電氣牽引系統(tǒng)在地鐵車(chē)輛中的幾點(diǎn)設(shè)計(jì)方案

馬廣輝

【摘 要】車(chē)輛牽引系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，如果不能得到及時(shí)有效的解決，這樣會(huì)極大影響車(chē)輛行車(chē)效率，影響人們的正常出行，為此我們要在實(shí)際的工作中不斷的去發(fā)現(xiàn)故障，及時(shí)的排除故障，并總結(jié)其經(jīng)驗(yàn)，提出了一套完整的牽引系統(tǒng)故障改進(jìn)措施，這樣才能保障運(yùn)行安全，提高地鐵運(yùn)營(yíng)和檢修的效率。

當(dāng)列車(chē)牽引系統(tǒng)實(shí)施國(guó)產(chǎn)化后，在沈陽(yáng)地鐵部分列車(chē)上實(shí)施了牽引系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化。其中的電氣牽引系統(tǒng)采用了時(shí)代電氣自主研發(fā)的電氣牽引系統(tǒng)，列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)采用了KNORR公司的EP2002制動(dòng)系統(tǒng)。自主的牽引系統(tǒng)與車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)的之間配合關(guān)系牽涉到列車(chē)的牽引與制動(dòng)性能，因此完善的接口及功能設(shè)計(jì)至關(guān)重要。本文就沈陽(yáng)地鐵國(guó)產(chǎn)列車(chē)牽引系統(tǒng)進(jìn)行了闡述。

1.系統(tǒng)特點(diǎn)

牽引及其控制采用車(chē)控方式。1C4M方式高壓電路，每套VVVF逆變器單元給1輛動(dòng)車(chē)上的4臺(tái)牽引電機(jī)供電；交流牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制采用無(wú)速度傳感器式矢量控制，基于速度推算方式進(jìn)行空轉(zhuǎn)/滑行控制；電制動(dòng)以再生制動(dòng)優(yōu)先。隨著再生吸收條件的變化，再生制動(dòng)與電阻制動(dòng)連續(xù)調(diào)節(jié)，且平滑轉(zhuǎn)換；列車(chē)全列設(shè)有貫通高壓母線，且設(shè)置母線斷路器，保證列車(chē)能安全通過(guò)線路上任何一處架空線電分段區(qū)；系統(tǒng)充分利用輪軌黏著條件，并按列車(chē)載重量從空車(chē)到超員范圍內(nèi)自動(dòng)調(diào)整牽引力和再生制動(dòng)力的大小，使列車(chē)在空車(chē)至超員范圍內(nèi)保持起動(dòng)加速度和制動(dòng)減速度基本不變；并具有反應(yīng)及時(shí)、有效可靠的空轉(zhuǎn)和滑行控制。

2.系統(tǒng)構(gòu)成

沈陽(yáng)地鐵1號(hào)線一期工程地鐵列車(chē)采用由2個(gè)動(dòng)力單元組成的6輛編組型式。列車(chē)搭載有2臺(tái)受電弓，每臺(tái)受電弓向1個(gè)動(dòng)力單元供給高壓電源。為防止因1臺(tái)受電弓短時(shí)離線時(shí)，造成牽引逆變器（VVVF）和輔助逆變器（SIV）停止工作；同時(shí)也保證在1臺(tái)受電弓故障時(shí)，受電弓故障單元側(cè)的輔助逆變器（SIV）也仍能工作，列車(chē)全列貫通有高壓母線。當(dāng)1臺(tái)受電弓故障時(shí)，由于受電弓容量限制，1臺(tái)受電弓不足以長(zhǎng)時(shí)支撐兩個(gè)動(dòng)力單元共4臺(tái)VVVF工作。因此，當(dāng)1臺(tái)受電弓故障時(shí)，列車(chē)傳送系統(tǒng)（TMS）切除該側(cè)牽引逆變器（VVVF）的牽引指令，受電弓故障單元側(cè)的VVVF將由列車(chē)傳送系統(tǒng)（TMS）控制不投入工作，該側(cè)牽引逆變器停止工作，列車(chē)動(dòng)力配置變?yōu)?M4T。為保證作業(yè)安全并對(duì)裝置進(jìn)行保護(hù)，在兩個(gè)動(dòng)力單元之間設(shè)置有母線斷路器（BLB）。BLB受列車(chē)傳送系統(tǒng)（TMS）控制。列車(chē)傳送系統(tǒng)（TMS）正常工作時(shí)，在列車(chē)停車(chē)中BLB保持為OFF，當(dāng)列車(chē)起動(dòng)且速度超過(guò)一定值后BLB投入工作。

另外，當(dāng)列車(chē)在不同變電所供電區(qū)間分界點(diǎn)停車(chē)或以較低速度運(yùn)行（v<5km/h）時(shí)，由于BLB斷開(kāi)，可以防止因變電所間的電壓不同，從1臺(tái)受電弓通過(guò)列車(chē)母線經(jīng)由另1臺(tái)受電弓電流持續(xù)流動(dòng)短路引起受電弓及母線的燒損。每輛動(dòng)車(chē)各有一套電氣牽引系統(tǒng)，其牽引主電路主要由受電弓（僅Mp車(chē)）、主熔斷器、主開(kāi)關(guān)、高速斷路器、線路濾波器、VVVF逆變器（包括制動(dòng)斬波器）、制動(dòng)電阻、交流牽引電機(jī)與控制裝置等組成。列車(chē)通過(guò)受電弓從電網(wǎng)受流DC1500V直流電，直流電經(jīng)過(guò)主熔斷器、主開(kāi)關(guān)、遮斷器箱、濾波電抗器后送入VVVF逆變器，經(jīng)逆變器逆變后輸出電壓頻率可調(diào)的三相交流電后，輸出至交流牽引電機(jī)，并最終通過(guò)接地電刷經(jīng)由車(chē)體、轉(zhuǎn)向架形成電流回路。

3.系統(tǒng)控制

作為牽引系統(tǒng)的核心，牽引逆變器系統(tǒng)在牽引控制單元（電子控制裝置）的控制下可實(shí)現(xiàn)如下控制功能：接受并執(zhí)行司機(jī)操縱指令；進(jìn)行牽引電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制，混合電制動(dòng)控制，防沖擊控制，空轉(zhuǎn)/滑行控制，空重車(chē)控制，牽引/制動(dòng)切換控制等反轉(zhuǎn)保護(hù)；通過(guò)與空氣制動(dòng)控制系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)電空制動(dòng)的聯(lián)合控制；進(jìn)行系統(tǒng)控制邏輯檢測(cè)和故障診斷、顯示、記錄，并與列車(chē)監(jiān)視系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)等，根據(jù)故障嚴(yán)重程度分類(lèi)實(shí)施保護(hù)動(dòng)作。

采用矢量控制方法，具有快速響應(yīng)和高精度的特點(diǎn)。通過(guò)采用矢量控制對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行精確的控制，能實(shí)現(xiàn)防沖擊控制，從而實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的加速和制動(dòng)。在牽引或電空混合制動(dòng)工況，當(dāng)輪對(duì)發(fā)生空轉(zhuǎn)與滑行時(shí)，通過(guò)矢量控制對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行快速而精確的控制，能有效抑制空轉(zhuǎn)及滑行，迅速恢復(fù)輪軌間的黏著。利用矢量控制方式實(shí)現(xiàn)空轉(zhuǎn)/滑行控制，能充分的發(fā)揮輪軌間的黏著力利用，可以穩(wěn)定列車(chē)的加速和制動(dòng)，并避免空轉(zhuǎn)和滑行對(duì)輪軌的損壞。沈陽(yáng)地鐵1號(hào)線一期工程地鐵車(chē)輛采用無(wú)速度傳感器矢量控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)交流牽引電機(jī)轉(zhuǎn)矩的精確有效控制。VVVF把4臺(tái)交流牽引電機(jī)并聯(lián)進(jìn)行矢量控制。系統(tǒng)采用霍爾元件檢測(cè)逆變器各相輸出電流（電機(jī)電流），然后將電機(jī)電流分為轉(zhuǎn)矩分電流和勵(lì)磁分電流來(lái)分別進(jìn)行控制。

3.1牽引控制

牽引逆變器接收由司機(jī)控制器或ATO裝置發(fā)出的牽引指令及給定值，并根據(jù)從制動(dòng)控制裝置接收的列車(chē)空重車(chē)信號(hào)，對(duì)列車(chē)進(jìn)行牽引及其輸出轉(zhuǎn)矩控制。系統(tǒng)設(shè)有速度限制功能。列車(chē)速度超過(guò)限定值時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行牽引封鎖，將牽引力變?yōu)?，直至速度恢復(fù)。另外當(dāng)ATP切除時(shí)，本系統(tǒng)也可提供車(chē)輛限速功能。另外，本系統(tǒng)具有高加速功能。在坡道救援起動(dòng)時(shí)，利用該功能可增大列車(chē)起動(dòng)牽引力，將?？坑谧畲笃碌赖墓收狭熊?chē)推過(guò)坡道。列車(chē)設(shè)有洗車(chē)運(yùn)行模式。當(dāng)采用該模式運(yùn)行時(shí)，本系統(tǒng)控制牽引在規(guī)定速度區(qū)間自動(dòng)施加或切除。

3.2再生電制動(dòng)控制

列車(chē)制動(dòng)方式采用電制動(dòng)（含再生制動(dòng)和電阻制動(dòng)）與空氣制動(dòng)混合運(yùn)算的控制方式。按列車(chē)制動(dòng)力的需求，系統(tǒng)優(yōu)先充分發(fā)揮電制動(dòng)力的作用，以減少閘瓦磨耗并節(jié)約電能。電制動(dòng)時(shí)，優(yōu)先使用電網(wǎng)吸收再生能量，VVVF控制單元（牽引控制單元）連續(xù)監(jiān)控電網(wǎng)狀態(tài)，檢查能量的吸收狀況。當(dāng)電網(wǎng)吸收電能能力不足或不能吸收時(shí)，電網(wǎng)電壓（濾波電容端電壓）會(huì)升高，牽引控制單元根據(jù)濾波電容器端電壓情況，控制制動(dòng)斬波器的開(kāi)通。當(dāng)電容器端電壓超過(guò)1700V時(shí)，斬波控制器開(kāi)通，制動(dòng)電阻投入工作，將多余能量轉(zhuǎn)換成熱能消耗掉。當(dāng)電制動(dòng)力不足或失效時(shí)，由空氣制動(dòng)控制裝置（BECU）控制投入空氣制動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)足或替代。

4.結(jié)束語(yǔ)

隨著軌道交通的不斷發(fā)展，地鐵車(chē)輛的檢維修工作量也是不斷增多，而電氣系統(tǒng)是車(chē)輛的重要環(huán)節(jié)，也是日常檢修的難點(diǎn)，這就需要我們不斷的去了解和增加對(duì)地鐵車(chē)輛各個(gè)系統(tǒng)的知識(shí)和豐富我們的技術(shù)技能。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

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