地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用

趙曉光 黃 浩

沈陽地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營分公司

1 牽引系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能實現(xiàn)

1.1 牽引變流器結(jié)構(gòu)設(shè)計

牽引電機(jī)與變流器構(gòu)成了傳動系統(tǒng)，作為車輛的動力與控制系統(tǒng)，變流器能夠?qū)④囕v從直流電源獲得的直流電轉(zhuǎn)換成三相交流電，并且幅值與頻率都是可調(diào)的，并向牽引機(jī)供電，使列車的制動與牽引功能能夠順利實現(xiàn)。牽引系統(tǒng)具備的功能還包括了故障保護(hù)、網(wǎng)絡(luò)通信、監(jiān)控、自診斷的功能。

1.2 輔助電源設(shè)計

輔助電源包括了輔助變流器與充電機(jī)主回路，緊急啟動與低壓控制單元，強(qiáng)迫風(fēng)冷單元，能夠?qū)崿F(xiàn)交流與直流輸出。牽引變流器主要是受電弓供電，之后將其轉(zhuǎn)入輔助電源，經(jīng)過充電機(jī)回路后直流電轉(zhuǎn)換為交流電并輸出，交流電在經(jīng)過主回路后輸出直流電。低壓控制單元主要作用是控制系統(tǒng)運(yùn)行，使風(fēng)冷單元發(fā)揮作用為系統(tǒng)通風(fēng)，緊急啟動單元主要的作用在于輔助電源自激啟動。

1.3 電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計

電機(jī)作為牽引系統(tǒng)驅(qū)動的組成部分，是驅(qū)動的動力設(shè)備，牽引變流器傳輸?shù)碾娏鹘?jīng)過轉(zhuǎn)換從而變?yōu)闄C(jī)械能。電機(jī)采用了防電暈絕緣結(jié)構(gòu)，并且需要采取一定的措施，防止絕緣受到損傷。軸承同樣需要采用絕緣結(jié)構(gòu)，防止其受到變頻電源造成的電腐蝕。

2 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)定義后，要求及需求都已經(jīng)明確，設(shè)計工作的主要任務(wù)是明確系統(tǒng)硬件及軟件，結(jié)構(gòu)要求、安全需求，安全設(shè)計原則，從而為系統(tǒng)硬件與軟件設(shè)計工作提供一定的指導(dǎo)。列車信號在設(shè)計方面采用了網(wǎng)絡(luò)冗余與硬線設(shè)計，牽引則采用的是列車優(yōu)先的控制方式，備用控制選擇的是硬線牽引。列車控制網(wǎng)絡(luò)處于正常狀態(tài)時，制動與牽引控制通過對列車網(wǎng)絡(luò)控制來實現(xiàn)目標(biāo)，當(dāng)列車牽引出現(xiàn)故障時，啟動備用控制，列車控制主要是由硬線與邏輯電路實現(xiàn)。牽引系統(tǒng)能夠?qū)υO(shè)備部件進(jìn)行實時與動態(tài)監(jiān)控。

3 地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用

3.1 地鐵電氣牽引系統(tǒng)的集成技術(shù)

為了獲得最好的地鐵牽引傳動效果，地鐵電氣牽引系統(tǒng)本身就是一項多種系統(tǒng)集成的技術(shù)總和，主要包括闡述匹配合格優(yōu)化、電路和架構(gòu)、系統(tǒng)邏輯控制、故障保護(hù)、系統(tǒng)特性及仿真、故障診斷計量和系統(tǒng)RAMS及EMC等多項系統(tǒng)技術(shù)。以此作為基本構(gòu)架，來為地鐵列車提供牽引和傳動的能力。

通過這種集成技術(shù)所構(gòu)建而成的地鐵車輛電氣牽引技術(shù)主要采用IGBT器件的大功率逆變器，也就是異步鼠籠電動機(jī)(圖1)，將此設(shè)備設(shè)置為地鐵車輛的交流傳動系統(tǒng)。這種性能較高的交流傳動系統(tǒng)更加符合TCN的車載網(wǎng)絡(luò)控制標(biāo)準(zhǔn)，同時更加適合地鐵車輛的故障診斷系統(tǒng)，能夠有效的為地鐵車輛的變流器做系統(tǒng)輔助。這種技術(shù)不但反映更加快速，而且使用起來安全可靠，能夠有效的避免出現(xiàn)空轉(zhuǎn)和滑行等現(xiàn)象，保持在地鐵車輛牽引中，電氣制動先行的特點(diǎn)。

圖1 電氣牽引系統(tǒng)異步鼠籠電動機(jī)

3.2 交流傳動控制

地鐵車輛電氣牽引技術(shù)主要以牽引變流為主，此項技術(shù)是采用較大功率的半導(dǎo)體器件為基礎(chǔ)，此外較常用到的還包括有疊壓低感母排技術(shù)、光纖傳輸技術(shù)、冷卻技術(shù)、隔離技術(shù)等多種技術(shù)手段，均在地鐵車輛牽引系統(tǒng)中有著大量的應(yīng)用，借助于對此類技術(shù)手段的合理運(yùn)用，可確保地鐵安全、高效的實現(xiàn)牽引控制，并且還可實現(xiàn)對直流電的精準(zhǔn)轉(zhuǎn)換。牽引變流技術(shù)可利用水進(jìn)行冷卻，而后經(jīng)由散熱管道與冷卻風(fēng)來實現(xiàn)對電器牽引系統(tǒng)的降溫處理，減小系統(tǒng)的負(fù)荷壓力，保障車輛的高效制動。另外，交流傳動技術(shù)同樣也能夠給予地鐵車輛電氣系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供以充分保障，交流傳動控制技術(shù)本質(zhì)上是來源于逆變器的一項集合技術(shù)，借助于對異步電機(jī)控制技術(shù)、粘著控制技術(shù)、參數(shù)識別技術(shù)與故障診斷技術(shù)的綜合應(yīng)用，來促成對電流影響的有效控制，同時在地鐵車輛的運(yùn)行階段，常常還面臨著一些十分復(fù)雜的問題，而通過應(yīng)用交流傳動技術(shù)便可促使相關(guān)問題得以妥善解決。

3.3 地鐵電氣牽引系統(tǒng)的列車控制和診斷技術(shù)

以上地鐵電氣淺議系統(tǒng)的技術(shù)都是幫助地鐵更好地完成牽引和控制的工作，而在地鐵的電氣牽引系統(tǒng)中，同時也包括對地鐵列車的控制和診斷技術(shù)。這項技術(shù)從電流分析出發(fā)，用于實時監(jiān)控和診斷地鐵列車的運(yùn)行狀態(tài)、出現(xiàn)的故障以及完成在線調(diào)試的工作。不但能夠保證地鐵列車的安全運(yùn)行和牽引，還符合現(xiàn)階段城市軌道交通環(huán)境惡劣、流動性較大的要求。有效的幫助地鐵線路中心控制部門事先對地鐵列車的監(jiān)控和故障診斷工作，使地鐵列車的運(yùn)行和牽引符合相關(guān)要求標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)地鐵列車的安全運(yùn)行。

總而言之，在地鐵車輛的控制系統(tǒng)當(dāng)中，電氣牽引傳動系統(tǒng)是—個地鐵控制系統(tǒng)的核心，在地鐵車輛運(yùn)行過程中，電氣牽引系統(tǒng)扮演者非常重要的角色，起到了控制和診斷地鐵列車故障的作用，具有十分重要的現(xiàn)實意義，本文多地鐵列車電氣牽引系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了一定的分析，旨在為以后地鐵列車電氣牽引系統(tǒng)的革新和發(fā)展提供一定的參考，進(jìn)一步為現(xiàn)代化城市交通壓力起到更好的緩解作用。

[1]苗偉明，曾愷若，付小龍.地鐵車輛充放電電阻燒損的原因與解決措施[J].軌道交通裝備與技術(shù)，2016(06)：28-30.