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摘要：近年来，越来越多的人们开始认识到城市轨道交通的重要性，因此我国大力推进城市轨道交通建设，直线电机轨道交通系统在我国得到了长足的发展。本文主要研究探讨了直线电机轨道交通中的牵引传动系统。
关键词：直线电机；轨道交通；牵引传动系统
近几十年来，世界各国都在不断推进城市化建设进程，其中城市轨道交通系统是建设和发展的重点之一，各国的工程师都对城市轨道交通系统进行了系统深入的研究，采用直线电机传动的城市轨道交通系统就是研究内容之一。直线电机车辆减少了车辆摩擦和振动噪声，解决了维护运行成本，降低工程造价，因此其在城市轨道交通中的应用越来越广泛，研究其牵引传动系统也存在非常重要的现实意义[1]。
一、直线电机轨道交通系统的发展和现状
随着城市化进程的加快，城市的交通问题日益成为城市建设发展的重点研究工作，城市化建设的发展和高新现代科技的研究对城市轨道交通的建设提出了更高的要求。在城市轨道交通系统中，虽然传统的牵引制动模式技术成熟，应用较多，但是它限制了车辆的速度性能，振动噪声较大，不能适应新的运行特点，所以人们开始研究新的技术模式。直线感应电机运载系统开始进入人们的视线。
直线感应电机运载系统在城市轨道交通中的应用不同于磁悬浮，这种系统仍然使用铁轨作为支撑导向，只是利用直线感应电机进行驱动[2]。近几十年来在世界得到了良好的发展。目前在世界上投入商业运营的直线感应电机驱动线路已有10条（如图1所示），直线感应电机运载系统正逐渐成为城市轨道交通的重要模式。
图1 世界投入商业运营的直线感应电机运载系统线路
直线感应电机驱动的城市轨道交通车辆具有以下优点：（1）车辆不受轮轨黏着因素的限制，可以获得较强的起动、加速、减速动力性能，在比较恶劣的轨面条件和环境下也能保持优越的性能。（2）直线感应电机取代了旋转电机，提高了车辆的运行稳定性和曲线通过性能，便于车辆小型化。（3）容易避开在建和规划中的施工路线，降低土建工程造价。（4）振动小，噪声低，利于环境保护，减少车轮损伤，延长使用寿命。（5）提高轮轨运动的稳定性和安全性，提高车辆运行的可靠性，降低维修工作量和成本。但是它也有一些缺点，最大的缺点就是功率因数和效率较低。
二、电牵引传动系统
（一）电牵引传动系统概述
电牵引传动系统是指在城市的交通运输中，利用电动机驱动牵引车辆的电气传动部分，主要通过控制牵引电机来调节电机的牵引力和速度，进而达到车辆牵引和制动的要求[3]。电牵引传动系统可以分为直流传动系统和交流传动系统两类，相比于直流传动系统使用的直流牵引电机，交流传动系统使用的交流牵引电机的结构更加简单，价格更便宜，维护工作量更少，所以在牵引领域的应用更多。
（二）牵引供电方式
牵引供电方式主要发展为两大类：直流供电方式和交流供电方式。在城市轨道交通中主要应用的是直流供电方式，主要包括第三轨供电、高架桥接触网供电。在我国北京、长春、天津等北方地区的地铁和轻轨主要采用750VDC制式的第三轨供电，在上海、深圳、广州等南方地区主要使用1500VDC制式的高架接触网供电，无轨电车采用600VDC供电制式。相关资料显示，在世界上直线电机车辆轨道中，采用第三轨供电的城市占55%，采用高架接触网供电的城市占45%。这两种供电方式的技术同时并存，但都有其各自的优缺点。在建设城市轨道交通系统时，要从长远利益和综合效益等方面合理选择牵引供电方式，主要需要考虑既有线路的供电制式、对周围环境的电磁干扰，车辆的编组和客流量要求、施工安装和运营维护的便利性、对城市景观的影响、再生资源的利用等多个方面。
（三）电牵引传动系统控制方式
电牵引传动控制的主要目的是实现车辆的起动、调速、制动特性等要求。现代交流传动的控制方式主要有三种：矢量控制；标量控制（转差频率控制）；直接转矩控制。综合各方面评价，矢量控制的性能更为优异。
三、直线牵引传动系统效率优化
直线电机轨道交通系统的最大问题就是效率问题，长期以来，人们一直致力于提高直线电机轨道交通系统的工作效率的研究工作。
（一）直线牵引传动系统的效率
在牵引传动系统中，调高系统效率的唯一方式就是减少系统损耗。直线牵引传动系统的损耗主要包括直线感应电机损耗、逆变器损耗、控制器损耗[4]。其中，直线感应电机损耗最重要，而直线感应电机损耗还包括不变损耗（机械损耗、铁芯损耗）；可变损耗（铜耗、杂散损耗）等。在直线感应电机中，机械损耗和杂散损耗很难控制减少，要想优化直线牵引传动系统的而效率，只能控制铁芯损耗和铜耗。
（二）直线牵引传动系统的效率优化控制策略
将直线牵引传动系统的优化控制策略归纳起来，大致分为三类：（1）基于损耗模型的最优励磁控制策略（LMC），这种方法是运用控制算法得出最优磁链，通过选择最优磁链来降低损耗，所以系统响应速度较快，但是由于算法需要获得的目标函数依赖于电机参数，所以此种控制策略的效果也依赖于电机的参数。（2）电机输入功率最小控制策略，这种方法主要是通过建设转子磁链来改变电机的铜损和铁损分配，最终减少电机输入功率实现效率优化。这种方法的适应性强，但是对系统的硬件要求和数据精度要求较高[5]。（3）最小电子定流控制策略，这种方法通过控制实现定子电流最小，以此达到优化系统效率的目的。该种方法实现简单，效果较好，但是不能保证全局的效率最优。
四、直线电机轨道的常用制动方案
目前世界上多数城市轨道交通的车辆制动方式是电空联合制动，即常用制动时优先使用电制动，紧急制动时使用空气制动。根据制动时机车产生制动力的方式，可将直线电机车辆制动方式分为：（1）再生制动，这种方式控制精确，响应速度快，减少能耗，减轻制动装置负担，节约成本。（2）高转差率制动，当再生制动出现再生失效问题时，即采用高转差率制动，这种方式的具体影响和应用前景还需要研究和观察。（3）电阻制动，这种制动是将牵引电机制动运行时产生的电能消耗掉，主要包括车载电阻制动和地面电阻制动。（4）反接制动，当再生制动力发挥作用后，直线电机不能再提供制动力时，为减少空气制动系统的负担，直线电机会开始反接制动。使用这种制动时要注意一旦列车速度变为零，需立即停止使用，否则列车会向反方向开始运行[6]。（5）盘形制动，这种制动方式是安装在车轮两侧或车轴上的制动盘通过制动时产生的摩擦力矩来引起钢轨对车轮产生反力。（6）磁轨制动，这种方式是通过车上的磁轨制动器使车辆在轨道上滑行。
五、总结
本文阐述了直线电机轨道和电牵引传动系统的发展和研究情况，并对直线牵引传动系统的效率优化控制和制动系统做了分析探讨。随着城市轨道交通建设进程的不断推进，直线电机车辆的应用前景也一定会越来越广泛，必将成为我国城市轨道交通发展的主流选择。
参考文献：
[1] 曾向荣.直线电机轨道交通系统的轨道结构特征分析[J].城市轨道交通研究,2013,16(11):58-62,70.
[2] 李鲲鹏,张振生.直线电机轨道交通系统能耗分析[J].都市快轨交通,2008,21(1):31-33.
作者简介：于涛 1984.7、男、汉族，河北沧州、硕士研究生，工程师。
论文作者:于涛
论文发表刊物:《电力设备》2016年第14期
论文发表时间:2016/10/13
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