成都地鐵市域快線車輛電氣牽引系統(tǒng)

曾東亮

(成都地鐵運營有限公司， 成都 610051)

成都地鐵17、18號線是成都地鐵線網中首次建設的兩條市域快線，車輛采用A+型車，6動兩拖(6M2T)8輛編組，如圖1。列車采用交流25 kV供電制式，電氣牽引系統(tǒng)采用交-直-交供電方式和變頻變壓(VVVF)的變流器控制技術，具有良好的空轉/滑行控制功能，采用電制動優(yōu)先、空氣制動補足的電空混合制動方式。與普通地鐵車輛直-交的供電方式相比，該系統(tǒng)的特點主要表現在系統(tǒng)結構設計、高壓系統(tǒng)設備及牽引控制等方面。

圖1 車輛編制圖

車輛主要技術參數：

在額定載員情況下，在平直干燥軌道上，車輪為半磨耗狀態(tài)，額定供電電壓時，平均加速度為：

(1)列車從0加速到50 km/h： ≥1.0 m/s2

(2)列車從0加速到140 km/h： ≥0.5 m/s2

在額定載員情況下，在平直干燥軌道上，車輪半磨耗狀態(tài)，列車在最高運行速度140 km/h時，從給制動指令到停車，平均減速度為：

(1)最大常用制動： ≥1.0 m/s2

(2)緊急制動： ≥1.2 m/s2[1]

AW3工況下列車牽引、制動曲線圖如圖2：

1 市域快線電氣牽引系統(tǒng)差異性特點

與普通地鐵直-交供電方式相比，成都市域快線的牽引系統(tǒng)主要有以下差異性特點：

圖2 AW0牽引、制動特性曲線

(1)采用交-直-交的供電方式將AC 25 kV單相交流電通過降壓、整流、逆變等方式轉換為變頻調壓的電源或穩(wěn)定的AC 380 V電源；

(2)交流供電方式決定了運行時只能單弓受流；

(3)新增了用于降壓的牽引變壓器及控制箱，用于整流的網側變流器以及適用于高壓的電壓、電流互感器等高壓設備；

(4)取消原設置于每節(jié)車的高壓斷路器，每個單元增加了主斷路器和高壓隔離開關，分別用于向列車高壓供電和在有故障的條件下激活冗余設備；

(5)采用車控方式，每套牽引變流器單元給一輛動車上的4臺牽引電機供電；

(6)增強了冷卻方式，牽引變流器首次采用水冷與風冷的混合冷卻方式確保變流器工作在穩(wěn)定的溫度環(huán)境中。

2 市域快線電氣牽引系統(tǒng)構成

市域快線列車AC 25 kV的供電制式是其牽引系統(tǒng)相比于普通地鐵車輛牽引系統(tǒng)結構和功能設計變化的主要原因，因此本線路除車輛的機械驅動子系統(tǒng)與普通地鐵車輛相似外，其高壓系統(tǒng)、牽引輔助系統(tǒng)、控制系統(tǒng)與普通地鐵車輛相比差異性特點明顯。

該牽引系統(tǒng)由兩個基本動力單元組成，單元內的電氣設備發(fā)生故障時，可通過高壓隔離開關隔離一個單元，減少故障對整列車的影響。圖3是一個牽引系統(tǒng)的基本單元。

市域快線牽引系統(tǒng)的電能轉換過程如下：

①來自接觸網的AC 25 kV交流電壓經受電弓、高壓回路、牽引變壓器輸入到各變流器，其中牽引變流器為牽引電機提供變頻變壓的交流電源；

②每個牽引變流器配置一個牽引控制單元，牽引控制單元將列車控制變量和控制指令轉換成牽引變流器的控制信號，對牽引變流器和牽引電機進行控制(列車速度調節(jié)、保護、變流器脈沖模式的產生等)。

圖3 牽引系統(tǒng)(半列)電氣原理圖

2.1 高壓系統(tǒng)

市域快線車輛高壓系統(tǒng)設備與普通地鐵車輛相比，設備耐壓等級高、設備種類多。除受電弓、避雷器外，新增了電流互感器、電壓互感器、主斷路器、高壓隔離開關等設備，替代普通地鐵車輛的熔斷器設備，增強設備的過壓過流保護性能。如圖4是其中一個單元的高壓系統(tǒng)，其主要特點及功能如下：

(1)受電弓單弓受流，另一臺備用。

(2)主斷路器對高壓側主回路進行開關和隔離保護。

(3)電壓互感器和電流互感器分別監(jiān)測網側的電壓和電流，主要為主斷路器和高壓隔離開關的控制提供監(jiān)測信號。

(4)25 kV母線設置高壓隔離開關，當發(fā)生接地故障時，用于隔離故障。

(5)在每臺牽引變壓器前設置瞬態(tài)電感器，利用其阻礙電流變化的特性，用于避免主斷路器在關閉瞬間的涌流對牽引變壓器等后端設備的影響。

(6)在兩輛Tp車設置車載自動過分相裝置及車載感應器。當車輛通過分相區(qū)時，過分相裝置根據地面磁鋼位置自動發(fā)出過分相信號，封鎖牽引指令、隨后自動分斷主斷路器，通過分相區(qū)后，自動閉合主斷路器、啟動牽引，從而自動實現車輛通過分相區(qū)。

圖4 半列車的高壓系統(tǒng)

2.2 牽引系統(tǒng)

市域快線的牽引系統(tǒng)在普通地鐵車輛原有的牽引變流器、輔助變流器基礎上，增加了牽引變壓器、網側變流器及變壓器控制箱。

2.2.1牽引變壓器

牽引變壓器將AC 25 kV高壓降為適合網側變流器的輸入電壓(AC 950 V)，同時變壓器也作為車輛高壓系統(tǒng)和牽引系統(tǒng)之間的電隔離。牽引變壓器主要由1個原邊繞組和6個牽引繞組構成(如圖5)。變壓器采用油冷卻方式，冷卻設備由油泵、熱交換器和風機組成。變壓器控制箱(TCB)通過數字/模擬輸入輸出單元(DX/AX)控制牽引變壓器冷卻設備(泵、風扇)和高壓設備(主斷路器、高壓隔離開關)，并通過輸入輸出單元向列車TCMS及牽引控制系統(tǒng)提供監(jiān)控數據。

圖5 牽引變壓器繞組示意圖

2.2.2變流器單元

市域快線列車的牽引變流器單元高度集成在一個牽引箱體內，主要分為網側變流器模塊、牽引變流器模塊、輔助變流器模塊及冷卻單元。

(1) 網側變流器

網側變流器(LCM)將牽引變壓器降壓后的單相50 Hz交流電壓整流為直流電壓，在牽引和再生制動期間將直流母線電壓控制在直流1 500～1 800 V之間。網側變流器由并聯(lián)連接的兩個自換向IGBT模塊橋組成，每個橋連接到6繞組牽引變壓器上的1個繞組，如主電路圖6所示。

圖6 LCM整流原理圖

(2)牽引變流器模塊

牽引變流器(MCM)采用六脈沖三相逆變器原理把中間直流電壓變?yōu)榭勺冾l調壓的三相輸出電壓(VVVF)，為三相異步電動機供電。

牽引變流器的電源轉換采用基于微處理器控制邏輯的IGBT，變流器控制器以一定的順序控制IGBT的導通和關斷，通過PWM斬波改變IGBT的導通和關斷時間，即改變IGBT的占空比，得到不同的輸出頻率和電壓，使輸出端獲得三相交流電壓[2]，如圖7。

圖7 牽引變流器(MCM)逆變原理圖

(3)輔助變流器模塊

輔助變流器(ACM)從網側變流器(LCM)中間直流回路取電，經過逆變、降壓和濾波后輸出三相AC 380 V 50 Hz，為空調系統(tǒng)、主空壓機、牽引系統(tǒng)冷卻風機等設備供電。充電機從輔助變流器輸出的三相AC 380 V取電，經過整流、降壓和濾波后輸出DC 110 V，為控制系統(tǒng)、照明、影視廣播等設備供電；24 V電源模塊將DC 110 V轉化為DC 24 V為24 V設備供電；單相AC 220 V從三相中某一相與中線之間取電，為插座等設備供電。

市域快線車輛采用4臺輔助變流器并網供電的方式，正常情況下4臺輔助變流器并聯(lián)在三相四線AC 380 V母線上，向全列負載供電；當1臺輔助變流器發(fā)生故障時，通過切斷故障輔助變流器的輸出接觸器將其隔離，其余3臺正常供電，所有用電設備均可正常工作；當2臺輔助變流器故障時，通過切斷故障輔助變流器的輸出接觸器將其隔離，其余2臺正常供電，空調系統(tǒng)按輔助變流器能力損失情況進行減載，其他負載正常工作。

(4)冷卻系統(tǒng)

由于變流器高度集成在一個箱體內，發(fā)熱量較大，因此本線路車輛牽引系統(tǒng)首次采用了水冷+風冷的混合冷卻系統(tǒng)。冷卻模塊位于牽引箱冷卻前段裝置中，由風機、水泵、熱交換器器和膨脹容器組成，其中熱交換器為空氣-水熱交換器。風冷和水冷同時對箱體內設備進行混合冷卻，對于箱體內發(fā)熱量較大的LCM、MCM及ACM主要為水冷，其余設備為強迫風冷。

3 牽引控制系統(tǒng)

3.1 控制系統(tǒng)構成

牽引控制系統(tǒng)主要實現對網側變流器、牽引/輔助變流器、變壓器控制箱的控制及高壓部件(受電弓、主斷路器、高壓隔離開關)的協(xié)調控制(其中受電弓、高壓隔離開關、主斷路器的控制還屬于列車TCMS控制的一部分)?？刂葡到y(tǒng)由牽引控制單元(PCU)、網側變流器驅動單元(DCU/L)、牽引變流器驅動控制單元(DCU /M)、輔助變流器驅動控制單元(DCU/A)、模擬輸入輸出單元(AX)、數字輸入輸出單元(DX)以及用于診斷存儲的中央診斷單元(CCU-D)組成，其中網側變流器驅動單元(DCU/L)中集成了牽引控制單元(PCU)。各單元使用標準化的MVB(多功能車輛總線)與車輛TCMS系統(tǒng)通信。

圖8為半列車的牽引控制架構：

3.2 控制特點

市域快線的牽引控制系統(tǒng)采用分級控制的分布式控制方式，如圖8所示，PCU接受來自列車TCMS網絡的指令后，經過內部運算和控制量的分配，實現對各DCU及牽引變壓器控制箱(TCB)的控制。全列車6個PCU中參與TCB的4個PCU互為冗余，在任意時刻通過列車主控端及單雙日啟動確定唯一的主PCU。

其中DCU/L控制網側變流器，將其從牽引變壓器饋送的AC電流轉換為牽引變流器使用的穩(wěn)定直流鏈電壓；DCU/M以一定的順序控制牽引變流器(MCM)中IGBT的導通和關斷，使輸出端獲得三相變頻變壓的電壓；DCU/A以一定的順序控制牽引變流器(MCM)中IGBT的導通和關斷，使輸出端獲得穩(wěn)定的三相380 V電壓；變壓器控制箱(TCB)通過數字/模擬輸入輸出單元(DX/AX)控制牽引變壓器冷卻設備(泵、風扇)和高壓設備(主斷路器、高壓隔離開關)，并通過輸入輸出單元向列車TCMS及牽引控制系統(tǒng)提供監(jiān)控數據。

圖8 半列車的牽引控制系統(tǒng)

3.3 系統(tǒng)診斷功能

各DCU還兼有對各自控制模塊的故障診斷功能，可將診斷信息作為過程數據發(fā)送到TCMS網絡上。為了提高牽引和輔助供電系統(tǒng)的診斷能力，牽引系統(tǒng)設置兩個互為冗余的牽引輔助故障診斷單元(CCU-D)，并直接連接在列車級MVB上，用于記錄和儲存各DCU的實時診斷數據。

3.4 防滑防空轉控制

防滑—防空轉控制的目的是當軌道和車輪之間的黏著系數達不到所要求的牽引力時，在減少牽引/制動力盡快恢復黏著的同時，獲得盡可能高的牽引力/制動力[3]。

防滑—防空轉控制主要通過DCU/M來控制牽引電機的扭矩，在牽引模式下改變牽引力，在制動模式下改變電制動力。防滑防空轉控制檢測動軸的速度，當探測到車輪在牽引模式下的空轉和動態(tài)制動模式下的滑行時，減小牽引變流控制中的牽引力參考值直到空轉或滑行停止。

如圖9所示，成都地鐵市域快線的防滑-防空轉控制采用PID控制技術，牽引系統(tǒng)在DCU/M中預設防滑-防空轉速度臨界值及空轉加速度臨界值，通過速度傳感器檢測車輪速度及加速度，并向DCU/M反饋以調整電機扭矩。

圖9 滑行、空轉控制原理

3.5 電、空制動力混合控制

本線路列車的電、空混合控制采用等磨耗控制策略。列車運行時，優(yōu)先使用電制動，當電制動功率不足時，制動控制單元計算需要空氣制動補償以達到需要的制動力[4]。TCMS系統(tǒng)計算總的制動力需求，將制動力需求計算后根據電制動狀態(tài)分配給牽引系統(tǒng)，牽引變流器驅動控制單元(DCU/M)把實際發(fā)揮的電制動力反饋給TCMS，TCMS計算總的實際發(fā)揮電制動力；TCMS把總制動力需求與實際發(fā)揮的電制動力的差值發(fā)送給制動系統(tǒng)，由空氣制動系統(tǒng)平均分配到每個轉向架，如圖10。

圖10 電、空轉換控制原理

4 結束語

目前，成都軌道交通17/18號線市域車輛已完成了各項調試和試驗，調試中驗證了牽引系統(tǒng)控制邏輯和方案合理，試驗結果顯示其各項功能及性能指標滿足合同要求；正常情況下主斷路器(LCB)閉合需要同時滿足的條件共有11條，需重點驗證LCB在故障場景下的可用性及可靠性；對于首次采用的變壓器油冷、變流器水冷冷卻方式，需重點關注油冷和水冷系統(tǒng)的可靠性和密封性。