賈博

摘 要：隨著城市公共交通的發(fā)展，地鐵作為公共出行的重要承載設(shè)施已經(jīng)列入眾多大中城市的建設(shè)規(guī)劃中。電氣牽引控制新技術(shù)得以在更多的地鐵項(xiàng)目中得以運(yùn)用。本文簡(jiǎn)要分析地鐵車(chē)輛牽引系統(tǒng)的工作原理及牽引方式，并在此基礎(chǔ)上分析地鐵車(chē)輛牽引系統(tǒng)的電氣控制。

關(guān)鍵詞：地鐵車(chē)輛；牽引系統(tǒng)；電氣控制；研究

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.10.033

地鐵車(chē)輛電氣牽引遵從模塊化設(shè)計(jì)，功能上組成整體，結(jié)構(gòu)上相互獨(dú)立。與早期地鐵車(chē)輛電氣牽引系統(tǒng)相比，如今與電力電子技術(shù)及智能化信息技術(shù)相結(jié)合，自動(dòng)化及智能化程度更高。目前，地鐵車(chē)輛的電氣牽引技術(shù)已經(jīng)較為成熟，車(chē)輛的種類(lèi)、構(gòu)造速度不同，其電力傳動(dòng)與控制也各不相同。

1 概述

電力牽引是一種以電能為動(dòng)力的牽引方式。地鐵電力牽引系統(tǒng)的工作原理就是地鐵運(yùn)行過(guò)程中由架空線(xiàn)處獲取電能并將其調(diào)壓變換后輸送給車(chē)組的牽引電動(dòng)機(jī)，由牽引電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)車(chē)輛前行。

地鐵車(chē)輛的電氣牽引控制系統(tǒng)是由牽引電器和列車(chē)電路構(gòu)成的。牽引電器包括：受流器、牽引電機(jī)、傳動(dòng)控制裝置、其他牽引電力電子轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)。列車(chē)電路包括：主電氣回路、輔助電路、控制電路?，F(xiàn)在微型計(jì)算機(jī)控制己代替了傳統(tǒng)使用的模擬電路廣泛應(yīng)用于控制電路。它可根據(jù)司機(jī)的操作和牽引回路的狀態(tài)及相應(yīng)信號(hào)調(diào)節(jié)斬波器，對(duì)各接觸器、繼電器、電磁閥、發(fā)光二極管等發(fā)出指令，達(dá)到所要求的恒流牽引、電阻制動(dòng)及再生制動(dòng)等控制。

目前，軌道交通車(chē)輛電力牽引方式主要分為直流傳動(dòng)和交流傳動(dòng)兩種。

2 直流傳動(dòng)

直流傳動(dòng)車(chē)輛采用直流牽引電機(jī)。直流電源經(jīng)直流轉(zhuǎn)換器向直流牽引電機(jī)供電，構(gòu)成直流牽引系統(tǒng)的主要部分包括直流電機(jī)在內(nèi)的主電路及控制電路等。

按照牽引電源性質(zhì)，直流牽引系統(tǒng)可分為直一直流及交一直流兩大類(lèi)：

直一直流牽引系統(tǒng)是最早應(yīng)用于電力牽引的一種牽引裝置。它使用的是直流電源（直流電網(wǎng)或直流發(fā)電機(jī)）和直流串勵(lì)牽引電機(jī)。早期的直一直流牽引系統(tǒng)主電路采用的是電阻調(diào)壓，這種調(diào)壓方式不僅在車(chē)輛頻繁啟動(dòng)過(guò)程中經(jīng)過(guò)電阻消耗了大量的電能，而且難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)、平滑地調(diào)節(jié)列車(chē)速度。如今半導(dǎo)體技術(shù)的飛躍發(fā)展，電力電子交流技術(shù)得到了不斷的提高，現(xiàn)在直流牽引已廣泛采用斬波調(diào)壓方式代替電阻調(diào)壓，它不僅能取消起動(dòng)電阻，并能對(duì)電動(dòng)機(jī)的端電壓進(jìn)行連續(xù)、平滑的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)調(diào)速。

交一直流牽引系統(tǒng)使用的是交流電源（交流電網(wǎng)），牽引電機(jī)仍采用直流電機(jī)。此牽引系統(tǒng)的關(guān)鍵部位是將交流變成可控直流的整流調(diào)壓裝置。運(yùn)行時(shí)改變整流器的控制角、就可調(diào)節(jié)輸出直流電壓，使電動(dòng)機(jī)調(diào)速。這種系統(tǒng)的交流電網(wǎng)電壓很高，適用于大功率、長(zhǎng)距離牽引。

3 交流傳動(dòng)

隨著晶體管交流技術(shù)的發(fā)展，地鐵車(chē)輛電氣傳動(dòng)逐漸采用無(wú)整流子交流牽引電機(jī)的交流傳動(dòng)方式。

從電力牽引的角度考慮，傳統(tǒng)的電流牽引電機(jī)雖有較好的牽引性能，但防空轉(zhuǎn)性能較差；而且由于直流牽引電機(jī)固有的換向器與電刷，帶來(lái)了較大的體積與重量。另外，換向?qū)е碌姆彪s的維護(hù)問(wèn)題也時(shí)有發(fā)生。而交流牽引電機(jī)由于沒(méi)有換向器與電刷，所以其體積與重量得以減小。此外，由于交流牽引電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其轉(zhuǎn)子無(wú)需絕緣，也沒(méi)有引線(xiàn)，所以制造技術(shù)比直流牽引電機(jī)制造成本也低；同時(shí)交流牽引電機(jī)耐潮濕，防塵和抗機(jī)械沖擊性能好，工作可靠，壽命長(zhǎng)。

采用交流牽引電機(jī)后，車(chē)輛的調(diào)速需用逆變器來(lái)完成，將直流電機(jī)逆變器變?yōu)榭烧{(diào)節(jié)電壓與頻率的交流電來(lái)控制交流牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)速。用了逆變器供電，就不需要笨重的有觸點(diǎn)的反向開(kāi)關(guān)與制動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，因而，可大大簡(jiǎn)化車(chē)輛主電路，使主電路設(shè)備與連線(xiàn)大大減少。同時(shí)，由于交流牽引電機(jī)沒(méi)有換向器而不存在換向問(wèn)題，所以能發(fā)揮較高的輸出功率；在高速運(yùn)行時(shí)，電機(jī)效率也較高，且再生制功時(shí)也能輸出較人的電功率。這些優(yōu)點(diǎn)，都使得交流傳動(dòng)方式廣泛推廣。交流牽引電機(jī)的交流牽引系統(tǒng)已被認(rèn)為近代最優(yōu)越的牽引調(diào)速系統(tǒng)。

根據(jù)牽引要求，控制應(yīng)使列車(chē)盡可能平穩(wěn)，即可能恒加速恒減速，故斬波器控制應(yīng)采取恒流牽引與恒流制動(dòng)方式。如圖所示，交流電傳動(dòng)的變頻器發(fā)揮著變壓、定頻作用，在交流變頻調(diào)速傳動(dòng)中利用靜止變頻器使交流電動(dòng)機(jī)得到較寬的調(diào)速范圍，而當(dāng)交流電動(dòng)機(jī)由變頻電源供電時(shí)，為了保持恒定的磁通量，其端電壓必須按頻率的函數(shù)關(guān)系變化，其基本規(guī)律是電壓頻率的比值為常數(shù)，否則。電動(dòng)機(jī)將出現(xiàn)過(guò)勵(lì)磁或欠勵(lì)磁。

4 直線(xiàn)電機(jī)

城市軌道交通除了直流和交流旋轉(zhuǎn)式牽引電動(dòng)機(jī)外。直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)在國(guó)外一些地鐵項(xiàng)目中已有應(yīng)用。直線(xiàn)電機(jī)工作原理與一般的旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相類(lèi)似?？煽醋魇怯尚D(zhuǎn)電機(jī)演變而成的新型結(jié)構(gòu)通過(guò)交流電時(shí)，由于初級(jí)與次級(jí)感應(yīng)軌之間磁場(chǎng)的相互作用產(chǎn)生推力，驅(qū)動(dòng)車(chē)輛運(yùn)行或制動(dòng)車(chē)輛。由于省去了傳統(tǒng)的機(jī)械減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，車(chē)輛依靠線(xiàn)性電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)，牽引系統(tǒng)不僅產(chǎn)生較高的加、減速度、避免了打滑現(xiàn)象的產(chǎn)生，而且由于裝設(shè)線(xiàn)性電機(jī)，免除了傳統(tǒng)的在轉(zhuǎn)向架上懸掛牽引電機(jī)與機(jī)械傳動(dòng)裝置，從而有可能采用小輪徑的徑向轉(zhuǎn)向架，提高了車(chē)輛過(guò)小半徑曲線(xiàn)的能力，降低了過(guò)曲線(xiàn)時(shí)的尖嘯聲和輪軌磨耗。

目前制約線(xiàn)性電機(jī)廣泛推廣的主要缺點(diǎn)是由于線(xiàn)圈與感應(yīng)軌間的工作氣隙較大，導(dǎo)致磁滯損耗大，其效率僅為旋轉(zhuǎn)電機(jī)效率的70%，同樣工作狀況下，耗電量也大大增加。

5 制動(dòng)控制

地鐵交通車(chē)站之間往往距離較短，運(yùn)行過(guò)程小的調(diào)速和停車(chē)都比較頻繁。為了提高列車(chē)的運(yùn)行速度，必須使其起動(dòng)提速快、制動(dòng)距離短。因此地鐵車(chē)輛的牽引系統(tǒng)制動(dòng)應(yīng)具備如下性能：

（1）制動(dòng)靈活、制動(dòng)迅速，制動(dòng)和緩解時(shí)前后部車(chē)輛沖擊小。（2）具有足夠的制動(dòng)力，保證車(chē)輛在規(guī)定的制動(dòng)距離內(nèi)安全停車(chē)。（3）應(yīng)盡量發(fā)揮動(dòng)力制動(dòng)能力，以減少對(duì)城市環(huán)境的污染和降低運(yùn)行成本。

在制動(dòng)工況時(shí)把牽引電動(dòng)機(jī)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)、通過(guò)輪對(duì)將列車(chē)動(dòng)能變?yōu)殡娔?。這時(shí)牽引電動(dòng)機(jī)軸上的反轉(zhuǎn)矩作用在機(jī)車(chē)動(dòng)輪上形成電制動(dòng)力，稱(chēng)為電氣制動(dòng)。采用這種制動(dòng)可以提高列車(chē)運(yùn)行速度，降低機(jī)車(chē)車(chē)輛輪箍閘瓦的磨損。城市軌道交通車(chē)輛一般均采用再生制動(dòng)與電阻制動(dòng)相結(jié)合的電制動(dòng)優(yōu)先、空電聯(lián)合制動(dòng)方式，保證在制動(dòng)系統(tǒng)允許的條件下得到盡可能大的制動(dòng)減速度。