城鐵軌道牽引系統(tǒng)DC750集成設(shè)計技術(shù)研究

陸波

摘 要：交通運輸行業(yè)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，社會總體經(jīng)濟水平的大幅度提高，一方面夯實了城市軌道列車的發(fā)展基礎(chǔ)，另一方面，人們對軌道列車的運行提出了更加嚴(yán)格的技術(shù)、安全要求。在此基礎(chǔ)之上，本文從實踐出發(fā)，對DC750牽引系統(tǒng)的集成技術(shù)進行了系統(tǒng)的探究。

關(guān)鍵詞：電路結(jié)構(gòu)；牽引逆變器；輔助供電系統(tǒng)

電力、電子技術(shù)在城鎮(zhèn)軌道交通的大范圍應(yīng)用，不僅提升了車輛運行設(shè)計的專業(yè)難度，還在一定程度上使得機電一體的交通運輸網(wǎng)絡(luò)更加的復(fù)雜化。為此，管理單位應(yīng)結(jié)合軌道牽引系統(tǒng)的實際應(yīng)用情況，保證鐵路運行方案設(shè)計的合理性，從而為有軌鐵路的安全、穩(wěn)定運行提供技術(shù)保障。

一、DC750型牽引系統(tǒng)的主要設(shè)計流程、電路結(jié)構(gòu)及高壓電源

1、DC750型牽引系統(tǒng)的主要設(shè)計流程

列車牽引系統(tǒng)的設(shè)計主要包括牽引配置、變流器配置等環(huán)節(jié)，與城鐵運輸系統(tǒng)的動力單元有著直接的關(guān)聯(lián)。為此，通過集成設(shè)計提升牽引系統(tǒng)的動力是強化城鐵軌道建設(shè)效率的重要基礎(chǔ)。在進行牽引系統(tǒng)設(shè)計之前，應(yīng)在全面收集鐵道運行數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，確定城鐵的車輛型號、編組等，保證鐵道的安全運行。城鐵牽引系統(tǒng)的設(shè)計包括：列車質(zhì)量、載荷、轉(zhuǎn)動慣量系數(shù)、車輛數(shù)目、加速性能要求、列車運行阻力公式、線路條件、動拖比等，計算得恒力矩階段的牽引力、軸功率（非電機額定功率，而是電機峰值功率）等。在此基礎(chǔ)之上，應(yīng)根據(jù)線路限制等因素，對坡道起動開展校驗工作。

2、牽引系統(tǒng)的供電制式與主電路結(jié)構(gòu)

當(dāng)前階段，牽引系統(tǒng)的供電制式主要分為DC750與1500兩種類型。集成系統(tǒng)一般運用動力分散的電路構(gòu)架方式。牽引電機根據(jù)電機感應(yīng)的類型不同主要有異步交流、直線感應(yīng)、永磁同步等類型的電機。下面以DC750型供電制式為例，對牽引系統(tǒng)的動機配置進行簡單的探討：受開關(guān)與牽引逆變設(shè)備的容量限制，DC750型輸電網(wǎng)通常以一個逆變器帶動兩臺電動機的電壓配置方式。如北京的五號與十三號線路、武漢一號的輕軌列車。該種電路結(jié)構(gòu)具有建設(shè)成本較高，變流設(shè)備的體積與重量大等問題，但對電機轉(zhuǎn)向架輪徑要求不高，能有效發(fā)揮粘著條件的優(yōu)勢，從而最大程度上發(fā)揮電機牽引作用力。DC750型電機設(shè)備的運行特點決定了當(dāng)某一臺電路變流器出現(xiàn)異常時，整個鐵路軌道的動能并不會受到太多的負(fù)面影響。

3、牽引系統(tǒng)的高壓電源設(shè)計

有軌列車的高壓電源主要承擔(dān)的牽引系統(tǒng)的供電與高壓負(fù)載設(shè)備的電氣連接、電力配置、設(shè)備接地等方面的工作。其中，電源的高壓母線是保證列車供電安全的重要基礎(chǔ)，是整個電源系統(tǒng)的基礎(chǔ)電路。除此之外，第三軌電壓的分流方式受電壓影響，在軌道設(shè)置了母線短路器，對軌道的母線進行保護，降低設(shè)備失電問題發(fā)生的可能性。具體來講，當(dāng)城鐵軌道進入全列貫通高壓的模式時，列車的運行速度正常，但實際速率大于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，第三軌道的電壓能夠利用集電靴與電車進行連接，保證列車的逆變器維持正常運轉(zhuǎn)。當(dāng)城鐵軌道保持全列貫通高壓的狀態(tài)時，列車的功率大、行車速度高，第三軌道高壓母線的流經(jīng)電壓較高。因此，母線電路的設(shè)定值較高，電源設(shè)備的外形與質(zhì)量也需要相應(yīng)的強化，這種情況下，通常會選用線徑較大的母線。綜合兩種情況，應(yīng)采用整體高壓不貫通，但在部分車輛運行的列車段采用電壓貫通的行車方案。

二、城鐵牽引設(shè)備集成設(shè)計的技術(shù)要點

1、城鐵牽引系統(tǒng)的逆變器

逆變器作為鐵道牽引裝置的核心部件，是控制軌道程序正常運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵點，逆變器的運行質(zhì)量會對軌道通車質(zhì)量產(chǎn)生直接的影響。與此同時，鐵軌的運輸能力、電力消耗量、運行效率等也與逆變器有著一定的關(guān)聯(lián)。作為城鐵牽引系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)要點，逆變器設(shè)備箱體部分的構(gòu)成盡管有所差異，但逆變器的主體結(jié)構(gòu)主要包括：充電電路、濾波電抗器、電壓檢測傳感器、直流側(cè)濾波電容、三相橋式逆變電路等。常見的逆變器設(shè)計要點主要包括：第一，電路構(gòu)造與逆變器參數(shù)的確定。變流器的LGBT部件是牽引系統(tǒng)的核心原件，為此在進行模塊設(shè)計時，要在保證LGBT設(shè)備輸出能力的基礎(chǔ)上，提升原件運行的安全性與可靠性。與此同時，一旦牽引電機出現(xiàn)過載的情況，將會引發(fā)逆變器過流問題。逆變器設(shè)計方案的參考數(shù)據(jù)不僅包括元件的額定容量與電流輸出有效值，還應(yīng)參考電力制動的實際情況，考慮LGBT原件與二極管在尖峰時期產(chǎn)生的電流。第二，逆變器的冷卻。逆變器在進行主體結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要求具備一定的緊湊性，便于設(shè)備后期的裝卸和維護。LGBT原件的絕緣封裝能夠簡化冷卻設(shè)備的安裝，逆變器的冷卻方式與其實際輸出功率也有著密切的關(guān)系。一般而言，逆變器元件的冷卻方式主要有自然冷卻法、水冷卻法、強迫風(fēng)冷等幾種方式。

2、牽引電機的技術(shù)設(shè)計要點

城市的鐵路軌道交通系統(tǒng)使用的是異步式電機，該種電機的設(shè)計主要受軌道運行的牽引特點、設(shè)備安裝方式以及傳動比等因素的影響。常見的異步電機主要具備以下特點：首先，區(qū)別于干線鐵路使用的牽引電機，不需要持續(xù)運行，因此其負(fù)載并不連續(xù)。同時，這種短期工作的模式，有時會使得電機過載，尤其是在電制動的狀態(tài)下，電機的功率只是標(biāo)稱，巔峰時刻的功率遠(yuǎn)高于標(biāo)稱功率。牽引電機運行功率的過載倍數(shù)能夠直接反映設(shè)備運行的間歇性特點，是衡量點擊運行狀態(tài)的關(guān)鍵指標(biāo)；其次，電機的牽引特性與車輛軸重、起動平均加速度、制動平均減速度、平均技術(shù)速度等技術(shù)參數(shù)有密切的關(guān)系，不同的線路狀況與車輛參數(shù)、異步牽引電機的牽引功率都不一樣；第三，牽引電機一般安裝自動通風(fēng)裝置，為軌道鐵路工程的后期維修與設(shè)備安裝提供了一定的便利；除此之外，無速度傳感等新技術(shù)在牽引電機方案設(shè)計中的廣泛應(yīng)用，也為異步電機的發(fā)展指明了新的方向。

3、牽引系統(tǒng)的輔助供電設(shè)計

（1）輔助供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

目前城軌列車輔助供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括以下三種：1個單元裝載1臺輔助逆變器（SIV）的集中供電方式；1列車裝載多臺SIV、輸出交叉供電或擴展供電的分散供電方式；多臺SIV輸出直接并聯(lián)的并聯(lián)供電方式。為滿足某個SIV故障時的負(fù)載用電需求，集中供電式和分散供電式結(jié)構(gòu)均需設(shè)置擴展供電電路。并聯(lián)供電方式不需設(shè)置擴展供電電路，所有SIV的輸出并聯(lián)，要求每臺SIV輸出同電壓、同相位、同頻率。

（2）輔助供電系統(tǒng)的容量設(shè)計

牽引系統(tǒng)的輔助供電設(shè)備應(yīng)在滿足列車負(fù)載電力容量需求的基礎(chǔ)上，預(yù)留一定的冗余量。一般情況下，輔助供電的電容量應(yīng)該為實際總負(fù)載容量的百分之一百四十左右。與此同時，輔助供電系統(tǒng)不僅需要滿足電車的正常供電需求，還應(yīng)綜合考慮逆變器故障時，對輔助供電設(shè)備的負(fù)載需求。對采用集中供電方式或分散供電方式的的輔助電源系統(tǒng)，SIV輸出容量必須考慮在其中一臺SIV故障的情況下，正常SIV能夠給全列車或基本負(fù)載供電?；矩?fù)載是指車輛切除一半空調(diào)壓縮機負(fù)載后的全部負(fù)載。

結(jié)語：城市軌道的牽引集成系統(tǒng)是控制城鐵車輛運行質(zhì)量的技術(shù)要點，也是城鎮(zhèn)交通設(shè)施建設(shè)的重要基礎(chǔ)。為保證DC750設(shè)計的合理性與科學(xué)性，在進行實際的技術(shù)引進時，不僅需要完整的理論體系與動車的設(shè)計經(jīng)驗，還應(yīng)該結(jié)合相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、運行數(shù)據(jù)，來進行牽引系統(tǒng)的設(shè)計。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合電力技術(shù)與牽引技術(shù)，打造多元化的發(fā)展平臺，實現(xiàn)我國城鎮(zhèn)交通系統(tǒng)的現(xiàn)代化發(fā)展，是當(dāng)前階段交通運輸產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向。

參考文獻：

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