武漢地鐵3號線車輛牽引電傳動系統(tǒng)的研究

熊潔+龐友闈

摘 要：牽引電傳動系統(tǒng)是地鐵車輛設(shè)備的關(guān)鍵和難點(diǎn)，對地鐵安全平穩(wěn)運(yùn)營起到關(guān)鍵性的作用。本文簡述武漢地鐵3號線列車的基本參數(shù)、性能要求和車輛牽引電傳動系統(tǒng)的牽引/電制動特性、主電路、控制關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：武漢地鐵3號線；牽引電傳動系統(tǒng)；牽引特性；控制關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號：U264.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）23-0042-02

當(dāng)今社會地鐵日益普及，成為人們必不可缺的出行方式，同時，全國范圍內(nèi)城市地鐵交通建設(shè)也越來越發(fā)達(dá)。牽引電傳動系統(tǒng)作為地鐵車輛的核心設(shè)備，其性能直接關(guān)系到地鐵的安全平穩(wěn)運(yùn)營[1-2]。根據(jù)地鐵供電制式和車型的不同，地鐵車輛的牽引電傳動系統(tǒng)的設(shè)計和原理也不盡相同。

武漢地鐵3號線為750V直流電壓接觸軌供電的B型車輛，本文以武漢地鐵3號線為例，對車輛牽引電傳動系統(tǒng)的原理和控制進(jìn)行闡述。

1 車輛概述

1.1 列車基本概述

列車的基本配置為6輛車編組，車輛為B型車體。整列車采用4動2拖編組型式：=Tc-M-M+M-M-Tc=（其中Tc：拖車，M：動車）。

列車由兩個單元車組組成，每個單元車組由1輛拖車（Tc車）和2輛動車（M車）組成，列車編組如圖1所示。

1.2 列車動力性能

（1）平均加速度：

列車在半磨耗輪徑Φ805mm、定員載荷AW2、干燥清潔平直道線路及額定接觸網(wǎng)壓750V情況下，平均加速度為：

列車從0加速到40 km/h：≥0.95m/s2；

列車從0加速到80 km/h：≥0.6m/s2。

（2）平均制動減速度：

列車在半磨耗輪徑Φ805mm、超員載荷AW2、干燥清潔平直道線路下，列車從最高運(yùn)行速度到停車時，平均減速度為：

最大常用制動：≥1.0m/s2；

快速制動：≥1.2m/s2；

緊急制動：≥1.2m/s2；

2 牽引電傳動系統(tǒng)說明

2.1 牽引電傳動系統(tǒng)基本概述

列車牽引系統(tǒng)主電路采用兩電平電壓型直—交逆變電路。經(jīng)受流器受流輸入的DC750V直流電由VVVF逆變器變換成頻率、電壓均可調(diào)的三相交流電，向牽引電機(jī)供電。每個動車的主電路型式、結(jié)構(gòu)基本相同。VVVF逆變器由兩個逆變模塊單元組成，采用2個逆變器模塊驅(qū)動4臺牽引電動機(jī)的工作方式，電阻制動斬波單元與逆變模塊單元集成在一起。當(dāng)電網(wǎng)電壓在500V～900V之間變化時，主電路能正常工作，并方便地實(shí)現(xiàn)牽引—制動的無接點(diǎn)轉(zhuǎn)換[3]。

電氣牽引系統(tǒng)充分利用輪軌粘著條件，并按列車載重量從空車到超員載荷AW2范圍內(nèi)自動調(diào)整牽引力的大小，并保證一定牽引力冗余量，使列車在空車AW0至超員載荷AW2范圍內(nèi)保持起動加速度基本不變，并具有反應(yīng)迅速、有效可靠的粘著利用控制和空轉(zhuǎn)保護(hù)。

列車電制動采用再生制動，制動能量反饋回電網(wǎng)，當(dāng)電網(wǎng)不能吸收時轉(zhuǎn)為電阻制動。常用制動采用電制動優(yōu)先，用足電制動，電制動不足時由空氣制動補(bǔ)足的微機(jī)控制的混合制動方式。緊急制動僅使用空氣制動。

列車充分利用輪軌粘著條件，并按列車載重量從空車到超員載荷范圍內(nèi)自動調(diào)整電制動力的大小及補(bǔ)充空氣制動，使列車在空車至超員范圍內(nèi)保持制動減速度基本不變，并具有反應(yīng)迅速、有效可靠的粘著利用控制和滑行保護(hù)。

電氣牽引系統(tǒng)由高壓電器（MQS、HB）、電容器充放電單元（KM1、KM2、MQS1、R1、R2）、濾波單元（L、C）、斬波及過電壓抑制單元（斬波IGBT模塊、RB01/RB02）、逆變器單元（INVMK1、INVMK2）、交流牽引電機(jī)（1M01-1M04）及檢測單元（LH2、LH13-LH14/LH23-LH24、LH16/LH26、VH2、VH1）等組成。

2.2 各部件的主要作用

（1）高壓母線電路：高壓母線電路是電氣牽引系統(tǒng)的輸入電源電路，電路中母線電器用于列車高壓母線重聯(lián)（BHB、BLB用于Tc車和M2車之間的母線重聯(lián)），從而確保列車通過無電區(qū)時運(yùn)行平穩(wěn)。BAF用于列車高壓輔助貫通母線的保護(hù)，V1用于該母線與其他線路的隔離[4-5]。

（2）高壓電器單元：高壓電器單元由主隔離開關(guān)（MQS）、高速斷路器（HB）等組成。

主隔離開關(guān)（MQS）用于主電路的隔離以及通過機(jī)械連鎖開關(guān)將支撐電容器的放電回路短接，以保證維修安全。高速斷路器（HB）用于主電路的故障保護(hù)。

（3）電容器充放電單元：電容器充放電單元由接觸器（KM1、KM2）及充放電電阻（R1）、固定放電電阻（R4）等組成。

當(dāng)主電路高速斷路器（HB）閉合后，閉合接觸器（KM2），通過受流器（AP）輸入的高壓電源經(jīng)主隔離開關(guān)（MQS）、充放電電阻（R1）給支撐電容（C）充電，當(dāng)電容電壓在一定時間且上升到一定值時，KM1閉合，電容充電完成。

在正常情況下，電容的放電由固定放電電阻（R4）完成，將電容端電壓放電到50V以下的時間小于5min。

當(dāng)對高壓電路和VVVF逆變器檢修或維護(hù)保養(yǎng)時，則放電電阻（R1）與主隔離開關(guān)的聯(lián)鎖輔助開關(guān)（MQS1）形成直流支撐電容的快速放電回路，從而使電容通過放電電阻快速放電。

（4）濾波單元：濾波單元由濾波電抗器（L）及主電路支撐電容器（C）組成。

濾波電抗器與主回路支撐電容器組成濾波單元。主要用來限制直流側(cè)濾波單元的電壓、電流波動，濾除高次諧波，阻止供電的瞬時突變，保護(hù)電器設(shè)備。

（5）牽引逆變器單元：牽引逆變器作為整個交流傳動系統(tǒng)的重要組成部分，它的基本功能是，把從直流電源獲得的直流電壓變換成頻率和幅值都可調(diào)的三相交流電，并給牽引電機(jī)供電。endprint

逆變器采用IGBT元件，為兩電平逆變電路。主電路由兩個逆變器模塊（INVMK1、INVMK2）組成，每個逆變器模塊集成三相逆變器的三相橋臂（逆變模塊）及制動相橋臂（斬波模塊），驅(qū)動2臺牽引電動機(jī)。集成在VVVF逆變器箱中的2個逆變器模塊驅(qū)動4臺牽引電動機(jī)。

（6）制動斬波單元：地鐵車輛在下坡或者其他需要減速的場合，車輛上的電動機(jī)要停止從電網(wǎng)獲取電能，電動機(jī)成為發(fā)電機(jī)，在發(fā)電的過程中電機(jī)會產(chǎn)生反力矩促使列車減速，而發(fā)出的電能在電網(wǎng)不能吸收的情況下由制動電阻進(jìn)行耗散。此時則開通制動斬波回路，吸收動車所產(chǎn)生的制動能量，轉(zhuǎn)換成電阻的熱能散發(fā)到隧道或周圍環(huán)境中。另外地鐵車輛在運(yùn)行的過程中有時會遇到輪對空轉(zhuǎn)、跳弓等瞬態(tài)過程，從而引起直流電壓的上升，為了防止直流電壓上升超過允許范圍以及電空制動的轉(zhuǎn)換，需要開通制動電阻支路來降低相應(yīng)的過電壓或維持電制動完成與空氣制動的平滑轉(zhuǎn)換。

（7）牽引電動機(jī)：牽引電機(jī)為三相交流異步牽引電動機(jī)，其技術(shù)特征為：轉(zhuǎn)子為銅排鼠籠式結(jié)構(gòu)，定子為無機(jī)殼結(jié)構(gòu)，懸掛方式為架承式全懸掛，絕緣等級為200級（耐電暈），冷卻方式為帶內(nèi)風(fēng)扇自通風(fēng)。

（8）檢測單元：檢測單元由LH1、LH2、LH13、LH14、LH16、LH23、LH24、LH26、VH1、VH2等電流、電壓傳感器組成，傳感器采用霍爾傳感器，其中LH1為差動電流傳感器，實(shí)現(xiàn)主電路接地故障保護(hù)。

3 結(jié)語

本文簡述了武漢地鐵3號線列車的基本參數(shù)、性能要求和車輛牽引電傳動系統(tǒng)的牽引/電制動特性、主電路、控制關(guān)鍵技術(shù)。該牽引電傳動系統(tǒng)經(jīng)現(xiàn)場運(yùn)用至今，能基本滿足現(xiàn)場需求，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的成熟可靠性。

參考文獻(xiàn)

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