軌道交通車輛電力牽引傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳 敏，竭 寶

（中車大連電力牽引研發(fā)中心有限公司，遼寧 大連 116000）

引言

我國(guó)對(duì)城市軌道交通的相關(guān)研究比較落后，城市軌道交通的車輛大多數(shù)來(lái)自于進(jìn)口，但是隨著相關(guān)技術(shù)的引進(jìn)、吸收和創(chuàng)新等，我國(guó)的城市軌道交通已經(jīng)發(fā)生了很大的變化[1]。電力牽引傳動(dòng)系統(tǒng)是城市軌道交通車輛的重要組成部分，是當(dāng)前普遍采用的一種新型牽引和傳動(dòng)方式，對(duì)此進(jìn)行研究，能夠推動(dòng)城市軌道交通和城市本身的健康發(fā)展。

1 電力牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的概述

我國(guó)城市軌道交通車輛的發(fā)展歷程是直流傳動(dòng)到交流傳動(dòng)，現(xiàn)階段幾乎都采用了交流傳動(dòng)的方式。城市軌道交通和干線鐵路交通之間存在比較大的差異，使得兩者在電力牽引傳動(dòng)系統(tǒng)上有明顯的不同。城市軌道交通擁有自身的優(yōu)點(diǎn)，即乘坐的舒適性比較高、對(duì)環(huán)境的影響比較低。但是在客流量變化呈現(xiàn)比較大的變化時(shí)，由于乘客的上下車頻率比較高，在人流高峰期很可能會(huì)出現(xiàn)過(guò)載的情況。兩者相比較而言，城市軌道交通車輛的編組運(yùn)行方式是動(dòng)力分散式，而干線機(jī)車的牽引方式則是動(dòng)力集中型；城市軌道交通車輛的電力牽引供電方式是1 500 V、750 V低壓直流，而干線的電力牽引為25 kV的單相交流?，F(xiàn)階段，隨著城市軌道交通車輛發(fā)展的需要，將電力電子、計(jì)算機(jī)測(cè)控和電機(jī)學(xué)等先進(jìn)的技術(shù)引入到了電力牽引傳動(dòng)系統(tǒng)當(dāng)中，推動(dòng)其向智能化、節(jié)能型、模塊化和免維修等方向發(fā)展。

2 軌道交通車輛電力牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

由于城市軌道交通車輛和干線鐵路運(yùn)行之間存在比較大的差異，因此不能按照干線鐵路的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)配置動(dòng)力性能，需要結(jié)合城市軌道交通車輛運(yùn)行的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的電力牽引傳動(dòng)系統(tǒng)，保證其擁有良好的動(dòng)力性能[2]。對(duì)軌道交通車輛的電力牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在相應(yīng)的技術(shù)難點(diǎn)，從其電路原理和構(gòu)成上來(lái)講，主要是在車輛牽引和制動(dòng)的特性曲線設(shè)計(jì)和逆變器與牽引電機(jī)的合理匹配方面，具體內(nèi)容如下所述。

2.1 選擇恰當(dāng)?shù)臓恳齾?shù)

恰當(dāng)牽引參數(shù)的選擇需要從起動(dòng)加速度、制動(dòng)減速度、最高運(yùn)行速度和平均運(yùn)行速度的角度出發(fā)，首先，起動(dòng)加速度。作為城市軌道交通的重要參數(shù)，其能夠?qū)S功率的選擇和旅行的最高值產(chǎn)生直接性的影響。城市軌道交通具有運(yùn)行區(qū)間比較短的特點(diǎn)，為了使運(yùn)行的效率和運(yùn)輸?shù)哪芰Φ玫教嵘?，必須保證加速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于干線列車的起動(dòng)加速度。通過(guò)對(duì)當(dāng)前城市軌道交通車輛運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)可知，確定其在0.69 m/s2到1.43 m/s2之間。其次，制動(dòng)減速度。在城市軌道交通車輛的制動(dòng)系統(tǒng)性能好的情況下，由于黏著制動(dòng)的作用足夠，能夠使制動(dòng)減速度達(dá)到1.0 m/s2。由于站間距不同，如果制動(dòng)減速度超過(guò)了1.0 m/s2，那么制動(dòng)減速度越大，制動(dòng)時(shí)間的作用效果就會(huì)越來(lái)越低[3]。再次，最高運(yùn)行速度。最高運(yùn)行速度必須要考慮區(qū)間長(zhǎng)度、線路要求的平均旅行速度等的影響，保證城市軌道交通車輛的加速區(qū)間足夠長(zhǎng)。最后，平均運(yùn)行速度。一般來(lái)說(shuō)，平均運(yùn)行速度和起動(dòng)加速度、制動(dòng)加速度、停站持續(xù)時(shí)間和最高運(yùn)行速度等密切相關(guān)。

2.2 城市軌道交通車輛牽引和制動(dòng)特性的曲線設(shè)計(jì)

在城市軌道交通車輛當(dāng)中，一般情況下地鐵的站間距為0.8 km，而市郊線路的站間距為1~3 km之間。城市軌道交通在運(yùn)行的過(guò)程中具有較短的運(yùn)行區(qū)間的特點(diǎn)，加上其需要進(jìn)行頻繁的起動(dòng)、制動(dòng)和?？浚话阍O(shè)定其旅行的速度為35~40 km/h。基于這種狀況，制定合適的牽引參數(shù)是相當(dāng)重要的內(nèi)容。同時(shí)，還要制定與此相匹配的合理且科學(xué)的車輛牽引和制動(dòng)特性曲線。為了滿足實(shí)際的城市軌道交通車輛牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的性能需要，與列車實(shí)際運(yùn)行的要求相結(jié)合，制定出了牽引和制動(dòng)特性曲線，如下頁(yè)圖1所示。

從牽引工況的角度來(lái)看，列車在起動(dòng)加速的時(shí)候，需要保證其擁有足夠大的起動(dòng)牽引力，這樣才能夠保證起動(dòng)的平穩(wěn)性。圖1中的k-A階段，是牽引力恒定控制時(shí)期。當(dāng)速度提升到一定的程度時(shí)，在最高電壓和功率的限制作用下，就會(huì)進(jìn)入圖1的A-B階段，即恒壓恒功率控制，此時(shí)能夠?qū)︻~定的功率進(jìn)行充分的使用；當(dāng)速度進(jìn)一步提高的時(shí)候，在牽引電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩裕量的限制作用下，就會(huì)進(jìn)入圖1的B-C階段，即自然特性控制。換句話說(shuō)，就是要降低功率運(yùn)行[4]。

從制動(dòng)工況的角度來(lái)看，城市軌道交通車輛的運(yùn)行需要先將電制動(dòng)投入其中，在電制動(dòng)力不足的情況下，補(bǔ)充相應(yīng)的空氣制動(dòng)，從低速停車切換到空氣制動(dòng)階段。當(dāng)城市軌道交通車輛進(jìn)行電制動(dòng)的時(shí)候，此時(shí)牽引電機(jī)處于發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)下，不僅會(huì)吸收列車的動(dòng)能，還會(huì)對(duì)列車實(shí)施制動(dòng)。

牽引工況和制動(dòng)工況都能夠使城市軌道交通車輛擁有良好的抑制空轉(zhuǎn)和滑行的能力。

從圖2可知，車輛的牽引階段是在oc階段，oa階段和牽引電機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩起動(dòng)階段相對(duì)應(yīng)。ab段和牽引電機(jī)的恒功率運(yùn)行階段對(duì)應(yīng)，在保證電壓恒定的情況下，可以提高交流電的頻率，從而使電機(jī)在弱磁恒功區(qū)運(yùn)行。bc段和牽引電機(jī)的自然特性階段相對(duì)應(yīng)，cd段和城軌車輛的惰性階段相對(duì)應(yīng)，而de段和車輛的制動(dòng)階段相對(duì)應(yīng)。

2.3 逆變器和牽引電機(jī)的合理匹配性

城市軌道交通車輛的牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的核心問(wèn)題就是牽引逆變器和牽引動(dòng)機(jī)的優(yōu)先匹配設(shè)計(jì)，其能夠保證具有優(yōu)越性能的城市軌道車輛的牽引和制動(dòng)性能充分發(fā)揮其作用。同時(shí)，城市軌道交通車輛的靈活性、便捷性等負(fù)載特性對(duì)變流器和牽引電機(jī)的匹配設(shè)計(jì)方法起到了決定性的作用。

從動(dòng)力配置的角度來(lái)講，逆變器與牽引電機(jī)的匹配有三種類型，即1C4M車控式動(dòng)力配置、4C4M軸控式動(dòng)力配置和2C4M架控式動(dòng)力配置。這三種動(dòng)力配置有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，在進(jìn)行選擇的時(shí)候，需要結(jié)合具體的城市軌道交通的成本、動(dòng)力和粘著利用等方面進(jìn)行考慮，從中找出最合適的方案[5]。

從牽引電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)的角度來(lái)講，需要結(jié)合國(guó)內(nèi)各個(gè)城市的軌道交通車輛牽引制動(dòng)工況，一般來(lái)講，在制動(dòng)工況下，需要保證在恒制動(dòng)力階段的最高速度點(diǎn)達(dá)到最大功率；牽引工況下，需要保證在恒功率階段電機(jī)達(dá)到最大功率。

從牽引逆變器的參數(shù)設(shè)計(jì)角度來(lái)講，當(dāng)處于電制動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩階段的拐點(diǎn)時(shí)，將車量運(yùn)行的速度提高到最高，此時(shí)的再生制動(dòng)會(huì)產(chǎn)生非常大的瞬時(shí)電能。如果將非常大的再生能量回饋，那么就會(huì)直接影響牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的安全。因此，需要根據(jù)軌道交通車輛運(yùn)行的狀況對(duì)逆變器設(shè)計(jì)容量。

3 結(jié)語(yǔ)

研究城市軌道交通車輛的電力牽引傳動(dòng)系統(tǒng)，能夠大大提升城市軌道交通車輛的牽引和電制動(dòng)性能，有助于提升城市軌道交通車輛運(yùn)行過(guò)程中的安全性和穩(wěn)定性，最大限度內(nèi)降低這種交通運(yùn)輸方式對(duì)環(huán)境帶來(lái)的污染和車輛的實(shí)際運(yùn)營(yíng)成本。