架控式牵引系统在城际动车组中的应用于昊明

架控式牵引系统在城际动车组中的应用于昊明

于昊明

（中车长春轨道客车股份有限公司吉林省长春市130000）

摘要：改革开放以来，我国逐渐走向世界，社会经济取得了巨大的发展。在经济发展的同时，因为我国人口基数大，运输需求大，我国的运输行业也在不断发展，并且已经取得了十分不错的成绩。目前，我国的城际动车组的发展已经实现了城际机车运行体制，相关科技水平已经达到世界领先水平。本文将城际动车组短编组架控式牵引系统的特点进行了结合，对架控式牵引系统对制动系统和转向架系统造成的影响进行了分析，研究了架控式牵引系统的应用前景。和传统的车控式牵引系统不同，系统应用架控式牵引系统会大大提高冗余性，可以预见的是，在城际动车中，架控式牵引系统的应用前景十分广阔。

关键词：架控；牵引系统；城际动车组；应用

一、前言

我国社会经济发展十分迅速，交通运输的需求量大大增加，为了更好的满足城市建设的发展需要，我国明确制定了“十二五”技术，要建设以轨道交通以及高速公路为骨干的城际快速交通网络。在城际轨道交通网络中，城际动车组是重要的移动载体，和客运专线的高速动车组不同，也和城市轨道交通的地铁也不同，城际动车组的要求更高，不仅需要具备高速动车组的持续高速运行的能力，同时还要具备地铁列车的启停能力。

目前，不论是国内还是国外，在城际动车组上，基本都是短编组。短编组动车组有很多优点，从初期建设站台，到后期车辆投入运行，成本都比较低。而且虽然投入的成本低，但是却没有影响工程进度，工程进度较快，所以受到经济效益或者是社会效益的时间相对较短。在城际铁路中，短编组城际动车是首选车型。架控式牵引系统的可用性更高，具有更高的经济效益，所以其应用前景非常广阔。

二、架控式牵引系统的特点

架空是指在每一辆动车上都安装两个牵引逆变器，然后分别控制着两台转向架上的牵引电机[1]。如果其中一台牵引逆变器或者是牵引电机出现问题，那么该转向架的牵引电机就会隔离或者切除牵引逆变器，不会影响到另一台牵引电机的运行，动车还可以用剩余50%的动力继续运行。

动车组应用架控式牵引系统的一个优点就是可以提高故障运行能力。城际动车组因为基本都是短编组，所以很有必要采用架控式牵引系统[2]。下图1是架控式牵引系统的主电路结构框图。和传统的车控模式不同的是，在架控式牵引系统中，动车上增加了一台牵引逆变器，但是因为逆变器的控制较为复杂，所以在一定程度上增加了车辆的故障点，对于整个动车组来说，稍微提高了一些故障率。而且因为增加了牵引变流器的重量以及体积，所以导致动车的车下设备布置较为紧张，在一定程度上提高了动车组的成本[3]。

图1架控式牵引系统主电路结构框图

三、制动系统和架控式牵引系统的配合关系

（一）配置方式

为了减少对制动系统制动盘的磨耗，同时也为了控制运营成本，在动车组的制动系统中，基本都采用的是空电复合制动[4]。制动系统的控制方式和架控式牵引系统的配置关系分为两种。

其一是架控式牵引系统配置上车控式制动系统。在这种配置方式中，如果有一台转向架的制动出现问题，那么在施加空气制动时，可能会导致空气制动力和电制动力叠加作用在另外一台转向架轮上，导致转向架轮抱死，擦伤车轮。要想避免出现这种问题，另一台电制动力正常的转向架必须要切除电制动动能，但是与此同时就会浪费大量的动车组电制动功率，使得动车组的节能效果得不到保证。

其二就是架控式牵引系统配置上轴控式或者是架控式制动系统。这种配置方式就可以避免出现上述问题，而且其匹配性能在空电复合制动中是最好的。这种配置方式也存在着缺点，就是成本较高，而且会提高动车组的故障率。

（二）防滑控制配合策略

对于制动系统来说，架控式牵引系统的主要影响就是防滑控制策略上，分为两种防滑控制模式。首先是在制动控制单元（BCU）的主导下，接受BCU指令的是牵引控制单元（TCU），最终实现防滑控制，目前很多高速动车组中都在使用这种控制方式。其次就是空气制动防滑，主要由BCU进行控制，TCU控制电制动防滑，这种方式经常在地铁车辆或者是城际动车组中应用[5]。下图2是架控式牵引系统配置上车控式制动系统的防滑控制策略；图3是架控式牵引系统配置上轴控式或者架控式制动系统的防滑控制策略。

图2防滑控制策略

图3防滑控制策略

四、架控式牵引系统对转向架的影响

异步牵引电机具有较硬的电机力矩特性，即便是细小的轮径差异，都会影响到同一台逆变器供电的并联电机负荷的分配。如果负荷分配不均匀，就会导致个别电机严重过载，电机的温度会升高，严重时可能会突破粘着的极限，导致空转或者滑行，擦伤动车组的车轮，所以这也就要求我们必须要严格的限制动车组的轮径差。

目前新造的动车组，在其总体技术中，都严格的规定了同一转向架以及同一辆车的轮径允许差。为了降低采购列车的成本，也为了可以节省列车车身的空间，在动车组的牵引传动系统中，经常使用并联的牵引电机。这种控制方式大大简化了控制结构，功率器件的使用频率也大大降低，但是也存在一些问题。存在一定的制造误差，而且在运行过程中，还存在一定程度的磨损，影响了牵引电机的参数，并且转向架轮的直径也存在一定的差异，就会导致出现负荷不平衡的情况。在一辆动车的不同转向架上，通常会有两台牵引电机，假设其中一台牵引电机1可以驱动的车轮直径是D1，那么另外一台牵引电机就设置为D2，如果D2大于D1，对应的电机转速为n1和n2，s1和s2表示电机的转差率。因为轮轨之间的粘着会影响车轮，在轮缘处，线速度是一样的，所以会有：

D1n1=D2n2.

此时电机的转速是n1大于n2的。转差率的计算公式如下：

S=（nN-n）/nN。上式中，nN表示的是异步牵引电机的同步转速。通过计算可以知道s2是大于s1的。

因为是用同一台牵引变流器来控制两台电机，所以电机也拥有相同的同步角速度，但是电机转矩不相同，主要体现在不平衡的载荷分配。当负载比较轻时，电机的实际转速比较接近同步转速，而且电机的工作点就在电机不同工况的临界点附近。因为转向架的轮径差，使得电机的转速不同，导致两台电机中转速较高的电机进入制动工况，但是另一台仍然在牵引工况的情况，对车辆的牵引制动性能都有着较大的影响。如果牵引电机的特性或者轮径的差异过大，那么就会导致严重的功率分配不平衡，很容易使得某一个牵引电机过载，温度迅速升高，当超过轮轨的粘着极限时，就会出现空转或者打滑的情况，对车轮造成磨损，而且牵引电机也会大大降低输出力矩。

结语

在短编组的城际动车组中，应用架控式牵引系统优点众多，不仅提高了运行可靠性，而且使得转向架的镟轮周期也得到延长，动车组大大节省了全寿命周期成本。所以，架控式牵引系统的应用前景非常广阔。

参考文献：

[1]刁利军,董侃,赵雷廷等.基于双DSP-FPGA架构的城轨列车电力牵引控制系统[J].电工技术学报,2014,29(1):174-180.

[2]刘新辉.直流架线式工矿电机车电气系统的设计与应用[D].西安电子科技大学,2006..

[3]李梁,马喜成,刘军良等.地铁车辆牵引系统控制方式的比选[J].电力机车与城轨车辆,2013,36(1):34-37.

[4]林文立.地铁动车牵引传动系统分析、建模及优化[D].北京交通大学,2010.

[5]钟国强.地铁车辆牵引系统控制方式的比选分析[J].科学与信息化,2017,(10):162,164.