地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用

于龍海

摘 要：近年來，隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，我國城市現(xiàn)代化軌道交通建設(shè)進入一個高速發(fā)展的時期。地鐵車輛作為承載乘客的直接載體，其安全與否直接關(guān)系到乘客的生命安全。本文對現(xiàn)有的傳動系統(tǒng)進行了分析、建模及優(yōu)化。針對交流傳動控制系統(tǒng)的需要，給出了交流傳動主電路的檢測與保護電路設(shè)計方法，在直流側(cè)電壓檢測與保護電路中，需要對逆變器外部的直流網(wǎng)壓、中間的直流環(huán)節(jié)電壓、再生制動時制動斬波器IGBT的兩端電壓等電壓檢測以及采取相應(yīng)的保護措施，所以電壓信號采集電路選用霍爾磁平衡式電壓傳感器，設(shè)計出了如文中的檢測和保護電路圖。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛;牽引傳動系統(tǒng);分析優(yōu)化;檢測

檢測與保護電路作為牽引傳動系統(tǒng)控制系統(tǒng)的重要組成部分，能夠?qū)崟r檢測牽引傳動系統(tǒng)的電流、電壓、溫度、速度及開關(guān)狀態(tài)等信號，并根據(jù)檢測到的信號做出相應(yīng)的動作，保證牽引傳動系統(tǒng)的正常工作和最小化故障對牽引傳動系統(tǒng)造成的影響。如何更好的設(shè)計、完善和優(yōu)化牽引傳動系統(tǒng)檢測與保護電路，對保證車輛的安全運行有著極其重要的意義。

目前地鐵車輛當中主要應(yīng)用的牽引方式是三相交流傳動方式以及兩點式電壓型直、交逆變電路，借助牽引逆變器將DC1 500 V直流電轉(zhuǎn)變?yōu)槿嘟涣麟妬硗瓿刹⒙?lián)牽引電機的供電，在網(wǎng)側(cè)電網(wǎng)處于1 000 V～1 800 V范圍內(nèi)主電路可正常運作，從而確保動車牽引和制動之間的無接點轉(zhuǎn)換。

1 地鐵車輛牽引傳動系統(tǒng)簡介

地鐵牽引傳動系統(tǒng)主要由中間直流環(huán)節(jié)、牽引逆變器、牽引電機、齒輪傳動系統(tǒng)等組成。不同于電氣化鐵路采用交流供電，地鐵牽引傳動系統(tǒng)采用直流供電，沒有整流裝置。地鐵列車在牽引工況下，牽引電機處于電動機狀態(tài)，從第三軌或接觸網(wǎng)獲得的直流電經(jīng)過中間直流環(huán)節(jié)輸出給牽引逆變器，逆變采用SPWM技術(shù)，將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷汉皖l率可控三相交流電，輸出給牽引異步電機，電機將獲得的電能轉(zhuǎn)換為機械能，驅(qū)動地鐵列車前行。地鐵列車在制動工況下，牽引電機處于發(fā)電狀態(tài)，牽引逆變器將牽引電機輸出的三相交流電變換成直流電，經(jīng)由中間直流環(huán)節(jié)返回電網(wǎng)，即實現(xiàn)再生制動，直流電也可以通過電阻散熱耗能，即實現(xiàn)電阻制動。

圖1為地鐵電氣牽引傳動系統(tǒng)簡圖，主要包括直流環(huán)節(jié)、逆變環(huán)節(jié)以及牽引電機。圖中結(jié)構(gòu)采用一臺牽引逆變器驅(qū)動2臺牽引電機，直流電通過濾波電感L1/L2和支撐電容C1/C2構(gòu)成的低通濾波電路，形成比較穩(wěn)定的直流電壓，同時可以減弱電網(wǎng)電壓波動對逆變器的影響，減少諧波對電網(wǎng)的影響，C1/C2還為牽引電機提供無功功率。DC/AC為直流電變換為交流電的牽引逆變單元，采用正弦脈寬調(diào)制技術(shù)（SPWM），通過控制內(nèi)部大功率半導體器件（IGBT）的導通與關(guān)斷獲得變壓變頻的交流電，輸出給牽引電機。R為預(yù)充電電阻，用以限制電容C1/C2在充電過程中的電流沖擊，K2為預(yù)充電接觸器，用以將預(yù)充電電阻切換到電路中，K1為線路接觸器，用以在支撐電容充電結(jié)束后短接充電電阻，K3/K4和Ra/Rb為大功率半導體開關(guān)和制動電阻，再生制動模式下，直流網(wǎng)壓過高時投入運行，進行電阻制動。

2 地鐵車輛牽引傳動系統(tǒng)基本組成

牽引傳動系統(tǒng)是列車驅(qū)動系統(tǒng)的重要組成部分，其主要目的是將直流電壓轉(zhuǎn)換成變頻變壓的三相電壓，以控制牽引電機，實現(xiàn)列車牽引與電制動功能。這一轉(zhuǎn)換過程分如下幾步完成：

從接觸網(wǎng)輸入電能供給牽引變流器→牽引變流器將直流電壓轉(zhuǎn)化成頻率可變、振幅可變的三相電壓供給牽引電機→在牽引模式下，牽引電機將輸入的電能轉(zhuǎn)化成機械能并通過齒輪箱轉(zhuǎn)換成車輛的輪周牽引力功率→在制動模式下，倒轉(zhuǎn)電源方向，使牽引電機充當發(fā)電機，機械制動能轉(zhuǎn)換成電能，重新反饋給電網(wǎng)，供給其他列車或者在制動電阻中消耗。

地鐵車輛牽引傳動系統(tǒng)通常由下面的部分組成：（1）高壓主電路;（2）線路濾波器;（3）牽引逆變器;（4）接地故障探測裝置;（5）過壓/制動斬波器;（6）牽引電機。

3 地鐵車輛牽引傳動系統(tǒng)檢測與保護電路分析

作為一個完備的控制系統(tǒng)，檢測和保護電路是必不可少的。為了保證交流傳動系統(tǒng)正常工作以及判別系統(tǒng)是否處于正常工作狀態(tài)，系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)值的監(jiān)控是最重要的任務(wù)。在列車運行過程中，系統(tǒng)中可能存在各種過電壓、過電流、過熱等故障及危險，如逆變單元、牽引電機輸入過壓、過流，IGBT過熱、電機定子過熱等。如果對這些危險情況聽之任之，將造成嚴重的后果，因此必須采用相應(yīng)的監(jiān)測和保護措施。一般對傳動系統(tǒng)的檢測包括：直流側(cè)線路電壓、線路電流，逆變器功率器件（多為IGBT）結(jié)溫，牽引電機電流、電壓、溫度等多個方面。在檢測中，使用適當靈敏度與精度的傳感器等來進行實時、連續(xù)監(jiān)控，由檢測信號來進行相關(guān)的保護或者控制。

3.1 直流側(cè)檢測與保護電路

在牽引傳動系統(tǒng)中，功率模塊的損壞大多數(shù)情況下都與過電流有直接或間接的關(guān)系，因此電流檢測與保護電路的設(shè)計非常關(guān)鍵。雖然傳動主電路中串聯(lián)有熔斷器以防止過電流，但是在過電流故障中，當出現(xiàn)過電流或短路電流時，由于熔斷絲起作用的時間較長，很多情況下在熔斷絲還沒有起保護作用之前，電路元器件就已經(jīng)被損壞。在當今的逆變器中多采用IGBT集成驅(qū)動器，所謂智能功率模塊（IPM），即可以實現(xiàn)對電力電子器件的短路、過電流保護、欠電壓監(jiān)測等功能，同時還可將故障信號反饋給主控單元。但由于高壓的存在，為了保護元器件、保證電路正常工作，還必須在系統(tǒng)設(shè)計中加入電壓檢測與過電壓保護電路。

檢測電路可使用霍爾電流傳感器，由于大多微控制器內(nèi)置的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器只能采集電壓信號，因此傳感器輸出與其電源的參考地之間必須接入一個高精度電阻。同時，AD口輸入電壓一般在0 V～5 V之間，而采集的電流值為交流量，所以還要進行偏移轉(zhuǎn)化將其變?yōu)閱螛O性。由主電路中串入的霍爾傳感器將采集到的直流電流信號經(jīng)Rm轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)過電壓跟隨器，分成檢測與保護兩路。檢測端將電壓信號直接送到微控制器AD采樣通道。而保護端則將采樣電壓信號送入LM393比較器，需要采取保護的電流上下閾值分別由RP1、RP2分壓電阻來設(shè)置。當其高于參考電壓信號，即輸入電流大于安全值時，比較器輸出低電平信號，將此信號作為保護信號輸入到微控制器的外部中斷引腳，以中斷等方式，迅速發(fā)出控制信號，產(chǎn)生保護動作。反之，當輸入電流小于最低要求時，也會產(chǎn)生中斷信號，進入相應(yīng)的保護措施。二極管D1、D2組成限幅電路保證了AD模塊輸入在5 V之內(nèi)。

在直流側(cè)電壓檢測與保護電路中，需要對逆變器外部的直流網(wǎng)壓、中間的直流環(huán)節(jié)電壓、再生制動時制動斬波器IGBT的兩端電壓等電壓檢測以及采取相應(yīng)的保護措施。對直流高電壓的檢測可以采用LEM公司的LV100系列霍爾傳感器，根據(jù)測量電壓范圍，可以選定具體的型號為LV100-1500。

3.2 電機定子電流、電壓檢測電路

根據(jù)異步電動機的控制要求，定子電流檢測的精度和實時性是整個控制系統(tǒng)精度的關(guān)鍵。微控制器芯片AD轉(zhuǎn)換器對高瞬態(tài)響應(yīng)的電流傳感器輸出的電機定子電流信號進行轉(zhuǎn)換，依此對逆變器進行控制。對此，同樣可采用霍爾電流傳感器來對電機定子電流進行檢測，能很好滿足系統(tǒng)的要求。

4 總結(jié)

隨著我國經(jīng)濟水平的增長和城市化進程的日益加快，軌道車輛的技術(shù)研究與應(yīng)用前景日益廣闊。為了滿足市場的需求，跟上世界牽引傳動技術(shù)的發(fā)展趨勢，需要我們結(jié)合現(xiàn)狀，并進行進一步研究開發(fā)。

參考文獻：

[1]王藝霖.試論地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)的控制[J].科技創(chuàng)新導報，2020，17（5）：86-87.

[2]林榮樞.地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)的電氣控制探究[J].輕松學電腦，2019（23）：1.