進(jìn)口地鐵車輛牽引系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化研究

王 昊，霍苗苗，李 熙

(北京市地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司地鐵運(yùn)營(yíng)技術(shù)研發(fā)中心，北京102208)

0 引言

在城市軌道交通發(fā)展初期，軌道車輛的關(guān)鍵系統(tǒng)采用進(jìn)口引進(jìn)的方式，隨著這批車輛陸續(xù)進(jìn)入廠修周期，其進(jìn)口部件的維護(hù)成本、維護(hù)周期成為一個(gè)亟待解決的問題［1］。北京地鐵13 號(hào)線車輛牽引系統(tǒng)采用日本日立技術(shù)，自2003年運(yùn)營(yíng)已達(dá)11年之久，使用壽命達(dá)到期限，面臨著高成本的廠修及后期維護(hù)壓力;北京地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司針對(duì)這一難題，對(duì)13 號(hào)線車輛進(jìn)口子系統(tǒng)進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化研究，其中國(guó)產(chǎn)化牽引系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了與原車進(jìn)口系統(tǒng)的無縫替換。該研究的成功不僅解決了進(jìn)口系統(tǒng)維護(hù)成本高、維護(hù)周期長(zhǎng)的問題，同時(shí)也為國(guó)內(nèi)進(jìn)口地鐵車輛關(guān)鍵部件國(guó)產(chǎn)化提供了借鑒作用。

本研究基于仿真計(jì)算，預(yù)期達(dá)到車輛牽引性能要求，并通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)仿真計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證。

1 牽引系統(tǒng)動(dòng)力性能計(jì)算

13 號(hào)線車輛采用3M3T 六輛車編組方式，即:Mc·TM·T-T·Mc。供電電壓:DC750 V(DC500 V～900 V)，采用第三軌受流;車輛自重:拖車29 t，動(dòng)車35 t，帶司機(jī)室動(dòng)車36 t;定員載荷(AW2)列車重量為280 t，超員載荷(AW3)列車重量為303 t。車輛的基本牽引性能要求如下:

最高運(yùn)行速度:80 km/h;

平均旅行速度不低于:39 km/h(平均站停時(shí)間30 s)。

在超員情況下，在平直線路上，車輪半磨耗狀態(tài)，額定電壓750 V 時(shí)，平均加速度為:

列車從0 加速到40 km/h 不小于0.83 m/s2;

列車從0 加速到80 km/h 不小于0.5 m/s2。

國(guó)產(chǎn)化牽引系統(tǒng)需要滿足車輛動(dòng)力性能、故障運(yùn)行/救援能力及實(shí)現(xiàn)預(yù)期的旅行速度等，根據(jù)列車的牽引性能要求進(jìn)行不同載荷下的牽引計(jì)算［2-3］，由牽引計(jì)算結(jié)果進(jìn)行牽引系統(tǒng)電器參數(shù)的計(jì)算與選型，車輛的牽引/電制動(dòng)特性曲線如圖1(a)、1(b)所示。

圖1 牽引/電制動(dòng)特性曲線

在AW3 載荷、半磨耗輪徑、平直線路、額定3 軌電壓750 V 條件下，列車最大啟動(dòng)輪緣牽引力Fs=298 kN，其中恒牽引力速度范圍0～37 km/h，恒功率速度范圍37 km/h～43 km/h，自然特性速度范圍50 km/h～80 km/h。在齒輪比參數(shù)與原車參數(shù)7.69 保持一致的情況下，單臺(tái)電機(jī)的最大扭矩約為1 333 Nm，最高轉(zhuǎn)速為4 055 r/min，電機(jī)的最大功率為272 kW，電機(jī)的峰值電流有效值為370 A，網(wǎng)線峰值電流1 600 A。在半磨耗輪徑及制動(dòng)額定三軌電壓825 V 的條件下，列車最大電氣輪緣制動(dòng)力為252 kN，其中自然特性范圍80 km/h～60 km/h，恒電制動(dòng)力速度范圍60 km/h～5 km/h，電制動(dòng)力起始減小速度點(diǎn)為5 km/h(可調(diào));電臺(tái)電機(jī)輸出最大扭矩為－1 077 Nm，最大電制動(dòng)功率為343 kW，電機(jī)的峰值電流有效值為340 A，網(wǎng)線峰值電流1 500 A。

列車在AW3 載荷且喪失1/3 的動(dòng)力情況下，提供最大牽引力F 為199.2 kN，在坡度為24‰的坡道上起動(dòng)，需克服列車的啟動(dòng)阻力和坡道阻力，加速度計(jì)算結(jié)果為:a=0.36 m/s2;一列空載(AW0)列車牽引一列失去動(dòng)力且處于超員(AW3)狀態(tài)下的列車上坡，列車提供最大牽引力F 為198 kN，共需克服兩車的啟動(dòng)阻力與坡道阻力，此時(shí)加速度a=0.115 m/s2，國(guó)產(chǎn)化牽引系統(tǒng)性能的計(jì)算結(jié)果能夠滿足列車的故障運(yùn)行及救援。

2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算

原車牽引系統(tǒng)為逆變器—異步電機(jī)交流傳動(dòng)系統(tǒng)，在每個(gè)動(dòng)車上各配備一套，動(dòng)車間的高壓母線由母線高速斷路器連接，系統(tǒng)主要包括高壓電器箱、逆變器、4 臺(tái)電機(jī)及其傳動(dòng)裝置［4-5］。國(guó)產(chǎn)化牽引系統(tǒng)為了保證能夠與原型系統(tǒng)完全兼容，整體部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與原車保持一致，主電路原理圖如圖2所示。

圖2 國(guó)產(chǎn)化牽引系統(tǒng)主電路原理

每個(gè)牽引單元的主電路主要部件包括隔離開關(guān)箱、熔斷器箱、高速斷路器箱、斷路器箱、濾波電抗器、牽引逆變器、制動(dòng)電阻、牽引電機(jī)、齒輪箱等，牽引逆變器包含兩臺(tái)逆變功率模塊和牽引控制單元，每臺(tái)逆變功率模塊驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)牽引電機(jī)。其中電器部件隔離開關(guān)、熔斷器、高速斷路器、接觸器主要用于主電路的隔離以及機(jī)械連鎖放電、主電路的短路及故障保護(hù)、線路短接等。逆變功率模塊集成了三相逆變橋臂和制動(dòng)斬波橋臂，還包括支撐電容和IGBT 門極驅(qū)動(dòng)單元，采用低感母排進(jìn)行電容與IGBT 的連接，無吸收電路，電路簡(jiǎn)潔、可靠，另外散熱方式為自然冷卻，采用以水為冷卻介質(zhì)的熱管散熱器，對(duì)環(huán)境無污染、無噪聲。支撐電容與前級(jí)濾波電抗器組成了LC 濾波回路，由于地鐵運(yùn)行工況較多，母線電流變化較大，電抗器設(shè)計(jì)采用空心結(jié)構(gòu)，其感值幾乎不受直流側(cè)電流的影響。牽引電機(jī)采用國(guó)產(chǎn)化鼠籠異步電機(jī)，轉(zhuǎn)子為銅排鼠籠結(jié)構(gòu)，導(dǎo)條采用高強(qiáng)度的銅合金材料;定子為無機(jī)殼結(jié)構(gòu)，冷卻方式為帶內(nèi)風(fēng)扇自通風(fēng)。各高壓電器的選型和主要參數(shù)則需考慮高壓電氣性能、可靠性、所承受的供電網(wǎng)的電壓，并根據(jù)牽引計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，其參數(shù)選型計(jì)算如下:

根據(jù)車輛牽引計(jì)算結(jié)果母線的峰值電流為1 600 A，計(jì)算車輛每站的停站時(shí)間及運(yùn)行時(shí)間，選擇隔離開關(guān)的額定電流為1 000 A，熔斷器的額定電流為1 600 A，高速斷路器額定電流為1 000 A，脫扣電流的選擇需考慮系統(tǒng)的過流保護(hù)順序，分為3 級(jí):牽引控制單元軟件邏輯保護(hù)、高速斷路器脫扣保護(hù)、熔斷器熔斷保護(hù)，因此高速斷路器的脫扣電流要介于軟件保護(hù)電流值與熔斷器燒斷電流值之間，確定為2 200 A。LC 濾波電路參數(shù)選取需考慮電流紋波系數(shù)及諧振頻率［6］，確定L=6 mH，C=13 mF;牽引系統(tǒng)的最大制動(dòng)功率為343 ×2 ×0.95=650 kW，計(jì)算制動(dòng)電阻阻值為:

考慮一定的裕量，制動(dòng)電阻取值為1.1 Ω。各電器主要參數(shù)如表1所示。

牽引系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)過程中，結(jié)合車輛運(yùn)行出現(xiàn)的問題及經(jīng)驗(yàn)，在不影響兼容性的前提下進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì):

表1 電器主要參數(shù)

(1)高壓電器箱采用輕化玻璃鋼材質(zhì)，滿足IP65防護(hù)等級(jí)，但是高速斷路器在脫扣動(dòng)作時(shí)，產(chǎn)生電弧，使箱體內(nèi)壓力增大，因此本研究在HB 箱體前門板設(shè)計(jì)時(shí)，采用百葉窗結(jié)構(gòu);

(2)功率模塊集成了逆變單元和斬波放電單元，取消了制動(dòng)斬波箱，考慮到車輛配重與車體走線，在原車相應(yīng)的位置配備了制動(dòng)電阻接線箱;

(3)國(guó)產(chǎn)化制動(dòng)電阻電阻帶厚度由2 mm 縮小為0.69 mm，電阻帶方向平行于車輛行走方向，有利于空氣對(duì)流散熱;并且制動(dòng)電阻采用二次絕緣結(jié)構(gòu)。

3 牽引控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

國(guó)產(chǎn)化牽引控制系統(tǒng)由牽引TCU 控制器及其外圍傳感器電路組成，實(shí)現(xiàn)列車牽引順序控制邏輯、牽引/電制動(dòng)特性控制和牽引系統(tǒng)故障保護(hù)等。TCU 控制器采用雙DSP +PFGA 的架構(gòu)，與牽引系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)，PFGA 負(fù)責(zé)信號(hào)采集、脈沖輸出、快速故障保護(hù)等，兩片DSP 分別控制兩臺(tái)PU 模塊，負(fù)責(zé)完成IGBT 逆變器及牽引電機(jī)的實(shí)時(shí)控制、粘著控制、制動(dòng)斬波控制等，TCU 工作邏輯如圖3所示。

圖3 TCU 工作邏輯

牽引控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)安全、可靠、先進(jìn)的原則進(jìn)行，操作功能方面包括原車既有功能:前/后牽引、電制動(dòng)、高加速、坡道啟動(dòng)等，并結(jié)合車輛實(shí)際運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行控制優(yōu)化，其軟件結(jié)構(gòu)分為以下幾個(gè)部分:

(1)信號(hào)采集模塊。該模塊功能為采集用于控制和保護(hù)的電壓、電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速、和功率模塊溫度信號(hào)，并進(jìn)行濾波和轉(zhuǎn)換處理。具有硬件電路自診斷功能，在上電開始，控制器先進(jìn)行模擬信號(hào)電路的硬件自診斷。

(2)故障處理模塊。牽引系統(tǒng)故障保護(hù)采用分級(jí)處理機(jī)制，分為3 級(jí):故障A:自動(dòng)恢復(fù)型故障;故障B:連續(xù)發(fā)生3 次轉(zhuǎn)為永久性故障;故障C:永久性故障。并且具有PFGA 和DSP 兩層保護(hù)，F(xiàn)PGA 為快速型保護(hù)，保護(hù)時(shí)間為μs 級(jí)，主要保護(hù)過流與過壓故障，DSP 為一般型保護(hù)，保護(hù)時(shí)間為ms 級(jí)。

(3)邏輯控制模塊。DSP 的軟件結(jié)構(gòu)分為邏輯控制模塊+電機(jī)牽引算法模塊兩大部分［7］，邏輯控制模塊負(fù)責(zé)車輛司機(jī)控制器、指令開關(guān)的判斷處理以及母線接觸器控制、主斷路器控制、充電接觸器控制、主接觸器控制、制動(dòng)接口的控制等。

(4)矢量算法模塊。逆變器控制采用矢量控制方法進(jìn)行轉(zhuǎn)矩和磁通的解耦控制，使得系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能近似于直流電機(jī)的調(diào)速性能。這種控制方法轉(zhuǎn)矩響應(yīng)好，控制精度高，保證單軌車運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)快速、運(yùn)行平穩(wěn)、旅客舒適度高，該模塊屬于電機(jī)牽引算法模塊中的一部分。

(5)防滑防空轉(zhuǎn)模塊。13 號(hào)線車輛線路條件較為惡劣，大部分線路為露天鋪設(shè)，在陰雨天氣粘著系數(shù)嚴(yán)重下降，空轉(zhuǎn)、滑行現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)，國(guó)產(chǎn)化系統(tǒng)著重優(yōu)化了該功能，在硬件配置方面，主電路的每個(gè)逆變單元分別驅(qū)動(dòng)同一車輛不同轉(zhuǎn)向架的1、3 位和2、4 位2 臺(tái)并聯(lián)的異步牽引電動(dòng)機(jī)，以充分利用牽引/電制動(dòng)運(yùn)行時(shí)的軸重轉(zhuǎn)移補(bǔ)償，保證最佳的粘著利用;在軟件控制方面，采用蠕滑和加速度判斷相結(jié)合的方法進(jìn)行電制動(dòng)力矩的控制。在牽引工況下，隨著粘著系數(shù)的下降，動(dòng)輪與拖輪的相對(duì)轉(zhuǎn)速差逐步增大，將會(huì)觸發(fā)蠕滑控制，防止粘著的進(jìn)一步下降，避免空轉(zhuǎn)發(fā)生，即使發(fā)生空轉(zhuǎn)，利用加速度檢測(cè)的方法再進(jìn)行空轉(zhuǎn)控制。

(6)無電區(qū)控制模塊。北京地鐵采用三軌供電，受流復(fù)雜，線路上存在多處無電區(qū)，車輛在牽引或電制動(dòng)工況下經(jīng)過無電區(qū)時(shí)，容易產(chǎn)生過壓、過流故障，容易造成電器設(shè)備的損壞。國(guó)產(chǎn)化控制系統(tǒng)加入網(wǎng)壓瞬斷功能，通過檢測(cè)網(wǎng)壓斜率進(jìn)行網(wǎng)壓瞬斷保護(hù)，快速關(guān)斷脈沖、斷開接觸器，使?fàn)恳到y(tǒng)電器設(shè)備與三軌隔離。

(7)制動(dòng)電阻控制模塊。車輛電制動(dòng)能量吸收為車載制動(dòng)電阻吸收方式，在電制動(dòng)過程中，制動(dòng)電阻過溫發(fā)生保護(hù)后，三軌電壓被抬升觸發(fā)過壓保護(hù)，電制動(dòng)力突然切除，造成列車嚴(yán)重的沖動(dòng)。國(guó)產(chǎn)化牽引控制系統(tǒng)采用精確的制動(dòng)電阻溫度估算模型，檢測(cè)到制動(dòng)電阻的溫度超過閾值450 ℃時(shí)，電制動(dòng)力進(jìn)行衰減，然后制動(dòng)電阻再進(jìn)行切除保護(hù)，不但避免了過壓故障的產(chǎn)生，而且消除沖動(dòng)現(xiàn)象。制動(dòng)電阻估算模型為［8］:

式中:δ—放電調(diào)制系數(shù);Δt—開關(guān)周期;t—工作周期，s。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

為保證國(guó)產(chǎn)化牽引系統(tǒng)與原車牽引系統(tǒng)的一致性及兼容性，本研究對(duì)換裝國(guó)產(chǎn)化牽引系統(tǒng)的車輛進(jìn)行了試驗(yàn)。牽引4 級(jí)從零速至80 km/h 的試驗(yàn)波形如圖4、圖5所示，其中圖4 為電機(jī)U 相電流母線電流Idc_means、母線電壓Udc_fil、牽引檔位MLC 的波形，功率模塊開關(guān)頻率由異步調(diào)制到同步調(diào)制最后轉(zhuǎn)為單脈沖控制，圖5 為勵(lì)磁電流M-Id、轉(zhuǎn)矩電流Iq及車輛速度Vspeed波形，當(dāng)車速達(dá)到80 km/h 時(shí)，轉(zhuǎn)矩電流開始下降已到達(dá)限速的目的。國(guó)產(chǎn)化車輛進(jìn)行了動(dòng)態(tài)的輕載、重載試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，國(guó)產(chǎn)化牽引系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能。

圖4 電機(jī)電流、母線電壓、母線電流、檔位波形

圖5 勵(lì)磁電流、轉(zhuǎn)矩電流、列車速度波形

5 結(jié)束語(yǔ)

牽引系統(tǒng)在國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)過程中，不僅要根據(jù)車輛動(dòng)力性能要求進(jìn)行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算，而且還要考慮車輛的實(shí)際情況，在硬件結(jié)構(gòu)及軟件設(shè)計(jì)方面進(jìn)行量身定制，以保證國(guó)產(chǎn)化系統(tǒng)在換裝及應(yīng)用過程中滿足車輛的要求，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無縫替換，需遵循以下原則:

(1)牽引控制功能保持與原車一致，以避免改變?cè)嚨牟僮?、使用?xí)慣;

(2)機(jī)械接口及其電氣接口要與原車系統(tǒng)兼容，以避免車體結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)向架進(jìn)行更改;

(3)系統(tǒng)動(dòng)力性能在充分利用粘著的基礎(chǔ)上不能低于原車，以避免與原車混跑時(shí)影響運(yùn)營(yíng);

(4)國(guó)產(chǎn)化系統(tǒng)部件重量不得大于原型系統(tǒng)的重量，以避免車輛配重不平衡。

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