上海地鐵13號線列車牽引電傳動系統(tǒng)設(shè)計

黎博聞+陳新濺+陳超錄+史熹

摘 要：簡述自主知識產(chǎn)權(quán)上海地鐵13號線列車牽引電傳動系統(tǒng)的基本參數(shù)和性能要求，闡述了列車牽引電傳動系統(tǒng)的牽引/電制動特性、性能計算和線路運(yùn)行仿真、主電路結(jié)構(gòu)、列車牽引控制系統(tǒng)的設(shè)計思路和技術(shù)特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：牽引電傳動系統(tǒng)；性能計算；線路運(yùn)行仿真

0 引言

上海地鐵13號線列車是由6節(jié)車編組的交流傳動列車，其中牽引電傳動系統(tǒng)為國內(nèi)完全自主研發(fā)，其核心技術(shù)具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)。下面對其牽引電傳動系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行介紹。

1 車輛參數(shù)及性能要求

1.1 車輛基本參數(shù)

上海地鐵13號線列車采用受電弓受電方式，供電電壓為C1500V（DC1000～1800V），輪徑為840/805/770mm（新輪/計算用輪徑/全磨耗輪徑），列車的基本配置為6 輛車編組（–Tc * Mp * M = M * Mp * Tc–），包括4輛動車和2輛拖車，列車編組示意圖如圖1所示。

1.2 列車動力性能要求

定員（AW2）情況下，在干燥平直線路上，車輪半磨耗狀態(tài)（輪徑Φ805mm），額定電壓DC1500V供電時，列車平均加速度為：

列車從0加速到40 km/h：≥1.0m/s2

列車從0加速到80 km/h：≥0.6m/s2

制動性能（在超員AW3載荷情況下，在平直干燥線路上，車輪半磨耗狀態(tài)（輪徑Φ805mm），列車在最高運(yùn)行速度80km/h時，從給出制動指令到停車，平均減速度為：

最大常用制動： ≥1.0m/s2

緊急制動： ≥1.3m/s2

列車縱向沖擊率： ≤0.75m/s3

最高運(yùn)行速度： 80km/h

平均技術(shù)速度： ≥50km/h

平均旅行速度： ≥35km/h

電制動能力：列車制動方式采用電力再生制動與空氣制動混合運(yùn)算的控制方法，優(yōu)先充分發(fā)揮電力再生制動的作用以減少閘瓦的磨損和節(jié)省電能。當(dāng)電力再生制動不足或失效時，由空氣制動補(bǔ)足或替代。

1.3 列車故障運(yùn)行及坡道救援能力要求

列車在各種負(fù)載狀態(tài)下，當(dāng)損失1/4牽引動力時，列車仍然可以在38‰的坡道上起動，并能以正常運(yùn)行方式往返一個全程。

列車在各種負(fù)載狀態(tài)下，當(dāng)損失1/2牽引動力時，列車仍然可以在38‰的坡道上起動，并可以運(yùn)行到下一站。

一列6輛編組的空車應(yīng)能將另一列停在38‰坡道上的6輛編組超員故障列車移至前方有停車線的車站（上坡）。

2 牽引電傳動系統(tǒng)

牽引電傳動系統(tǒng)滿足車輛動力性能、故障運(yùn)行/救援能力以及實(shí)現(xiàn)預(yù)期的技術(shù)、旅行速度等，并綜合考慮系統(tǒng)各參數(shù)匹配，滿足車輛的運(yùn)行工況以及電氣性能要求。

牽引電傳動系統(tǒng)主要由主電路、牽引控制系統(tǒng)及其裝置組成，以提供列車的牽引/電制動力和實(shí)現(xiàn)列車的牽引順序邏輯控制、故障保護(hù)及列車牽引/電制動運(yùn)行等。

電氣牽引系統(tǒng)采用VVVF逆變器-異步牽引電動機(jī)構(gòu)成的交流傳動系統(tǒng)；采用IGBT功率元件，VVVF逆變器為熱管散熱器走行風(fēng)冷；采用高性能的交流傳動直接轉(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。

輔助電源系統(tǒng)采用集中式大功率輔助電源供電方式，大功率IGBT輔助電源，電源采用強(qiáng)迫風(fēng)冷冷卻方式。

列車控制和診斷系統(tǒng)遵循IEC61375標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)集列車監(jiān)視、診斷和控制功能于一體，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議開放、產(chǎn)品互操作性好，為軌道交通領(lǐng)域主流技術(shù)。

2.1 牽引/電制動特性設(shè)計

牽引/電制動特性是列車電傳動系統(tǒng)的基本特性，其設(shè)計主要依據(jù)列車的動力性能要求，考慮列車的沖擊極限和電傳動系統(tǒng)部件的容量，參數(shù)匹配以及車輪與軌道之間的粘著允許，對平直線路、目標(biāo)線路進(jìn)行牽引計算和仿真，以及對故障運(yùn)行能力進(jìn)行核算等。

參考日立公式，列車基本阻力公式為：

Wv={ （1.65+0.0247v）×Mm+（0.78+0.0028v）×Mt+[0.028+0.0078×（N-1） ]v2 }×9.80665×10-3 kN

其中：

Wv：列車基本阻力 [kN]

Mm：動車重量 [t]

Mt： 拖車重量 [t]

N： 車輛數(shù)

v： 列車速度 [km/h]

Mc、M車的慣性系數(shù)均取空車質(zhì)量的10%。

2.1.1 牽引特性

列車在平直道線路、輪徑805mm以及接觸網(wǎng)壓DC1500V條件下，列車最大啟動輪緣牽引力（取齒輪裝置傳動效率0.98）為：AW2時，F(xiàn)st2≈396kN；AW0時，F(xiàn)st0≈269.6kN。恒牽引力速度范圍為0～40km/h，恒功速度范圍為40～55km/h，自然特性速度范圍為55～80km/h。

其中，AW2時，恒功起始點(diǎn)牽引力為396kN，自然特性起始點(diǎn)牽引力為288kN，列車牽引特性曲線如圖2所示。

考慮低網(wǎng)壓時的功率限制，在網(wǎng)壓Us

2.1.2 電制動特性

列車在平直道線路、輪徑805mm及接觸網(wǎng)壓DC1650V條件下，列車最大電制動輪緣制動力（取齒輪裝置傳動效率0.98）為：AW3時，F(xiàn)b3≈416kN；AW2時，F(xiàn)b2≈377.24kN；AW0時，F(xiàn)b0≈257.1kN。恒電制動力速度范圍為80～5km/h，電制動力減小的起始速度點(diǎn)為5 km/h（可調(diào)）。列車的最大計算粘著系數(shù)約為0.165。

在網(wǎng)壓Us

上海地鐵13號線（華江站至張江路站，距離為37700m）仿真計算結(jié)果為：在超員載荷AW3，牽引時網(wǎng)壓取DC1500 V，制動時網(wǎng)壓取DC1650V的條件下，往返總旅行時間為4814.88s，平均旅行速度可達(dá)45.28km/h。

2.2 主電路

列車牽引系統(tǒng)主電路采用兩電平電壓型直—交逆變電路。經(jīng)受流器受流輸入的DC1500V由VVVF逆變器變換成頻率、電壓均可調(diào)的三相交流電，向異步牽引電動機(jī)供電。VVVF逆變器由一個IGBT逆變模塊單元和高壓電器組成，驅(qū)動4臺牽引電動機(jī)，逆變模塊單元將逆變單元與制動斬波單元集成在一起。當(dāng)電網(wǎng)電壓在1000V～1800V之間變化時，主電路都能正常工作，并方便地實(shí)現(xiàn)牽引—制動的無接點(diǎn)轉(zhuǎn)換。

牽引主電路原理圖見3。

牽引電傳動系統(tǒng)由高壓電器單元（BQS、HB、EDS）、電容器充放電單元（KM11、KM12、R11、R12）、濾波單元（L、C）、斬波及過電壓抑制單元（IGBT斬波單元、BR）、IGBT逆變器單元（INVU1、INVU2）、檢測單元（VH11、VH12、LH11～LH15、LH22～LH24）、異步牽引電動機(jī)（1M01-1M04） 、齒輪驅(qū)動裝置（含聯(lián)軸節(jié)）、接地裝置、司機(jī)控制器等組成。各高壓電器設(shè)備箱均采用箱體式車下懸掛結(jié)構(gòu)。牽引電機(jī)采用架承式全懸掛結(jié)構(gòu)，并通過聯(lián)軸節(jié)與齒輪驅(qū)動裝置連接，傳遞牽引或電制動力矩，驅(qū)動列車前進(jìn)或使列車制動。

綜合考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行、牽引電動機(jī)與逆變器的容量以及齒輪傳動裝置的機(jī)械性能，選齒輪傳動比為6.6842（127/19）及如2.1節(jié)所述的牽引特性/電制動特性。

2.3 功能單元

2.3.1電容充放電單元

電容器充放電單元由接觸器（KM11、KM12）、充放電電阻（R11、R12、R22）等組成，用于主電路支撐電容器（C11、C21）的充、放電。

當(dāng)列車牽引準(zhǔn)備好，主電路HB閉合后，閉合充電接觸器（KM12），電網(wǎng)電源通過BQS、HB、充電電阻（R11）給支撐電容（C11、C21）預(yù)充電，當(dāng)電容充電完成時，線路接觸器KM11閉合。

當(dāng)需對高壓電器箱、VVVF逆變器進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)時，閉合制動斬波管形成直流支撐電容的快速放電回路，電容通過斬波模塊快速放電，放電時間小于1s。

2.3.2濾波單元

濾波單元由濾波電抗器（L）及支撐電容器（C）組成線路濾波器。

線路濾波器使主電路直流側(cè)支撐電容器電壓保持穩(wěn)定并將電壓波動限制在允許范圍內(nèi)，同時，吸收直流輸入端的諧波電壓，抑制逆變器對輸入電源網(wǎng)的干擾，在逆變器發(fā)生短路時抑制短路電流并滿足逆變器開關(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，采用強(qiáng)迫風(fēng)冷卻方式。

線路電抗器電感值為L=5mH；支撐電容器的電容值為C=2×4.3mF=8.6mF。

2.3.3制動斬波單元

制動斬波單元由IGBT斬波模塊及制動電阻（BR）等組成。IGBT斬波模塊與逆變模塊集成在逆變器模塊上。制動斬波單元能夠抑制中間直流回路電壓的瞬時波動以及過電壓。

牽引或制動工況時，通過觸發(fā)導(dǎo)通斬波模塊，能抑制因空轉(zhuǎn)或其它因數(shù)等原因引起的瞬時過電壓，再生制動時，能夠吸收再生制動能量，確保再生制動的穩(wěn)定進(jìn)行。

制動電阻安裝于車輛底架下，每動車兩個電阻單元BR11、BR21，安裝于一個制動電阻箱內(nèi)，為強(qiáng)迫風(fēng)冷方式。

2.3.4逆變器單元

逆變器單元采用IGBT元件，為兩電平逆變電路。主電路含有一個逆變器單元（CONMK），逆變器單元集成三相逆變器的三相橋臂（逆變單元）及制動相橋臂（制動斬波單元），驅(qū)動4臺異步牽引電動機(jī)。逆變器單元集成在VVVF逆變器箱中，驅(qū)動4臺牽引電動機(jī)。

逆變器控制裝置即牽引控制單元（DCU），采用異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制方法，具有粘著利用控制功能，主要完成對IGBT逆變器暨交流異步牽引電機(jī)的實(shí)時控制、粘著利用控制、制動斬波控制，同時具備完整的牽引變流系統(tǒng)故障保護(hù)功能、模塊級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控制功能，DCU是組成列車通訊網(wǎng)絡(luò)的一部份，與多功能車輛總線采用MVB接口進(jìn)行通信。DCU集成在牽引逆變器箱中。

2.3.5檢測單元

檢測單元由（VH11、VH12、LH11～LH15、LH22～LH24）等電壓、電流傳感器構(gòu)成。

LH11、LH15放置于VVVF逆變器箱中，用于牽引輸入電流檢測及接地差分保護(hù)。

LH12-LH13、LH22-LH23、LH14/LH24、VH11、VH12等安裝在VVVF逆變器箱中，分別用于逆變器輸出電流、斬波電路電流、輸入電壓及中間電路電壓的檢測。

2.4 牽引控制系統(tǒng)

2.4.1 功能及構(gòu)成

牽引控制系統(tǒng)采用硬線控制方式，由繼電器邏輯電路和列車硬線來實(shí)現(xiàn)列車的牽引和制動控制。牽引控制系統(tǒng)由司機(jī)控制器、各指令開關(guān)、有接點(diǎn)控制電路、列車監(jiān)控系統(tǒng)（TMS）和傳動控制單元（DCU）等構(gòu)成，主要完成列車有關(guān)牽引的控制指令及狀態(tài)的給出、傳輸和控制，實(shí)現(xiàn)列車牽引/電制動控制、電傳動系統(tǒng)故障保護(hù)等。

3 結(jié)語

本文章介紹了上海地鐵13號線列車電傳動系統(tǒng)的整體設(shè)計方案，該電傳動系統(tǒng)采用了先進(jìn)的設(shè)計理念及技術(shù)，并總結(jié)吸取了國內(nèi)地鐵車輛牽引系統(tǒng)設(shè)計、生產(chǎn)方面的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，整體性能優(yōu)良，系統(tǒng)的可靠性較高。

參考文獻(xiàn)

[1]丁榮軍，陳文光.地鐵車輛用交流傳動系統(tǒng)的設(shè)計[J].機(jī)車電傳動，2001（5）.

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