導軌電車牽引系統

朱麗媛 李明 鮑新娜

摘 要：在軌道交通行業中，牽引系統為列車提供所需動力及電制動力，用于控制列車電機工作，是列車的核心系統。文章介紹了導軌電車車輛參數及性能要求，闡述了導軌電車牽引/電制動特性，主要研究了導軌電車的牽引系統，包括牽引系統的主回路，牽引控制單元以及牽引控制回路。

關鍵詞：導軌電車；牽引系統；牽引控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.09.057

1 引言

目前，城市軌道交通在全國及全世界得到了快速的發展，它有運行密度高、行車間隔短、行車速度高、污染小等優點。導軌電車作為城市軌道交通行業的新型產品，其顯著優勢是爬坡能力強，能耗低等。

2 車輛參數及性能要求

導軌電車為三編組100%低地板有軌電車，編組形式為動車（M1）+客車（Tp）+動車（M2），采取膠輪驅動、承載，單軌鋼輪導向模式。列車最高速度為80km/h，接觸網受電弓受流方式，供電電壓為DC750V。

2.1 車輛參數

車輛參數如下表所示：

2.2 動力性能

2.2.1 牽引性能要求

在平直干軌情況下：

最大起動加速度：1.3m/s?，失去一半動力為0.5m/s2

0-40km/h 平均加速度：a0-40≥ 0.95 m/s2，失去一半動力為0.45 m/s2

0-80km/h 平均加速度：a0-80≥ 0.45 m/s2，失去一半動力為0.09 m/s2

2.2.3 電制動性能要求

在平直干軌情況下：

最大電制動減速度：≤2 m/s2

緊急制動：≤5 m/s2

3 牽引系統

導軌電車的牽引系統為直-交流傳動系統，該系統采用矢量控制，具有優異的牽引特性及空轉/滑行控制功能。牽引系統主要由受電弓、高壓箱、牽引逆變器、牽引電機、輔助牽引蓄電池組和電阻制動裝置等組成。正常運行時，受電弓直接從架空接觸網獲取DC750V電壓，經過受電弓進入高壓箱，高壓箱將DC750V供給M1和M2車的牽引逆變器、輔助變流器和各車的DC750V空調。牽引逆變器為牽引電機提供電源，充電機對牽引蓄電池充電。輔助變流器為整車的輔助設備提供電能。在無接觸網供電時，由牽引蓄電池組為整列車提供動力。制動工況時，牽引電機將機械能轉換為電能，當接觸網電壓低于DC850V時，制動能量通過接觸網返回，當接觸網電壓高于DC850V時，制動能量由電阻制動裝置消耗。

3.1 牽引/制動特性設計

（1）根據導軌電車運行性能要求：列車起動牽引力Fq為85kN，持續牽引力為38.5kN，持續速度為28km/h，持續輪周功率PL為300kW。

（2）根據汽車理論，汽車的行駛阻力Fx為滾動阻力Fg、空氣阻力Fk和坡道阻力Fp之和。即Fx=Fg+Fk+Fp。

滾動阻力Fg=W×f，其中W為車輪法向載荷，f為滾動阻力系數。

滾動阻力系數f=0.0076+0.000056V，其中， V為列車運行速度。

空氣阻力Fk=CD×A×V×V÷21.15，其中CD為空氣阻力系數，客車常用值為0.5～0.8；A為迎風面積，客車常用值為4～7；V為列車運行速度。

坡道阻力Fp=G×i，其中G為重力，i為坡度值。

空氣阻力中，CD取0.8，A取7。計算得行駛阻力與速度的特性曲線。

（3）列車瞬時加速度a=（FL-Fx）÷1.06÷M

計算得：列車最大加速度為1.752m/s?，列車剩余加速度為0.14m/s?。

設置加速踏板最高加速度為1.3m/s?。

（4）根據汽車理論，列車粘著牽引力Fμ=Fz×φ，其中Fz為驅動輪法向反作用力，φ為附著系數。

在良好的混凝土或瀝青路面上，路面干燥時φ=0.7～0.8。計算時取平均值0.75。

若前后輪Fz相等，則Fz=0.5×（G-0.5×A×ρ×V×V×（C1+C2）），其中G為重力，A為迎風面積取7，ρ為空氣密度1.2258，V為列車運行速度，C1+C2為前后輪空氣升力系數，可通過試驗確定，結合一般車型的空氣升力系數取平均值，約為0.35。

計算得到列車粘著牽引力與速度的關系為：

（5）結合以上計算，得到有軌電車的牽引特性曲線，如圖4所示。

（6）根據牽引電機特性，制動功率可在短時內達到電機最大功率，故電阻制動最大功率為440kW。計算得電制動力與速度曲線如圖5所示。

經過計算，設計的牽引/電制動特性能夠使得導軌電車爬坡能力、牽引制動能力得到充分體現。

3.2 主回路

3.2.1 高壓電路

導軌電車的高壓電路如圖6所示。在正常接觸網供電時，DC750V通過接觸網經過受電弓進入Tp車的高壓箱，在受電弓下設置有避雷器。高壓箱位于Tp車車頂，內部有三位置隔離開關、高速斷路器、熔斷器，并將DC750V供給M1和M2車的牽引逆變器和三個車的DC750V空調。牽引逆變器為牽引電機提供電源，充電機對牽引蓄電池充電。在無接觸網供電時，全車的牽引模塊和直流空調都由M1和M2車的充電機將牽引蓄電池升壓提供電能。

3.2.2 牽引主回路

導軌電車牽引系統采用牽引逆變器-異步牽引電機構成的交流電傳動系統。牽引系統主電路采用兩電平電壓型直-交逆變電路。經受電弓接觸受流輸入或牽引蓄電池提供的DC750V直流電由牽引逆變器變換成頻率、電壓均可調的三相交流電，向牽引電機供電。牽引逆變器由一個逆變模塊單元組成，驅動一臺牽引電機。牽引蓄電池充電機、制動斬波單元與逆變模塊單元集成在牽引變流器箱。當電網電壓在500V～900V之間變化時，主電路能正常工作，并方便地實現牽引-制動的無接點轉換，滿足列車的牽引及制動特性的要求，并且雙向DC/DC充電機單元通過降壓斬波可向牽引蓄電池充電。當無電網時，牽引工況下，雙向DC/DC充電機單元通過升壓斬波可將牽引蓄電池儲存的能量反向輸出給牽引系統、輔助系統使用，滿足列車的牽引系統、輔助系統和直流空調的用電需求；電制動工況下，優先通過雙向DC/DC充電機單元降壓斬波向牽引蓄電池充電。牽引主電路如圖7所示。

4 牽引系統控制

4.1 牽引控制單元（TCU）

牽引控制單元（TCU）作為導軌電車牽引轉換裝置的核心器件，接收來自整車系統的牽引、制動、調速等指令信息，同時將牽引轉換裝置的工作狀態、重要參數傳送給網絡控制系統，主要實現的控制功能有：接受并執行司機的控制指令；電牽引、電制動特性控制；列車速度調節、保護、逆變器脈沖模式的產生；粘著控制；電動機-變流器-制動電阻保護；啟動限流功能；電池牽引控制；持續低轉速控制；通過列車總線網絡實現TCU與其他控制單元之間的通信功能；故障診斷和記錄功能等。

4.2 牽引控制

導軌電車采用單司機操縱模式，電車運行由位于前部的司機室控制，具有聯鎖裝置，防止兩個司機室同時控制。

牽引控制回路包括：高速斷路器合閘/分閘控制，應急運行控制，高加速控制，方向選擇控制，供電選擇控制，牽引使能回路以及油門踏板控制。

其中牽引使能回路中有列車停放制動不緩解繼電器觸點、列車制動不緩解繼電器觸點、門全關繼電器觸點、緊急制動繼電器觸點、導向裝置故障繼電器觸點、超速繼電器觸點等，只有以上觸點均閉合時，牽引指令才能發送。同時各觸點并聯旁路開關，當繼電器不能工作時，可采用手動閉合旁路開關強制進行牽引，圖8為牽引控制邏輯框圖。

5 總結

本文以導軌電車牽引系統為研究對象，深入研究了牽引系統的組成和功能，并根據導軌電車自身的特點，對牽引控制系統進行重點設計。對牽引控制系統各部分的工作原理及功能進行分析設計，最終設計出一套適用于此導軌電車的牽引系統方案。

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