叢帥龍 楊俊 劉彬

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

【關(guān)鍵詞】地鐵車輛;電氣牽引系統(tǒng);應(yīng)用

1地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)的特點(diǎn)

地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)將電力傳動(dòng)車輛產(chǎn)生的牽引力與制動(dòng)力的種種電子、電機(jī)、電器設(shè)備聯(lián)系在一起共同構(gòu)成一個(gè)電系統(tǒng)，以此對車輛功率進(jìn)行傳輸，進(jìn)而滿足地鐵車輛啟動(dòng)、制動(dòng)、調(diào)速的3種工作狀態(tài)的控制和調(diào)節(jié)。地鐵列車電氣牽引系統(tǒng)的主要特點(diǎn)有：采用優(yōu)先使用電力再生制動(dòng)，在電網(wǎng)不能吸收此能量時(shí)投入空氣制動(dòng)，在空氣制動(dòng)前投入制動(dòng)過度電子以保障電氣制動(dòng)和空制動(dòng)的順利銜接;按照載重量自空車超負(fù)荷范圍內(nèi)對牽引力水平進(jìn)行靈活調(diào)整，進(jìn)而最大限度地保證車輛在空載狀態(tài)和超負(fù)荷狀態(tài)下能夠保持較為穩(wěn)定啟動(dòng)加速度。由于地鐵工程的電氣安裝是貫穿在整個(gè)工程建設(shè)施工過程中的，甚至是在地鐵工程竣工交付以后，其應(yīng)用服務(wù)周期也會(huì)涉及電氣安裝;然而在這一時(shí)期又通常是施工人員比較懈怠的時(shí)期，所以這一時(shí)期的電氣安裝質(zhì)量問題也很容易被忽略，因此必須要加強(qiáng)對竣工驗(yàn)收期的電氣安裝質(zhì)量管理控制，以便當(dāng)其出現(xiàn)質(zhì)量安全隱患時(shí)能夠第一時(shí)間發(fā)掘并加以修復(fù)。

2地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)的構(gòu)成

每輛動(dòng)車所包含的一套電氣牽引系統(tǒng)主要由受流器、高速斷路器、高速斷路器、制動(dòng)過渡電阻、交流牽引機(jī)、速度傳感器、VVVF牽引逆變器箱構(gòu)成，列車電制動(dòng)采用再生制動(dòng)，最大限度地把能力反饋回電網(wǎng);當(dāng)電網(wǎng)不能吸收一部分或全部再生能量時(shí)則投入制動(dòng)電阻，補(bǔ)充電阻制動(dòng);當(dāng)電制動(dòng)力不足時(shí)，用空氣制動(dòng)補(bǔ)充總制動(dòng)力。緊急制動(dòng)完全使用空氣制動(dòng)?，F(xiàn)將其中的關(guān)鍵是設(shè)備及其構(gòu)成介紹如下：

2.1牽引電機(jī)

目前國內(nèi)常用的牽引電機(jī)為敞開式三相籠異步電機(jī)，多采用自然通風(fēng)方式。

2.2 VVVF牽引逆變器

VVVF牽引逆變器采用PWM控制技術(shù)，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(gè)VVVF牽引逆變器為一輛車兩臺動(dòng)力轉(zhuǎn)向架上的4臺并聯(lián)牽引電動(dòng)機(jī)提供用電，當(dāng)其中的牽引逆變單元發(fā)生故障時(shí)，不會(huì)影響其他逆變單元的正常工作。

2.3制動(dòng)過渡電阻

制動(dòng)過渡電阻的功能主要包括：實(shí)現(xiàn)再生電氣制動(dòng)與機(jī)械制動(dòng)之間的轉(zhuǎn)換;撬棒電路的功能;制動(dòng)時(shí)通過短距離無電區(qū)，不必?cái)嚯娭苿?dòng)。

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(hù)功能，且能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)跳閘釋放功能，進(jìn)而對牽引驅(qū)動(dòng)設(shè)備進(jìn)行過流保護(hù)HSCB高速斷路器主體和滅弧室兩部分構(gòu)成。

3地鐵車輛牽引技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用

3.1牽引傳動(dòng)的發(fā)展

當(dāng)前大部分的地鐵車輛采用的電能，在眾多的傳動(dòng)技術(shù)研究中，根據(jù)地鐵車輛的牽引方式不同選用直流傳動(dòng)和交流傳動(dòng)兩種主要的傳動(dòng)方式，其原理是通過電能進(jìn)入到電力發(fā)動(dòng)機(jī)，由發(fā)動(dòng)機(jī)完成車輛牽引。其中直流牽引發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)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(diào)壓與相控調(diào)壓相結(jié)合。隨著地鐵車輛牽引技術(shù)的不斷發(fā)展，異步電機(jī)的交流傳動(dòng)開始應(yīng)用到牽引技術(shù)當(dāng)中，同時(shí)隨著變頻變壓的電壓逆變器問世，交流傳動(dòng)成為主要牽引技術(shù)。

3.2牽引技術(shù)的運(yùn)用

作為當(dāng)前主要地鐵車輛牽引技術(shù)，交流傳動(dòng)方式通過牽引變流器來實(shí)現(xiàn)對地鐵車輛的控制，為了能夠?qū)崿F(xiàn)牽引變流，則需要在地鐵車輛設(shè)計(jì)時(shí)運(yùn)用變頻器彌補(bǔ)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(shù)發(fā)展，逆變器加入高壓模塊，從而輸出波形更好。同時(shí)在交流傳動(dòng)中加入速度傳感器和全電制動(dòng)，保證電氣牽引的靈活和可靠。

4當(dāng)前地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對某城市的軌道交通情況進(jìn)行車輛電氣牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過電氣牽引技術(shù)的運(yùn)用實(shí)現(xiàn)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(wǎng)進(jìn)行供電。車輛選購為中國著名地鐵車輛生產(chǎn)廠家所生產(chǎn)的車輛，車輛車輪能夠長時(shí)間保持清潔和干燥，且在平直軌道運(yùn)行中最快速度能夠達(dá)到80km/h，列車加速度大于0.7m/s2，列車制動(dòng)速度不能小于1.2m/s2，制動(dòng)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(yùn)行需要，運(yùn)用交流傳動(dòng)作為主要電氣牽引技術(shù)進(jìn)行牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì)，首先需要根據(jù)基本需求原則選擇元件。在一般的系統(tǒng)架構(gòu)當(dāng)中，元件選擇一般為受電器和斷路器兩個(gè)方面，針對地鐵軌道交通的各項(xiàng)需求，選擇了具備高速斷路器和充電設(shè)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(dòng)電阻箱、牽引電動(dòng)機(jī)等，利用這些設(shè)備，滿足了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本元件需求。

濾波電抗器箱在系統(tǒng)當(dāng)中主要負(fù)責(zé)方向?yàn)榫S持電壓穩(wěn)定和吸收諧波電壓兩個(gè)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(xiàn)短路時(shí)，通過轉(zhuǎn)換開關(guān)單元來實(shí)現(xiàn)空心。為了避免電壓過高，設(shè)計(jì)中選用了制動(dòng)電阻箱，該設(shè)備應(yīng)用于牽引過程中，可以利用導(dǎo)通斬波模塊來實(shí)現(xiàn)電路阻隔，最終完成電壓控制，同時(shí)還能夠?yàn)檐囕v緊急制動(dòng)提供能量，維持車輛平穩(wěn)運(yùn)行。牽引電動(dòng)機(jī)是電器牽引交流傳動(dòng)中重要設(shè)備，為了滿足地鐵車輛的運(yùn)行需求，選擇了四極自通風(fēng)的三相鼠籠式異步牽引電動(dòng)機(jī)，該型號電動(dòng)機(jī)可以懸掛在地鐵車輛上方的轉(zhuǎn)向架上，利用聯(lián)軸節(jié)完成傳動(dòng)和牽引，并利用逆變器完成電能傳輸。

4.3牽引系統(tǒng)

目前，為了增大電動(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)軌道車輛的結(jié)構(gòu)緊湊、體量輕盈需求。本文在設(shè)計(jì)當(dāng)中也采用了這種逆變器。在實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shè)定了每小時(shí)0-43km的恒定引力范圍，從而實(shí)現(xiàn)了每小時(shí)43-65km的恒定速度。基于此可以計(jì)算得出，恒定牽引力可以設(shè)置為350kN，自然牽引力則應(yīng)該設(shè)定為230kN。同時(shí)，為了保證牽引可以規(guī)范在載荷范圍之內(nèi)，還需要專門設(shè)定車輛的牽引條件，使車輛能夠在電氣系統(tǒng)的牽引下，自動(dòng)完成載荷調(diào)節(jié)。此外，制動(dòng)方式本文采用了具有突出優(yōu)勢的全電制動(dòng)方式，為了避免以往氣制動(dòng)在制動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的車輛劇烈搖晃現(xiàn)象，本文在電氣牽引系統(tǒng)當(dāng)中加入了全電制動(dòng)設(shè)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(wěn)，提高了行駛質(zhì)量。

5電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5.1電氣控制

地鐵車輛的電氣牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，需要對電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先對列車開啟之后的動(dòng)能與電能的轉(zhuǎn)化問題，需要用電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行約束，在地鐵電網(wǎng)系統(tǒng)中，車輛與電網(wǎng)的連接的方式?jīng)Q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(jìn)行控制，讓電動(dòng)馬達(dá)的運(yùn)行更加安全和合理，并從根本上節(jié)約電力使用量。在設(shè)計(jì)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(diào)制，實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)了電力使用量的降低。另外還運(yùn)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(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩電流的控制，大幅度提升了轉(zhuǎn)矩響應(yīng)的速度，且提高了測算速度，使電氣傳動(dòng)牽引更加科學(xué)。

5.2牽引控制

在牽引控制單元中，硬件設(shè)計(jì)包括：開關(guān)單元（PWR）、數(shù)字輸入（DIO）、數(shù)字輸出（DIO）、系統(tǒng)管理通信（SMC）、脈沖轉(zhuǎn)換單元（PCU）、電機(jī)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(jìn)一步實(shí)現(xiàn)牽引控制單元的數(shù)字化，并能夠?qū)?shù)字化運(yùn)用于控制管理當(dāng)中，管理人員可以通過數(shù)字化的信號傳輸和顯示，對既以發(fā)生和可能發(fā)生的線路故障進(jìn)行診斷和預(yù)估，并根據(jù)控制單元和電氣牽引系統(tǒng)相連接的數(shù)據(jù)傳遞，實(shí)現(xiàn)緊急啟動(dòng)/制動(dòng)牽引，保障行車安全。其中，電源開關(guān)是整個(gè)控制系統(tǒng)的電流供應(yīng)插件，數(shù)字的輸入和輸出在本工程中包含了二十個(gè)110V的數(shù)字信號傳遞任務(wù)，在硬件設(shè)置中本文還加入了隔離轉(zhuǎn)換器，可以將二十個(gè)110V信號轉(zhuǎn)化成為5V信號進(jìn)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(gè)開關(guān)。牽引控制單元可以利用這些硬件，對列車進(jìn)行牽引控制，并保證列車牽引、方向、電機(jī)轉(zhuǎn)向等判斷準(zhǔn)確，最終實(shí)現(xiàn)有效控制。

6地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)的應(yīng)用功能

6.1判別和控制車輛運(yùn)行狀態(tài)

DCU的基本功能是對車輛信息，包括車輛的運(yùn)行方向、牽引、制動(dòng)、惰行、緊急牽引、緊急制動(dòng)、電機(jī)轉(zhuǎn)向、洗車等信號進(jìn)行收集和判斷，進(jìn)而判別車輛的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行模式，并采取合適的控制策略。

6.2粘著利用控制

為了實(shí)現(xiàn)最大粘著利用率，地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)具備粘著利用控制功能。DCU采用相位移法實(shí)現(xiàn)粘著利用控制即當(dāng)線路狀況變化不定的情況下，采集電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)矩等信息，并對這些信息進(jìn)行分析和處理，再對給定電機(jī)轉(zhuǎn)矩指令與DCU所生成的電機(jī)牽引/制動(dòng)特性包絡(luò)線，進(jìn)行綜合分析，得出電機(jī)轉(zhuǎn)矩指令，并向電機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而使地鐵車輛能夠以接近線路當(dāng)天最大的粘著系數(shù)運(yùn)行。

6.3載荷補(bǔ)償

DCU具備載荷補(bǔ)償功能，其原理是：列車通過空氣彈簧壓力裝備產(chǎn)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(tǒng)采集這一信號并進(jìn)行計(jì)算后，將信息傳送到牽引控制單元DCU，DCU再根據(jù)這一信號值自動(dòng)調(diào)節(jié)補(bǔ)償載重系數(shù)，進(jìn)而很好地保障車輛具備既有的制動(dòng)和牽引性能。具體計(jì)算方法為：

F=M×K×

在上式中：M表示每次計(jì)算鎖定列車啟動(dòng)速度大于零時(shí)的載荷信號;K表示載荷補(bǔ)償系數(shù);α表示牽引力/電制動(dòng)力級位。

6.4中間直流電路控制

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

6.5系統(tǒng)故障記錄

地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)具有完善的故障記錄功能，這對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)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(tǒng)傳輸故障信息，形成故障日志，對系統(tǒng)故障的發(fā)生時(shí)間、工況、故障類別和表現(xiàn)等相關(guān)信息進(jìn)行記錄;其次，DCU可記錄波形數(shù)據(jù)，在故障發(fā)生后，DCU會(huì)對相關(guān)電氣數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和記錄（主要包括直流環(huán)節(jié)電壓、手柄紀(jì)位、輸出電流等），并在專用軟件上講這些數(shù)據(jù)和信息記錄下來，通過圖形的方式產(chǎn)生數(shù)據(jù)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(shè)有LED指示燈與測試孔，通過電源指示燈方式來提示相關(guān)控制狀態(tài)信息，以便工作人員檢查和判斷。

7結(jié)束語

綜上所述，在地鐵車輛控制系統(tǒng)中，電氣牽引系統(tǒng)使整個(gè)地鐵車輛控制的核心所在，深入研究地鐵車輛牽引系統(tǒng)，并強(qiáng)化對其創(chuàng)新和應(yīng)用，對于保證地鐵車輛運(yùn)行的安全性有著重要的意義。

參考文獻(xiàn)：

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

（作者單位：遼寧工業(yè)大學(xué)）