地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)探討

梁英才

深圳市地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)總部

摘要：近幾年來(lái)地鐵運(yùn)營(yíng)發(fā)展速度迅速，有效緩解了城市交通壓力。地鐵車輛電氣的牽引系統(tǒng)作為關(guān)系到車輛的行駛安全及性能的重要組成部分，對(duì)其進(jìn)行研究具有重要意義。本文主要對(duì)于深圳地鐵車輛的電氣牽引的特點(diǎn)、組件及牽引主電路等進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛；電氣；牽引系統(tǒng)

一、牽引系統(tǒng)概述

深圳地鐵1號(hào)線車輛采用四動(dòng)兩拖六編組形式（4M2T）：=Tc-Mp-M+M-Mp-Tc=，其中Tc為有司機(jī)室的拖車、Mp為有受電弓的動(dòng)車、M為無(wú)受電弓的動(dòng)車；=為全自動(dòng)車鉤、+為半自動(dòng)車鉤、-為半永久牽連桿。列車由兩個(gè)單元車組組成，每個(gè)單元車組由一輛拖車和兩輛動(dòng)車組成?？刂品绞綖檐嚳兀?C4M）即每輛Mp/M車上設(shè)有1臺(tái)牽引逆變器VVVF，驅(qū)動(dòng)4個(gè)異步牽引電動(dòng)機(jī)工作。列車采用架空接觸網(wǎng)方式受電，額定電壓DC1500V。牽引系統(tǒng)采用VVVF交流傳動(dòng)技術(shù)，具有防滑、防空轉(zhuǎn)功能。每輛Tc車上設(shè)有1臺(tái)輔助逆變器SIV，每個(gè)輔助逆變器的輸出分兩路，一路輸出為380V、50HZ三相交流電，用于輔助交流設(shè)備的供電，另一路為110V直流，用于直流控制設(shè)備的供電及蓄電池充電。

圖1 電氣牽引系統(tǒng)框圖

圖2 牽引傳動(dòng)系統(tǒng)

二、電氣牽引系統(tǒng)的功能

牽引系統(tǒng)是地鐵車輛的動(dòng)力源，主要由VVVF逆變器和三相交流牽引電機(jī)組成。深圳地鐵5號(hào)線部分車輛采用南車株洲時(shí)代的VVVF逆變器-異步牽引電動(dòng)機(jī)構(gòu)成的交流傳動(dòng)系統(tǒng)；采用高性能的交流傳動(dòng)直接轉(zhuǎn)矩控制策略，具有反應(yīng)迅速、可靠的空轉(zhuǎn)/滑行保護(hù)并優(yōu)先使用電制動(dòng)。列車在AW2載荷工況下，在喪失1/4動(dòng)力情況下，列車可以正常往返一個(gè)全程；在AW3載荷工況下，可適當(dāng)降低列車運(yùn)行速度。列車在AW3載荷工況下，在喪失1/2動(dòng)力情況下，能在正線35‰的坡道上起動(dòng)，運(yùn)行到下一站，清客后空車能運(yùn)行至車輛段（AW0表示地鐵車輛空載；AW1表示地鐵車輛座客載荷；AW2表示地鐵車輛定員載荷6人/㎡；AW3表示地鐵車輛超員載荷9人/㎡）。

每輛Tc車安裝1套輔助供電系統(tǒng)，為車輛設(shè)備提供電源輸出。正常情況下，一列車的兩套輔助電源裝置向全列車的負(fù)載提供電源，但當(dāng)其中一臺(tái)輔助逆變器故障時(shí)，另一臺(tái)逆變器則通過(guò)擴(kuò)展供電裝置向全車的負(fù)載供電（此時(shí)空調(diào)機(jī)組自動(dòng)減載運(yùn)行，制冷能力減半），保證列車正常運(yùn)行。

列車電制動(dòng)采用再生制動(dòng)，最大限度地把能力反饋回電網(wǎng)；當(dāng)電網(wǎng)不能吸收一部分或全部再生能量時(shí)則投入制動(dòng)電阻，補(bǔ)充電阻制動(dòng)；當(dāng)電制動(dòng)力不足時(shí)，用空氣制動(dòng)補(bǔ)充總制動(dòng)力。緊急制動(dòng)完全使用空氣制動(dòng)。

三、電氣牽引系統(tǒng)的組成

牽引系統(tǒng)是地鐵車輛的關(guān)鍵系統(tǒng)，是車輛的動(dòng)力源，主要部件有熔斷器箱（MF）、高壓電器箱（HV）、濾波電抗器（LR）、牽引逆變器箱（VVVF）、制動(dòng)電阻箱（BRE）、牽引電機(jī)1～4（IM1～I(xiàn)M4）、避雷器（ARR）、接地碳刷（EB）。

熔斷器箱（MF）的組成為主熔斷器和輔助熔斷器。當(dāng)電源接地或短路時(shí)，熔斷器箱的相應(yīng)熔斷器熔斷，切除被保護(hù)電路。

高壓電器箱（HV）由主隔離開(kāi)關(guān)（MQS）、高速斷路器（HB）等組成。主隔離開(kāi)關(guān)（MQS）用于主電路的隔離以及通過(guò)其機(jī)械聯(lián)鎖開(kāi)關(guān)（MQSI）將支撐電容器C的快速放電回路接通，以保證安全。高速斷路器用于主電路的故障保護(hù)，當(dāng)主電路出現(xiàn)嚴(yán)重故障時(shí)，高速斷路器斷開(kāi)，以實(shí)現(xiàn)主電路的故障保護(hù)。同時(shí)對(duì)檢測(cè)到的過(guò)電流進(jìn)行快速響應(yīng)脫扣，高速斷路器立即分?jǐn)?，以?shí)現(xiàn)主電路短路保護(hù)。列車及主電路高壓回路系統(tǒng)的保護(hù)值和特性將和變電站主保護(hù)相協(xié)調(diào)，其中高速斷路器的分?jǐn)嗵匦詫⑴c變電站的保護(hù)特性相匹配。

濾波電抗器（LR）使主電路直流側(cè)支撐電容器電壓保持穩(wěn)定并將電壓波動(dòng)限制在允許范圍內(nèi)，同時(shí)，吸收直流輸入端的諧波電壓，抑制逆變器對(duì)輸入電源網(wǎng)的干擾，在逆變器發(fā)生短路時(shí)抑制短路電流并滿足逆變器開(kāi)關(guān)元件換相的要求等。支撐電容器集成在VVVF逆變器的逆變器模塊上。濾波電抗器為空心式電抗器，釆用走行風(fēng)冷卻方式。

牽引逆變器單元（VVVF）采用IGBT模塊，為兩電平逆變電路。主電路由兩個(gè)逆變器單元（INV1、INV2）組成，每個(gè)逆變器單元集成三相逆變器的三相橋臂及制動(dòng)相橋臂，驅(qū)動(dòng)2臺(tái)異步牽引電動(dòng)機(jī)。2個(gè)逆變器單元集成在一個(gè)牽引逆變器箱中，驅(qū)動(dòng)4臺(tái)牽引電動(dòng)機(jī)。逆變器模塊采用冷卻采用熱管散熱器走行風(fēng)冷卻方式。逆變器控制裝置即牽引控制單元（DCU），采用 “異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制”和“粘著控制” 軟件，主要完成對(duì)IGBT逆變器暨交流異步牽引電機(jī)的實(shí)時(shí)控制、粘著控制、制動(dòng)斬波控制，同時(shí)具備完整的牽引變流系統(tǒng)故障保護(hù)功能、模塊級(jí)的故障自診斷功能和一定程度的故障自復(fù)位功能以及部分車輛級(jí)控制功能，DCU是組成列車通訊網(wǎng)絡(luò)的一部份，與多功能機(jī)車車輛總線 MVB 接口及通信。

制動(dòng)電阻箱（BR）安裝于車輛底架下，每輛動(dòng)車有一個(gè)制動(dòng)電阻箱，每個(gè)箱內(nèi)有兩個(gè)電阻單元Re01、Re02，為強(qiáng)迫風(fēng)冷方式。

牽引電機(jī)1～4（IM1～I(xiàn)M4）為4極自通風(fēng)三相鼠籠式異步牽引電動(dòng)機(jī)。該牽引電動(dòng)機(jī)是專為地鐵車輛設(shè)計(jì)。牽引電動(dòng)機(jī)采用架承式懸掛（全懸掛）安裝在轉(zhuǎn)向架上，通過(guò)聯(lián)軸節(jié)進(jìn)行傳動(dòng)，由VVVF牽引逆變器進(jìn)行供電。額定功率為190KW。

接地碳刷（EB）動(dòng)車每軸設(shè)一接地裝置。接地裝置能保證列車接地電路及車體接地良好，其通流能力與主回路參數(shù)相匹配，且不允許造成車輛軸承的電蝕。

四、牽引系統(tǒng)的主電路

列車通過(guò)Mp車上的受電弓與接觸網(wǎng)接觸受電。為防雷擊等浪涌電壓的侵襲，列車設(shè)置避雷器，安裝在受電弓附近。Mp車受電弓引出的動(dòng)力線經(jīng)熔斷器箱進(jìn)入高壓電器箱，而M車直接由前車Mp車引入動(dòng)力線，進(jìn)入高壓電器箱，經(jīng)濾波電抗器到牽引逆變器，給電機(jī)提供電壓和頻率都可調(diào)的動(dòng)力通過(guò)牽引電機(jī)進(jìn)行牽引。電制動(dòng)時(shí)候，可以將剩余的能量消耗在制動(dòng)電阻上。

五、總結(jié)

目前深圳地鐵線上運(yùn)營(yíng)的各線列車有龐巴迪列車MOVIA系列、北車長(zhǎng)春客車、南車株機(jī)列車等車型，各車型電氣牽引系統(tǒng)各有優(yōu)劣。近年來(lái)國(guó)產(chǎn)列車不管是在價(jià)格還是性能指標(biāo)方面都有明顯的進(jìn)步，競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)尤其明顯。本文就深圳地鐵線上運(yùn)營(yíng)各列車電氣牽引系統(tǒng)進(jìn)行探討，為地鐵列車在未來(lái)采購(gòu)和維護(hù)上提供技術(shù)支持，促進(jìn)地鐵行業(yè)發(fā)展。

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