進口地鐵車輛牽引系統國產化研究

王 昊，霍苗苗，李 熙

(北京市地鐵運營有限公司地鐵運營技術研發中心，北京102208)

0 引言

在城市軌道交通發展初期，軌道車輛的關鍵系統采用進口引進的方式，隨著這批車輛陸續進入廠修周期，其進口部件的維護成本、維護周期成為一個亟待解決的問題［1］。北京地鐵13 號線車輛牽引系統采用日本日立技術，自2003年運營已達11年之久，使用壽命達到期限，面臨著高成本的廠修及后期維護壓力;北京地鐵運營有限公司針對這一難題，對13 號線車輛進口子系統進行國產化研究，其中國產化牽引系統實現了與原車進口系統的無縫替換。該研究的成功不僅解決了進口系統維護成本高、維護周期長的問題，同時也為國內進口地鐵車輛關鍵部件國產化提供了借鑒作用。

本研究基于仿真計算，預期達到車輛牽引性能要求，并通過現場試驗結果對仿真計算進行驗證。

1 牽引系統動力性能計算

13 號線車輛采用3M3T 六輛車編組方式，即:Mc·TM·T-T·Mc。供電電壓:DC750 V(DC500 V～900 V)，采用第三軌受流;車輛自重:拖車29 t，動車35 t，帶司機室動車36 t;定員載荷(AW2)列車重量為280 t，超員載荷(AW3)列車重量為303 t。車輛的基本牽引性能要求如下:

最高運行速度:80 km/h;

平均旅行速度不低于:39 km/h(平均站停時間30 s)。

在超員情況下，在平直線路上，車輪半磨耗狀態，額定電壓750 V 時，平均加速度為:

列車從0 加速到40 km/h 不小于0.83 m/s2;

列車從0 加速到80 km/h 不小于0.5 m/s2。

國產化牽引系統需要滿足車輛動力性能、故障運行/救援能力及實現預期的旅行速度等，根據列車的牽引性能要求進行不同載荷下的牽引計算［2-3］，由牽引計算結果進行牽引系統電器參數的計算與選型，車輛的牽引/電制動特性曲線如圖1(a)、1(b)所示。

圖1 牽引/電制動特性曲線

在AW3 載荷、半磨耗輪徑、平直線路、額定3 軌電壓750 V 條件下，列車最大啟動輪緣牽引力Fs=298 kN，其中恒牽引力速度范圍0～37 km/h，恒功率速度范圍37 km/h～43 km/h，自然特性速度范圍50 km/h～80 km/h。在齒輪比參數與原車參數7.69 保持一致的情況下，單臺電機的最大扭矩約為1 333 Nm，最高轉速為4 055 r/min，電機的最大功率為272 kW，電機的峰值電流有效值為370 A，網線峰值電流1 600 A。在半磨耗輪徑及制動額定三軌電壓825 V 的條件下，列車最大電氣輪緣制動力為252 kN，其中自然特性范圍80 km/h～60 km/h，恒電制動力速度范圍60 km/h～5 km/h，電制動力起始減小速度點為5 km/h(可調);電臺電機輸出最大扭矩為－1 077 Nm，最大電制動功率為343 kW，電機的峰值電流有效值為340 A，網線峰值電流1 500 A。

列車在AW3 載荷且喪失1/3 的動力情況下，提供最大牽引力F 為199.2 kN，在坡度為24‰的坡道上起動，需克服列車的啟動阻力和坡道阻力，加速度計算結果為:a=0.36 m/s2;一列空載(AW0)列車牽引一列失去動力且處于超員(AW3)狀態下的列車上坡，列車提供最大牽引力F 為198 kN，共需克服兩車的啟動阻力與坡道阻力，此時加速度a=0.115 m/s2，國產化牽引系統性能的計算結果能夠滿足列車的故障運行及救援。

2 硬件結構設計與參數計算

原車牽引系統為逆變器—異步電機交流傳動系統，在每個動車上各配備一套，動車間的高壓母線由母線高速斷路器連接，系統主要包括高壓電器箱、逆變器、4 臺電機及其傳動裝置［4-5］。國產化牽引系統為了保證能夠與原型系統完全兼容，整體部件結構設計與原車保持一致，主電路原理圖如圖2所示。

圖2 國產化牽引系統主電路原理

每個牽引單元的主電路主要部件包括隔離開關箱、熔斷器箱、高速斷路器箱、斷路器箱、濾波電抗器、牽引逆變器、制動電阻、牽引電機、齒輪箱等，牽引逆變器包含兩臺逆變功率模塊和牽引控制單元，每臺逆變功率模塊驅動兩臺牽引電機。其中電器部件隔離開關、熔斷器、高速斷路器、接觸器主要用于主電路的隔離以及機械連鎖放電、主電路的短路及故障保護、線路短接等。逆變功率模塊集成了三相逆變橋臂和制動斬波橋臂，還包括支撐電容和IGBT 門極驅動單元，采用低感母排進行電容與IGBT 的連接，無吸收電路，電路簡潔、可靠，另外散熱方式為自然冷卻，采用以水為冷卻介質的熱管散熱器，對環境無污染、無噪聲。支撐電容與前級濾波電抗器組成了LC 濾波回路，由于地鐵運行工況較多，母線電流變化較大，電抗器設計采用空心結構，其感值幾乎不受直流側電流的影響。牽引電機采用國產化鼠籠異步電機，轉子為銅排鼠籠結構，導條采用高強度的銅合金材料;定子為無機殼結構，冷卻方式為帶內風扇自通風。各高壓電器的選型和主要參數則需考慮高壓電氣性能、可靠性、所承受的供電網的電壓，并根據牽引計算數據進行計算，其參數選型計算如下:

根據車輛牽引計算結果母線的峰值電流為1 600 A，計算車輛每站的停站時間及運行時間，選擇隔離開關的額定電流為1 000 A，熔斷器的額定電流為1 600 A，高速斷路器額定電流為1 000 A，脫扣電流的選擇需考慮系統的過流保護順序，分為3 級:牽引控制單元軟件邏輯保護、高速斷路器脫扣保護、熔斷器熔斷保護，因此高速斷路器的脫扣電流要介于軟件保護電流值與熔斷器燒斷電流值之間，確定為2 200 A。LC 濾波電路參數選取需考慮電流紋波系數及諧振頻率［6］，確定L=6 mH，C=13 mF;牽引系統的最大制動功率為343 ×2 ×0.95=650 kW，計算制動電阻阻值為:

考慮一定的裕量，制動電阻取值為1.1 Ω。各電器主要參數如表1所示。

牽引系統硬件設計過程中，結合車輛運行出現的問題及經驗，在不影響兼容性的前提下進行優化設計:

表1 電器主要參數

(1)高壓電器箱采用輕化玻璃鋼材質，滿足IP65防護等級，但是高速斷路器在脫扣動作時，產生電弧，使箱體內壓力增大，因此本研究在HB 箱體前門板設計時，采用百葉窗結構;

(2)功率模塊集成了逆變單元和斬波放電單元，取消了制動斬波箱，考慮到車輛配重與車體走線，在原車相應的位置配備了制動電阻接線箱;

(3)國產化制動電阻電阻帶厚度由2 mm 縮小為0.69 mm，電阻帶方向平行于車輛行走方向，有利于空氣對流散熱;并且制動電阻采用二次絕緣結構。

3 牽引控制系統設計

國產化牽引控制系統由牽引TCU 控制器及其外圍傳感器電路組成，實現列車牽引順序控制邏輯、牽引/電制動特性控制和牽引系統故障保護等。TCU 控制器采用雙DSP +PFGA 的架構，與牽引系統主電路結構相對應，PFGA 負責信號采集、脈沖輸出、快速故障保護等，兩片DSP 分別控制兩臺PU 模塊，負責完成IGBT 逆變器及牽引電機的實時控制、粘著控制、制動斬波控制等，TCU 工作邏輯如圖3所示。

圖3 TCU 工作邏輯

牽引控制系統的設計依據安全、可靠、先進的原則進行，操作功能方面包括原車既有功能:前/后牽引、電制動、高加速、坡道啟動等，并結合車輛實際運行的經驗進行控制優化，其軟件結構分為以下幾個部分:

(1)信號采集模塊。該模塊功能為采集用于控制和保護的電壓、電流、電機轉速、和功率模塊溫度信號，并進行濾波和轉換處理。具有硬件電路自診斷功能，在上電開始，控制器先進行模擬信號電路的硬件自診斷。

(2)故障處理模塊。牽引系統故障保護采用分級處理機制，分為3 級:故障A:自動恢復型故障;故障B:連續發生3 次轉為永久性故障;故障C:永久性故障。并且具有PFGA 和DSP 兩層保護，FPGA 為快速型保護，保護時間為μs 級，主要保護過流與過壓故障，DSP 為一般型保護，保護時間為ms 級。

(3)邏輯控制模塊。DSP 的軟件結構分為邏輯控制模塊+電機牽引算法模塊兩大部分［7］，邏輯控制模塊負責車輛司機控制器、指令開關的判斷處理以及母線接觸器控制、主斷路器控制、充電接觸器控制、主接觸器控制、制動接口的控制等。

(4)矢量算法模塊。逆變器控制采用矢量控制方法進行轉矩和磁通的解耦控制，使得系統動態性能近似于直流電機的調速性能。這種控制方法轉矩響應好，控制精度高，保證單軌車運行時系統響應快速、運行平穩、旅客舒適度高，該模塊屬于電機牽引算法模塊中的一部分。

(5)防滑防空轉模塊。13 號線車輛線路條件較為惡劣，大部分線路為露天鋪設，在陰雨天氣粘著系數嚴重下降，空轉、滑行現象頻繁出現，國產化系統著重優化了該功能，在硬件配置方面，主電路的每個逆變單元分別驅動同一車輛不同轉向架的1、3 位和2、4 位2 臺并聯的異步牽引電動機，以充分利用牽引/電制動運行時的軸重轉移補償，保證最佳的粘著利用;在軟件控制方面，采用蠕滑和加速度判斷相結合的方法進行電制動力矩的控制。在牽引工況下，隨著粘著系數的下降，動輪與拖輪的相對轉速差逐步增大，將會觸發蠕滑控制，防止粘著的進一步下降，避免空轉發生，即使發生空轉，利用加速度檢測的方法再進行空轉控制。

(6)無電區控制模塊。北京地鐵采用三軌供電，受流復雜，線路上存在多處無電區，車輛在牽引或電制動工況下經過無電區時，容易產生過壓、過流故障，容易造成電器設備的損壞。國產化控制系統加入網壓瞬斷功能，通過檢測網壓斜率進行網壓瞬斷保護，快速關斷脈沖、斷開接觸器，使牽引系統電器設備與三軌隔離。

(7)制動電阻控制模塊。車輛電制動能量吸收為車載制動電阻吸收方式，在電制動過程中，制動電阻過溫發生保護后，三軌電壓被抬升觸發過壓保護，電制動力突然切除，造成列車嚴重的沖動。國產化牽引控制系統采用精確的制動電阻溫度估算模型，檢測到制動電阻的溫度超過閾值450 ℃時，電制動力進行衰減，然后制動電阻再進行切除保護，不但避免了過壓故障的產生，而且消除沖動現象。制動電阻估算模型為［8］:

式中:δ—放電調制系數;Δt—開關周期;t—工作周期，s。

4 試驗結果分析

為保證國產化牽引系統與原車牽引系統的一致性及兼容性，本研究對換裝國產化牽引系統的車輛進行了試驗。牽引4 級從零速至80 km/h 的試驗波形如圖4、圖5所示，其中圖4 為電機U 相電流母線電流Idc_means、母線電壓Udc_fil、牽引檔位MLC 的波形，功率模塊開關頻率由異步調制到同步調制最后轉為單脈沖控制，圖5 為勵磁電流M-Id、轉矩電流Iq及車輛速度Vspeed波形，當車速達到80 km/h 時，轉矩電流開始下降已到達限速的目的。國產化車輛進行了動態的輕載、重載試驗，試驗結果表明，國產化牽引系統具有良好的動態性能。

圖4 電機電流、母線電壓、母線電流、檔位波形

圖5 勵磁電流、轉矩電流、列車速度波形

5 結束語

牽引系統在國產化設計過程中，不僅要根據車輛動力性能要求進行系統的結構設計及參數計算，而且還要考慮車輛的實際情況，在硬件結構及軟件設計方面進行量身定制，以保證國產化系統在換裝及應用過程中滿足車輛的要求，為實現系統的無縫替換，需遵循以下原則:

(1)牽引控制功能保持與原車一致，以避免改變原車的操作、使用習慣;

(2)機械接口及其電氣接口要與原車系統兼容，以避免車體結構及轉向架進行更改;

(3)系統動力性能在充分利用粘著的基礎上不能低于原車，以避免與原車混跑時影響運營;

(4)國產化系統部件重量不得大于原型系統的重量，以避免車輛配重不平衡。

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