基于潮流转移装置的混合储能接入牵引供电系统控制策略研究

采用单相工频交流制式的电气化铁路具有无污染、运输效率高的优点,但在现有的牵引供电系统中,负序和再生制动能量利用的问题较为突出。因此,文章提出了一种集成混合储能系统的潮流转移拓扑。文章分析了集成混合储能的潮流转移装置的拓扑结构,研究了削峰、填谷、再生制动和同相运行模式及其能量管理策略;为减少系统损耗,进一步提高系统再生制动能量利用率和削峰填谷的控制精度,文章提出了一种协调控制策略,并采用无源控制的非线性电流控制器提升变流器控制响应速度。仿真结果表明,该系统可以充分利用牵引供电系统的再生制动能量,提高系统中能量流动的灵活性,并且解决了牵引供电系统中的负序问题。

一种新型三电平变换器中点电压平衡调制策略

在大功率轨道交通装备领域中,三电平变换器因具有众多优点,在实际中得到广泛应用,但是也存在中点电压不平衡这一固有问题。为解决三电平中点箝位(NPC)型变换器存在的中点电压不平衡问题,减少输出相电流畸变情况,提高系统运行稳定性,文章提出了一种基于分析中点电荷量的双自由度新型中点电压平衡调制策略。该调制策略首先从数学分析的角度介绍了三电平变换器直流侧中点电压不平衡问题的原因;之后分析了在空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术中,电压矢量输出序列对中点电压的影响;最后基于上述分析结果,改进传统的电压矢量输出序列,并基于改进序列的特点提出了一种新的双自由度中点电压平衡调制策略,通过双自由度的平衡因子调节作用时间。理论上,所提出的新型调制策略具有更多可控电荷量,相较于传统方法具有更良好的控制效果;仿真和试验结果验证了所提的新型调制策略对中点电压的控制效果具有更好的快速性和稳定性。综上所述,文章所提的新型双自由度调制策略可更有效解决三电平变换器存在的中点电压不平衡问题。

高温超导磁浮车水平曲线通过适应性研究

针对高温超导磁浮车刚性悬浮架曲线通过性差,文章提出了一种具有一定点头和摇头自由度的半解耦悬浮架结构,将高温超导的悬浮力和导向力简化为线性特性,建立了高温超导磁悬浮车辆的动力学理论模型,通过UM软件,在周期性激励的作用下,对理论模型进行了动力力学响应的仿真验证,证明了动力学理论模型的合理性。文章进一步利用UM软件分析了高温超导磁浮车的水平曲线通过性能,对比了悬浮架不同垂向扭转刚度、横向扭转刚度、空气弹簧垂向刚度对杜瓦的横向位移、垂向位移的影响。仿真结果表明,释放一定点头自由度和摇头自由度的半解耦悬浮架,能够更好地适应曲线轨道的线路弯曲和线路扭曲,减少了构架对悬浮系统的不利影响,充分发挥了高温超导钉扎效应的特性,提高了车辆的曲线通过性能,同时合理的空气弹簧刚度能够很好地抑制杜瓦的振动,使车辆运行平稳。最后提出了满足车辆安全运行的悬浮架方案,高温超导磁悬浮车辆曲线通过性能有明显的提升。

秦沈客运专线建设回顾

不忘来时路奋进新征程2023年是秦皇岛至沈阳客运专线(简称“秦沈客运专线”)开通运行20周年。秦沈客运专线投入运营以来对我国和地方经济发展的影响十分显著,然而这条铁路在中国高铁建设历史上的开创性价值和重要意义、当年数万名建设者自立自强、勇于创新的精神及其所做出的重大贡献却未得到广泛认知与充分肯定。

轨道不平顺激励对高温超导磁浮列车电机悬挂的影响

高温超导磁浮列车在运行过程中受到轨道随机不平顺激励的影响,车体和磁浮架的振动会传递至直线电机动子而导致气隙变化,变化后的电磁力反作用于电机悬挂系统,进而影响磁浮架和车体振动。二者的耦合振动一定程度上会影响高温超导磁浮列车的安全运行。为了减少轨道随机不平顺激励对电机悬挂系统的影响,文章建立了多刚体动力学理论模型,并在周期性激励的作用下,对理论模型进行了动力学响应的仿真验证,证明了动力学理论模型的正确性。进一步地,在UM软件中以电机法向力和轨道随机不平顺作为外部激励,对高温超导磁浮列车动力学模型进行仿真,研究了电机悬挂系统的垂向刚度对直线电机气隙、车体和悬浮架振动、列车运行平稳性等参数的影响并对该刚度值进行了合理优化。结果表明:增大直线电机悬挂系统的垂向刚度能一定程度提高车体平稳性;同时增大垂向刚度能一定程度上减小气隙的变化和电机的振动,从而降低和悬浮架的耦合作用。研究结果是在特定的结构参数、负载条件下的仿真分析结果,可为高温超导磁浮列车动力学分析提供一定参考作用。

中低速磁浮列车双线隧道交会时的气动特性研究

为探明速度140 km/h的中低速磁浮列车在双线隧道内交会时隧道壁面和车体表面压力变化情况,文章采用数值计算方法研究了车/隧不同参数对隧道壁面和车体表面气动性能的影响,并对比了不同编组长度的列车和不同隧道净空面积对列车车内压力的影响。研究结果表明,4车编组的磁浮列车在双线隧道中部交会时,隧道壁面测点的压力变化峰峰值与隧道净空面积的1.379次方成反比,车体表面压力测点的变化峰峰值与隧道净空面积的1.231次方成反比。当隧道净空面积为66.2m^(2)时,在气密性指数为0.5s条件下,8车编组列车在隧道内交会引起车内测点的3s压力变化值相较于4车编组列车增加102.2%,而在气密性指数为8s条件下该比例降低至50.4%。文章的研究结果可为中低速磁浮隧道工程建设提供参考依据。

轨道交通列车新一代健康管理系统架构研究

科学维护运营车辆、保障列车运行安全一直以来都是轨道交通领域的核心问题。近年来,随着列车预测性维修和无人驾驶等重大需求的提出,迫切需要实现全息状态感知、精细诊断预测、及时反馈处置的列车健康管理功能。现有系统架构存在着感知低效、融合深度不足、模型优化动态差、计算协同弱、自主化决策水平低等问题,先进的物联网、大数据、人工智能、数字孪生等技术的发展,推动了列车健康管理系统架构向更高水平智能化演进。文章对列车健康管理系统技术发展阶段进行了梳理划分,在此基础上提出了基于泛在感知与协同计算的轨道交通列车健康管理系统4.0架构,详细阐述了其内涵概念、系统架构和关键技术,归纳出泛在感知、协同计算与健康管理深度融合的解决途径、技术手段和预期效果,明确了现阶段技术攻关的主要方向,进而支撑列车安全保障和运维品质的提升。

环境温度对地铁刚性接触网弹性与弓网受流质量影响研究

近年来全国地铁大面积发生弓网异常磨耗事件,特别是冬季异常磨耗已然成为常态,2022年全国有30余条地铁线路出现此现象,经济损失达数亿元。为了研究环境温度对弓网关系的影响,文章首先建立了某地铁线路刚性接触网有限元模型,计算得到环境温度-20~20℃下接触网刚度曲线,并分析了环境温度对接触网刚度影响规律;然后,构建地铁变刚度弓网耦合动力学模型,依据EN 50119等标准验证了其准确性,并计算了环境温度(-20~20℃)、列车运行速度(40~90 km/h)、受电弓静抬升力(70~160 N)、定位线夹卡滞工况下的弓网接触力,着重分析了环境温度对弓网接触力、弓网受流质量的影响规律。结果表明:环境温度与弓网接触力、受流质量具有强正相关性,当环境温度低于0℃时,弓网受流指标将严重恶化;线夹卡滞会对弓网接触力、受流质量带来恶劣影响,而且行车速度越高影响越大。

数字孪生在轨道交通电力牵引系统应用的探讨与展望

随着我国轨道交通电力牵引系统的快速发展与技术成熟,其可靠性评估与智能化监控技术逐渐引起关注,数字孪生是基于数据与机器学习对实际物理系统的虚拟刻画技术,可以实现对实际物理系统的行为特征模拟与参数监测,因此将数字孪生技术引入轨道交通电力牵引系统领域,可为其数字化、智能化监控与运维提供发展思路与技术手段。文章首先对数字孪生技术目前在电力牵引系统中的应用现状进行了综述,进而列举了电力牵引系统数字孪生构建过程中所需的关键技术及其发展情况——在电力牵引系统领域,数字孪生及其相关技术仍在理论研究阶段,只有针对部分子系统的探索性研究,尚未形成完善的系统建模与智能监控体系;最后,文章展望了数字孪生技术在电力牵引系统领域的工程化实现前景,探讨了其投入工程应用可能会面临的内部技术问题与外部客观挑战,旨在为后续技术研究与实践提供参考。

列车碰撞安全试验用假人的研究

针对列车碰撞场景与汽车碰撞场景中乘员损伤情况的不同,文章在传统的汽车正面碰撞试验假人(HybridⅢ-50th假人)基础上,参考人体乘员约束测试装置(THOR)假人结构,研制了可调角度的腰椎和立姿臀部模块;并重点研究了上腹部和下腹部生物力学响应特性,制作出可坐可站的列车碰撞安全试验用假人(H3-RS假人),使其既具备HybridⅢ-50th假人生物力学特性,又增加了上腹部和下腹部生物力学特性,更加符合列车碰撞安全试验需求;最后通过台车试验进行了初步验证,结果表明H3-RS假人在结构、功能和强度上基本满足试验需求。

2万t重载列车车辆数量对纵向冲动的影响研究

文章根据纵向动力学理论,建立2万t重载列车纵向动力学仿真模型,研究车辆数量对列车纵向冲动的影响,给出长、短编组混编建议。同时,基于同步减少前后部车辆数量、仅减少前部车辆数量与仅减少后部车辆数量等3种情况(后2种情况可视为长、短编组混编),计算列车空气制动延时、缓解延时和循环制动工况下的最大车钩力。结果表明:对于“1+1+可控列尾”编组形式的2万t重载列车,同步减少前后部车辆数量可有效降低列车缓解过程中的缓解延时和最大车钩力;当仅减少前部列车车辆数量时,最大缓解延时变化较小,无法有效降低纵向冲动;而减少后部列车车辆数量可有效降低最大缓解延时,对减小纵向冲动具有十分显著的效果,对重载列车编组优化有一定指导意义。因此,对于长、短编组混编情况,将短编组编至长编组后可有效降低列车运行的纵向冲动。

基于电机振动的动车组牵引逆变器故障诊断研究

牵引逆变器的安全性和可靠性对高速动车组车辆的稳定运行至关重要,为了对逆变器工作状态进行识别,文章结合车辆系统动力学,提出了一种基于电机振动信号分析的故障诊断方法。将电机振动信号作为监测对象,通过检测逆变器故障时电流畸变引起电机异常振动的特征信号来进行判断。以CRH2型动车组牵引传动系统为例,建立了基于空间矢量脉宽调制策略下的三电平牵引逆变器电路仿真模型,对逆变器结构故障模式进行仿真。仿真结果表明,逆变器故障会显著影响交流侧输出电流谐波含量,尤其是5倍频、7倍频、11倍频、13倍频电流谐波;而这些谐波电流输入到牵引电机后转化为6P(1-s)倍频、12P(1-s)倍频的脉动转矩,并作用于电机,使得其输出振动中含有相应频率的谐波成分。通过对高速动车组实际运行过程中的牵引电机振动信号进行分析可发现,在正常情况下振动信号不明显含有此类谐波频率成分,而当逆变器存在故障时,则会导致在振动信号中该频率信号含量非常明显。因此,文章所提出的基于振动信号分析法能够有效地监测并诊断牵引逆变器工作状态,并具有一定的工程应用价值。

基于阶跃激励响应的牵引电机定子早期匝间短路故障诊断方法

为了实现对牵引电机定子绕组匝间短路早期故障的可靠诊断,文章提出了一种基于阶跃激励稳态响应电流的故障诊断方法。首先根据牵引电机三相定子绕组匝间短路模型,对定子绕组任意两相施加阶跃激励,推导出3种情况下的响应电流表达式,并依据响应电流稳态值的变化特征提出新的故障特征分量;然后,搭建故障电机仿真模型,分析短路电阻和短路故障严重程度对响应电流的影响,研究故障特征分量对早期匝间短路故障诊断的有效性与可靠性;最后搭建试验平台,分析当电机固有不对称时,匝间短路故障对故障特征分量的影响。仿真与试验结果表明,该故障特征分量可以表示早期的匝间短路故障及其严重程度,并且能滤除电机固有不对称的影响。基于阶跃激励稳态响应电流的诊断方法操作便捷,结果可靠性高,对保护牵引系统的安全具有极大意义,且具备极大的工程应用价值。

电力机车底架前端结构耐撞性拓扑优化研究

为提高电力机车碰撞安全性,文章以某型电力机车车体为研究对象,对底架前端部位开展耐撞性动态拓扑优化研究。首先,建立电力机车有限元模型,通过基于混合元胞自动机法的动态拓扑优化分析得到底架能量流动的主要路径;然后,结合电力机车车体结构特点,对底架前端结构进行优化设计与铝蜂窝吸能材料填充;最后,将优化前后的有限元模型进行碰撞仿真计算对比。研究结果表明:优化后的车体碰撞峰值加速度为402.56 m/s^(2),较优化前的车体碰撞峰值加速度663.04 m/s^(2)降低了39.29%,优化后碰撞峰值界面力比优化前降低35.71%,验证了机车耐撞性结构拓扑优化设计的合理性与有效性,提升了该型机车的耐撞性能。

车轮打滑对2万吨重载列车纵向冲动影响分析

针对低黏着接触条件下车轮滑行所引起的列车纵向冲动问题,文章建立了“1+1”编组2万吨重载列车-轨道垂纵耦合动力学模型,对比分析电制动工况下不同轮轨接触状态对2万吨列车纵向冲动的影响,分别计算了车轮发生滑行位置和电制动力载荷大小对纵向冲动的影响规律。结果表明,在电制动运行工况下,当列车施加100%电制动力时,列车在湿润、油污和冰雪接触条件下均检测到了车轮滑行,在25%~75%电制动工况下列车仅在冰雪接触条件下检测到了车轮滑行;车轮滑行导致了车钩力的波动,特别是中部机车发生车轮滑行时会引起其前、中、后部车钩力较大幅度波动,并增大中部机车前部车辆压钩力,严重影响列车的平稳运行;随着制动力的降低,低黏着接触状态下的车轮滑行对最大车钩力的影响明显减小。

基于模糊C均值聚类的高铁动车组电缆终端局部放电识别

局部放电检测作为一种诊断车载电缆终端绝缘状态的有效手段,在列车实际运行环境中面临强干扰问题,为此文章提出了一种基于波形参数分析和模糊C均值聚类的车载电缆终端局放脉冲干扰分离策略。在实验室搭建了局部放电测试平台并采用高频电流法(HFCT)获取了电缆终端的局放信号和典型脉冲干扰信号,通过对脉冲单波进行包络处理,提取脉冲的3个参数作为特征向量,然后采用模糊C均值聚类方法对局放信号与脉冲干扰信号进行分离。试验结果表明,该方法能够有效地将局放信号与脉冲干扰信号分离,减小脉冲干扰信号对局部放电检测的影响,对提高局放手段评估车载电缆终端绝缘状态的准确性具有一定意义。

基于振动加速度的转向架构架载荷反演研究

获取铁道车辆构架空簧、附属部件、轴箱弹簧及橡胶节点等关键接口在服役过程中的载荷特征是落实轨道车辆结构健康监测工作需要解决的关键问题。文章建立车辆系统动力学模型,推导了考虑转臂轴箱局部细化的车辆横向、垂向的动力学模型,并以此为基础使用卡尔曼滤波方法,通过系统状态方程对系统状态量进行估计反演计算,探索转向架构架载荷的估计方法。研究结果表明:考虑轨道不平顺激励的情况下,转向架构架的垂向载荷估计值与仿真值的相关性达到0.8以上,横向载荷估计值与仿真值的相关性超过0.6,估计值与仿真值时频域的变化趋势一致性较好。综合以上结果,可以证明该载荷估计方法在针对轨道车辆构架的关键接口载荷的反演计算中具有足够的精确性和稳定性,能够为后续对转向架关键位置的损伤监测与评估、剩余寿命计算和结构设计优化提供数据依据。

基于同步采样SDFT的高性能单相锁相环方法研究

在电力机车及动车组的牵引传动控制系统中,网侧变流器通过锁相环获取相位信息并进行精确控制。牵引供电网电压的幅值及频率存在波动,而且网压经常出现严重畸变及含有大量谐波,复杂的电网环境对锁相环性能提出了很高的要求。文章结合同步采样,提出一种基于SDFT的高性能锁相环方法,并通过数字仿真及半实物仿真对所述方法的性能进行了验证。仿真结果表明,与其他几种主流的锁相环对比,该方法稳态锁相精度高,动态响应速度快,并有较强的谐波抑制能力与抗偏置能力,适宜在轨道交通领域应用。

高速列车主动横向悬挂系统的临界时滞分析

在高速列车主动悬挂系统动作的过程中,时滞现象在所难免,这在一定程度上制约了其性能的发挥。为了探究二系横向主动悬挂系统时滞现象对车辆动力学性能的影响,文章首先建立两自由度1/4车辆横向简化模型,推导出临界时滞理论计算公式;然后,建立高速列车全自由度动力学模型,在Simulink中搭建控制模块进行联合仿真,采用一阶低通滤波器模拟实际控制力的幅值衰减和相位滞后特性,研究模态天棚与PID等控制策略的时滞影响规律。仿真结果表明,随着时滞的增加,模态天棚控制策略下的车体振动迅速恶化,横向平稳性指标迅速增加至2.0以上,而PID半主动控制几乎不增加横向平稳性指标;2种控制策略在50 ms内的时滞基本不会使构架振动剧烈恶化。若采用平稳性指标作为临界时滞的判据,则除PID控制策略外的大多数策略对应的临界时滞随着车速的提高而降低。文章系统性地研究了时滞问题,对高速列车主动悬挂系统的设计和优化具有一定的指导意义。

低开关频率下基于高频方波电压注入法的永磁同步电机无位置传感器控制策略

文章提出了一种永磁同步电机低开关频率下利用注入的高频方波电压在低速工况下估计转子位置的方法。通过注入电压产生的q轴电流变化量获得估算转子位置误差的结论,设计龙贝格状态观测器利用q轴电流变化量估算转子位置,并给出了一种简单的龙贝格状态观测器零极点的设计方法。试验结果表明,文章所提的无位置传感器控制策略在低开关频率下估算转速与转子位置能准确跟踪真实值。