城鐵軌道牽引系統(tǒng)DC750集成設(shè)計(jì)技術(shù)研究

陸波

摘 要：交通運(yùn)輸行業(yè)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，社會(huì)總體經(jīng)濟(jì)水平的大幅度提高，一方面夯實(shí)了城市軌道列車(chē)的發(fā)展基礎(chǔ)，另一方面，人們對(duì)軌道列車(chē)的運(yùn)行提出了更加嚴(yán)格的技術(shù)、安全要求。在此基礎(chǔ)之上，本文從實(shí)踐出發(fā)，對(duì)DC750牽引系統(tǒng)的集成技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的探究。

關(guān)鍵詞：電路結(jié)構(gòu)；牽引逆變器；輔助供電系統(tǒng)

電力、電子技術(shù)在城鎮(zhèn)軌道交通的大范圍應(yīng)用，不僅提升了車(chē)輛運(yùn)行設(shè)計(jì)的專(zhuān)業(yè)難度，還在一定程度上使得機(jī)電一體的交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)更加的復(fù)雜化。為此，管理單位應(yīng)結(jié)合軌道牽引系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用情況，保證鐵路運(yùn)行方案設(shè)計(jì)的合理性，從而為有軌鐵路的安全、穩(wěn)定運(yùn)行提供技術(shù)保障。

一、DC750型牽引系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)流程、電路結(jié)構(gòu)及高壓電源

1、DC750型牽引系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)流程

列車(chē)牽引系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括牽引配置、變流器配置等環(huán)節(jié)，與城鐵運(yùn)輸系統(tǒng)的動(dòng)力單元有著直接的關(guān)聯(lián)。為此，通過(guò)集成設(shè)計(jì)提升牽引系統(tǒng)的動(dòng)力是強(qiáng)化城鐵軌道建設(shè)效率的重要基礎(chǔ)。在進(jìn)行牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，應(yīng)在全面收集鐵道運(yùn)行數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，確定城鐵的車(chē)輛型號(hào)、編組等，保證鐵道的安全運(yùn)行。城鐵牽引系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括：列車(chē)質(zhì)量、載荷、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量系數(shù)、車(chē)輛數(shù)目、加速性能要求、列車(chē)運(yùn)行阻力公式、線路條件、動(dòng)拖比等，計(jì)算得恒力矩階段的牽引力、軸功率（非電機(jī)額定功率，而是電機(jī)峰值功率）等。在此基礎(chǔ)之上，應(yīng)根據(jù)線路限制等因素，對(duì)坡道起動(dòng)開(kāi)展校驗(yàn)工作。

2、牽引系統(tǒng)的供電制式與主電路結(jié)構(gòu)

當(dāng)前階段，牽引系統(tǒng)的供電制式主要分為DC750與1500兩種類(lèi)型。集成系統(tǒng)一般運(yùn)用動(dòng)力分散的電路構(gòu)架方式。牽引電機(jī)根據(jù)電機(jī)感應(yīng)的類(lèi)型不同主要有異步交流、直線感應(yīng)、永磁同步等類(lèi)型的電機(jī)。下面以DC750型供電制式為例，對(duì)牽引系統(tǒng)的動(dòng)機(jī)配置進(jìn)行簡(jiǎn)單的探討：受開(kāi)關(guān)與牽引逆變?cè)O(shè)備的容量限制，DC750型輸電網(wǎng)通常以一個(gè)逆變器帶動(dòng)兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)的電壓配置方式。如北京的五號(hào)與十三號(hào)線路、武漢一號(hào)的輕軌列車(chē)。該種電路結(jié)構(gòu)具有建設(shè)成本較高，變流設(shè)備的體積與重量大等問(wèn)題，但對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)向架輪徑要求不高，能有效發(fā)揮粘著條件的優(yōu)勢(shì)，從而最大程度上發(fā)揮電機(jī)牽引作用力。DC750型電機(jī)設(shè)備的運(yùn)行特點(diǎn)決定了當(dāng)某一臺(tái)電路變流器出現(xiàn)異常時(shí)，整個(gè)鐵路軌道的動(dòng)能并不會(huì)受到太多的負(fù)面影響。

3、牽引系統(tǒng)的高壓電源設(shè)計(jì)

有軌列車(chē)的高壓電源主要承擔(dān)的牽引系統(tǒng)的供電與高壓負(fù)載設(shè)備的電氣連接、電力配置、設(shè)備接地等方面的工作。其中，電源的高壓母線是保證列車(chē)供電安全的重要基礎(chǔ)，是整個(gè)電源系統(tǒng)的基礎(chǔ)電路。除此之外，第三軌電壓的分流方式受電壓影響，在軌道設(shè)置了母線短路器，對(duì)軌道的母線進(jìn)行保護(hù)，降低設(shè)備失電問(wèn)題發(fā)生的可能性。具體來(lái)講，當(dāng)城鐵軌道進(jìn)入全列貫通高壓的模式時(shí)，列車(chē)的運(yùn)行速度正常，但實(shí)際速率大于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，第三軌道的電壓能夠利用集電靴與電車(chē)進(jìn)行連接，保證列車(chē)的逆變器維持正常運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)城鐵軌道保持全列貫通高壓的狀態(tài)時(shí)，列車(chē)的功率大、行車(chē)速度高，第三軌道高壓母線的流經(jīng)電壓較高。因此，母線電路的設(shè)定值較高，電源設(shè)備的外形與質(zhì)量也需要相應(yīng)的強(qiáng)化，這種情況下，通常會(huì)選用線徑較大的母線。綜合兩種情況，應(yīng)采用整體高壓不貫通，但在部分車(chē)輛運(yùn)行的列車(chē)段采用電壓貫通的行車(chē)方案。

二、城鐵牽引設(shè)備集成設(shè)計(jì)的技術(shù)要點(diǎn)

1、城鐵牽引系統(tǒng)的逆變器

逆變器作為鐵道牽引裝置的核心部件，是控制軌道程序正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵點(diǎn)，逆變器的運(yùn)行質(zhì)量會(huì)對(duì)軌道通車(chē)質(zhì)量產(chǎn)生直接的影響。與此同時(shí)，鐵軌的運(yùn)輸能力、電力消耗量、運(yùn)行效率等也與逆變器有著一定的關(guān)聯(lián)。作為城鐵牽引系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)，逆變器設(shè)備箱體部分的構(gòu)成盡管有所差異，但逆變器的主體結(jié)構(gòu)主要包括：充電電路、濾波電抗器、電壓檢測(cè)傳感器、直流側(cè)濾波電容、三相橋式逆變電路等。常見(jiàn)的逆變器設(shè)計(jì)要點(diǎn)主要包括：第一，電路構(gòu)造與逆變器參數(shù)的確定。變流器的LGBT部件是牽引系統(tǒng)的核心原件，為此在進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)時(shí)，要在保證LGBT設(shè)備輸出能力的基礎(chǔ)上，提升原件運(yùn)行的安全性與可靠性。與此同時(shí)，一旦牽引電機(jī)出現(xiàn)過(guò)載的情況，將會(huì)引發(fā)逆變器過(guò)流問(wèn)題。逆變器設(shè)計(jì)方案的參考數(shù)據(jù)不僅包括元件的額定容量與電流輸出有效值，還應(yīng)參考電力制動(dòng)的實(shí)際情況，考慮LGBT原件與二極管在尖峰時(shí)期產(chǎn)生的電流。第二，逆變器的冷卻。逆變器在進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要求具備一定的緊湊性，便于設(shè)備后期的裝卸和維護(hù)。LGBT原件的絕緣封裝能夠簡(jiǎn)化冷卻設(shè)備的安裝，逆變器的冷卻方式與其實(shí)際輸出功率也有著密切的關(guān)系。一般而言，逆變器元件的冷卻方式主要有自然冷卻法、水冷卻法、強(qiáng)迫風(fēng)冷等幾種方式。

2、牽引電機(jī)的技術(shù)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

城市的鐵路軌道交通系統(tǒng)使用的是異步式電機(jī)，該種電機(jī)的設(shè)計(jì)主要受軌道運(yùn)行的牽引特點(diǎn)、設(shè)備安裝方式以及傳動(dòng)比等因素的影響。常見(jiàn)的異步電機(jī)主要具備以下特點(diǎn)：首先，區(qū)別于干線鐵路使用的牽引電機(jī)，不需要持續(xù)運(yùn)行，因此其負(fù)載并不連續(xù)。同時(shí)，這種短期工作的模式，有時(shí)會(huì)使得電機(jī)過(guò)載，尤其是在電制動(dòng)的狀態(tài)下，電機(jī)的功率只是標(biāo)稱(chēng)，巔峰時(shí)刻的功率遠(yuǎn)高于標(biāo)稱(chēng)功率。牽引電機(jī)運(yùn)行功率的過(guò)載倍數(shù)能夠直接反映設(shè)備運(yùn)行的間歇性特點(diǎn)，是衡量點(diǎn)擊運(yùn)行狀態(tài)的關(guān)鍵指標(biāo)；其次，電機(jī)的牽引特性與車(chē)輛軸重、起動(dòng)平均加速度、制動(dòng)平均減速度、平均技術(shù)速度等技術(shù)參數(shù)有密切的關(guān)系，不同的線路狀況與車(chē)輛參數(shù)、異步牽引電機(jī)的牽引功率都不一樣；第三，牽引電機(jī)一般安裝自動(dòng)通風(fēng)裝置，為軌道鐵路工程的后期維修與設(shè)備安裝提供了一定的便利；除此之外，無(wú)速度傳感等新技術(shù)在牽引電機(jī)方案設(shè)計(jì)中的廣泛應(yīng)用，也為異步電機(jī)的發(fā)展指明了新的方向。

3、牽引系統(tǒng)的輔助供電設(shè)計(jì)

（1）輔助供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前城軌列車(chē)輔助供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括以下三種：1個(gè)單元裝載1臺(tái)輔助逆變器（SIV）的集中供電方式；1列車(chē)裝載多臺(tái)SIV、輸出交叉供電或擴(kuò)展供電的分散供電方式；多臺(tái)SIV輸出直接并聯(lián)的并聯(lián)供電方式。為滿(mǎn)足某個(gè)SIV故障時(shí)的負(fù)載用電需求，集中供電式和分散供電式結(jié)構(gòu)均需設(shè)置擴(kuò)展供電電路。并聯(lián)供電方式不需設(shè)置擴(kuò)展供電電路，所有SIV的輸出并聯(lián)，要求每臺(tái)SIV輸出同電壓、同相位、同頻率。

（2）輔助供電系統(tǒng)的容量設(shè)計(jì)

牽引系統(tǒng)的輔助供電設(shè)備應(yīng)在滿(mǎn)足列車(chē)負(fù)載電力容量需求的基礎(chǔ)上，預(yù)留一定的冗余量。一般情況下，輔助供電的電容量應(yīng)該為實(shí)際總負(fù)載容量的百分之一百四十左右。與此同時(shí)，輔助供電系統(tǒng)不僅需要滿(mǎn)足電車(chē)的正常供電需求，還應(yīng)綜合考慮逆變器故障時(shí)，對(duì)輔助供電設(shè)備的負(fù)載需求。對(duì)采用集中供電方式或分散供電方式的的輔助電源系統(tǒng)，SIV輸出容量必須考慮在其中一臺(tái)SIV故障的情況下，正常SIV能夠給全列車(chē)或基本負(fù)載供電?；矩?fù)載是指車(chē)輛切除一半空調(diào)壓縮機(jī)負(fù)載后的全部負(fù)載。

結(jié)語(yǔ)：城市軌道的牽引集成系統(tǒng)是控制城鐵車(chē)輛運(yùn)行質(zhì)量的技術(shù)要點(diǎn)，也是城鎮(zhèn)交通設(shè)施建設(shè)的重要基礎(chǔ)。為保證DC750設(shè)計(jì)的合理性與科學(xué)性，在進(jìn)行實(shí)際的技術(shù)引進(jìn)時(shí)，不僅需要完整的理論體系與動(dòng)車(chē)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，還應(yīng)該結(jié)合相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、運(yùn)行數(shù)據(jù)，來(lái)進(jìn)行牽引系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合電力技術(shù)與牽引技術(shù)，打造多元化的發(fā)展平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)我國(guó)城鎮(zhèn)交通系統(tǒng)的現(xiàn)代化發(fā)展，是當(dāng)前階段交通運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向。

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