地铁列车牵引电气系统技术集成设计

地铁列车牵引电气系统技术集成设计

张晓玲,王小征

中车唐山机车车辆有限公司

摘要：当车辆牵引系统存在问题的时候，若不能够及时进行有效的处理，这将大大地影响到车辆行车效率和人们正常的出行，对此需要在实践中不断地去查找故障，及时排除故障、总结经验，对牵引系统故障提出一整套改进措施，从而确保运行安全、提高地铁运营及大修工作效率。

    关键词：轨道交通 牵引系统 系统设计

前言：

检测与保护电路是牵引传动系统控制系统中的一个重要环节，它可以对牵引传动系统中电流，电压，温度，速度以及开关状态信号进行实时检测，以及基于所述检测信号执行对应动作以确保所述牵引传动系统正常运行并且最小化所述故障对所述牵引传动系统产生的影响。如何对牵引传动系统的检测及保护电路进行较好的设计，改进及优化，对于保障车辆安全行驶具有极为重要的作用。

目前在地铁车辆中主要采用的牵引方式有三相交流传动方式和两点型电压型式，交逆变电路等，在牵引逆变器的辅助下，DC1500 V直流电变成三相交流电，完成对并联牵引电机供电，当网侧电网位于1000 V~1800 V区间时，主电路能正常工作，以保证动车牵引与制动无接点切换。文章以某城市地铁国产列车牵引系统为研究对象。

一、地铁车辆牵引传动系统简介

地铁牵引传动系统包括中间直流环节，牵引逆变器，牵引电机和齿轮传动系统。与电气化铁路使用交流供电不同，地铁牵引传动系统使用的是直流供电且无整流装置。地铁列车牵引工况时牵引电机为电动机，第三轨或者接触网所得直流电通过中间直流环节向牵引逆变器输出，逆变是利用SPWM技术将直流电变换成电压、频率均可控制的三相交流电输出到牵引异步电机上，由电机把所得电能变换成机械能来带动地铁列车向前运行。地铁列车制动工况时牵引电机发电，牵引逆变器把牵引电机的三相交流电转换为直流电并通过中间直流环节回到电网，即达到再生制动的目的，直流电又可由电阻散热耗能即达到电阻制动的效果。

地铁电气牵引传动系统由直流环节，逆变环节和牵引电机等组成。该图的结构是由一个牵引逆变器带动两个牵引电机运行，直流电经过由滤波电感L1/L2、支撑电容C1/C2组成的低通滤波电路后，在形成较稳定直流电压的同时能够削弱电网电压波动给逆变器带来的冲击，降低谐波给电网带来的冲击；C1/C2也给牵引电机带来无功功率。DC/AC是将直流电转换为交流电的牵引逆变单元，采用正弦脉宽调制技术（SPWM），通过控制内部大功率半导体器件（IGBT）的导通和关断，得到变压变频的交流电，输出给牵引电机。R是预充电电阻以限制充电时电容C1/C2对电流的冲击；K2是预充电接触器以使预充电电阻向线路开关，K1是线路接触器用于支撑电容充电完成时短接充电电阻；K3/K4,Ra/Rb是带制动电阻的大功率半导体开关，再生制动模式是直流网压太高时投入工作并实施电阻制动。

二、系统特点

牵引及其控制为车控。在1C4M模式高压电路中，每一组VVVF逆变器单元分别为一台动车的四个牵引电机提供电能；交流牵引电机转矩控制为无速度传感器式矢量控制和以速度计算方式为基础的空转－滑行控制；在电制动中，再生制动占首位。随再生吸收条件改变再生制动和电阻制动不断调整并平滑过渡；列车整列均有贯穿的高压母线并安装母线断路器以确保列车能够安全地经过线路中任意位置的架空线电分段区域；该系统充分利用了轮轨黏着情况，根据列车载重量自空车向超员运行区间自动调节牵引力与再生制动力大小，使得列车自空车向超员运行区间启动加速度与制动减速度几乎恒定；并且有响应及时，高效可靠地控制空转与滑行。

三、地铁车辆牵引传动系统的基本构成

牵引传动系统在列车驱动系统中占有重要地位，主要用于把直流电压变换为变频变压三相电压来控制牵引电机实现列车牵引和电制动等功能。这一转化过程主要分为以下几个步骤：

由接触网送入电能给牵引变流器提供电能→牵引变流器把直流电压变换为频率变化，幅度变化的三相电压给牵引电机提供电能→牵引模式，牵引电机把输入电能转化为机械能，经齿轮箱转化为汽车轮轴牵引力动力→制动模式时反转电源方向使牵引电机作为发电机运行，机械制动能被转化为电能并再反馈到电网中供给其他列车或被制动电阻消耗掉。

地铁车辆牵引传动系统一般包括以下几个组成部分：（1）高压主电路；（2）线路滤波器等；（3）牵引逆变器等；（4）接地故障探测装置等；（5）过压力/制动斩波器；（6）牵引电机等。

四、系统控制

牵引逆变器系统是牵引系统的心脏，由牵引控制单元（电子控制装置）控制，可以实现以下控制功能：接收和执行驾驶员操纵指令；实现了牵引电机的转矩控制、混合电制动、防冲击、空转－滑行、空重车、牵引－制动切换等反转保护；通过和空气制动控制系统进行数据交换，达到电控制动联合控制；对系统控制逻辑的检测及故障诊断，显示，记录以及与列车监视系统的数据交换等工作，保护动作按故障严重程度归类执行。

（一）矢量控制

使用矢量控制方法响应快、精度高。通过使用矢量控制来准确控制电机转矩，可以达到防冲击控制以达到平滑加速制动。在牵引或者电控混合制动运行条件下，轮对空转和滑行过程中，采用矢量控制快速准确地控制电机转矩，可以有效地抑制空转和滑行并快速恢复轮轨黏着状态。采用矢量控制方式进行空转－滑行控制能够充分发挥轮轨之间黏着力的使用，能够使列车加速制动平稳，避免空转－滑行造成轮轨损伤。在沈阳地铁1号线一期工程中，地铁车辆通过无速度传感器矢量控制，实现了交流牵引电机转矩准确，高效的控制。VVVF将四个交流牵引电机平行运行，实现矢量控制。系统采用霍尔元件检测逆变器各相输出电流（电机电流），然后将电机电流分为转矩分电流和励磁分电流来分别进行控制。

（二）牵引控制

牵引逆变器从司机控制器或者ATO装置接收牵引指令和给定值并且基于来自制动控制装置的火车空重车信号来控制火车牵引和其输出转矩。该系统具有速度限制功能。当列车速度大于限定值后，该系统实施牵引封锁使牵引力为0直到速度回升。此外在ATP被切除的情况下，该系统还能提供车辆限速的功能。此外，该系统还具备高加速功能。当坡道救援开始后，使用这一功能可以提高列车起动牵引力并推动停靠在最大坡道上的失效列车通过坡道。列车有洗车运行方式。以这种方式工作时，系统会控制牵引以指定的速度范围内自动作用或移除牵引。

五、地铁车辆牵引传动系统检测与保护电路分析

作为一套完整的控制系统离不开检测与保护电路。为确保交流传动系统的正常运行和判别其是否正常运行，对系统中各关键参数值进行监测和控制是首要任务。列车运行时，系统可能会出现多种过电压，过电流和过热的故障和风险，例如逆变单元和牵引电机投入过高的电压和电流，IGBT的温度过高和电机定子的温度过高。这些危险情况若任其发展就会产生严重后果，所以必须采取适当的监控保护措施。

传动系统的一般测试包括：直流侧线路电压，线路电流，逆变器功率器件结温（多为IGBT）以及牵引电机电流，电压和温度等诸多方面。检测时，采用合适灵敏度和精度的传感器等以实现实时，持续的监测，并通过检测信号实现相关保护或控制。

结语：

在轨道交通日益发展的今天，地铁车辆检维修的工作量越来越大，电气系统作为车辆中重要的一环，在日常大修中面临着很大的困难，它要求大家不断地去了解，增长地铁车辆各系统知识，充实技术技能。

参考文献：

[1]陶生桂，胡兵.城市轨道车辆电力传动系统及其控制综述[J].变频器世界，2012

[2]沈恭，朱沪生.地铁二号线工程[M].上海：上海科学技术出版社，2010