武汉悬挂式空轨列车电气牵引系统设计

刘立伟 王瑶 覃宏阳 黄威

摘 要：悬挂式空轨列车是全新制式城市轨道交通列车，近几年备受国内轨道交通行业关注，其车内电气牵引系统备受重视，特别是适合空轨列车制式绿色、轻量化、结构简单式的设计概念。本文简要介绍武汉悬挂车电气牵引系统的构成组成、特点及主要控制功能。

关键词：悬挂式空轨列车;牵引系统;结构组成

0 引言

随着近几年轨道交通列车发展，各种制式车辆不断被设计，悬挂式空轨列车应运而生，与其他制式不同之处，武汉悬挂式轨道列车采用空气轮胎作为走行轮，吊挂空中运行，车辆采用两编组，全自动无人驾驶模式，控制系统简单，其定位为城市1公里衔接列车、同时也可做为景区观景列车、运行及观景一体化小运量列车，由于运营特殊性，对电气牵引系统要求颇高，同时系统应结构简单，可靠性好，寿命长的要求。

1 系统介绍

武汉悬挂式空轨列车采用2两编组+Mc =Mc+（根据业主要求可扩编），及一列车2动力编组动车组成，+为半自动车钩，=为半永久牵引杆，MC为有受流靴的动车，最高速度为60 km/h，牵引系统采用矢量控制，具有良好的空转/滑行控制功能，列车制动采用电制动与液压制动混合控制方式。

1.1 性能参数

平均加速度：列车在AW2载重下，在平直、干燥的轨道上，充气轮胎在370 mm～378 mm（半径）轮径下范围下，额定电压750 V时。

平均加速度（0 km/h～30 km/h）：≥ 1.0 m/s2

平均加速度（0 km/h～60 km/h）：≥ 0.5 m/s2

平均减速度：列车在AW3载重下，在平直、干燥的轨道上，充气轮胎在370 mm～378 mm（半径）轮径下范围下，列车最大速大60 km/h时。

最大常用制动（ 60  km/h～0 km/h）：≥ 1.0 m/s2

紧急制动（60 km/h～0 km/h）：≥ 1.2 m/s2

冲击极限：≤ 0.75 m/s3

降级模式：损失一节动车，AW3车辆在80‰坡道上启动，速度≥5 km/h

救援模式：AW0车辆救援AW0车辆，80‰坡道

蓄电池紧急牵引模式：AW3车辆在30‰坡道上启动，速度不低于5 km/h运行1 km。

牽引、制动特性曲线参见图1所示。

1.2 主要特点

（1）牵引逆变器（TCU）通过矢量控制方式控制三相异步电动机运行;

（2）牵引电机采用三相式异步电动机，电机能力满足车辆的运行参数要求;

（3）牵引系统应能通过TCMS系统监测与保护，当列车TCMS系统故障时，牵引系统应能通过应急牵引实施动力控制;

（4）牵引电制动系统具有牵引、电制动功能。采用电制动与液压制动混合运算的制动控制方式，电制动和液压制动转换平滑、无冲击，并具有防空转和防滑保护功能;

（5）牵引具有载荷补偿功能，出站及下站根据胎压自动校准轮径功能;

（6）列车具备车辆段（停车场）内蓄电池牵引功能和线路上的应急牵引功能。

2 系统结构组成

整车牵引系统设备布置在车顶和转向架，主要由以下设备构成：受流靴2套每个转向架，高速断路器HSCB、VVVF牵引逆变器、SIV辅助逆变器、牵引控制单元TCU、牵引电机和动力控制一体式蓄电池，其中最为关键的就是牵引电机、蓄电池。

电机采用电动驱动，以满足车辆牵引和制动特性的要求;

蓄电池采用动力与控制一体化电池组，提供车辆应急牵引，同时满足车辆正常应用的辅助供电，蓄电池采用安全、可靠、免维护的钛酸锂电池。

3 牵引系统主辅电路图

牵引系统主辅电路主要描述车辆驱动电机形式、双机重联形式、蓄电池充电及应急牵引等电路，其控制方式为车控（1C4M）即1台VVVF逆变器驱动2个转向架4台电机运转，车辆悬挂在轨道箱梁内运行，其供电通过配置转向架上受流靴，采用全程绝缘的正轨受流，负轨回流供电方式，额定电压750 V，每台MC车上设有SIV辅助逆变器，输出分两路，一路AC380V 50 Hz交流电供辅助交流用电，一路DC110V给蓄电池充电及车辆直流辅助供电，车辆采用动力蓄电池和控制蓄电池集成方式，车辆在变电站断电情况下，其可满足车辆应急牵引下的动力用电及控制供电，蓄电池采用DC110V。参见图2。

3.1 牵引、辅助系统

悬挂式列车牵引辅助系统基于IGBT技术牵引辅助集成变流器，牵引逆变器、辅助逆变器、充电机集成在一个箱体内，模块化设计，易于安装拆卸及维护。封闭的内部空气回路可以达到IP65的防护等级。在满足牵引辅助系统需求的情况下，实现了设备的小型化、集成化、轻量化。

变流器是基于电力电子功率模块（PEBBs）的模块化设计，功率模块已经世界范围内各种严苛的牵引环境中在现场运营超过十年。PEBB是使用艺术般的电力电子结构的模块代替了原来复杂的电力电子电路，是智能和可靠的电力变换平台。

3.1.1 牵引逆变模块

牵引逆变器（MC）模块包含了驱动控制板、直流电容器、牵引逆变器、电压限制单元，台车设有1个牵引逆变器，输入电源转换成驱动牵引电机的电源。

（1）输出电压：0～500 / 600 VRMS;

（2）输出频率：0 Hz～160 Hz;

（3）每个牵引逆变器供电的电机数量：4;

（4）轴端峰值功率（牵引/制动）：234 / 246 kW（轴端）;

（5）脉冲类型：PWM & OPP;

（6）额定电压上升率，最大：< 4 kV/us。

3.1.2 辅助逆变器

台车设有两个辅助逆变器，辅助逆变器1（AUX1）和辅助逆变器2（AUX2）。

辅助逆变器1（AUX1）從电隔离中间直流环节逆变出电流限制的三相输出电压，辅助电源逆变器的工作频率为50 Hz的恒定基本频率。

辅助逆变器2（AUX2）将DC110V蓄电池电压逆变出电流限制的三相输出电压，辅助电源逆变器的工作频率为50 Hz，电压380V AC，辅助逆变器2仅用于蓄电池紧急牵引工况时给牵引逆变器的散热风机供电。

3.2 牵引电机

牵引工况下，牵引逆变器输出变频变压的三相交流异步电机，电机将电能转换成机械能，通过联轴器和齿轮箱，传递到车轮，驱动车辆前进。

在制动时，电机处于发电工况，将车轮的机械能转化成电能，通过牵引逆变器的转换，将电能消耗在制动电阻上。

3.3 蓄电池

蓄电池安装在列车顶部，采用目前轨道交通应用最安全的钛酸锂电池，供电电压为DC110V，容量160 Ah/台车，采用冗余设计，可以在紧急状况下为整车DC110V负载供电，供电时间大于30 min。蓄电池也可以用于在电网无电时的应急牵引，在无电状况下将车辆牵引至下一站，保证乘客安全。

4 牵引系统控制功能

牵引控制单元（TCU）根据司机指令（或ATO）完成车辆牵引/制动特性控制及逻辑控制，通过对电路中接触器控制、高速断路器（HSCB）及VVVF逆变器等控制来完成列车牵引力及制动能力的计算。

4.1 高压电路控制

车辆牵引辅助变流器与电网之间是靠高速断路器（HSCB）进行隔离，通过受电靴导电，HSCB由车辆控制，HSCB的闭合/断开指令通过司机操作司机控制台上的高速断路闭合、断开两个“按钮开关”给出脉冲，该信号通过列车线（L_MCHSCB）送到各个牵引变流器，牵引逆变器通过高断信号的可靠性，进行分断和闭合。

4.2 牵引/制动特性控制

牵引变流器运行时以网络模式为主，硬线模式为辅，在硬线模式下使用软件默认的牵引制动百分比。

牵引/制动运算时，根据中间直流电压、牵引电机转矩包络线、列车速度、司机/ATO给定的极位以及IGBT反馈的指令等，计算出电气牵引/制动发挥的转矩值，在运营的不同工况下，变流器通过脉冲宽度调制（PWM）或优化脉冲模式（OPP）来开通IGBT，从而控制变频器的输出电压幅值、相位和频率，使电机输出的转矩值与系统给定值一致，同时控制牵引/制动时转矩上升和下降的斜率变化，确保列车冲击率在限定范围内。

4.3 负载补偿控制

列车的负载重量通过空气弹簧测量平均空气压力。如果负载测量故障，TCMS 会向牵引变流器发送一个默认值（保持最后一次载荷信息）。在制动和牵引模式下，可以使用不同的默认值。

牵引变流器在停车时读取列车车重信号，此时没有牵引指令（L_MOTOR 为低电平）。当L_MOTOR 为高电平时，经过处理的车重信号将用作进一步的计算，当列车车重信号无效时，牵引系统按照默认（保持最后一次载荷信息）车重进行计算，牵引力和制动力将根据以下两式做调整。

BEDnew 不应该大于 BE_MAX1，BE_MAX1 为AW2 下最大减速度对应的制动力。

TEDnew 不应该大于 TE_MAX1，TE_MAX1 为AW2 下最大加速度对应的牵引力。

4.4 蓄电池应急牵引控制

在列车收到零速信号，牵引手柄为N的时候，司机给出蓄电池牵引模块硬线信号给牵引变流器控制单元。

牵引控制单元进入蓄电池紧急牵引模式，将蓄电池的110V DC逆变给牵引电机以驱动列车;蓄电池紧急牵引模式牵引力为固定力，列车速度≥5 km/h;制动时仅液压制动，电制动不参与。

4.5 故障诊断测试

控制单元将故障信息闪存在系统内。故障信息包括：故障名称、故障部件、故障等级、故障发生的日期和时间、故障消失的日期和时间及相关的环境数据，控制单元将故障信息通过列车网络传送至TCMS，储存于列车控制单元中。

故障环境数据采样周期，最短的为0.25毫秒，最长为1秒。

事件分类如警告和故障连同时间一起记录在非易失存储区，同时相同的数据传送到列车总线作为诊断信息。各种信号，参数和动态的错误及警告可以通过运行于PC机的逆变器诊断软件（BORDLINE®-View）进行在线的监视。

5 结束语

本次设计的电气牵引系统采用先进的高速微处理器和直接转矩控制方式以及先进成熟的电制动控制技术。

武汉悬挂式列车自投产到运营，受到各轨道交通行业的高度认可，车辆现已完成例行和型式试验，同时，车辆已可实现无人驾驶，车辆电气牵引系统运行良好，各项技术性能符合设计要求。

参考文献：

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