導(dǎo)軌電車(chē)牽引系統(tǒng)

朱麗媛 李明 鮑新娜

摘 要：在軌道交通行業(yè)中，牽引系統(tǒng)為列車(chē)提供所需動(dòng)力及電制動(dòng)力，用于控制列車(chē)電機(jī)工作，是列車(chē)的核心系統(tǒng)。文章介紹了導(dǎo)軌電車(chē)車(chē)輛參數(shù)及性能要求，闡述了導(dǎo)軌電車(chē)牽引/電制動(dòng)特性，主要研究了導(dǎo)軌電車(chē)的牽引系統(tǒng)，包括牽引系統(tǒng)的主回路，牽引控制單元以及牽引控制回路。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)軌電車(chē)；牽引系統(tǒng)；牽引控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.09.057

1 引言

目前，城市軌道交通在全國(guó)及全世界得到了快速的發(fā)展，它有運(yùn)行密度高、行車(chē)間隔短、行車(chē)速度高、污染小等優(yōu)點(diǎn)。導(dǎo)軌電車(chē)作為城市軌道交通行業(yè)的新型產(chǎn)品，其顯著優(yōu)勢(shì)是爬坡能力強(qiáng)，能耗低等。

2 車(chē)輛參數(shù)及性能要求

導(dǎo)軌電車(chē)為三編組100%低地板有軌電車(chē)，編組形式為動(dòng)車(chē)（M1）+客車(chē)（Tp）+動(dòng)車(chē)（M2），采取膠輪驅(qū)動(dòng)、承載，單軌鋼輪導(dǎo)向模式。列車(chē)最高速度為80km/h，接觸網(wǎng)受電弓受流方式，供電電壓為DC750V。

2.1 車(chē)輛參數(shù)

車(chē)輛參數(shù)如下表所示：

2.2 動(dòng)力性能

2.2.1 牽引性能要求

在平直干軌情況下：

最大起動(dòng)加速度：1.3m/s?，失去一半動(dòng)力為0.5m/s2

0-40km/h 平均加速度：a0-40≥ 0.95 m/s2，失去一半動(dòng)力為0.45 m/s2

0-80km/h 平均加速度：a0-80≥ 0.45 m/s2，失去一半動(dòng)力為0.09 m/s2

2.2.3 電制動(dòng)性能要求

在平直干軌情況下：

最大電制動(dòng)減速度：≤2 m/s2

緊急制動(dòng)：≤5 m/s2

3 牽引系統(tǒng)

導(dǎo)軌電車(chē)的牽引系統(tǒng)為直-交流傳動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用矢量控制，具有優(yōu)異的牽引特性及空轉(zhuǎn)/滑行控制功能。牽引系統(tǒng)主要由受電弓、高壓箱、牽引逆變器、牽引電機(jī)、輔助牽引蓄電池組和電阻制動(dòng)裝置等組成。正常運(yùn)行時(shí)，受電弓直接從架空接觸網(wǎng)獲取DC750V電壓，經(jīng)過(guò)受電弓進(jìn)入高壓箱，高壓箱將DC750V供給M1和M2車(chē)的牽引逆變器、輔助變流器和各車(chē)的DC750V空調(diào)。牽引逆變器為牽引電機(jī)提供電源，充電機(jī)對(duì)牽引蓄電池充電。輔助變流器為整車(chē)的輔助設(shè)備提供電能。在無(wú)接觸網(wǎng)供電時(shí)，由牽引蓄電池組為整列車(chē)提供動(dòng)力。制動(dòng)工況時(shí)，牽引電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，當(dāng)接觸網(wǎng)電壓低于DC850V時(shí)，制動(dòng)能量通過(guò)接觸網(wǎng)返回，當(dāng)接觸網(wǎng)電壓高于DC850V時(shí)，制動(dòng)能量由電阻制動(dòng)裝置消耗。

3.1 牽引/制動(dòng)特性設(shè)計(jì)

（1）根據(jù)導(dǎo)軌電車(chē)運(yùn)行性能要求：列車(chē)起動(dòng)牽引力Fq為85kN，持續(xù)牽引力為38.5kN，持續(xù)速度為28km/h，持續(xù)輪周功率PL為300kW。

（2）根據(jù)汽車(chē)?yán)碚?，汽?chē)的行駛阻力Fx為滾動(dòng)阻力Fg、空氣阻力Fk和坡道阻力Fp之和。即Fx=Fg+Fk+Fp。

滾動(dòng)阻力Fg=W×f，其中W為車(chē)輪法向載荷，f為滾動(dòng)阻力系數(shù)。

滾動(dòng)阻力系數(shù)f=0.0076+0.000056V，其中， V為列車(chē)運(yùn)行速度。

空氣阻力Fk=CD×A×V×V÷21.15，其中CD為空氣阻力系數(shù)，客車(chē)常用值為0.5～0.8；A為迎風(fēng)面積，客車(chē)常用值為4～7；V為列車(chē)運(yùn)行速度。

坡道阻力Fp=G×i，其中G為重力，i為坡度值。

空氣阻力中，CD取0.8，A取7。計(jì)算得行駛阻力與速度的特性曲線(xiàn)。

（3）列車(chē)瞬時(shí)加速度a=（FL-Fx）÷1.06÷M

計(jì)算得：列車(chē)最大加速度為1.752m/s?，列車(chē)剩余加速度為0.14m/s?。

設(shè)置加速踏板最高加速度為1.3m/s?。

（4）根據(jù)汽車(chē)?yán)碚摚熊?chē)粘著牽引力Fμ=Fz×φ，其中Fz為驅(qū)動(dòng)輪法向反作用力，φ為附著系數(shù)。

在良好的混凝土或?yàn)r青路面上，路面干燥時(shí)φ=0.7～0.8。計(jì)算時(shí)取平均值0.75。

若前后輪Fz相等，則Fz=0.5×（G-0.5×A×ρ×V×V×（C1+C2）），其中G為重力，A為迎風(fēng)面積取7，ρ為空氣密度1.2258，V為列車(chē)運(yùn)行速度，C1+C2為前后輪空氣升力系數(shù)，可通過(guò)試驗(yàn)確定，結(jié)合一般車(chē)型的空氣升力系數(shù)取平均值，約為0.35。

計(jì)算得到列車(chē)粘著牽引力與速度的關(guān)系為：

（5）結(jié)合以上計(jì)算，得到有軌電車(chē)的牽引特性曲線(xiàn)，如圖4所示。

（6）根據(jù)牽引電機(jī)特性，制動(dòng)功率可在短時(shí)內(nèi)達(dá)到電機(jī)最大功率，故電阻制動(dòng)最大功率為440kW。計(jì)算得電制動(dòng)力與速度曲線(xiàn)如圖5所示。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，設(shè)計(jì)的牽引/電制動(dòng)特性能夠使得導(dǎo)軌電車(chē)爬坡能力、牽引制動(dòng)能力得到充分體現(xiàn)。

3.2 主回路

3.2.1 高壓電路

導(dǎo)軌電車(chē)的高壓電路如圖6所示。在正常接觸網(wǎng)供電時(shí)，DC750V通過(guò)接觸網(wǎng)經(jīng)過(guò)受電弓進(jìn)入Tp車(chē)的高壓箱，在受電弓下設(shè)置有避雷器。高壓箱位于Tp車(chē)車(chē)頂，內(nèi)部有三位置隔離開(kāi)關(guān)、高速斷路器、熔斷器，并將DC750V供給M1和M2車(chē)的牽引逆變器和三個(gè)車(chē)的DC750V空調(diào)。牽引逆變器為牽引電機(jī)提供電源，充電機(jī)對(duì)牽引蓄電池充電。在無(wú)接觸網(wǎng)供電時(shí)，全車(chē)的牽引模塊和直流空調(diào)都由M1和M2車(chē)的充電機(jī)將牽引蓄電池升壓提供電能。

3.2.2 牽引主回路

導(dǎo)軌電車(chē)牽引系統(tǒng)采用牽引逆變器-異步牽引電機(jī)構(gòu)成的交流電傳動(dòng)系統(tǒng)。牽引系統(tǒng)主電路采用兩電平電壓型直-交逆變電路。經(jīng)受電弓接觸受流輸入或牽引蓄電池提供的DC750V直流電由牽引逆變器變換成頻率、電壓均可調(diào)的三相交流電，向牽引電機(jī)供電。牽引逆變器由一個(gè)逆變模塊單元組成，驅(qū)動(dòng)一臺(tái)牽引電機(jī)。牽引蓄電池充電機(jī)、制動(dòng)斬波單元與逆變模塊單元集成在牽引變流器箱。當(dāng)電網(wǎng)電壓在500V～900V之間變化時(shí)，主電路能正常工作，并方便地實(shí)現(xiàn)牽引-制動(dòng)的無(wú)接點(diǎn)轉(zhuǎn)換，滿(mǎn)足列車(chē)的牽引及制動(dòng)特性的要求，并且雙向DC/DC充電機(jī)單元通過(guò)降壓斬波可向牽引蓄電池充電。當(dāng)無(wú)電網(wǎng)時(shí)，牽引工況下，雙向DC/DC充電機(jī)單元通過(guò)升壓斬波可將牽引蓄電池儲(chǔ)存的能量反向輸出給牽引系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)使用，滿(mǎn)足列車(chē)的牽引系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)和直流空調(diào)的用電需求；電制動(dòng)工況下，優(yōu)先通過(guò)雙向DC/DC充電機(jī)單元降壓斬波向牽引蓄電池充電。牽引主電路如圖7所示。

4 牽引系統(tǒng)控制

4.1 牽引控制單元（TCU）

牽引控制單元（TCU）作為導(dǎo)軌電車(chē)牽引轉(zhuǎn)換裝置的核心器件，接收來(lái)自整車(chē)系統(tǒng)的牽引、制動(dòng)、調(diào)速等指令信息，同時(shí)將牽引轉(zhuǎn)換裝置的工作狀態(tài)、重要參數(shù)傳送給網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)的控制功能有：接受并執(zhí)行司機(jī)的控制指令；電牽引、電制動(dòng)特性控制；列車(chē)速度調(diào)節(jié)、保護(hù)、逆變器脈沖模式的產(chǎn)生；粘著控制；電動(dòng)機(jī)-變流器-制動(dòng)電阻保護(hù)；啟動(dòng)限流功能；電池牽引控制；持續(xù)低轉(zhuǎn)速控制；通過(guò)列車(chē)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)TCU與其他控制單元之間的通信功能；故障診斷和記錄功能等。

4.2 牽引控制

導(dǎo)軌電車(chē)采用單司機(jī)操縱模式，電車(chē)運(yùn)行由位于前部的司機(jī)室控制，具有聯(lián)鎖裝置，防止兩個(gè)司機(jī)室同時(shí)控制。

牽引控制回路包括：高速斷路器合閘/分閘控制，應(yīng)急運(yùn)行控制，高加速控制，方向選擇控制，供電選擇控制，牽引使能回路以及油門(mén)踏板控制。

其中牽引使能回路中有列車(chē)停放制動(dòng)不緩解繼電器觸點(diǎn)、列車(chē)制動(dòng)不緩解繼電器觸點(diǎn)、門(mén)全關(guān)繼電器觸點(diǎn)、緊急制動(dòng)繼電器觸點(diǎn)、導(dǎo)向裝置故障繼電器觸點(diǎn)、超速繼電器觸點(diǎn)等，只有以上觸點(diǎn)均閉合時(shí)，牽引指令才能發(fā)送。同時(shí)各觸點(diǎn)并聯(lián)旁路開(kāi)關(guān)，當(dāng)繼電器不能工作時(shí)，可采用手動(dòng)閉合旁路開(kāi)關(guān)強(qiáng)制進(jìn)行牽引，圖8為牽引控制邏輯框圖。

5 總結(jié)

本文以導(dǎo)軌電車(chē)牽引系統(tǒng)為研究對(duì)象，深入研究了牽引系統(tǒng)的組成和功能，并根據(jù)導(dǎo)軌電車(chē)自身的特點(diǎn)，對(duì)牽引控制系統(tǒng)進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)。對(duì)牽引控制系統(tǒng)各部分的工作原理及功能進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，最終設(shè)計(jì)出一套適用于此導(dǎo)軌電車(chē)的牽引系統(tǒng)方案。

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