地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)應用研究

李正杰

摘 要：城市軌道交通車輛電氣牽引系統(tǒng)是城市軌道交通車輛中技術含量最高的核心裝備，對保證地鐵車輛的安全、穩(wěn)定運行有著重要的意義。本文在分析地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)特點和構成的基礎上，對其應用功能進行了分析，以供參考。

關鍵詞：地鐵車輛；電氣牽引系統(tǒng)；應用

1 地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)的特點

地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)將電力傳動車輛產(chǎn)生的牽引力與制動力的種種電子、電機、電器設備聯(lián)系在一起共同構成一個電系統(tǒng)，以此對車輛功率進行傳輸，進而滿足地鐵車輛啟動、制動、調(diào)速的3種工作狀態(tài)的控制和調(diào)節(jié)。地鐵列車電氣牽引系統(tǒng)的主要特點有：（1）采用優(yōu)先使用電力再生制動，在電網(wǎng)不能吸收此能量時投入空氣制動，在空氣制動前投入制動過度電子以保障電氣制動和空制動的順利銜接；（2）按照載重量自空車超負荷范圍內(nèi)對牽引力水平進行靈活調(diào)整，進而最大限度地保證車輛在空載狀態(tài)和超負荷狀態(tài)下能夠保持較為穩(wěn)定啟動加速度。

2 地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)的構成

每輛動車所包含的一套電氣牽引系統(tǒng)主要由受流器、高速斷路器、高速斷路器、制動過渡電阻、交流牽引機、速度傳感器、VVVF牽引逆變器箱構成，現(xiàn)將其中的關鍵是設備及其構成介紹如下：

2.1 牽引電機

目前國內(nèi)常用的牽引電機為敞開式三相籠異步電機，多采用自然通風方式。

2.2 VVVF牽引逆變器

VVVF牽引逆變器采用PWM控制技術，其中的逆變模塊采用IGBT功率原件，逆變器多采用電壓逆變器。VVVF牽引逆變器的主要部件包括線路濾波器、牽引控制單元、三相IGBT功率單元。通常每個VVVF牽引逆變器為一輛車兩臺動力轉(zhuǎn)向架上的4臺并聯(lián)牽引電動機提供用電，當其中的牽引逆變單元發(fā)生故障時，不會影響其他逆變單元的正常工作。

2.3 制動過渡電阻

制動過渡電阻的功能主要包括：（1）實現(xiàn)再生電氣制動與機械制動之間的轉(zhuǎn)換；（2）撬棒電路的功能；（3）制動時通過短距離無電區(qū)，不必斷電制動。

2.4 HSCB高速斷路器

HSCB高速斷路器為直流單極裝置，具有雙向過流保護功能，且能夠?qū)崿F(xiàn)自動跳閘釋放功能，進而對牽引驅(qū)動設備進行過流保護HSCB高速斷路器主體和滅弧室兩部分構成。

3 地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)的應用功能

地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)的控制功能如下圖所示：

現(xiàn)對其中的主要功能進行介紹：

3.1 判別和控制車輛運行狀態(tài)

DCU的基本功能是對車輛信息，包括車輛的運行方向、牽引、制動、惰行、緊急牽引、緊急制動、電機轉(zhuǎn)向、洗車等信號進行收集和判斷，進而判別車輛的運行狀態(tài)和運行模式，并采取合適的控制策略。

3.2 粘著利用控制

為了實現(xiàn)最大粘著利用率，地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)具備粘著利用控制功能。DCU采用相位移法實現(xiàn)粘著利用控制即當線路狀況變化不定的情況下，采集電機轉(zhuǎn)速、電機轉(zhuǎn)矩等信息，并對這些信息進行分析和處理，再對給定電機轉(zhuǎn)矩指令與DCU所生成的電機牽引/制動特性包絡線，進行綜合分析，得出電機轉(zhuǎn)矩指令，并向電機控制系統(tǒng)發(fā)出相應的電機轉(zhuǎn)矩，進而使地鐵車輛能夠以接近線路當天最大的粘著系數(shù)運行。

3.3 載荷補償

DCU具備載荷補償功能，其原理是：列車通過空氣彈簧壓力裝備產(chǎn)生載重電信號，載重信號的植直接正比于列車的載客的重量。系統(tǒng)采集這一信號并進行計算后，將信息傳送到牽引控制單元DCU，DCU再根據(jù)這一信號值自動調(diào)節(jié)補償載重系數(shù)，進而很好的保障車輛具備既有的制動和牽引性能。具體計算方法為：

F=M×K×α

在上式中：M表示每次計算鎖定列車啟動速度大于零時的載荷信號；K表示載荷補償系數(shù)；α表示牽引力/電制動力級位。

3.4 中間直流電路控制

地鐵車輛在制動和牽引工況下，因空轉(zhuǎn)等原因，常常引起直流電路電壓高于設定電壓的情況，此時DCU控制斬波橋臂開通，進而通過制動電阻來消耗部分電能，使得中間直流電路電壓處于正常數(shù)值范圍內(nèi)。

3.5 系統(tǒng)故障記錄

地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)具有完善的故障記錄功能，這對系統(tǒng)運行狀態(tài)的檢查、故障的分析和診斷有著重要的意義。首先，向列車控制和診斷系統(tǒng)傳輸故障信息，形成故障日志，對系統(tǒng)故障的發(fā)生時間、工況、故障類別和表現(xiàn)等相關信息進行記錄；其次，DCU可記錄波形數(shù)據(jù)，在故障發(fā)生后，DCU會對相關電氣數(shù)據(jù)進行采集和記錄（主要包括直流環(huán)節(jié)電壓、手柄紀位、輸出電流等），并在專用軟件上講這些數(shù)據(jù)和信息記錄下來，通過圖形的方式產(chǎn)生數(shù)據(jù)波形，供工作人員查看、分析和診斷。除此之外DCU插件面板上還設有LED指示燈與測試孔，通過電源指示燈方式來提示相關控制狀態(tài)信息，以便工作人員檢查和判斷。

4 總結

綜上所述，在地鐵車輛控制系統(tǒng)中，電氣牽引系統(tǒng)使整個地鐵車輛控制的核心所在，深入研究地鐵車輛牽引系統(tǒng)，并強化對其創(chuàng)新和應用，對于保證地鐵車輛運行的安全性有著重要的意義。

參考文獻

[1]肖偉福.地鐵車輛電器牽引系統(tǒng)的電器控制探討[J].科技經(jīng)濟導刊，2016，（17）：83-84.

[2]胡倆.地鐵電氣牽引系統(tǒng)的設計及應用[J].工程機械，2015，（8）：122.

[3]熊軍.南昌地鐵1號線車輛電器牽引及控制系統(tǒng)[J].機車電傳動，2013，（6）：68-71.

[4]關黎.解析成都4號線車輛電氣牽引系統(tǒng)[J].低碳世界，2016，（3）：196-198.