地鐵車輛電氣牽引系統的設計及應用

于龍海

摘 要：近年來，隨著我國經濟的迅速發展，我國城市現代化軌道交通建設進入一個高速發展的時期。地鐵車輛作為承載乘客的直接載體，其安全與否直接關系到乘客的生命安全。本文對現有的傳動系統進行了分析、建模及優化。針對交流傳動控制系統的需要，給出了交流傳動主電路的檢測與保護電路設計方法，在直流側電壓檢測與保護電路中，需要對逆變器外部的直流網壓、中間的直流環節電壓、再生制動時制動斬波器IGBT的兩端電壓等電壓檢測以及采取相應的保護措施，所以電壓信號采集電路選用霍爾磁平衡式電壓傳感器，設計出了如文中的檢測和保護電路圖。

關鍵詞：地鐵車輛;牽引傳動系統;分析優化;檢測

檢測與保護電路作為牽引傳動系統控制系統的重要組成部分，能夠實時檢測牽引傳動系統的電流、電壓、溫度、速度及開關狀態等信號，并根據檢測到的信號做出相應的動作，保證牽引傳動系統的正常工作和最小化故障對牽引傳動系統造成的影響。如何更好的設計、完善和優化牽引傳動系統檢測與保護電路，對保證車輛的安全運行有著極其重要的意義。

目前地鐵車輛當中主要應用的牽引方式是三相交流傳動方式以及兩點式電壓型直、交逆變電路，借助牽引逆變器將DC1 500 V直流電轉變為三相交流電來完成并聯牽引電機的供電，在網側電網處于1 000 V～1 800 V范圍內主電路可正常運作，從而確保動車牽引和制動之間的無接點轉換。

1 地鐵車輛牽引傳動系統簡介

地鐵牽引傳動系統主要由中間直流環節、牽引逆變器、牽引電機、齒輪傳動系統等組成。不同于電氣化鐵路采用交流供電，地鐵牽引傳動系統采用直流供電，沒有整流裝置。地鐵列車在牽引工況下，牽引電機處于電動機狀態，從第三軌或接觸網獲得的直流電經過中間直流環節輸出給牽引逆變器，逆變采用SPWM技術，將直流電轉變為電壓和頻率可控三相交流電，輸出給牽引異步電機，電機將獲得的電能轉換為機械能，驅動地鐵列車前行。地鐵列車在制動工況下，牽引電機處于發電狀態，牽引逆變器將牽引電機輸出的三相交流電變換成直流電，經由中間直流環節返回電網，即實現再生制動，直流電也可以通過電阻散熱耗能，即實現電阻制動。

圖1為地鐵電氣牽引傳動系統簡圖，主要包括直流環節、逆變環節以及牽引電機。圖中結構采用一臺牽引逆變器驅動2臺牽引電機，直流電通過濾波電感L1/L2和支撐電容C1/C2構成的低通濾波電路，形成比較穩定的直流電壓，同時可以減弱電網電壓波動對逆變器的影響，減少諧波對電網的影響，C1/C2還為牽引電機提供無功功率。DC/AC為直流電變換為交流電的牽引逆變單元，采用正弦脈寬調制技術（SPWM），通過控制內部大功率半導體器件（IGBT）的導通與關斷獲得變壓變頻的交流電，輸出給牽引電機。R為預充電電阻，用以限制電容C1/C2在充電過程中的電流沖擊，K2為預充電接觸器，用以將預充電電阻切換到電路中，K1為線路接觸器，用以在支撐電容充電結束后短接充電電阻，K3/K4和Ra/Rb為大功率半導體開關和制動電阻，再生制動模式下，直流網壓過高時投入運行，進行電阻制動。

2 地鐵車輛牽引傳動系統基本組成

牽引傳動系統是列車驅動系統的重要組成部分，其主要目的是將直流電壓轉換成變頻變壓的三相電壓，以控制牽引電機，實現列車牽引與電制動功能。這一轉換過程分如下幾步完成：

從接觸網輸入電能供給牽引變流器→牽引變流器將直流電壓轉化成頻率可變、振幅可變的三相電壓供給牽引電機→在牽引模式下，牽引電機將輸入的電能轉化成機械能并通過齒輪箱轉換成車輛的輪周牽引力功率→在制動模式下，倒轉電源方向，使牽引電機充當發電機，機械制動能轉換成電能，重新反饋給電網，供給其他列車或者在制動電阻中消耗。

地鐵車輛牽引傳動系統通常由下面的部分組成：（1）高壓主電路;（2）線路濾波器;（3）牽引逆變器;（4）接地故障探測裝置;（5）過壓/制動斬波器;（6）牽引電機。

3 地鐵車輛牽引傳動系統檢測與保護電路分析

作為一個完備的控制系統，檢測和保護電路是必不可少的。為了保證交流傳動系統正常工作以及判別系統是否處于正常工作狀態，系統關鍵參數值的監控是最重要的任務。在列車運行過程中，系統中可能存在各種過電壓、過電流、過熱等故障及危險，如逆變單元、牽引電機輸入過壓、過流，IGBT過熱、電機定子過熱等。如果對這些危險情況聽之任之，將造成嚴重的后果，因此必須采用相應的監測和保護措施。一般對傳動系統的檢測包括：直流側線路電壓、線路電流，逆變器功率器件（多為IGBT）結溫，牽引電機電流、電壓、溫度等多個方面。在檢測中，使用適當靈敏度與精度的傳感器等來進行實時、連續監控，由檢測信號來進行相關的保護或者控制。

3.1 直流側檢測與保護電路

在牽引傳動系統中，功率模塊的損壞大多數情況下都與過電流有直接或間接的關系，因此電流檢測與保護電路的設計非常關鍵。雖然傳動主電路中串聯有熔斷器以防止過電流，但是在過電流故障中，當出現過電流或短路電流時，由于熔斷絲起作用的時間較長，很多情況下在熔斷絲還沒有起保護作用之前，電路元器件就已經被損壞。在當今的逆變器中多采用IGBT集成驅動器，所謂智能功率模塊（IPM），即可以實現對電力電子器件的短路、過電流保護、欠電壓監測等功能，同時還可將故障信號反饋給主控單元。但由于高壓的存在，為了保護元器件、保證電路正常工作，還必須在系統設計中加入電壓檢測與過電壓保護電路。

檢測電路可使用霍爾電流傳感器，由于大多微控制器內置的模/數轉換器只能采集電壓信號，因此傳感器輸出與其電源的參考地之間必須接入一個高精度電阻。同時，AD口輸入電壓一般在0 V～5 V之間，而采集的電流值為交流量，所以還要進行偏移轉化將其變為單極性。由主電路中串入的霍爾傳感器將采集到的直流電流信號經Rm轉換為電壓信號，經過電壓跟隨器，分成檢測與保護兩路。檢測端將電壓信號直接送到微控制器AD采樣通道。而保護端則將采樣電壓信號送入LM393比較器，需要采取保護的電流上下閾值分別由RP1、RP2分壓電阻來設置。當其高于參考電壓信號，即輸入電流大于安全值時，比較器輸出低電平信號，將此信號作為保護信號輸入到微控制器的外部中斷引腳，以中斷等方式，迅速發出控制信號，產生保護動作。反之，當輸入電流小于最低要求時，也會產生中斷信號，進入相應的保護措施。二極管D1、D2組成限幅電路保證了AD模塊輸入在5 V之內。

在直流側電壓檢測與保護電路中，需要對逆變器外部的直流網壓、中間的直流環節電壓、再生制動時制動斬波器IGBT的兩端電壓等電壓檢測以及采取相應的保護措施。對直流高電壓的檢測可以采用LEM公司的LV100系列霍爾傳感器，根據測量電壓范圍，可以選定具體的型號為LV100-1500。

3.2 電機定子電流、電壓檢測電路

根據異步電動機的控制要求，定子電流檢測的精度和實時性是整個控制系統精度的關鍵。微控制器芯片AD轉換器對高瞬態響應的電流傳感器輸出的電機定子電流信號進行轉換，依此對逆變器進行控制。對此，同樣可采用霍爾電流傳感器來對電機定子電流進行檢測，能很好滿足系統的要求。

4 總結

隨著我國經濟水平的增長和城市化進程的日益加快，軌道車輛的技術研究與應用前景日益廣闊。為了滿足市場的需求，跟上世界牽引傳動技術的發展趨勢，需要我們結合現狀，并進行進一步研究開發。

參考文獻：

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