軌道交通車輛電力牽引傳動系統(tǒng)設計

陳 敏，竭 寶

（中車大連電力牽引研發(fā)中心有限公司，遼寧 大連 116000）

引言

我國對城市軌道交通的相關研究比較落后，城市軌道交通的車輛大多數(shù)來自于進口，但是隨著相關技術的引進、吸收和創(chuàng)新等，我國的城市軌道交通已經(jīng)發(fā)生了很大的變化[1]。電力牽引傳動系統(tǒng)是城市軌道交通車輛的重要組成部分，是當前普遍采用的一種新型牽引和傳動方式，對此進行研究，能夠推動城市軌道交通和城市本身的健康發(fā)展。

1 電力牽引傳動系統(tǒng)的概述

我國城市軌道交通車輛的發(fā)展歷程是直流傳動到交流傳動，現(xiàn)階段幾乎都采用了交流傳動的方式。城市軌道交通和干線鐵路交通之間存在比較大的差異，使得兩者在電力牽引傳動系統(tǒng)上有明顯的不同。城市軌道交通擁有自身的優(yōu)點，即乘坐的舒適性比較高、對環(huán)境的影響比較低。但是在客流量變化呈現(xiàn)比較大的變化時，由于乘客的上下車頻率比較高，在人流高峰期很可能會出現(xiàn)過載的情況。兩者相比較而言，城市軌道交通車輛的編組運行方式是動力分散式，而干線機車的牽引方式則是動力集中型；城市軌道交通車輛的電力牽引供電方式是1 500 V、750 V低壓直流，而干線的電力牽引為25 kV的單相交流。現(xiàn)階段，隨著城市軌道交通車輛發(fā)展的需要，將電力電子、計算機測控和電機學等先進的技術引入到了電力牽引傳動系統(tǒng)當中，推動其向智能化、節(jié)能型、模塊化和免維修等方向發(fā)展。

2 軌道交通車輛電力牽引傳動系統(tǒng)的設計

由于城市軌道交通車輛和干線鐵路運行之間存在比較大的差異，因此不能按照干線鐵路的標準來配置動力性能，需要結(jié)合城市軌道交通車輛運行的特點，設計相應的電力牽引傳動系統(tǒng)，保證其擁有良好的動力性能[2]。對軌道交通車輛的電力牽引系統(tǒng)設計存在相應的技術難點，從其電路原理和構(gòu)成上來講，主要是在車輛牽引和制動的特性曲線設計和逆變器與牽引電機的合理匹配方面，具體內(nèi)容如下所述。

2.1 選擇恰當?shù)臓恳齾?shù)

恰當牽引參數(shù)的選擇需要從起動加速度、制動減速度、最高運行速度和平均運行速度的角度出發(fā)，首先，起動加速度。作為城市軌道交通的重要參數(shù)，其能夠?qū)S功率的選擇和旅行的最高值產(chǎn)生直接性的影響。城市軌道交通具有運行區(qū)間比較短的特點，為了使運行的效率和運輸?shù)哪芰Φ玫教嵘仨毐ＷC加速度遠遠高于干線列車的起動加速度。通過對當前城市軌道交通車輛運行的經(jīng)驗可知，確定其在0.69 m/s2到1.43 m/s2之間。其次，制動減速度。在城市軌道交通車輛的制動系統(tǒng)性能好的情況下，由于黏著制動的作用足夠，能夠使制動減速度達到1.0 m/s2。由于站間距不同，如果制動減速度超過了1.0 m/s2，那么制動減速度越大，制動時間的作用效果就會越來越低[3]。再次，最高運行速度。最高運行速度必須要考慮區(qū)間長度、線路要求的平均旅行速度等的影響，保證城市軌道交通車輛的加速區(qū)間足夠長。最后，平均運行速度。一般來說，平均運行速度和起動加速度、制動加速度、停站持續(xù)時間和最高運行速度等密切相關。

2.2 城市軌道交通車輛牽引和制動特性的曲線設計

在城市軌道交通車輛當中，一般情況下地鐵的站間距為0.8 km，而市郊線路的站間距為1~3 km之間。城市軌道交通在運行的過程中具有較短的運行區(qū)間的特點，加上其需要進行頻繁的起動、制動和停靠，一般設定其旅行的速度為35~40 km/h。基于這種狀況，制定合適的牽引參數(shù)是相當重要的內(nèi)容。同時，還要制定與此相匹配的合理且科學的車輛牽引和制動特性曲線。為了滿足實際的城市軌道交通車輛牽引傳動系統(tǒng)的性能需要，與列車實際運行的要求相結(jié)合，制定出了牽引和制動特性曲線，如下頁圖1所示。

從牽引工況的角度來看，列車在起動加速的時候，需要保證其擁有足夠大的起動牽引力，這樣才能夠保證起動的平穩(wěn)性。圖1中的k-A階段，是牽引力恒定控制時期。當速度提升到一定的程度時，在最高電壓和功率的限制作用下，就會進入圖1的A-B階段，即恒壓恒功率控制，此時能夠?qū)︻~定的功率進行充分的使用；當速度進一步提高的時候，在牽引電動機轉(zhuǎn)矩裕量的限制作用下，就會進入圖1的B-C階段，即自然特性控制。換句話說，就是要降低功率運行[4]。

從制動工況的角度來看，城市軌道交通車輛的運行需要先將電制動投入其中，在電制動力不足的情況下，補充相應的空氣制動，從低速停車切換到空氣制動階段。當城市軌道交通車輛進行電制動的時候，此時牽引電機處于發(fā)動機的狀態(tài)下，不僅會吸收列車的動能，還會對列車實施制動。

牽引工況和制動工況都能夠使城市軌道交通車輛擁有良好的抑制空轉(zhuǎn)和滑行的能力。

從圖2可知，車輛的牽引階段是在oc階段，oa階段和牽引電機的恒轉(zhuǎn)矩起動階段相對應。ab段和牽引電機的恒功率運行階段對應，在保證電壓恒定的情況下，可以提高交流電的頻率，從而使電機在弱磁恒功區(qū)運行。bc段和牽引電機的自然特性階段相對應，cd段和城軌車輛的惰性階段相對應，而de段和車輛的制動階段相對應。

2.3 逆變器和牽引電機的合理匹配性

城市軌道交通車輛的牽引傳動系統(tǒng)的核心問題就是牽引逆變器和牽引動機的優(yōu)先匹配設計，其能夠保證具有優(yōu)越性能的城市軌道車輛的牽引和制動性能充分發(fā)揮其作用。同時，城市軌道交通車輛的靈活性、便捷性等負載特性對變流器和牽引電機的匹配設計方法起到了決定性的作用。

從動力配置的角度來講，逆變器與牽引電機的匹配有三種類型，即1C4M車控式動力配置、4C4M軸控式動力配置和2C4M架控式動力配置。這三種動力配置有各自的優(yōu)缺點，在進行選擇的時候，需要結(jié)合具體的城市軌道交通的成本、動力和粘著利用等方面進行考慮，從中找出最合適的方案[5]。

從牽引電機參數(shù)設計的角度來講，需要結(jié)合國內(nèi)各個城市的軌道交通車輛牽引制動工況，一般來講，在制動工況下，需要保證在恒制動力階段的最高速度點達到最大功率；牽引工況下，需要保證在恒功率階段電機達到最大功率。

從牽引逆變器的參數(shù)設計角度來講，當處于電制動恒轉(zhuǎn)矩階段的拐點時，將車量運行的速度提高到最高，此時的再生制動會產(chǎn)生非常大的瞬時電能。如果將非常大的再生能量回饋，那么就會直接影響牽引傳動系統(tǒng)的安全。因此，需要根據(jù)軌道交通車輛運行的狀況對逆變器設計容量。

3 結(jié)語

研究城市軌道交通車輛的電力牽引傳動系統(tǒng)，能夠大大提升城市軌道交通車輛的牽引和電制動性能，有助于提升城市軌道交通車輛運行過程中的安全性和穩(wěn)定性，最大限度內(nèi)降低這種交通運輸方式對環(huán)境帶來的污染和車輛的實際運營成本。