地鐵車輛電氣牽引技術研究

叢帥龍 楊俊 劉彬

【摘 要】地鐵車輛電氣牽引技術朝著信息化、自動化和智能化的方向前進，以往的數字控制已趨于淘汰，取而代之的是通過計算機系統控制的電氣牽引，此種牽引方式可以通過計算機系統完成自檢，從而達到自控的目的，同時，自主控制還能夠進行智能化的信號處理、信號輸出，并利用數據傳輸完成對車輛的控制。

【關鍵詞】地鐵車輛;電氣牽引系統;應用

1地鐵車輛電氣牽引系統的特點

地鐵車輛電氣牽引系統將電力傳動車輛產生的牽引力與制動力的種種電子、電機、電器設備聯系在一起共同構成一個電系統，以此對車輛功率進行傳輸，進而滿足地鐵車輛啟動、制動、調速的3種工作狀態的控制和調節。地鐵列車電氣牽引系統的主要特點有：采用優先使用電力再生制動，在電網不能吸收此能量時投入空氣制動，在空氣制動前投入制動過度電子以保障電氣制動和空制動的順利銜接;按照載重量自空車超負荷范圍內對牽引力水平進行靈活調整，進而最大限度地保證車輛在空載狀態和超負荷狀態下能夠保持較為穩定啟動加速度。由于地鐵工程的電氣安裝是貫穿在整個工程建設施工過程中的，甚至是在地鐵工程竣工交付以后，其應用服務周期也會涉及電氣安裝;然而在這一時期又通常是施工人員比較懈怠的時期，所以這一時期的電氣安裝質量問題也很容易被忽略，因此必須要加強對竣工驗收期的電氣安裝質量管理控制，以便當其出現質量安全隱患時能夠第一時間發掘并加以修復。

2地鐵車輛電氣牽引系統的構成

每輛動車所包含的一套電氣牽引系統主要由受流器、高速斷路器、高速斷路器、制動過渡電阻、交流牽引機、速度傳感器、VVVF牽引逆變器箱構成，列車電制動采用再生制動，最大限度地把能力反饋回電網;當電網不能吸收一部分或全部再生能量時則投入制動電阻，補充電阻制動;當電制動力不足時，用空氣制動補充總制動力。緊急制動完全使用空氣制動。現將其中的關鍵是設備及其構成介紹如下：

2.1牽引電機

目前國內常用的牽引電機為敞開式三相籠異步電機，多采用自然通風方式。

2.2 VVVF牽引逆變器

VVVF牽引逆變器采用PWM控制技術，其中的逆變模塊采用IGBT功率元件，逆變器多采用電壓逆變器。VVVF牽引逆變器的主要部件包括線路濾波器、牽引控制單元、三相IGBT功率單元。通常每個VVVF牽引逆變器為一輛車兩臺動力轉向架上的4臺并聯牽引電動機提供用電，當其中的牽引逆變單元發生故障時，不會影響其他逆變單元的正常工作。

2.3制動過渡電阻

制動過渡電阻的功能主要包括：實現再生電氣制動與機械制動之間的轉換;撬棒電路的功能;制動時通過短距離無電區，不必斷電制動。

2.4HSCB高速斷路器

HSCB高速斷路器為直流單極裝置，具有雙向過流保護功能，且能夠實現自動跳閘釋放功能，進而對牽引驅動設備進行過流保護HSCB高速斷路器主體和滅弧室兩部分構成。

3地鐵車輛牽引技術發展及應用

3.1牽引傳動的發展

當前大部分的地鐵車輛采用的電能，在眾多的傳動技術研究中，根據地鐵車輛的牽引方式不同選用直流傳動和交流傳動兩種主要的傳動方式，其原理是通過電能進入到電力發動機，由發動機完成車輛牽引。其中直流牽引發動機結構復雜，需要通過半控型晶閘管完成對直流的斬波，從而使斬波調壓與相控調壓相結合。隨著地鐵車輛牽引技術的不斷發展，異步電機的交流傳動開始應用到牽引技術當中，同時隨著變頻變壓的電壓逆變器問世，交流傳動成為主要牽引技術。

3.2牽引技術的運用

作為當前主要地鐵車輛牽引技術，交流傳動方式通過牽引變流器來實現對地鐵車輛的控制，為了能夠實現牽引變流，則需要在地鐵車輛設計時運用變頻器彌補電壓等級不足等問題。如德國和日本，分別用過1200V和1700V的三電平逆變器，隨著技術發展，逆變器加入高壓模塊，從而輸出波形更好。同時在交流傳動中加入速度傳感器和全電制動，保證電氣牽引的靈活和可靠。

4當前地鐵車輛電氣牽引系統設計

針對某城市的軌道交通情況進行車輛電氣牽引系統設計，通過電氣牽引技術的運用實現車輛的智能控制。

4.1車輛基本情況

作為城市軌道交通工具，需要具備架空接觸網進行供電。車輛選購為中國著名地鐵車輛生產廠家所生產的車輛，車輛車輪能夠長時間保持清潔和干燥，且在平直軌道運行中最快速度能夠達到80km/h，列車加速度大于0.7m/s2，列車制動速度不能小于1.2m/s2，制動減速度不小于1.5m/s2。

4.2元件選擇

為了能夠滿足車輛的運行需要，運用交流傳動作為主要電氣牽引技術進行牽引系統設計，首先需要根據基本需求原則選擇元件。在一般的系統架構當中，元件選擇一般為受電器和斷路器兩個方面，針對地鐵軌道交通的各項需求，選擇了具備高速斷路器和充電設備的高壓箱，具備支撐電容器和線路電抗器的濾波電抗器箱，以及制動電阻箱、牽引電動機等，利用這些設備，滿足了系統設計的基本元件需求。

濾波電抗器箱在系統當中主要負責方向為維持電壓穩定和吸收諧波電壓兩個方面，本次選擇濾波電抗器箱還考慮到其擁有阻擋逆變器干擾的能力，可以在逆變器出現短路時，通過轉換開關單元來實現空心。為了避免電壓過高，設計中選用了制動電阻箱，該設備應用于牽引過程中，可以利用導通斬波模塊來實現電路阻隔，最終完成電壓控制，同時還能夠為車輛緊急制動提供能量，維持車輛平穩運行。牽引電動機是電器牽引交流傳動中重要設備，為了滿足地鐵車輛的運行需求，選擇了四極自通風的三相鼠籠式異步牽引電動機，該型號電動機可以懸掛在地鐵車輛上方的轉向架上，利用聯軸節完成傳動和牽引，并利用逆變器完成電能傳輸。

4.3牽引系統

目前，為了增大電動機的牽引壓力，一般采用無吸收電路式逆變器，通過其中的絕緣IGBT模塊，實現軌道車輛的結構緊湊、體量輕盈需求。本文在設計當中也采用了這種逆變器。在實際系統設計中，本文選用第三軌供電，滿足地鐵車輛的電氣牽引要求，并設定了每小時0-43km的恒定引力范圍，從而實現了每小時43-65km的恒定速度?；诖丝梢杂嬎愕贸?，恒定牽引力可以設置為350kN，自然牽引力則應該設定為230kN。同時，為了保證牽引可以規范在載荷范圍之內，還需要專門設定車輛的牽引條件，使車輛能夠在電氣系統的牽引下，自動完成載荷調節。此外，制動方式本文采用了具有突出優勢的全電制動方式，為了避免以往氣制動在制動時出現的車輛劇烈搖晃現象，本文在電氣牽引系統當中加入了全電制動設備，從而提高了停車精度，使噪聲得到減小，還使車輛更加平穩，提高了行駛質量。

5電氣控制系統設計

5.1電氣控制

地鐵車輛的電氣牽引系統設計完成后，需要對電氣控制系統進行設計。首先對列車開啟之后的動能與電能的轉化問題，需要用電氣控制系統進行約束，在地鐵電網系統中，車輛與電網的連接的方式決定決定了電能損耗，為了降低電能功率損耗，利用電氣控制的方式進行控制，讓電動馬達的運行更加安全和合理，并從根本上節約電力使用量。在設計中選用PWM低噪聲控制方法，通過變頻變壓逆變器VVVF的脈寬調制，實現了高頻全域的異步、同步和低頻全域異步、同步的控制，最終實現了電力使用量的降低。另外還運用了矢量控制方法，利用無速度傳感器使電氣牽引的軸向距離得到增加，從而實現對轉矩電流的控制，大幅度提升了轉矩響應的速度，且提高了測算速度，使電氣傳動牽引更加科學。

5.2牽引控制

在牽引控制單元中，硬件設計包括：開關單元（PWR）、數字輸入（DIO）、數字輸出（DIO）、系統管理通信（SMC）、脈沖轉換單元（PCU）、電機控制單元（MCU）、信號處理單元（SPU）、輔助處理單元（PAU）。通過這些硬件的選擇和使用，可以進一步實現牽引控制單元的數字化，并能夠將數字化運用于控制管理當中，管理人員可以通過數字化的信號傳輸和顯示，對既以發生和可能發生的線路故障進行診斷和預估，并根據控制單元和電氣牽引系統相連接的數據傳遞，實現緊急啟動/制動牽引，保障行車安全。其中，電源開關是整個控制系統的電流供應插件，數字的輸入和輸出在本工程中包含了二十個110V的數字信號傳遞任務，在硬件設置中本文還加入了隔離轉換器，可以將二十個110V信號轉化成為5V信號進行傳輸。為了保證傳輸效果，還需要加裝MOS輸出信號插頭、繼電器插頭等若干個開關。牽引控制單元可以利用這些硬件，對列車進行牽引控制，并保證列車牽引、方向、電機轉向等判斷準確，最終實現有效控制。

6地鐵車輛電氣牽引系統的應用功能

6.1判別和控制車輛運行狀態

DCU的基本功能是對車輛信息，包括車輛的運行方向、牽引、制動、惰行、緊急牽引、緊急制動、電機轉向、洗車等信號進行收集和判斷，進而判別車輛的運行狀態和運行模式，并采取合適的控制策略。

6.2粘著利用控制

為了實現最大粘著利用率，地鐵車輛電氣牽引系統具備粘著利用控制功能。DCU采用相位移法實現粘著利用控制即當線路狀況變化不定的情況下，采集電機轉速、電機轉矩等信息，并對這些信息進行分析和處理，再對給定電機轉矩指令與DCU所生成的電機牽引/制動特性包絡線，進行綜合分析，得出電機轉矩指令，并向電機控制系統發出相應的電機轉矩，進而使地鐵車輛能夠以接近線路當天最大的粘著系數運行。

6.3載荷補償

DCU具備載荷補償功能，其原理是：列車通過空氣彈簧壓力裝備產生載重電信號，載重信號的植直接正比于列車的載客的重量。系統采集這一信號并進行計算后，將信息傳送到牽引控制單元DCU，DCU再根據這一信號值自動調節補償載重系數，進而很好地保障車輛具備既有的制動和牽引性能。具體計算方法為：

F=M×K×

在上式中：M表示每次計算鎖定列車啟動速度大于零時的載荷信號;K表示載荷補償系數;α表示牽引力/電制動力級位。

6.4中間直流電路控制

地鐵車輛在制動和牽引工況下，因空轉等原因，常常引起直流電路電壓高于設定電壓的情況，此時DCU控制斬波橋臂開通，進而通過制動電阻來消耗部分電能，使得中間直流電路電壓處于正常數值范圍內。

6.5系統故障記錄

地鐵車輛電氣牽引系統具有完善的故障記錄功能，這對系統運行狀態的檢查、故障的分析和診斷有著重要的意義。首先，向列車控制和診斷系統傳輸故障信息，形成故障日志，對系統故障的發生時間、工況、故障類別和表現等相關信息進行記錄;其次，DCU可記錄波形數據，在故障發生后，DCU會對相關電氣數據進行采集和記錄（主要包括直流環節電壓、手柄紀位、輸出電流等），并在專用軟件上講這些數據和信息記錄下來，通過圖形的方式產生數據波形，供工作人員查看、分析和診斷。除此之外DCU插件面板上還設有LED指示燈與測試孔，通過電源指示燈方式來提示相關控制狀態信息，以便工作人員檢查和判斷。

7結束語

綜上所述，在地鐵車輛控制系統中，電氣牽引系統使整個地鐵車輛控制的核心所在，深入研究地鐵車輛牽引系統，并強化對其創新和應用，對于保證地鐵車輛運行的安全性有著重要的意義。

參考文獻：

[1]肖偉福地鐵車輛電器牽引系統的電器控制探討《科技經濟導刊》-2016年第7期.

[2]胡軍南昌地鐵1號線車輛電器牽引及控制系統《機車電傳動》2013年第6期.

（作者單位：遼寧工業大學）