吉泽诚
哈尔滨地铁集团有限公司
摘要:城市轨道交通电力牵引技术和传动控制系统作为城市轨道交通的重要技术，是城市发展的重中之重。但对于我国来说，我国的城市轨道交通属于开发时间点比较落后的国家，外国的进口设备和电力设施引进成本较高，给城市轨道交通的研发速度带来了一定的影响，但好在我国的政策始终鼓励自主研发，对自主核心技术研发始终持有支持的态度，我国逐渐与欧洲技术接轨，联合欧洲团队进行研制，并研制出符合我国国情以及我国地理环境的城市轨道交通电力系统。并且我国已经逐步的提升了自主研发能力，包括提升了自主牵引技术，能够制造出我国自主研发、自主生产的城市轨道交通系统和电力牵引系统。本文对城市轨道交通的电力牵引系统进行简要介绍，其中包括城市轨道交通系统的概念、城市轨道交通电力牵引系统仿真模型的意义与原理分析。
关键词:
城市轨道交通系统，供电仿真，电力牵引系统，数学模型
1.城市轨道交通系统概述及国内现状
城市轨道交通系统是将需要建设的道路进行封闭化的设计、应用立体交叉的空间概念，并且能够通过电力进行列车驱使的系统。城市轨道交通系统是一种可以通过自动信号就可以控制的智能高科技技术手段。城市轨道交通系统在使用过程中可以达到每分钟1.5米至2米的行车密度、车组的平均运行速度为每小时40千米，当行驶到最高车速时可高达每小时90千米。单方向车次的载客能力能实现每小时六万至八万人次。由此可知，城市轨道交通系统的建设对城市发展和缓解交通压力上起着重要的作用。与传统的交通模式相比，速度更快、载客能力更高，极大地方便了人们的生活出行，促进城市经济的快速发展。
最早采用城市轨道交通系统模式的是国外的一些发达国家，国外的城市轨道交通系统从起步开始研发了很多交通系统。其中有城市郊区的铁路系统、地铁交通系统、轻轨交通系统、线性电机牵引系统和有轨电车交通系统。这些系统在一定程度上为城市的发展做出了巨大贡献。现如今，我国的城市建设水平越来越快，在城市轨道交通方面也发展的较有成效，很多城市的城市轨道交通系统都建立的比较完善并且还在不断改革创新。但是一部分城市的城市轨道交通系统却发展的比较缓慢。一些城市的地铁交通系统比较完善，但是缺少城市和郊区的地面轨道交通，还有一些城市虽然已经建设了地面轨道交通，但是实际应用起来却效率不高。在采用的技术上，更多的工业发达的国家所制造的机动车、和城市轻轨、地铁车辆应用的都是交流传动技术。但是我国的技术发展相对落后，一些城市地区的地铁线路使用的还是直流传动技术。与直流传动技术相比，交流传动技术更加具有优势，并且是发展的必然结果。
加强对城市轨道交通系统的技术改革创新是城市建设道路上必不可少的。就地铁交通系统来简要分析，地铁是在地下进行的全封闭式的城市轨道交通系统。它主要的动力来源是电气牵引，通过轨道导向车辆运行，车辆进行编组在地面或者高架线路上行驶。即快速又客载能力强。
1.1地铁交通系统的主要技术特点：
(1)受电系统主要由DC 750伏第三轨或DC 1500伏架空线路受电弓供电。
(2)运输能力大，最短列车间隔可达1.5min，最大单向客流量可达6 ~ 8万人次/h。
(3)列车编组数量取决于客运量和站台长度，一般为4~8辆。一般采用动车和拖车混合编组，可以节省车辆投资。
(4)起制动快，最大行驶速度可达80~ 100km/h，平均行驶速度可达40 ~ 50 km/h。
(5)具有良好的正点性、安全性和舒适性，能够满足乘客的要求。
2.城市轨道交通电力牵引系统仿真
仿真是用物理模型或数学模型代替实际系统进行实验和研究的方法。根据仿真系统使用的计算机种类不同，仿真可分为模拟计算机仿真、数字计算机仿真或模拟数字计算机仿真。
模拟计算机仿真是一种基于数学仿真相似性原理，以模拟计算机为仿真工具的方法。其主要特点是:模拟的实际系统更接近客观实际情况，运算速度快，运算精度不高。数字计算机仿真是一种基于数值计算原理，以数字计算机为仿真工具的方法。它是一个离散系统，因此有必要用数值计算方法将连续系统离散为时间连续系统。不同方法的仿真模型形式和精度不同。随着技术的不断发展和数字计算机速度的不断提高，数字仿真已经成为系统仿真的主要手段。
2.1.城市轨道交通电力牵引系统仿真的目的与意义
(1)城市轨道交通系统牵引仿真。牵引仿真主要用于解决运行中的一系列实际问题，如:工况选择、牵引电机功率、能耗、逆变器中的电力电子器件电流等。它为车辆和电力驱动系统、道路和车站以及信号的设计提供了参考。
(2)城市轨道交通供电计算研究。通过供电计算设计变电站的额定容量，为供电网络和变电站的设计奠定基础。
(3)对交流主传动系统进行了分析，提出了逆变器供电下异步牵引电机的改进数学模型。考虑电机肽效应等非线性因素，通过对整个系统的建模和仿真，可以分析低频振荡和谐波引起的电机损耗对系统性能的影响。通过计算机仿真，在各种非正弦电量仿真波形的基础上进行数值处理，对电压、电流有效值、谐波频率和含量、平均转矩、电机损耗和效率等进行定量评估。从而获得这类电机的运行特性，为交流传动系统提供所需的信息。
(4)对牵引、供电和交流系统的仿真，计算出电机发热倍数、过载能力和逆变器开关损耗等参数，对车辆传动系统的设计和考核具有重要的现实意义。
(5)研究轨道车辆运行的仿真模型，代替实际情况下的运行试验，可以获得可靠的数据，节省研究时间和成本。
2.2.牵引计算仿真原理分析
城市轨道车辆牵引仿真的主要任务是通过计算机仿真分析运行过程中速度、距离、电流和时间之间的关系，并绘制相应的特性曲线。考虑到电动车组的牵引特性和制动特性是非线性的，为了提高计算精度，采用抛物线拟合特性曲线的评价方法。列车运行过程中，区间对车辆有限速要求，因此以斜坡段和曲线段为边界对动车组进行仿真计算，结合当前区间和下一区间的限速，引入区间牵引加速度和怠速加速度的概念，选择列车工况。此外，由于制动停止速度为零，需要转换段的限速，所以通过某一段的限速来估计制动距离和该段前方的制动距离，然后根据当时的实际行驶速度，反复缩短制动距离，直到达到规定的速度要求。这种模拟计算更接近实际驾驶操作过程，使模拟计算具有高精度、高速度和高可靠性。根据牵引计算仿真原理，牵引计算软件可以满足不同工程路段和各种动车组(包括不同的牵引、制动和阻力特性等)的要求。牵引计算所需的主要原始数据有:
(1)直线的截面数据，即斜率、曲线等。
(2)车辆组成数据，即汽车编组、载客量、汽车及挂车重量等。
(3)牵引特性(F= f(1))(包括各级牵引曲线)和制动力特性(B，= f(v))。
(4) 车辆的基本阻力特性，即各种工况下的基本阻力计算公式。
(5) 电机输入电流与速度的关系曲线(I= f(V))
3.总结语
从某种意义上讲，城市是一个具有高效益社会经济环境的大系统。综上所述，要想让城市的发展具有活力保持相应的发展空间，就需要有一个高效的城市轨道交通系统作为基础。作为城市社会经济系统下非常重要的组成部分，城市轨道交通系统的建设可以节约土地的利用率、缩短城市各地区之间的距离，增强城市交通效率，促进城市像更好的方向发展。其中电力牵引系统作为城市轨道交通系统运行的核心技术，研究改进电力牵引系统能为我国城市轨道交通建设与发展提供更好的服务和保障。希望本文对城市轨道交通系统、城市轨道交通电力牵引系统仿真模型原理等内容的介绍分析，可以帮助大家城市轨道交通系统，了解城市轨道交通系统建设对城市总体规划、科学发展的作用。
参考文献
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[2]张振淼.城市轨道交通车辆.北京:中国铁道出版社.
[3]郑琼林 张奕黄郝荣泰.城市轨道交通交流传动逆变器系统国产化方案.北方交通大学学报，1998 (6): P17一23