As型地鐵列車電氣牽引系統方案研究與設計

楊登峰

As型地鐵列車電氣牽引系統方案研究與設計

楊登峰

（重慶市軌道交通（集團）有限公司，401120，重慶//工程師）

以As型地鐵列車為例，從列車基本技術參數出發，介紹了列車牽引特性曲線的設計過程，并基于列車實際運行路況進行了線路仿真。根據線路仿真數據與列車基本參數進行了牽引系統主要元器件關鍵參數的選擇，供后續牽引系統設計研制參考。

As型地鐵列車；牽引系統；方案設計；牽引特性曲線；器件參數選擇

我國地域遼闊、城市類型多樣，對地鐵列車類型也有多種選擇需求，As型地鐵列車應運而生。As型地鐵列車是一種山地A型地鐵列車，融合了A、B型兩種車型的特點，并擁有獨特的技術優勢，具有爬坡能力強、轉彎半徑小等特點，尤為適合在山地城市載客運行。牽引系統作為地鐵車輛六大子系統之一，其性能的優劣直接關系到列車能否平穩、可靠運行，本文主要圍繞As型地鐵列車牽引系統的參數設計展開分析與計算。

1 列車基本技術參數及性能要求

As型地鐵列車的基本編組方式為五動一拖6輛編組，如圖1所示。其中，Mc為帶有司機室的動車；Mp為帶有受電弓的動車；M車為動車。M與Mp帶2個動力轉向架，Mc帶1個動力轉向架，每3輛車形成一個動力單元。該車可實現7輛或8輛兩種擴展編組形式。

圖1 6輛編組列車示意圖

按照設計要求，列車供電電壓為DC 1 500 V，允許波動范圍為DC 1 000～1 800 V，最高非持續電壓為DC 1 950 V；列車最高運行速度為100 km/h，設計速度為110 km/h；線路最大坡度為50‰。按照車輛設計的載荷要求，列車在AW 0（空載）、AW 2（額定荷載）、AW 3（超載）下的質量要求分別為216.68 t、308.6 t和356 t。

2 列車牽引系統特性設計

2.1列車動力性能

列車最高運行速度為100 km/h。列車加速時，在0～40 km/h速度運行區間內平均加速度≥1.1m/ s2，在0～100 km/h速度運行區間內平均加速度≥0.6m/s2。列車平均減速度≥1.0m/s2。

列車具有故障運行能力：6輛編組的列車在AW 3狀態下，在損失1/5動力時，能夠在正線的最大坡道上起動并運行至終點，清客后返回車輛基地；6輛編組的列車在AW 3狀態下，在損失1/2動力時，能夠在最大坡道上起動并運行至最近站點，清客后返回基地；6輛編組處于AW 0狀態的列車，能夠救援另一列完全喪失動力處于AW 3狀態的列車在最大的坡道上起動，并使列車運行至最近站點。

2.2列車阻力參數

列車阻力分為基本阻力、坡道附加阻力和起動阻力等。列車基本阻力R采用標準戴維斯阻力公式：

式中：

m——列車質量，t；

n——列車車軸數；

v——列車速度，km/h；

N——車輛數；

A——列車截面積，m2。

列車坡道附加阻力計算式為：

式中：

g——重力加速度；

θ——路面坡度。

列車處于AW 0、AW 2、AW 3下50‰坡道附加阻力分別為106.173 2 kN、151.214 kN和174.44 kN。

列車起動阻力按照5×9.8×10-3kN/t計算，AW 0、AW 2、AW 3三種載荷下的列車起動阻力分別為10.617 kN、15.121 kN、17.444 kN。

由此可以計算出列車在平直軌道上各載荷下的單位阻力如圖2所示。

圖2 各載荷下列車單位阻力

2.3列車牽引制動特性

進行牽引計算時，列車輪徑取805 mm（半磨耗輪徑），齒輪傳動比確定為6.312 5，效率取0.975。計算列車動態質量時，列車動車慣性系數為10%，拖車慣性系數為5%。

為滿足平均加速度的要求，考慮一定裕量，AW 0、AW 2、AW 3三種載荷下列車起動牽引力分別設計為284.7 kN、394.9 kN、451.8 kN；列車輪緣電制動力分別設計為243.1 kN、336.9 kN、385.2 kN。由此給出列車在額定網壓下各種負載情況的牽引特性與制動特性曲線如圖3、圖4所示。

圖4 輪周電制動力-速度曲線

由列車牽引制動曲線及牽引計算可知：在額定網壓及AW 3載荷條件下，列車最大牽引力為451.8 kN，列車最大黏著系數為0.155；列車最大制動力為385.2 kN，列車最大黏著系數為0.132，滿足牽引時黏著系數不得超過0.18，制動時黏著系數不得超過0.16的要求。

根據列車牽引特性曲線，可以計算出列車在平直軌道上的速度-時間曲線如圖5所示。由圖5可知，列車處于AW 3載荷條件下平均加速度最小：在0～40 km/h速度區間內，列車實際平均加速度為1.18m/s2，滿足1.10m/s2的加速度需求；在0～100 km/h速度區間內，列車實際平均加速度為0.62m/s2，滿足0.60m/s2的加速度需求。

列車起動加速度計算方法如下：

考察列車故障模式下的起動加速度，可得AW 3時列車在損失1/5動力、1/2動力情況下的加速度分別為0.448m/s2和0.090m/s2，均大于0.083 3m/s2（列車在坡道起動時需滿足的最小起動加速度），列車可正常起動。

在考察列車救援能力時，式（3）中的起動阻力、坡道阻力和動態質量均為兩列列車的。計算可得列車的起動加速度為-0.039m/s2，不符合要求。為此設置了高加速按鈕，單電機輸出轉矩為1 211.6 Nm，加速度可達0.1m/s2，列車可以在最大坡道上正常起動，但黏著系數將達0.209。

3 牽引系統部件參數選型

牽引主電路主要由高壓保護回路、預充電/放電回路、輸入濾波回路、牽引逆變電路和過壓斬波電路等組成。電力牽引系統高壓回路圖如圖6所示。M c車的1臺VVVF（變壓-變頻）箱與Mp車的2臺VVVF箱通過Mp的高壓箱1供電，而M車的2臺VVVF箱通過M車的高壓箱2供電。

圖6 牽引系統高壓回路圖（1單元）

3.1選型原則

電力牽引傳動系統需要滿足車輛在指定線路條件下的動力學性能、故障運行能力、救援能力等基本性能，并能根據不同故障進行相應的保護與隔離。

額定電壓與額定電流是系統部件選型的兩個關鍵參數。額定電壓基于部件工作的最大電壓進行選擇，IGBT（絕緣柵雙極晶體管）與直流側開關的最大工作電壓定義為列車的最高非持續電壓，即1 950 V。由于地鐵列車快起快停的特點，牽引系統實際工作方式為周期性間斷工作制，部件往往允許短時過流，因而部件電流定額需根據部件的工作特點使用區間等效電流或者瞬時電流進行選擇。

3.2IGBT的額定電壓和電流

額定電壓與額定電流是IGBT最重要的參數。IGBT額定電壓通常采用式（4）進行計算，再向上選擇額定電壓。

式中：

UDC，max——輸入最高直流電壓，UDC，max選取電制動瞬間最高電壓1 950 V；

k1——電壓系數；

ΔU——關斷IGBT產生的過電壓；k2——安全系數。

額定電流采用式（5）進行計算：

式中：

IAC，max——變流器輸出最大電流，IAC，max選取列車制動時單臺逆變器的最大電流440 A；

k3——電流尖峰系數。

根據計算的VCE與IC，并考慮一定裕量，最終確定的IGBT額定電壓為3 300V，額定電流為1 000A。

3.3高速斷路器選型

根據列車牽引和電制動性能仿真數據，對高速斷路器進行負荷仿真分析，可以得到流過高速斷路器的有效值電流（均方根電流）、峰值電流。高速斷路器的保護特性為瞬時保護。高速斷路器正定保護偏差系數k4取為1.1，逆變器波動系數k5取為1.4，則高速斷路器保護整定值為：

式中：

Ip，max——仿真數據中峰值電流的最大值。

As型地鐵列車的高速斷路器有兩種：高速斷路器1實現對M c/M車的2臺牽引逆變器的保護；高速斷路器2實現對M c車的1臺牽引逆變器的保護。按照理論計算值，高速斷路器1的電流整定值大于高速斷路器2的電流整定值，但實際使用過程中高速斷路器1與高速斷路器2設置脫扣電流值保持一致。這主要是考慮到以下幾點：

（1）使用統一規格的高速斷路器能夠減少后期維護、管理、備品備件的成本。

（2）根據高速斷路器的分段電流特性及故障特性，高速斷路器1設置的電流整定值也能夠實現高速斷路器2所實現的保護性能。

3.4熔斷器選型

牽引系統主熔斷器箱用于列車受電弓到牽引電路的接地或短路保護。

熔斷器正常工作時電阻很小，線路電壓反應不到熔斷器兩端，電壓值對于熔斷器沒有意義。熔斷器熔斷瞬間，熔斷器兩端的電阻值瞬間增大，在熔斷器兩端即刻產生電動勢。若熔斷器額定電壓小于等于熔斷器分斷時產生的電動勢，則熔斷器的分斷就會受到很大的影響。考慮到系統出現的最大電壓值不高于DC 1 950 V，故在電壓等級上選擇DC 2 000 V的熔斷器。

該熔斷器用于保護一個動力單元的高壓回路，主要包括5臺牽引逆變器箱、2臺輔助逆變器箱、1臺蓄電池充電機裝置。流過熔斷器的RMS電流值IF可通過式（7）計算：

式中：

It——流過熔斷器箱的VVVF部分的電流值,為根據線路仿真數據計算的全程均方根電流值；

IS，Ich——分別為單臺輔助逆變器和單臺蓄電池充電機的電流均方根值，可根據輔助逆變器、蓄電池充電機容量及最低網壓值（即1 000 V）計算。

熔斷器額定電流IN的選擇還需考慮溫度、散熱、負載運行停止周期等因素的影響。其計算式為：

式中：

A1——溫度系數；

BV——強制散熱修正系數；

C1——與連接方式相關的系數；

CP——電流頻率；

A2——周期性電流參數；

A3——負載運行停止周期。

4結語

本文簡要介紹了As型地鐵列車牽引系統的設計過程。依據列車的基本技術條件設計了As型地鐵列車牽引特性曲線，并進行了線路仿真；在此基礎上，完成了對IGBT、牽引熱管、高速斷路器等關鍵參數的選擇，保障了As型地鐵列車牽引系統的設計研制。

［1］中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.地鐵車輛通用技術條件：GB T 7928—2003［S］.北京：中國標準出版社，2013.

［2］SCHAEFER H H，韓才元.世界各國鐵路列車阻力和機車粘著系數公式的比較［J］.國外鐵道機車與動車，1989（2）：35-43.

［3］徐惠林，曾憲鈞．北京地鐵13號線車輛電傳動系統設計［J］．機車電傳動，2002（6）：35-38．

［4］黃濟榮.電力牽引交流傳動與控制［M］.北京：機械工業出版社，1998.

Research and Design of Electrical Traction System for As Type M etro Train

YANG Dengfeng

Based on the As type metro train and its basic technical parameters，the design of train traction characteristic curve is introduced，and a line simulation is conducted by practical train operation.Then，according to the simulation data and train basic technical parameters，the key parameters of major components in the traction system are selected，and w ill be used in the follow ing system designs.

As type metro train；traction system；scheme design；traction characteristic curve；device parameter selection Author′s address Chongqing Rail Transit Group Co.，Ltd.，401120，Chongqing，China

TM 922.3

10.16037/j.1007-869x.2017.07.024

2017-01-23）