地鐵車輛牽引電氣故障系統(tǒng)分析

李語嫣

摘 要：隨著我國(guó)地鐵車輛的不斷擴(kuò)張線路，給市民生活、工作出行帶來了很大便利。而地鐵作為高頻運(yùn)行的機(jī)械設(shè)備，在長(zhǎng)期的運(yùn)行中，難免會(huì)產(chǎn)生一系列的電氣故障。本文根據(jù)多年工作實(shí)踐，對(duì)地鐵車輛電氣系統(tǒng)構(gòu)成、故障進(jìn)行分析，以期提高維護(hù)效率。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛；電氣系統(tǒng)；故障

一、地鐵車輛牽引技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用

（一）牽引傳動(dòng)的發(fā)展

當(dāng)前大部分的地鐵車輛采用的電能，在眾多的傳動(dòng)技術(shù)研究中，根據(jù)地鐵車輛的牽引方式不同選用直流傳動(dòng)和交流傳動(dòng)兩種主要的傳動(dòng)方式，其原理是通過電能進(jìn)入到電力發(fā)動(dòng)機(jī)，由發(fā)動(dòng)機(jī)完成車輛牽引。其中直流牽引發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要通過半控型晶閘管完成對(duì)直流的斬波，從而使斬波調(diào)壓與相控調(diào)壓相結(jié)合。隨著地鐵車輛牽引技術(shù)的不斷發(fā)展，異步電機(jī)的交流傳動(dòng)開始應(yīng)用到牽引技術(shù)當(dāng)中，同時(shí)隨著變頻變壓的電壓逆變器問世，從而使交流傳動(dòng)成為主要牽引技術(shù)，歐洲國(guó)家于1990年代對(duì)直流傳動(dòng)車輛進(jìn)行停產(chǎn)，退出舞臺(tái)。

（二）牽引技術(shù)的運(yùn)用

作為當(dāng)前主要地鐵車輛牽引技術(shù)，交流傳動(dòng)方式通過牽引變流器來實(shí)現(xiàn)對(duì)地鐵車輛的控制，為了能夠?qū)崿F(xiàn)牽引變流，則需要在地鐵車輛設(shè)計(jì)時(shí)運(yùn)用變頻器彌補(bǔ)電壓等級(jí)不足等問題。如德國(guó)和日本，分別用過1200V和1700V的三電平逆變器，隨著技術(shù)發(fā)展，逆變器加入高壓模塊，從而輸出波形更好。同時(shí)在交流傳動(dòng)中加入速度傳感器和全電制動(dòng)，保證電氣牽引的靈活和可靠。

二、地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)的構(gòu)成及特點(diǎn)

一輛普通的地鐵車輛的牽引系統(tǒng)主要是由避雷器（LP）、制動(dòng)電阻（BR）、牽引逆變器（VVVF）、含HSCB的高壓箱（HV）、牽引電動(dòng)機(jī)（MOTOR）及受電弓（PAN）等部件組成。

其中高壓箱主要是由高速斷路器、充電設(shè)備及其主隔離開關(guān)組成。在一般的地鐵車輛上都配有兩個(gè)受電弓，之所以要配備兩個(gè)受電弓，就是為了防止地鐵在運(yùn)行的過程中一個(gè)受電弓出現(xiàn)故障，另一臺(tái)受電弓依然能夠正常的運(yùn)行，以提供車輛正常運(yùn)行需要的高電壓。在地鐵車輛的牽引控制系統(tǒng)內(nèi)，還配備有牽引逆變器，與牽引逆變器相連的一端有相應(yīng)的支撐電容，通過這樣的一個(gè)支撐電容，能夠有效地保障逆變器輸出電壓的穩(wěn)定程度，同時(shí)在地鐵的運(yùn)行過程中也能夠起到一個(gè)能量緩沖的作用。除此之外，在地鐵車輛牽引系統(tǒng)中，還有著濾波電抗器，它與電容能夠共同構(gòu)成一個(gè)維持電壓穩(wěn)定的裝置，進(jìn)而使逆變器能夠穩(wěn)定的工作。

在逆變器之中，也包含有逆變箱和斬波控制器，這樣就能夠使地鐵在運(yùn)行的過程中，通過這些裝置將直流電轉(zhuǎn)變成為三相交流電，在進(jìn)行轉(zhuǎn)換之后，可以對(duì)列車運(yùn)行過程中的頻率和電壓進(jìn)行調(diào)控，進(jìn)而完成對(duì)整個(gè)電機(jī)的控制。而在再生制動(dòng)的過程中，又可以將三相交流電重新轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娺\(yùn)輸?shù)诫娋W(wǎng)中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的再供電。當(dāng)列車的制動(dòng)電阻啟動(dòng)之后，制動(dòng)電阻會(huì)將多余的熱量進(jìn)行轉(zhuǎn)化，將這些多余的熱量排放到空氣中，避免列車出現(xiàn)發(fā)熱的現(xiàn)象以影響列車的穩(wěn)定運(yùn)行。逆變器在使用的過程中還需要對(duì)其進(jìn)行冷卻，通常情況下，對(duì)逆變器的冷卻是通過熱管散熱器進(jìn)行的，熱管散熱器的工作原理是通過液態(tài)介質(zhì)的冷凝和蒸發(fā)來實(shí)現(xiàn)對(duì)熱量的冷卻，而且熱管散熱器的運(yùn)行機(jī)制也十分簡(jiǎn)單，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成任何的污染。

三、判別和控制車輛運(yùn)行狀態(tài)

DCU的基本功能是對(duì)車輛信息，包括車輛的運(yùn)行方向、牽引、制動(dòng)、惰行、緊急牽引、緊急制動(dòng)、電機(jī)轉(zhuǎn)向、洗車等信號(hào)進(jìn)行收集和判斷，進(jìn)而判別車輛的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行模式，并采取合適的控制策略。

（一）粘著利用控制

為了實(shí)現(xiàn)最大粘著利用率，地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)具備粘著利用控制功能。DCU采用相位移法實(shí)現(xiàn)粘著利用控制即當(dāng)線路狀況變化不定的情況下，采集電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)矩等信息，并對(duì)這些信息進(jìn)行分析和處理，再對(duì)給定電機(jī)轉(zhuǎn)矩指令與DCU所生成的電機(jī)牽引/制動(dòng)特性包絡(luò)線，進(jìn)行綜合分析，得出電機(jī)轉(zhuǎn)矩指令，并向電機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而使地鐵車輛能夠以接近線路當(dāng)天最大的粘著系數(shù)運(yùn)行。

（二）載荷補(bǔ)償

DCU具備載荷補(bǔ)償功能，其原理是：列車通過空氣彈簧壓力裝備產(chǎn)生載重電信號(hào)，載重信號(hào)的植直接正比于列車的載客的重量。系統(tǒng)采集這一信號(hào)并進(jìn)行計(jì)算后，將信息傳送到牽引控制單元DCU，DCU再根據(jù)這一信號(hào)值自動(dòng)調(diào)節(jié)補(bǔ)償載重系數(shù)，進(jìn)而很好的保障車輛具備既有的制動(dòng)和牽引性能。具體計(jì)算方法為：

F=M×K×α

在上式中：M表示每次計(jì)算鎖定列車啟動(dòng)速度大于零時(shí)的載荷信號(hào)；K表示載荷補(bǔ)償系數(shù)；α表示牽引力/電制動(dòng)力級(jí)位。

（四）中間直流電路控制

地鐵車輛在制動(dòng)和牽引工況下，因空轉(zhuǎn)等原因，常常引起直流電路電壓高于設(shè)定電壓的情況，此時(shí)DCU控制斬波橋臂開通，進(jìn)而通過制動(dòng)電阻來消耗部分電能，使得中間直流電路電壓處于正常數(shù)值范圍內(nèi)。

（五）系統(tǒng)故障記錄

地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)具有完善的故障記錄功能，這對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的檢查、故障的分析和診斷有著重要的意義。首先，向列車控制和診斷系統(tǒng)傳輸故障信息，形成故障日志，對(duì)系統(tǒng)故障的發(fā)生時(shí)間、工況、故障類別和表現(xiàn)等相關(guān)信息進(jìn)行記錄；其次，DCU可記錄波形數(shù)據(jù)，在故障發(fā)生后，DCU會(huì)對(duì)相關(guān)電氣數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和記錄（主要包括直流環(huán)節(jié)電壓、手柄紀(jì)位、輸出電流等），并在專用軟件上講這些數(shù)據(jù)和信息記錄下來，通過圖形的方式產(chǎn)生數(shù)據(jù)波形，供工作人員查看、分析和診斷。除此之外DCU插件面板上還設(shè)有LED指示燈與測(cè)試孔，通過電源指示燈方式來提示相關(guān)控制狀態(tài)信息，以便工作人員檢查和判斷。

四、故障及檢修

（一）故障分析

首先，電容器故障。鋁電解電容器具有穩(wěn)壓作用，主要安裝至逆變器內(nèi)部。在電容工作基礎(chǔ)上，鋁電解電容器的氧化膜易受到損害。鋁電解電容器具有一定自愈功能，但若破壞速度超過自愈速度，氧化膜則會(huì)遭到破壞，影響電容器正常運(yùn)轉(zhuǎn)；其次，電力半導(dǎo)體器件故障。強(qiáng)烈電浪涌是逆變器的工作環(huán)境，然而，電力半導(dǎo)體器件失效是造成逆變器發(fā)生故障的關(guān)鍵因素；再次，弱電半導(dǎo)體器件故障：逆變器中包含多個(gè)弱電半導(dǎo)體器件，一旦其中一個(gè)發(fā)生故障，將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)性能下降，影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。其中，靜電損傷失效、機(jī)械過應(yīng)力失效以及溫度失效等均是導(dǎo)致弱電半導(dǎo)體器件發(fā)生故障的原因。

（二）故障檢修

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷法是輔助系統(tǒng)故障檢修的主要方法，具體而言包括兩方面內(nèi)容。一方面，訓(xùn)練創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)，即將輔助系統(tǒng)信息樣本傳輸至未訓(xùn)練的網(wǎng)絡(luò)中，采用ANN訓(xùn)練方式，對(duì)此數(shù)據(jù)、信息進(jìn)行訓(xùn)練，在自學(xué)基礎(chǔ)上，獲得診斷網(wǎng)絡(luò)效果。另一方面，網(wǎng)絡(luò)診斷，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，開展向前計(jì)算工作。以特征提取和預(yù)處理為依據(jù)，處理輔助系統(tǒng)中的樣本信息和相關(guān)故障數(shù)據(jù)，并開展故障檢測(cè)工作，達(dá)到檢修目的。

五、結(jié)束語

總之，為了保證地鐵車輛電氣系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，應(yīng)該正確認(rèn)識(shí)電氣系統(tǒng)中的常見故障，并運(yùn)用相應(yīng)的檢修手段準(zhǔn)確地找出原因，然后采取相應(yīng)的措施進(jìn)行處理，保證地鐵車輛整體的可靠性，使地鐵車輛能夠正常、穩(wěn)定的運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1]丁洪東.城市軌道交通車輛輔助系統(tǒng)關(guān)鍵問題研究[J].科技信息.2011（01）.

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（作者單位：深圳市地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)總部）