地鐵車輛電氣牽引技術(shù)探究

殷磊 年躍

摘 要：地鐵車輛電氣牽引技術(shù)朝著信息化、自動化和智能化的方向前進(jìn)，以往的數(shù)字控制已趨于淘汰，取而代之的是通過計算機系統(tǒng)控制的電氣牽引，此種牽引方式可以通過計算機系統(tǒng)完成自檢，從而達(dá)到自控的目的，同時，自主控制還能夠進(jìn)行智能化的信號處理、信號輸出，并利用數(shù)據(jù)傳輸完成對車輛的控制。

關(guān)鍵詞：電氣;地鐵;牽引

一、地鐵車輛牽引技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用

1.牽引傳動的發(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和交流傳動兩種主要的傳動方式，其原理是通過電能進(jìn)入到電力發(fā)動機，由發(fā)動機完成車輛牽引。其中直流牽引發(fā)動機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要通過半控型晶閘管完成對直流的斬波，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，異步電機的交流傳動開始應(yīng)用到牽引技術(shù)當(dāng)中，同時隨著變頻變壓的電壓逆變器問世，從而使交流傳動成為主要牽引技術(shù)，歐洲國家于1990年代對直流傳動車輛進(jìn)行停產(chǎn)，退出舞臺。

2.牽引技術(shù)的運用。作為當(dāng)前主要地鐵車輛牽引技術(shù)，交流傳動方式通過牽引變流器來實現(xiàn)對地鐵車輛的控制，為了能夠?qū)崿F(xiàn)牽引變流，則需要在地鐵車輛設(shè)計時運用變頻器彌補電壓等級不足等問題。如德國和日本，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。同時在交流傳動中加入速度傳感器和全電制動，保證電氣牽引的靈活和可靠。

二、當(dāng)前地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)設(shè)計

針對某城市的軌道交通情況進(jìn)行車輛電氣牽引系統(tǒng)設(shè)計，通過電氣牽引技術(shù)的運用實現(xiàn)車輛的智能控制。

1.車輛基本情況。作為城市軌道交通工具，需要具備架空接觸網(wǎng)進(jìn)行供電。車輛選購為中國著名地鐵車輛生產(chǎn)廠家所生產(chǎn)的車輛，車輛車輪能夠長時間保持清潔和干燥，且在平直軌道運行中最快速度能夠達(dá)到80km/h，列車加速度大于0.7m/s2，列車制動速度不能小于1.2m/s2，制動減速度不小于1.5m/s2。

2.元件選擇。為了能夠滿足車輛的運行需要，運用交流傳動作為主要電氣牽引技術(shù)進(jìn)行牽引系統(tǒng)設(shè)計，首先需要根據(jù)基本需求原則選擇元件。在一般的系統(tǒng)架構(gòu)當(dāng)中，元件選擇一般為受電器和斷路器兩個方面，針對地鐵軌道交通的各項需求，選擇了具備高速斷路器和充電設(shè)備的高壓箱，具備支撐電容器和線路電抗器的濾波電抗器箱，以及制動電阻箱、牽引電動機等，利用這些設(shè)備，滿足了系統(tǒng)設(shè)計的基本元件需求。

濾波電抗器箱在系統(tǒng)當(dāng)中主要負(fù)責(zé)方向為維持電壓穩(wěn)定和吸收諧波電壓兩個方面，本次選擇濾波電抗器箱還考慮到其擁有阻擋逆變器干擾的能力，可以在逆變器出現(xiàn)短路時，通過轉(zhuǎn)換開關(guān)單元來實現(xiàn)空心。為了避免電壓過高，設(shè)計中選用了制動電阻箱，該設(shè)備應(yīng)用于牽引過程中，可以利用導(dǎo)通斬波模塊來實現(xiàn)電路阻隔，最終完成電壓控制，同時還能夠為車輛緊急制動提供能量，維持車輛平穩(wěn)運行。牽引電動機是電器牽引交流傳動中重要設(shè)備，為了滿足地鐵車輛的運行需求，選擇了四極自通風(fēng)的三相鼠籠式異步牽引電動機，該型號電動機可以懸掛在地鐵車輛上方的轉(zhuǎn)向架上，利用聯(lián)軸節(jié)完成傳動和牽引，并利用逆變器完成電能傳輸。

3.牽引系統(tǒng)。在目前的電氣牽引技術(shù)研究中，為了增大電動機的牽引壓力，一般采用無吸收電路式逆變器，通過其中的絕緣IGBT模塊，實現(xiàn)軌道車輛的結(jié)構(gòu)緊湊、體量輕盈需求。本文在設(shè)計當(dāng)中也采用了這種逆變器。在實際系統(tǒng)設(shè)計中，本文選用第三軌供電，滿足地鐵車輛的電氣牽引要求，并設(shè)定了每小時0-43km的恒定引力范圍，從而實現(xiàn)了每小時43-65km的恒定速度。基于此可以計算得出，恒定牽引力可以設(shè)置為350kN，自然牽引力則應(yīng)該設(shè)定為230kN。同時，為了保證牽引可以規(guī)范在載荷范圍之內(nèi)，還需要專門設(shè)定車輛的牽引條件，使車輛能夠在電氣系統(tǒng)的牽引下，自動完成載荷調(diào)節(jié)。此外，制動方式本文采用了具有突出優(yōu)勢的全電制動方式，為了避免以往氣制動在制動時出現(xiàn)的車輛劇烈搖晃現(xiàn)象，本文在電氣牽引系統(tǒng)當(dāng)中加入了全電制動設(shè)備，從而提高了停車精度，使噪聲得到減小，還使車輛更加平穩(wěn)，提高了行駛質(zhì)量。

三、電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

1.電氣控制。地鐵車輛的電氣牽引系統(tǒng)設(shè)計完成后，需要對電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。首先對列車開啟之后的動能與電能的轉(zhuǎn)化問題，需要用電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行約束，在地鐵電網(wǎng)系統(tǒng)中，車輛與電網(wǎng)的連接的方式?jīng)Q定決定了電能損耗，為了降低電能功率損耗，利用電氣控制的方式進(jìn)行控制，讓電動馬達(dá)的運行更加安全和合理，并從根本上節(jié)約電力使用量。在設(shè)計中選用PWM低噪聲控制方法，通過變頻變壓逆變器VVVF的脈寬調(diào)制，實現(xiàn)了高頻全域的異步、同步和低頻全域異步、同步的控制，最終實現(xiàn)了電力使用量的降低。另外還運用了矢量控制方法，利用無速度傳感器使電氣牽引的軸向距離得到增加，從而實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩電流的控制，大幅度提升了轉(zhuǎn)矩響應(yīng)的速度，且提高了測算速度，使電氣傳動牽引更加科學(xué)。

2.牽引控制。在牽引控制單元中，硬件設(shè)計包括：開關(guān)單元（PWR）、數(shù)字輸入（DIO）、數(shù)字輸出（DIO）、系統(tǒng)管理通信（SMC）、脈沖轉(zhuǎn)換單元（PCU）、電機控制單元（MCU）、信號處理單元（SPU）、輔助處理單元（PAU）。通過這些硬件的選擇和使用，可以進(jìn)一步實現(xiàn)牽引控制單元的數(shù)字化，并能夠?qū)?shù)字化運用于控制管理當(dāng)中，管理人員可以通過數(shù)字化的信號傳輸和顯示，對既以發(fā)生和可能發(fā)生的線路故障進(jìn)行診斷和預(yù)估，并根據(jù)控制單元和電氣牽引系統(tǒng)相連接的數(shù)據(jù)傳遞，實現(xiàn)緊急啟動/制動牽引，保障行車安全。其中，電源開關(guān)是整個控制系統(tǒng)的電流供應(yīng)插件，數(shù)字的輸入和輸出在本工程中包含了二十個110V的數(shù)字信號傳遞任務(wù)，在硬件設(shè)置中本文還加入了隔離轉(zhuǎn)換器，可以將二十個110V信號轉(zhuǎn)化成為5V信號進(jìn)行傳輸。為了保證傳輸效果，還需要加裝MOS輸出信號插頭、繼電器插頭等若干個開關(guān)。牽引控制單元可以利用這些硬件，對列車進(jìn)行牽引控制，并保證列車牽引、方向、電機轉(zhuǎn)向等判斷準(zhǔn)確，最終實現(xiàn)有效控制。

四、結(jié)語

隨著技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，交流傳動的電氣牽引技術(shù)步入軌道交通的歷史舞臺。交流傳動取代直流傳動，除了具備結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)勢之外，還在技術(shù)發(fā)展的過程中逐漸形成了自動化的控制系統(tǒng)，從而保證了列車運行牽引過程更加平穩(wěn)和高效，使城市軌道交通取得長足發(fā)展與進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)：

[1]范偉媛 城市軌道車輛電氣傳動系統(tǒng)的發(fā)展 《黑龍江科技信息》-2015年第8期.