可以根据牵引系统的运行需求，选择合适的控制策略。此外，为了提高牵引功率模块的适应性，我们应关注以下两个方面：一是模块的功率等级，二是模块的接口标准。在功率等级方面，应充分考虑牵引系统的实际需求，合理选择模块的功率等级，以避免功率浪费。在接口标准方面，应遵循国际标准，确保模块与其他设备的兼容性。

3控制策略设计

在牵引系统控制策略设计中，信息交互起着至关重要的作用。首先，我们需要明确信息交互的概念，即系统内部各部分之间以及系统与外部环境之间的信息传递与处理。基于信息交互的牵引系统控制策略研究，旨在通过优化信息交互过程，提高牵引系统的性能和可靠性。首先，针对牵引系统中的传感器信息交互，我们应关注传感器数据的实时性、准确性和完整性。为此，我们采用了一种基于多传感器融合的算法，将不同类型传感器采集的数据进行融合处理，以实现更精确的牵引系统状态监测。同时，通过优化传感器布设方案，降低传感器之间的干扰，提高信息交互的稳定性。其次，在牵引系统控制策略中，信息交互还体现在控制器与执行器之间的协同工作。针对这一问题，我们提出了一种基于模型预测控制（MPC）的牵引系统控制策略。该策略通过建立牵引系统动力学模型，预测未来一段时间内的系统状态，并根据预测结果调整控制器输出，实现牵引系统的平稳运行。在信息交互方面，我们采用了一种基于通信网络的控制器与执行器协同控制方法，确保信息传递的实时性和准确性。此外，针对牵引系统与外部环境之间的信息交互，我们关注了以下两个方面：一是牵引系统与电网之间的信息交互，二是牵引系统与列车运行控制系统的信息交互。针对牵引系统与电网之间的信息交互，我们采用了一种基于电力系统稳定性的牵引系统控制策略，通过实时监测电网状态，调整牵引系统运行参数，确保电网稳定运行。针对牵引系统与列车运行控制系统的信息交互，我们提出了一种基于通信网络的列车运行控制系统与牵引系统协同控制方法，实现列车运行与牵引系统之间的实时信息交互。

结论

本研究深入探讨了独立轮转向装置的独特优势，并在优化牵引力系统与变流器硬件配置的同时，创新性地引入了通信驱动的交互式控制技术。针对独立轮对低地板有轨电车在特定运行条件下的电传动需求，本研究确立了独特的控制策略。通过实地车辆安装试验，我们验证了变流器硬件设计的科学性和所提出控制策略的实际效果。此外，这些控制策略同样适用于纵向耦合独立轮对驱动系统等单侧车轮作为动力源的驱动系统，从而有助于降低有轨电车的地板高度。

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