自主化懸掛式單軌列車電氣牽引系統(tǒng)研制

袁文燁，許義景，劉 勇，張路軍

應(yīng)用研究

自主化懸掛式單軌列車電氣牽引系統(tǒng)研制

袁文燁，許義景，劉 勇，張路軍

（株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南株洲 412001）

介紹了自主化懸掛式單軌列車的總體性能要求，包括列車牽引/電制動性能、故障及救援性能，及電氣牽引系統(tǒng)的高壓系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、輔助電源系統(tǒng)的構(gòu)成及功能參數(shù)，并闡述了適用于懸掛式單軌列車應(yīng)用場景的系統(tǒng)與關(guān)鍵部件的設(shè)計理念與設(shè)計要點，研制的小型化、輕量化、集成化的電氣牽引系統(tǒng)完全滿足列車總體性能指標，系統(tǒng)運行狀態(tài)良好，為懸掛式單軌交通后續(xù)市場推廣應(yīng)用奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

懸掛式單軌列車 高壓系統(tǒng) 牽引系統(tǒng) 輔助電源系統(tǒng)

0 引言

自1825年世界上第一條以馬匹為動力的懸掛式單軌交通在英國切森特（Cheshunt）開通以來，到20世紀末日本、德國等逐步采用較為先進的SAFEGE型懸掛式單軌車建造了多條商業(yè)運營線路[1]，懸掛式單軌交通系統(tǒng)以其獨特的技術(shù)特點和優(yōu)勢逐漸受到越來越多的關(guān)注。懸掛式單軌交通系統(tǒng)具有選線簡單、環(huán)境友好、工程造價低、節(jié)省道路資源實現(xiàn)交通系統(tǒng)立體化的優(yōu)點，可滿足構(gòu)建大城市支線交通或中小城市骨干交通的中低運量軌道交通需求，是未來城市中低運量軌道交通中的一個重要解決方案。

本文介紹的懸掛式單軌列車電氣牽引系統(tǒng)為國內(nèi)首次自主研制，其工程化成功應(yīng)用，為懸掛式單軌交通系統(tǒng)后續(xù)商用推廣奠定了基礎(chǔ)。

1 車輛參數(shù)及性能

自主化懸掛式單軌列車采用DC750V供電，為3輛全動車編組型式，其列車編組型式為：+Mc-M-Mc+（其中Mc：帶司機室動車，M：不帶司機室動車）,列車編組示意圖如圖1所示。

圖1 列車編組示意圖

1.1 列車動力性能

最高運行速度：70 km/h

設(shè)計結(jié)構(gòu)速度：80 km/h

平直道，AW2載荷，額定網(wǎng)壓條件下：

平均啟動加速度（0-30 km/h）：≥1.0m/s2

平均加速度（0-70 km/h）：≥0.6 m/s2

常用制動平均減速度（70 km/h-0）：≥1.1 m/s2

1.2 列車運行能力

故障運行能力：一列超員列車喪失1/3動力時，在100‰坡道上列車可以起動，并行駛到鄰近車站完成清客，再以不小于20 km/h的速度行駛回車輛段。

坡道救援能力：一列超員正常列車能在100‰坡道上救援一列超員且失去全部動力故障列車，并行駛到鄰近車站完成清客，再以不小于20 km/h的速度行駛回車輛段。

蓄電池應(yīng)急牽引能力：一列超員正常列車，當(dāng)外部供電系統(tǒng)故障時，列車可由應(yīng)急牽引儲能系統(tǒng)供電，在平直道以20 km/h的速度行駛不少于5 km距離，實現(xiàn)乘客疏散。

2 列車高壓系統(tǒng)

2.1 列車高壓系統(tǒng)構(gòu)成及原理

自主化懸掛式單軌列車采用全動車設(shè)計，每個動車設(shè)置一個熔斷器箱，熔斷器箱具有母線分線和母線熔斷保護功能，各功率部件的保護熔斷器、母線熔斷器及應(yīng)急牽引模式接觸器KM1均設(shè)置于熔斷器箱內(nèi)。

每個動車配置兩個動力轉(zhuǎn)向架，每個動力轉(zhuǎn)向架配置兩臺永磁牽引電機，由一臺牽引逆變器驅(qū)動；全列配置兩臺輔助變流器，位于Mc車上，每臺輔助變流器對外提供AC380V交流電源和DC24V直流電源，容量分別為20 kVA和10 kW；M車配置一套雙向DC/DC變換器+動力電池的應(yīng)急牽引儲能系統(tǒng)，為列車應(yīng)急牽引供電，圖2為列車高壓電路拓撲圖。

圖2 列車高壓電路拓撲圖

2.2 應(yīng)急牽引儲能系統(tǒng)

因懸掛式單軌列車運行于高架軌道箱梁下方[2]，列車救援和乘客疏散的“故障—安全”導(dǎo)向設(shè)計顯得尤為重要，不僅其故障運行能力、坡道救援能力要求比其他城軌車輛高，且還需設(shè)置應(yīng)急牽引功能。當(dāng)供電系統(tǒng)故障后，供電區(qū)間內(nèi)的列車均停運，為防止列車發(fā)生人員被困現(xiàn)象，通過列車自身應(yīng)急牽引儲能系統(tǒng)供電，列車具備運行到最近的車站疏散乘客，并返回車輛段或停車線的功能，實現(xiàn)自我救援。應(yīng)急牽引儲能系統(tǒng)包含兩個關(guān)鍵子系統(tǒng)，即動力電池與雙向DC/DC充電機，其系統(tǒng)原理圖如圖3所示。動力電池采用高可靠性和高安全性的鈦酸鋰電池，通過線路能耗仿真計算，動力電池存儲的有效能量能夠滿足列車在AW3工況下、平直道線路上，以20 km/h運行不少于5 km的距離。

當(dāng)外部供電系統(tǒng)正常時，雙向DC/DC充電機通過圖3中模塊2與電抗器L2、L3構(gòu)成Buck電路，按照動力電池的充電電流限制曲線給動力電池充電，同時模塊1的橋臂上管截止，可防止動力電池對列車高壓母線放電，確保動力電池的電能可靠存儲；在供電系統(tǒng)異常時，司機啟動應(yīng)急牽引功能，列車三個單元的熔斷器箱中KM1斷開，防止外部供電系統(tǒng)供電軌帶電，模塊1的橋臂上管開通，模塊2與電抗器L2、L3構(gòu)成Boost電路，按照動力電池的放電電流限制曲線及負載需求給母線供電，為列車提供應(yīng)急牽引所需電能。

3 牽引系統(tǒng)

3.1 牽引/電制動特性

根據(jù)整車加、減速性能要求，設(shè)計列車正常工況最大啟動輪緣牽引力為79 kN，恒牽引力速度范圍：0～30 km/h，恒功速度范圍：30km/h～80 km/h。列車最大電制動輪緣制動力為84kN，恒功速度范圍：80km/h～43 km/h，恒電制動力速度范圍：43km/h～5km/h，并實現(xiàn)在列車不同載荷下的牽引/電制動力的載荷補償，滿足列車的平穩(wěn)行駛。

圖3 應(yīng)急牽引儲能系統(tǒng)原理圖

救援工況時，設(shè)置高加速特性，列車的最大啟動輪緣牽引力為150 kN，恒牽引力速度范圍：0～15.8 km/h，恒功速度范圍：15.8km/h～80 km/h。通過牽引仿真計算結(jié)果表明救援工況可實現(xiàn)以17.6 km/ h在100‰坡道上運行，該工況下電機持續(xù)電流為163 A，根據(jù)牽引電機熱容量仿真可知，發(fā)揮高加速特性時，在電機設(shè)計溫度允許范圍內(nèi)，列車能在100‰坡道上救援工況持續(xù)運行3 min。列車牽引/電制動特性曲線如圖4所示。

3.2 牽引系統(tǒng)主電路及設(shè)備

牽引系統(tǒng)主電路采用兩電平電壓型直-交逆變電路，將輸入的DC750V變換成頻率、電壓均可調(diào)的三相交流電，驅(qū)動永磁牽引電機。當(dāng)外部供電系統(tǒng)在DC500V～DC900V之間變化時，牽引主電路能正常實現(xiàn)牽引－制動的無接點轉(zhuǎn)換，滿足列車的牽引及電制動要求，牽引主電路圖如圖5所示。

3.2.1牽引逆變器

DC750V電源經(jīng)本單元熔斷器箱進入牽引逆變器，經(jīng)預(yù)充電輸入電路和LC濾波電路給變流器模塊供電，變流器模塊由四個逆變器單元及兩個過壓斬波單元組成，每個逆變器單元驅(qū)動一臺額定功率為54kW的永磁牽引電機，輸出端設(shè)置隔離接觸器用于系統(tǒng)故障時隔離永磁牽引電機的空載反電勢，每一個斬波橋臂與過壓吸收電阻構(gòu)成斬波單元，用于抑制主電路瞬時過電壓。四個逆變器單元及兩個斬波單元的IGBT功率器件集成在一個翅片式風(fēng)冷散熱器上，采用強迫風(fēng)冷方式。其主要技術(shù)參數(shù)如表1。

表1 牽引逆變器主要技術(shù)參數(shù)

自主化懸掛式單軌列車屬于輕型軌道交通車輛，受限于車輛安裝空間尺寸，牽引逆變器采用高度集成的小型化、輕量化設(shè)計，將預(yù)充電輸入電路、LC濾波電路、逆變電路、過壓斬波電路及過壓吸收電阻、輸出接觸器等器件集成在一個箱體內(nèi)。牽引逆變器采用1700 V/500 A IGBT器件，該器件功率密度高，封裝尺寸小，每個封裝器件集成了6個IGBT元件，開關(guān)頻率可利用至2 kHz。牽引逆變器采用較高開關(guān)頻率，在保證牽引系統(tǒng)工作穩(wěn)定的前提下，可將主電路尺寸較大的線路電感感值減小，實現(xiàn)牽引逆變器的小型化、輕量化設(shè)計，同時逆變電路提高開關(guān)頻率也有利于降低其驅(qū)動的永磁牽引電機諧波損耗，較小的諧波損耗降低了永磁牽引電機散熱空間要求，也給永磁牽引電機的小型化、輕量化設(shè)計帶來了積極因素。

通過牽引系統(tǒng)仿真模型，對不同線路電感和支撐電容的參數(shù)匹配，并結(jié)合永磁牽引電機功率、定子/轉(zhuǎn)子電阻和漏感、互感、極對數(shù)、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量等參數(shù)，對永磁牽引系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性、瞬態(tài)特性進行仿真分析，確定牽引逆變器主電路LC參數(shù)與驅(qū)動電機的最優(yōu)匹配，經(jīng)系統(tǒng)仿真計算最終選取線路電感1 mH和中間支撐電容5 mF較為合適，圖6為開關(guān)頻率2 kHz，線路電感感值1 mH，中間支撐電容5 mF下牽引系統(tǒng)直流側(cè)電流、直流側(cè)電壓與電機電流的仿真波形，結(jié)果表明牽引主電路LC參數(shù)與驅(qū)動電機的參數(shù)匹配，既能保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定性，也能較大幅度的減小線路電感和中間支撐電容的尺寸與重量。

圖6 牽引主電路仿真波形

3.2.2牽引電機

本系統(tǒng)采用小型化永磁牽引電機，滿足懸掛式單軌車轉(zhuǎn)向架安裝空間狹小的要求。[3]該電機的安裝方式特殊，電機通過機座安裝孔采用35°傾斜吊裝在轉(zhuǎn)向架上，電機傳動端通過聯(lián)軸節(jié)與齒輪箱相連，非傳動端安裝有制動盤與制動夾鉗，制動盤安裝在電機非傳動端伸出的轉(zhuǎn)軸上，制動夾鉗機構(gòu)安裝在電機機殼上。

由于該電機采用35°傾斜安裝，且非傳動端安裝了制動盤和制動夾鉗，其帶來的影響有：

1）車輛制動時產(chǎn)生的制動力由電機承受，制動夾鉗夾緊力為5000N，摩擦系數(shù)為0.35，制動力會給電機增加較大的負荷，特別是軸承的徑向載荷較大，是影響電機可靠性的關(guān)鍵因素；

2）電動機傾斜35°安裝，由于電動機轉(zhuǎn)子、聯(lián)軸節(jié)以及制動盤的重量，加之沖擊、振動，電機固定端軸承軸向載荷大；

3）制動夾鉗夾緊時，與制動盤摩擦，會產(chǎn)生較高溫度，經(jīng)計算列車進行一次安全制動即會使制動盤溫度上升到350℃，高溫將會對電機線纜等有較大影響。

通過結(jié)構(gòu)仿真計算，充分考慮由于制動盤和制動夾鉗所產(chǎn)生的載荷，尤其是對機座、轉(zhuǎn)軸和軸承的影響；在軸承選型設(shè)計時，根據(jù)軸承的運行條件及承受的綜合應(yīng)力，電機固定端選用承受軸向載荷能力較強的深溝球軸承，浮動端選用圓柱滾子軸承以適應(yīng)電動機運行工況；采用流體場仿真分析制動夾鉗工作時對電機溫度的影響，電機引出線采用耐高溫的線纜。其主要技術(shù)參數(shù)如表2。

表2 永磁牽引電機主要技術(shù)參數(shù)

4 輔助電源系統(tǒng)

列車輔助電源系統(tǒng)由兩臺輔充一體化輔助變流器構(gòu)成，輸出3 AC380 V/50 Hz、AC220V和DC24V三種制式電源，為列車輔助用電設(shè)備提供電源，其中三相輔助逆變器輸出額定容量為20 kVA的3AC380 V，并在三相逆變器后端的LC濾波環(huán)節(jié)采用分裂式電容形式構(gòu)成中性點，為列車提供3 kVA的AC220V交流電源，DC24V充電機額定輸出容量為10 kW。輔助變流器設(shè)置應(yīng)急啟動模塊用于列車DC24V蓄電池饋電時列車應(yīng)急啟動激活；3AC380V輸出采用擴展供電，其內(nèi)部集成輸出接觸器及擴展接觸器，兩臺輔助變流器實時互相監(jiān)視各自工作狀態(tài)及他車輔助逆變器輸出接觸器狀態(tài)，當(dāng)一臺輔助變流器故障時且輸出接觸器斷開，另一臺功能完好的輔助變流器即自動閉合擴展接觸器接管全車3AC380 V負載。輔助變流器原理圖如圖7所示。

圖7 輔助變流器原理圖

表3 輔助變流器主要技術(shù)參數(shù)

輔助變流器主電路輸入電源通過電抗器和充電電阻對濾波電容進行充電,完成預(yù)充電后控制系統(tǒng)檢測主電路輸入電壓在正常范圍時，開啟降壓斬波器+全橋LLC諧振變換器+逆變器工作，該模塊輸出的電壓經(jīng)LC濾波得到三相交流正弦波，通過輸出接觸器為三相交流負載提供3AC380V電源；充電機與輔助逆變器共用前級降壓斬波電路，采用半橋式DC-DC變換電路，輸出DC24V[4]。

因DC750V等級的供電電壓波動范圍較寬，輔助變流器主電路前級采用三電平降壓斬波電路將電網(wǎng)輸入的DC750V降壓斬波輸出穩(wěn)定的DC450V。通過主電路前級設(shè)置的三電平降壓斬波電路可給后級電路提供穩(wěn)定的輸入電壓，后級電路則不會受供電電壓波動影響，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，且通過降壓斬波電路環(huán)節(jié)處理后有利于降低后級電路中器件承受的電壓應(yīng)力，得益于前級三電平降壓斬波電路的設(shè)計，主電路均采用1200 V電壓等級功率的低損耗IGBT器件，從而大幅提升IGBT器件開關(guān)頻率，降低各環(huán)節(jié)磁性器件的重量，實現(xiàn)輔助變流器的小型化和輕量化設(shè)計。該懸掛式單軌列車的輔助變流器采用上述降壓斬波型高頻軟開關(guān)技術(shù)方案相較于采用傳統(tǒng)工頻技術(shù)方案，其功率密度提升30%左右。其主要技術(shù)參數(shù)如表3。

5 結(jié)語

本文所述自主化懸掛式單軌電氣牽引系統(tǒng)針對懸掛式單軌列車的特點進行了適應(yīng)性設(shè)計，研制了小型化、輕量化、集成化的電氣牽引系統(tǒng)，總體性能指標完全滿足懸掛式單軌列車的應(yīng)用場景要求，該系統(tǒng)為國內(nèi)首次完全自主研發(fā)，目前已完成列車型式試驗及線路運行考核，系統(tǒng)運行狀態(tài)良好，為懸掛式單軌交通系統(tǒng)后續(xù)市場推廣應(yīng)用奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

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[3] 張德乾.懸掛式單軌車輛轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)設(shè)計及動力學(xué)性能分析[D]. 成都: 西南交通大學(xué), 2015.

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Development of the Electric Traction System for Suspened Monorail Train Adaptable to Domestic Commercial Application

YuanWenye, XuYijing, LiuYong, ZhangLujun

（ZhuZhou CRRC Times Electric CO., LTD., Zhuzhou,Hunan 412001, China）

U271

A

1003-4862（2021）04-0001-05

2020-01-07

袁文燁（1984-），高級工程師，研究方向：新型軌道交通車輛電傳動系統(tǒng)。E-mail: yuanwy@csrzic.com