對地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)的電氣控制研究

賈博

摘 要：隨著城市公共交通的發(fā)展，地鐵作為公共出行的重要承載設施已經(jīng)列入眾多大中城市的建設規(guī)劃中。電氣牽引控制新技術(shù)得以在更多的地鐵項目中得以運用。本文簡要分析地鐵車輛牽引系統(tǒng)的工作原理及牽引方式，并在此基礎上分析地鐵車輛牽引系統(tǒng)的電氣控制。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛；牽引系統(tǒng)；電氣控制；研究

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.10.033

地鐵車輛電氣牽引遵從模塊化設計，功能上組成整體，結(jié)構(gòu)上相互獨立。與早期地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)相比，如今與電力電子技術(shù)及智能化信息技術(shù)相結(jié)合，自動化及智能化程度更高。目前，地鐵車輛的電氣牽引技術(shù)已經(jīng)較為成熟，車輛的種類、構(gòu)造速度不同，其電力傳動與控制也各不相同。

1 概述

電力牽引是一種以電能為動力的牽引方式。地鐵電力牽引系統(tǒng)的工作原理就是地鐵運行過程中由架空線處獲取電能并將其調(diào)壓變換后輸送給車組的牽引電動機，由牽引電動機將電能轉(zhuǎn)換成機械能，進而驅(qū)動車輛前行。

地鐵車輛的電氣牽引控制系統(tǒng)是由牽引電器和列車電路構(gòu)成的。牽引電器包括：受流器、牽引電機、傳動控制裝置、其他牽引電力電子轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)。列車電路包括：主電氣回路、輔助電路、控制電路。現(xiàn)在微型計算機控制己代替了傳統(tǒng)使用的模擬電路廣泛應用于控制電路。它可根據(jù)司機的操作和牽引回路的狀態(tài)及相應信號調(diào)節(jié)斬波器，對各接觸器、繼電器、電磁閥、發(fā)光二極管等發(fā)出指令，達到所要求的恒流牽引、電阻制動及再生制動等控制。

目前，軌道交通車輛電力牽引方式主要分為直流傳動和交流傳動兩種。

2 直流傳動

直流傳動車輛采用直流牽引電機。直流電源經(jīng)直流轉(zhuǎn)換器向直流牽引電機供電，構(gòu)成直流牽引系統(tǒng)的主要部分包括直流電機在內(nèi)的主電路及控制電路等。

按照牽引電源性質(zhì)，直流牽引系統(tǒng)可分為直一直流及交一直流兩大類：

直一直流牽引系統(tǒng)是最早應用于電力牽引的一種牽引裝置。它使用的是直流電源（直流電網(wǎng)或直流發(fā)電機）和直流串勵牽引電機。早期的直一直流牽引系統(tǒng)主電路采用的是電阻調(diào)壓，這種調(diào)壓方式不僅在車輛頻繁啟動過程中經(jīng)過電阻消耗了大量的電能，而且難以實現(xiàn)連續(xù)、平滑地調(diào)節(jié)列車速度。如今半導體技術(shù)的飛躍發(fā)展，電力電子交流技術(shù)得到了不斷的提高，現(xiàn)在直流牽引已廣泛采用斬波調(diào)壓方式代替電阻調(diào)壓，它不僅能取消起動電阻，并能對電動機的端電壓進行連續(xù)、平滑的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)平穩(wěn)調(diào)速。

交一直流牽引系統(tǒng)使用的是交流電源（交流電網(wǎng)），牽引電機仍采用直流電機。此牽引系統(tǒng)的關(guān)鍵部位是將交流變成可控直流的整流調(diào)壓裝置。運行時改變整流器的控制角、就可調(diào)節(jié)輸出直流電壓，使電動機調(diào)速。這種系統(tǒng)的交流電網(wǎng)電壓很高，適用于大功率、長距離牽引。

3 交流傳動

隨著晶體管交流技術(shù)的發(fā)展，地鐵車輛電氣傳動逐漸采用無整流子交流牽引電機的交流傳動方式。

從電力牽引的角度考慮，傳統(tǒng)的電流牽引電機雖有較好的牽引性能，但防空轉(zhuǎn)性能較差；而且由于直流牽引電機固有的換向器與電刷，帶來了較大的體積與重量。另外，換向?qū)е碌姆彪s的維護問題也時有發(fā)生。而交流牽引電機由于沒有換向器與電刷，所以其體積與重量得以減小。此外，由于交流牽引電機結(jié)構(gòu)簡單，其轉(zhuǎn)子無需絕緣，也沒有引線，所以制造技術(shù)比直流牽引電機制造成本也低；同時交流牽引電機耐潮濕，防塵和抗機械沖擊性能好，工作可靠，壽命長。

采用交流牽引電機后，車輛的調(diào)速需用逆變器來完成，將直流電機逆變器變?yōu)榭烧{(diào)節(jié)電壓與頻率的交流電來控制交流牽引電機的轉(zhuǎn)速。用了逆變器供電，就不需要笨重的有觸點的反向開關(guān)與制動轉(zhuǎn)換開關(guān)，因而，可大大簡化車輛主電路，使主電路設備與連線大大減少。同時，由于交流牽引電機沒有換向器而不存在換向問題，所以能發(fā)揮較高的輸出功率；在高速運行時，電機效率也較高，且再生制功時也能輸出較人的電功率。這些優(yōu)點，都使得交流傳動方式廣泛推廣。交流牽引電機的交流牽引系統(tǒng)已被認為近代最優(yōu)越的牽引調(diào)速系統(tǒng)。

根據(jù)牽引要求，控制應使列車盡可能平穩(wěn)，即可能恒加速恒減速，故斬波器控制應采取恒流牽引與恒流制動方式。如圖所示，交流電傳動的變頻器發(fā)揮著變壓、定頻作用，在交流變頻調(diào)速傳動中利用靜止變頻器使交流電動機得到較寬的調(diào)速范圍，而當交流電動機由變頻電源供電時，為了保持恒定的磁通量，其端電壓必須按頻率的函數(shù)關(guān)系變化，其基本規(guī)律是電壓頻率的比值為常數(shù)，否則。電動機將出現(xiàn)過勵磁或欠勵磁。

4 直線電機

城市軌道交通除了直流和交流旋轉(zhuǎn)式牽引電動機外。直線電動機在國外一些地鐵項目中已有應用。直線電機工作原理與一般的旋轉(zhuǎn)式感應電動機相類似?？煽醋魇怯尚D(zhuǎn)電機演變而成的新型結(jié)構(gòu)通過交流電時，由于初級與次級感應軌之間磁場的相互作用產(chǎn)生推力，驅(qū)動車輛運行或制動車輛。由于省去了傳統(tǒng)的機械減速傳動機構(gòu)，車輛依靠線性電機直接驅(qū)動和制動，牽引系統(tǒng)不僅產(chǎn)生較高的加、減速度、避免了打滑現(xiàn)象的產(chǎn)生，而且由于裝設線性電機，免除了傳統(tǒng)的在轉(zhuǎn)向架上懸掛牽引電機與機械傳動裝置，從而有可能采用小輪徑的徑向轉(zhuǎn)向架，提高了車輛過小半徑曲線的能力，降低了過曲線時的尖嘯聲和輪軌磨耗。

目前制約線性電機廣泛推廣的主要缺點是由于線圈與感應軌間的工作氣隙較大，導致磁滯損耗大，其效率僅為旋轉(zhuǎn)電機效率的70%，同樣工作狀況下，耗電量也大大增加。

5 制動控制

地鐵交通車站之間往往距離較短，運行過程小的調(diào)速和停車都比較頻繁。為了提高列車的運行速度，必須使其起動提速快、制動距離短。因此地鐵車輛的牽引系統(tǒng)制動應具備如下性能：

（1）制動靈活、制動迅速，制動和緩解時前后部車輛沖擊小。（2）具有足夠的制動力，保證車輛在規(guī)定的制動距離內(nèi)安全停車。（3）應盡量發(fā)揮動力制動能力，以減少對城市環(huán)境的污染和降低運行成本。

在制動工況時把牽引電動機變?yōu)榘l(fā)電機、通過輪對將列車動能變?yōu)殡娔堋＿@時牽引電動機軸上的反轉(zhuǎn)矩作用在機車動輪上形成電制動力，稱為電氣制動。采用這種制動可以提高列車運行速度，降低機車車輛輪箍閘瓦的磨損。城市軌道交通車輛一般均采用再生制動與電阻制動相結(jié)合的電制動優(yōu)先、空電聯(lián)合制動方式，保證在制動系統(tǒng)允許的條件下得到盡可能大的制動減速度。