地铁车辆电气牵引技术研究

丛帅龙 杨俊 刘彬

【摘 要】地铁车辆电气牵引技术朝着信息化、自动化和智能化的方向前进，以往的数字控制已趋于淘汰，取而代之的是通过计算机系统控制的电气牵引，此种牵引方式可以通过计算机系统完成自检，从而达到自控的目的，同时，自主控制还能够进行智能化的信号处理、信号输出，并利用数据传输完成对车辆的控制。

【关键词】地铁车辆;电气牵引系统;应用

1地铁车辆电气牵引系统的特点

地铁车辆电气牵引系统将电力传动车辆产生的牵引力与制动力的种种电子、电机、电器设备联系在一起共同构成一个电系统，以此对车辆功率进行传输，进而满足地铁车辆启动、制动、调速的3种工作状态的控制和调节。地铁列车电气牵引系统的主要特点有：采用优先使用电力再生制动，在电网不能吸收此能量时投入空气制动，在空气制动前投入制动过度电子以保障电气制动和空制动的顺利衔接;按照载重量自空车超负荷范围内对牵引力水平进行灵活调整，进而最大限度地保证车辆在空载状态和超负荷状态下能够保持较为稳定启动加速度。由于地铁工程的电气安装是贯穿在整个工程建设施工过程中的，甚至是在地铁工程竣工交付以后，其应用服务周期也会涉及电气安装;然而在这一时期又通常是施工人员比较懈怠的时期，所以这一时期的电气安装质量问题也很容易被忽略，因此必须要加强对竣工验收期的电气安装质量管理控制，以便当其出现质量安全隐患时能够第一时间发掘并加以修复。

2地铁车辆电气牵引系统的构成

每辆动车所包含的一套电气牵引系统主要由受流器、高速断路器、高速斷路器、制动过渡电阻、交流牵引机、速度传感器、VVVF牵引逆变器箱构成，列车电制动采用再生制动，最大限度地把能力反馈回电网;当电网不能吸收一部分或全部再生能量时则投入制动电阻，补充电阻制动;当电制动力不足时，用空气制动补充总制动力。紧急制动完全使用空气制动。现将其中的关键是设备及其构成介绍如下：

2.1牵引电机

目前国内常用的牵引电机为敞开式三相笼异步电机，多采用自然通风方式。

2.2 VVVF牵引逆变器

VVVF牵引逆变器采用PWM控制技术，其中的逆变模块采用IGBT功率元件，逆变器多采用电压逆变器。VVVF牵引逆变器的主要部件包括线路滤波器、牵引控制单元、三相IGBT功率单元。通常每个VVVF牵引逆变器为一辆车两台动力转向架上的4台并联牵引电动机提供用电，当其中的牵引逆变单元发生故障时，不会影响其他逆变单元的正常工作。

2.3制动过渡电阻

制动过渡电阻的功能主要包括：实现再生电气制动与机械制动之间的转换;撬棒电路的功能;制动时通过短距离无电区，不必断电制动。

2.4HSCB高速断路器

HSCB高速断路器为直流单极装置，具有双向过流保护功能，且能够实现自动跳闸释放功能，进而对牵引驱动设备进行过流保护HSCB高速断路器主体和灭弧室两部分构成。

3地铁车辆牵引技术发展及应用

3.1牵引传动的发展

当前大部分的地铁车辆采用的电能，在众多的传动技术研究中，根据地铁车辆的牵引方式不同选用直流传动和交流传动两种主要的传动方式，其原理是通过电能进入到电力发动机，由发动机完成车辆牵引。其中直流牵引发动机结构复杂，需要通过半控型晶闸管完成对直流的斩波，从而使斩波调压与相控调压相结合。随着地铁车辆牵引技术的不断发展，异步电机的交流传动开始应用到牵引技术当中，同时随着变频变压的电压逆变器问世，交流传动成为主要牵引技术。

3.2牵引技术的运用

作为当前主要地铁车辆牵引技术，交流传动方式通过牵引变流器来实现对地铁车辆的控制，为了能够实现牵引变流，则需要在地铁车辆设计时运用变频器弥补电压等级不足等问题。如德国和日本，分别用过1200V和1700V的三电平逆变器，随着技术发展，逆变器加入高压模块，从而输出波形更好。同时在交流传动中加入速度传感器和全电制动，保证电气牵引的灵活和可靠。

4当前地铁车辆电气牵引系统设计

针对某城市的轨道交通情况进行车辆电气牵引系统设计，通过电气牵引技术的运用实现车辆的智能控制。

4.1车辆基本情况

作为城市轨道交通工具，需要具备架空接触网进行供电。车辆选购为中国著名地铁车辆生产厂家所生产的车辆，车辆车轮能够长时间保持清洁和干燥，且在平直轨道运行中最快速度能够达到80km/h，列车加速度大于0.7m/s2，列车制动速度不能小于1.2m/s2，制动减速度不小于1.5m/s2。

4.2元件选择

为了能够满足车辆的运行需要，运用交流传动作为主要电气牵引技术进行牵引系统设计，首先需要根据基本需求原则选择元件。在一般的系統架构当中，元件选择一般为受电器和断路器两个方面，针对地铁轨道交通的各项需求，选择了具备高速断路器和充电设备的高压箱，具备支撑电容器和线路电抗器的滤波电抗器箱，以及制动电阻箱、牵引电动机等，利用这些设备，满足了系统设计的基本元件需求。

滤波电抗器箱在系统当中主要负责方向为维持电压稳定和吸收谐波电压两个方面，本次选择滤波电抗器箱还考慮到其拥有阻挡逆变器干扰的能力，可以在逆变器出现短路时，通过转换开关单元来实现空心。为了避免电压过高，设计中选用了制动电阻箱，该设备应用于牵引过程中，可以利用导通斩波模块来实现电路阻隔，最终完成电压控制，同时还能够为车辆紧急制动提供能量，维持车辆平稳运行。牵引电动机是电器牵引交流传动中重要设备，为了满足地铁车辆的运行需求，选择了四极自通风的三相鼠笼式异步牵引电动机，该型号电动机可以悬挂在地铁车辆上方的转向架上，利用联轴节完成传动和牵引，并利用逆变器完成电能传输。

4.3牵引系统

目前，为了增大电动机的牵引压力，一般采用无吸收电路式逆变器，通过其中的绝缘IGBT模块，实现轨道车辆的结构紧凑、体量轻盈需求。本文在设计当中也采用了这种逆变器。在实际系统设计中，本文选用第三轨供电，满足地铁车辆的电气牵引要求，并设定了每小时0-43km的恒定引力范围，从而实现了每小时43-65km的恒定速度。基于此可以计算得出，恒定牵引力可以设置为350kN，自然牵引力则应该设定为230kN。同时，为了保证牵引可以规范在载荷范围之内，还需要专门设定车辆的牵引条件，使车辆能够在电气系统的牵引下，自动完成载荷调节。此外，制动方式本文采用了具有突出优势的全电制动方式，为了避免以往气制动在制动时出现的车辆剧烈摇晃现象，本文在电气牵引系统当中加入了全电制动设备，从而提高了停车精度，使噪声得到减小，还使车辆更加平稳，提高了行驶质量。

5电气控制系统设计

5.1电气控制

地铁车辆的电气牵引系统设计完成后，需要对电气控制系统进行设计。首先对列车开启之后的动能与电能的转化问题，需要用电气控制系统进行约束，在地铁电网系统中，车辆与电网的连接的方式决定决定了电能损耗，为了降低电能功率损耗，利用电气控制的方式进行控制，让电动马达的运行更加安全和合理，并从根本上节约电力使用量。在设计中选用PWM低噪声控制方法，通过变频变压逆变器VVVF的脉宽调制，实现了高频全域的异步、同步和低频全域异步、同步的控制，最终实现了电力使用量的降低。另外还运用了矢量控制方法，利用无速度传感器使电气牵引的轴向距离得到增加，从而实现对转矩电流的控制，大幅度提升了转矩响应的速度，且提高了测算速度，使电气传动牵引更加科学。

5.2牵引控制

在牵引控制单元中，硬件设计包括：开关单元（PWR）、数字输入（DIO）、数字输出（DIO）、系统管理通信（SMC）、脉冲转换单元（PCU）、电机控制单元（MCU）、信号处理单元（SPU）、辅助处理单元（PAU）。通过这些硬件的选择和使用，可以进一步实现牵引控制单元的数字化，并能够将数字化运用于控制管理当中，管理人员可以通过数字化的信号传输和显示，对既以发生和可能发生的线路故障进行诊断和预估，并根据控制单元和电气牵引系统相连接的数据传递，实现紧急启动/制动牵引，保障行车安全。其中，电源开关是整个控制系统的电流供应插件，数字的输入和输出在本工程中包含了二十个110V的数字信号传递任务，在硬件设置中本文还加入了隔离转换器，可以将二十个110V信号转化成为5V信号进行传输。为了保证传输效果，还需要加装MOS输出信号插头、继电器插头等若干個开关。牵引控制单元可以利用这些硬件，对列车进行牵引控制，并保证列车牵引、方向、电机转向等判断准确，最终实现有效控制。

6地铁车辆电气牵引系统的应用功能

6.1判别和控制车辆运行状态

DCU的基本功能是对车辆信息，包括车辆的运行方向、牵引、制动、惰行、紧急牵引、紧急制动、电机转向、洗车等信号进行收集和判断，进而判别车辆的运行状态和运行模式，并采取合适的控制策略。

6.2粘着利用控制

为了实现最大粘着利用率，地铁车辆电气牵引系统具备粘着利用控制功能。DCU采用相位移法实现粘着利用控制即当线路状况变化不定的情况下，采集电机转速、电机转矩等信息，并对这些信息进行分析和处理，再对给定电机转矩指令与DCU所生成的电机牵引/制动特性包络线，进行综合分析，得出电机转矩指令，并向电机控制系统发出相应的电机转矩，进而使地铁车辆能够以接近线路当天最大的粘着系数运行。

6.3载荷补偿

DCU具备载荷补偿功能，其原理是：列车通过空气弹簧压力装备产生载重电信号，载重信号的植直接正比于列车的载客的重量。系统采集这一信号并进行计算后，将信息传送到牵引控制单元DCU，DCU再根据这一信号值自动调节补偿载重系数，进而很好地保障车辆具备既有的制动和牵引性能。具体计算方法为：

F=M×K×

在上式中：M表示每次计算锁定列车启动速度大于零时的载荷信号;K表示载荷补偿系数;α表示牵引力/电制动力级位。

6.4中间直流电路控制

地铁车辆在制动和牵引工况下，因空转等原因，常常引起直流电路电压高于设定电压的情况，此时DCU控制斩波桥臂开通，进而通过制动电阻来消耗部分电能，使得中间直流电路电压处于正常数值范围内。

6.5系统故障记录

地铁车辆电气牵引系统具有完善的故障记录功能，这对系统运行状态的检查、故障的分析和诊断有着重要的意义。首先，向列车控制和诊断系统传输故障信息，形成故障日志，对系统故障的发生时间、工况、故障类别和表现等相关信息进行记录;其次，DCU可记录波形数据，在故障发生后，DCU会对相关电气数据进行采集和记录（主要包括直流环节电压、手柄纪位、输出电流等），并在专用软件上讲这些数据和信息记录下来，通过图形的方式产生数据波形，供工作人员查看、分析和诊断。除此之外DCU插件面板上还设有LED指示灯与测试孔，通过电源指示灯方式来提示相关控制状态信息，以便工作人员检查和判断。

7结束语

综上所述，在地铁车辆控制系统中，电气牵引系统使整个地铁车辆控制的核心所在，深入研究地铁车辆牵引系统，并强化对其创新和应用，对于保证地铁车辆运行的安全性有着重要的意义。

参考文献：

[1]肖伟福地铁车辆电器牵引系统的电器控制探讨《科技经济导刊》-2016年第7期.

[2]胡军南昌地铁1号线车辆电器牵引及控制系统《机车电传动》2013年第6期.

（作者单位：辽宁工业大学）