地鐵車輛電氣牽引技術(shù)探究

殷磊 年躍

摘 要：地鐵車輛電氣牽引技術(shù)朝著信息化、自動(dòng)化和智能化的方向前進(jìn)，以往的數(shù)字控制已趨于淘汰，取而代之的是通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制的電氣牽引，此種牽引方式可以通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完成自檢，從而達(dá)到自控的目的，同時(shí)，自主控制還能夠進(jìn)行智能化的信號(hào)處理、信號(hào)輸出，并利用數(shù)據(jù)傳輸完成對(duì)車輛的控制。

關(guān)鍵詞：電氣;地鐵;牽引

一、地鐵車輛牽引技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用

1.牽引傳動(dòng)的發(fā)展。當(dāng)前大部分的地鐵車輛采用的電能，在眾多的傳動(dòng)技術(shù)研究中，根據(jù)地鐵車輛的牽引方式不同選用直流傳動(dòng)和交流傳動(dòng)兩種主要的傳動(dòng)方式，其原理是通過電能進(jìn)入到電力發(fā)動(dòng)機(jī)，由發(fā)動(dòng)機(jī)完成車輛牽引。其中直流牽引發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要通過半控型晶閘管完成對(duì)直流的斬波，從而使斬波調(diào)壓與相控調(diào)壓相結(jié)合。隨著地鐵車輛牽引技術(shù)的不斷發(fā)展，異步電機(jī)的交流傳動(dòng)開始應(yīng)用到牽引技術(shù)當(dāng)中，同時(shí)隨著變頻變壓的電壓逆變器問世，從而使交流傳動(dòng)成為主要牽引技術(shù)，歐洲國家于1990年代對(duì)直流傳動(dòng)車輛進(jìn)行停產(chǎn)，退出舞臺(tái)。

2.牽引技術(shù)的運(yùn)用。作為當(dāng)前主要地鐵車輛牽引技術(shù)，交流傳動(dòng)方式通過牽引變流器來實(shí)現(xiàn)對(duì)地鐵車輛的控制，為了能夠?qū)崿F(xiàn)牽引變流，則需要在地鐵車輛設(shè)計(jì)時(shí)運(yùn)用變頻器彌補(bǔ)電壓等級(jí)不足等問題。如德國和日本，分別用過1200V和1700V的三電平逆變器，隨著技術(shù)發(fā)展，逆變器加入高壓模塊，從而輸出波形更好。同時(shí)在交流傳動(dòng)中加入速度傳感器和全電制動(dòng)，保證電氣牽引的靈活和可靠。

二、當(dāng)前地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)某城市的軌道交通情況進(jìn)行車輛電氣牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過電氣牽引技術(shù)的運(yùn)用實(shí)現(xiàn)車輛的智能控制。

1.車輛基本情況。作為城市軌道交通工具，需要具備架空接觸網(wǎng)進(jìn)行供電。車輛選購為中國著名地鐵車輛生產(chǎn)廠家所生產(chǎn)的車輛，車輛車輪能夠長時(shí)間保持清潔和干燥，且在平直軌道運(yùn)行中最快速度能夠達(dá)到80km/h，列車加速度大于0.7m/s2，列車制動(dòng)速度不能小于1.2m/s2，制動(dòng)減速度不小于1.5m/s2。

2.元件選擇。為了能夠滿足車輛的運(yùn)行需要，運(yùn)用交流傳動(dòng)作為主要電氣牽引技術(shù)進(jìn)行牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì)，首先需要根據(jù)基本需求原則選擇元件。在一般的系統(tǒng)架構(gòu)當(dāng)中，元件選擇一般為受電器和斷路器兩個(gè)方面，針對(duì)地鐵軌道交通的各項(xiàng)需求，選擇了具備高速斷路器和充電設(shè)備的高壓箱，具備支撐電容器和線路電抗器的濾波電抗器箱，以及制動(dòng)電阻箱、牽引電動(dòng)機(jī)等，利用這些設(shè)備，滿足了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本元件需求。

濾波電抗器箱在系統(tǒng)當(dāng)中主要負(fù)責(zé)方向?yàn)榫S持電壓穩(wěn)定和吸收諧波電壓兩個(gè)方面，本次選擇濾波電抗器箱還考慮到其擁有阻擋逆變器干擾的能力，可以在逆變器出現(xiàn)短路時(shí)，通過轉(zhuǎn)換開關(guān)單元來實(shí)現(xiàn)空心。為了避免電壓過高，設(shè)計(jì)中選用了制動(dòng)電阻箱，該設(shè)備應(yīng)用于牽引過程中，可以利用導(dǎo)通斬波模塊來實(shí)現(xiàn)電路阻隔，最終完成電壓控制，同時(shí)還能夠?yàn)檐囕v緊急制動(dòng)提供能量，維持車輛平穩(wěn)運(yùn)行。牽引電動(dòng)機(jī)是電器牽引交流傳動(dòng)中重要設(shè)備，為了滿足地鐵車輛的運(yùn)行需求，選擇了四極自通風(fēng)的三相鼠籠式異步牽引電動(dòng)機(jī)，該型號(hào)電動(dòng)機(jī)可以懸掛在地鐵車輛上方的轉(zhuǎn)向架上，利用聯(lián)軸節(jié)完成傳動(dòng)和牽引，并利用逆變器完成電能傳輸。

3.牽引系統(tǒng)。在目前的電氣牽引技術(shù)研究中，為了增大電動(dòng)機(jī)的牽引壓力，一般采用無吸收電路式逆變器，通過其中的絕緣IGBT模塊，實(shí)現(xiàn)軌道車輛的結(jié)構(gòu)緊湊、體量輕盈需求。本文在設(shè)計(jì)當(dāng)中也采用了這種逆變器。在實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，本文選用第三軌供電，滿足地鐵車輛的電氣牽引要求，并設(shè)定了每小時(shí)0-43km的恒定引力范圍，從而實(shí)現(xiàn)了每小時(shí)43-65km的恒定速度。基于此可以計(jì)算得出，恒定牽引力可以設(shè)置為350kN，自然牽引力則應(yīng)該設(shè)定為230kN。同時(shí)，為了保證牽引可以規(guī)范在載荷范圍之內(nèi)，還需要專門設(shè)定車輛的牽引條件，使車輛能夠在電氣系統(tǒng)的牽引下，自動(dòng)完成載荷調(diào)節(jié)。此外，制動(dòng)方式本文采用了具有突出優(yōu)勢的全電制動(dòng)方式，為了避免以往氣制動(dòng)在制動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的車輛劇烈搖晃現(xiàn)象，本文在電氣牽引系統(tǒng)當(dāng)中加入了全電制動(dòng)設(shè)備，從而提高了停車精度，使噪聲得到減小，還使車輛更加平穩(wěn)，提高了行駛質(zhì)量。

三、電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.電氣控制。地鐵車輛的電氣牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，需要對(duì)電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先對(duì)列車開啟之后的動(dòng)能與電能的轉(zhuǎn)化問題，需要用電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行約束，在地鐵電網(wǎng)系統(tǒng)中，車輛與電網(wǎng)的連接的方式?jīng)Q定決定了電能損耗，為了降低電能功率損耗，利用電氣控制的方式進(jìn)行控制，讓電動(dòng)馬達(dá)的運(yùn)行更加安全和合理，并從根本上節(jié)約電力使用量。在設(shè)計(jì)中選用PWM低噪聲控制方法，通過變頻變壓逆變器VVVF的脈寬調(diào)制，實(shí)現(xiàn)了高頻全域的異步、同步和低頻全域異步、同步的控制，最終實(shí)現(xiàn)了電力使用量的降低。另外還運(yùn)用了矢量控制方法，利用無速度傳感器使電氣牽引的軸向距離得到增加，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩電流的控制，大幅度提升了轉(zhuǎn)矩響應(yīng)的速度，且提高了測算速度，使電氣傳動(dòng)牽引更加科學(xué)。

2.牽引控制。在牽引控制單元中，硬件設(shè)計(jì)包括：開關(guān)單元（PWR）、數(shù)字輸入（DIO）、數(shù)字輸出（DIO）、系統(tǒng)管理通信（SMC）、脈沖轉(zhuǎn)換單元（PCU）、電機(jī)控制單元（MCU）、信號(hào)處理單元（SPU）、輔助處理單元（PAU）。通過這些硬件的選擇和使用，可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)牽引控制單元的數(shù)字化，并能夠?qū)?shù)字化運(yùn)用于控制管理當(dāng)中，管理人員可以通過數(shù)字化的信號(hào)傳輸和顯示，對(duì)既以發(fā)生和可能發(fā)生的線路故障進(jìn)行診斷和預(yù)估，并根據(jù)控制單元和電氣牽引系統(tǒng)相連接的數(shù)據(jù)傳遞，實(shí)現(xiàn)緊急啟動(dòng)/制動(dòng)牽引，保障行車安全。其中，電源開關(guān)是整個(gè)控制系統(tǒng)的電流供應(yīng)插件，數(shù)字的輸入和輸出在本工程中包含了二十個(gè)110V的數(shù)字信號(hào)傳遞任務(wù)，在硬件設(shè)置中本文還加入了隔離轉(zhuǎn)換器，可以將二十個(gè)110V信號(hào)轉(zhuǎn)化成為5V信號(hào)進(jìn)行傳輸。為了保證傳輸效果，還需要加裝MOS輸出信號(hào)插頭、繼電器插頭等若干個(gè)開關(guān)。牽引控制單元可以利用這些硬件，對(duì)列車進(jìn)行牽引控制，并保證列車牽引、方向、電機(jī)轉(zhuǎn)向等判斷準(zhǔn)確，最終實(shí)現(xiàn)有效控制。

四、結(jié)語

隨著技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，交流傳動(dòng)的電氣牽引技術(shù)步入軌道交通的歷史舞臺(tái)。交流傳動(dòng)取代直流傳動(dòng)，除了具備結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)勢之外，還在技術(shù)發(fā)展的過程中逐漸形成了自動(dòng)化的控制系統(tǒng)，從而保證了列車運(yùn)行牽引過程更加平穩(wěn)和高效，使城市軌道交通取得長足發(fā)展與進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)：

[1]范偉媛 城市軌道車輛電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展 《黑龍江科技信息》-2015年第8期.