地鐵車輛電氣牽引系統探討

梁英才

深圳市地鐵集團有限公司運營總部

摘要：近幾年來地鐵運營發展速度迅速，有效緩解了城市交通壓力。地鐵車輛電氣的牽引系統作為關系到車輛的行駛安全及性能的重要組成部分，對其進行研究具有重要意義。本文主要對于深圳地鐵車輛的電氣牽引的特點、組件及牽引主電路等進行探討。

關鍵詞：地鐵車輛；電氣；牽引系統

一、牽引系統概述

深圳地鐵1號線車輛采用四動兩拖六編組形式（4M2T）：=Tc-Mp-M+M-Mp-Tc=，其中Tc為有司機室的拖車、Mp為有受電弓的動車、M為無受電弓的動車；=為全自動車鉤、+為半自動車鉤、-為半永久牽連桿。列車由兩個單元車組組成，每個單元車組由一輛拖車和兩輛動車組成。控制方式為車控（1C4M）即每輛Mp/M車上設有1臺牽引逆變器VVVF，驅動4個異步牽引電動機工作。列車采用架空接觸網方式受電，額定電壓DC1500V。牽引系統采用VVVF交流傳動技術，具有防滑、防空轉功能。每輛Tc車上設有1臺輔助逆變器SIV，每個輔助逆變器的輸出分兩路，一路輸出為380V、50HZ三相交流電，用于輔助交流設備的供電，另一路為110V直流，用于直流控制設備的供電及蓄電池充電。

圖1 電氣牽引系統框圖

圖2 牽引傳動系統

二、電氣牽引系統的功能

牽引系統是地鐵車輛的動力源，主要由VVVF逆變器和三相交流牽引電機組成。深圳地鐵5號線部分車輛采用南車株洲時代的VVVF逆變器-異步牽引電動機構成的交流傳動系統；采用高性能的交流傳動直接轉矩控制策略，具有反應迅速、可靠的空轉/滑行保護并優先使用電制動。列車在AW2載荷工況下，在喪失1/4動力情況下，列車可以正常往返一個全程；在AW3載荷工況下，可適當降低列車運行速度。列車在AW3載荷工況下，在喪失1/2動力情況下，能在正線35‰的坡道上起動，運行到下一站，清客后空車能運行至車輛段（AW0表示地鐵車輛空載；AW1表示地鐵車輛座客載荷；AW2表示地鐵車輛定員載荷6人/㎡；AW3表示地鐵車輛超員載荷9人/㎡）。

每輛Tc車安裝1套輔助供電系統，為車輛設備提供電源輸出。正常情況下，一列車的兩套輔助電源裝置向全列車的負載提供電源，但當其中一臺輔助逆變器故障時，另一臺逆變器則通過擴展供電裝置向全車的負載供電（此時空調機組自動減載運行，制冷能力減半），保證列車正常運行。

列車電制動采用再生制動，最大限度地把能力反饋回電網；當電網不能吸收一部分或全部再生能量時則投入制動電阻，補充電阻制動；當電制動力不足時，用空氣制動補充總制動力。緊急制動完全使用空氣制動。

三、電氣牽引系統的組成

牽引系統是地鐵車輛的關鍵系統，是車輛的動力源，主要部件有熔斷器箱（MF）、高壓電器箱（HV）、濾波電抗器（LR）、牽引逆變器箱（VVVF）、制動電阻箱（BRE）、牽引電機1～4（IM1～IM4）、避雷器（ARR）、接地碳刷（EB）。

熔斷器箱（MF）的組成為主熔斷器和輔助熔斷器。當電源接地或短路時，熔斷器箱的相應熔斷器熔斷，切除被保護電路。

高壓電器箱（HV）由主隔離開關（MQS）、高速斷路器（HB）等組成。主隔離開關（MQS）用于主電路的隔離以及通過其機械聯鎖開關（MQSI）將支撐電容器C的快速放電回路接通，以保證安全。高速斷路器用于主電路的故障保護，當主電路出現嚴重故障時，高速斷路器斷開，以實現主電路的故障保護。同時對檢測到的過電流進行快速響應脫扣，高速斷路器立即分斷，以實現主電路短路保護。列車及主電路高壓回路系統的保護值和特性將和變電站主保護相協調，其中高速斷路器的分斷特性將與變電站的保護特性相匹配。

濾波電抗器（LR）使主電路直流側支撐電容器電壓保持穩定并將電壓波動限制在允許范圍內，同時，吸收直流輸入端的諧波電壓，抑制逆變器對輸入電源網的干擾，在逆變器發生短路時抑制短路電流并滿足逆變器開關元件換相的要求等。支撐電容器集成在VVVF逆變器的逆變器模塊上。濾波電抗器為空心式電抗器，釆用走行風冷卻方式。

牽引逆變器單元（VVVF）采用IGBT模塊，為兩電平逆變電路。主電路由兩個逆變器單元（INV1、INV2）組成，每個逆變器單元集成三相逆變器的三相橋臂及制動相橋臂，驅動2臺異步牽引電動機。2個逆變器單元集成在一個牽引逆變器箱中，驅動4臺牽引電動機。逆變器模塊采用冷卻采用熱管散熱器走行風冷卻方式。逆變器控制裝置即牽引控制單元（DCU），采用 “異步電動機直接轉矩控制”和“粘著控制” 軟件，主要完成對IGBT逆變器暨交流異步牽引電機的實時控制、粘著控制、制動斬波控制，同時具備完整的牽引變流系統故障保護功能、模塊級的故障自診斷功能和一定程度的故障自復位功能以及部分車輛級控制功能，DCU是組成列車通訊網絡的一部份，與多功能機車車輛總線 MVB 接口及通信。

制動電阻箱（BR）安裝于車輛底架下，每輛動車有一個制動電阻箱，每個箱內有兩個電阻單元Re01、Re02，為強迫風冷方式。

牽引電機1～4（IM1～IM4）為4極自通風三相鼠籠式異步牽引電動機。該牽引電動機是專為地鐵車輛設計。牽引電動機采用架承式懸掛（全懸掛）安裝在轉向架上，通過聯軸節進行傳動，由VVVF牽引逆變器進行供電。額定功率為190KW。

接地碳刷（EB）動車每軸設一接地裝置。接地裝置能保證列車接地電路及車體接地良好，其通流能力與主回路參數相匹配，且不允許造成車輛軸承的電蝕。

四、牽引系統的主電路

列車通過Mp車上的受電弓與接觸網接觸受電。為防雷擊等浪涌電壓的侵襲，列車設置避雷器，安裝在受電弓附近。Mp車受電弓引出的動力線經熔斷器箱進入高壓電器箱，而M車直接由前車Mp車引入動力線，進入高壓電器箱，經濾波電抗器到牽引逆變器，給電機提供電壓和頻率都可調的動力通過牽引電機進行牽引。電制動時候，可以將剩余的能量消耗在制動電阻上。

五、總結

目前深圳地鐵線上運營的各線列車有龐巴迪列車MOVIA系列、北車長春客車、南車株機列車等車型，各車型電氣牽引系統各有優劣。近年來國產列車不管是在價格還是性能指標方面都有明顯的進步，競爭優勢尤其明顯。本文就深圳地鐵線上運營各列車電氣牽引系統進行探討，為地鐵列車在未來采購和維護上提供技術支持，促進地鐵行業發展。

參考文獻：

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