分析地铁车辆电气牵引系统的电气控制

分析地铁车辆电气牵引系统的电气控制

陈金龙王元贵

（重庆市轨道交通（集团）有限公司）

摘要：在地铁的运营过程中，其牵引系统直接影响到地铁的运行安全和效率，只有保证地铁牵引系统的正常工作，才能够使得地铁安全、稳定地运行，而电气控制对于地铁车辆电气牵引系统有着至关重要的影响。

关键词：地铁车辆；电气牵引；电气控制

电气牵引是现代轨道交通的核心技术之一，电气牵引技术为轨道交通提供车辆运行的功率，提高车辆制动的稳定性，保证车辆行驶安全，减少车辆牵引的危险性，维护交通秩序。

一、地铁车辆牵引系统的构成

地铁车辆电气牵引系统一般都是由避雷器（LP）、制动电阻（BR）、牵引逆变器（VVVF）、含HSCB的高压箱（HV）、牵引电动机（MOTOR）及受电弓（PAN）等组成，其中高压箱主要是由高速断路器、充电设备及主隔离开关构成，而在地铁车辆上，一般都配备有两台受电弓，之所以要采用两台受电弓，主要就是为了避免因为一台受电弓出现故障而引起牵引逆变器和辅助逆变器停止工作，这两个受电弓可以分别向一个动力单元提供动力所需要的高压电源，如果一台受电弓出现了故障，另一台受电弓仍然可以维持逆变器和辅助逆变器的正常运转。在地铁车辆的电气牵引系统中，还配备有牵引逆变器，在逆变器的输入端有相应的支撑电容，通过该支撑电容可以有效的保证逆变器输入电压的稳定，同时还能够起到能量缓冲的作用。此外，在地铁车辆牵引系统中还有滤波电抗器，它与电容可以共同构成一个维持系统电压稳定的装置，从而使得逆变器能够正常的工作。

在逆变器之中，一般都包含了逆变箱和斩波相控制器，在进行牵引的过程中，直流电将被转化成为三相交流电，进行转换之后，就可以实现对于频率及电压的调节，进而完成对于整个牵引电机的控制。而在再生制动的过程中，又将三相交流电重新转换成为直流电输送到电网，从而完成电网的供电。当制动电阻启动之后，制动电阻会将多余的电能进行转化，使其变成热能排放到空气之中。逆变器在使用的过程中还需要对其进行冷却，一般而言，逆变器的冷却都是使用的热管散热器，热管散热器是利用液态介质的冷凝和蒸发来实现对于热量的排放的，而且热管散热器的结构十分简单，在其运行的过程中，也不会对于环境造成任何的污染。

二、地铁车辆电气牵引系统的电气控制

2.1牵引控制单元(DCU)

牵引控制单元（DCU）放置于VVVF逆变器箱内，采用无边插头6U标准插箱，从各插件的前面板输入/输出信号，DCU与IGBT变流器模块之间通过屏蔽电缆传输触发脉冲和反馈信号，实现对变流器模块控制的目的。

2.1.1牵引电动机牵引/电制动特性控制

牵引/电制动特性计算时，根据中间直流电压、牵引电机转矩包络线、列车速度（电机转速）、牵引/制动级位以及IGBT元件的驱动反馈等，计算出牵引电机应该发挥的牵引或制动转矩。牵引/制动转矩的上升/下降按设定的斜率变化，保证列车冲击率在限制范围内。在列车紧急模式下，DCU接受司机控制器硬线指令，执行50%和100%两挡牵引，电制动自动隔离，完全由空气制动系统执行列车制动。根据系统要求，DCU确保实际转矩比颠覆转矩至少小20%。在列车试验时，通过改变程序，实际转矩可调整±10%。

2.1.2载荷补偿

载重信号来自列车空气弹簧压力的电信号，该信号值直接正比于列车的载客的重量。该信号通过制动系统采集计算后经网络传送至牵引控制单元DCU。DCU能根据此信号值自动地调节补偿载重系数，从而保障列车实现既有的牵引、制动性能。其具体的计算方法为：，式中：M—每次计算锁定列车启动速度大于零时的载荷信号（列车关门后的载荷信号）；K—载荷补偿系数；a—牵引力/电制动力级位。DCU实现故障的诊断与记录，并采取相应的保护措施。DCU检测到的异常情况（故障）按严重程度分为多个等级，将故障信息储存在无源存储单元内，同时采取相应的保护措施。故障记录条数为40条，采样周期为40μs，故障记录时间为故障前0.5s至故障后0.2s。同一节车的轮径差小于8mm时，系统应能自动地提供完整的性能。检测列车速度超过83km/h时，封锁牵引。

2.2电制动控制

地铁车辆制动主要是依靠机械制动和电制动两种方式，而电制动又包括再生制动和电阻制动，但是在实际的制动过程中，这两种制动方式是存在一定的优先级别的，一般情况下，在对车辆进行制动控制时，首先是进行再生制动，然后再进行电阻制动，最后才进行机械制动。但是为了取得更好地制动效果和节约能源，往往也将再生制动和电阻制动、电制动及机械制动混合起来使用，实现对于车辆的混合制动控制。

2.3牵引系统的故障检修

地铁牵引系统故障的位置通常位于供电臂原理牵引变电所的远端，通过对近远端断路故障进行仿真分析，分别得出近远端断路点的馈线电流，从中能够看出电流的稳态值会随着故障距离的变化而发生变化，即随着故障距离的减小而增大，并且故障点离接触网末端越近，电流上升的速度也就越慢，它能够诊断出直流牵引网电压有没有发生突变。模拟仿真分析为了避开牵引变电站子模型的初始阶段存在的暂态过程，通过设置以下模拟实验进行故障仿真分析，即设置1台地铁车辆在0.05s启动，在0.11s时分别在2km、3km处设置远端故障模拟试验，以此模仿实际的短路故障。通过分析直流馈线电流仿真结果，能够得出类似的指数函数，即距离接触网末端的距离越远，电流上升的越慢，电流的稳定值就越高。通过故障仿真分析，检测地铁车辆直流馈线的电流大小和上升率，能够准确地检测出牵引系统有没有发生故障。

结语

电气牵引系统是地铁车辆正常运行中不可缺少的系统,其能保障车辆的安全,实现车辆的牵引与制动,所以日常的车辆检修工作要对其格外重视。而电气控制主要是牵引控制和制动控制,需要熟练掌握。

参考文献

[1]袁登科,朱小娟,周俊龙，等.地铁车辆电气牵引系统直流侧电流谐波分析[J].同济大学学报（自然科学版）,2014.

[2]史秀娈,姜悦礼.地铁车辆电气牵引系统的设计[J].铁道机车与动车,2014.

[3]赵雷廷,刁利军,董侃，等.地铁牵引变流器—电机系统稳定性控制[J].电工技术学报,2013.

【作者简介】

陈金龙（1985.3-），男，重庆铜梁人，西南交通大学电气工程及其自动化学士，工程师，单位：重庆市轨道交通（集团）有限公司:

王元贵（1987.2-），女，重庆江津人，西南交通大学电力系统及其自动化硕士，工程师，单位：重庆市轨道交通（集团）有限公司