地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)應(yīng)用研究

白力斌 崔浩然

摘 要：近幾年來地鐵運(yùn)營(yíng)發(fā)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(tǒng)作為關(guān)系到車輛的行駛安全及性能的重要組成部分，對(duì)其進(jìn)行研究具有重要意義。城市軌道交通車輛電氣牽引系統(tǒng)是城市軌道交通車輛中技術(shù)含量最高的核心裝備，對(duì)保證地鐵車輛的安全、穩(wěn)定運(yùn)行有著重要的意義。本文在分析地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)特點(diǎn)和構(gòu)成的基礎(chǔ)上，對(duì)其應(yīng)用功能進(jìn)行了分析，以供參考。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛;電氣牽引系統(tǒng);應(yīng)用

一、地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)的特點(diǎn)

地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)將電力傳動(dòng)車輛產(chǎn)生的牽引力與制動(dòng)力的種種電子、電機(jī)、電器設(shè)備聯(lián)系在一起共同構(gòu)成一個(gè)電系統(tǒng)，以此對(duì)車輛功率進(jìn)行傳輸，進(jìn)而滿足地鐵車輛啟動(dòng)、制動(dòng)、調(diào)速的3種工作狀態(tài)的控制和調(diào)節(jié)。地鐵列車電氣牽引系統(tǒng)的主要特點(diǎn)有：采用優(yōu)先使用電力再生制動(dòng)，在電網(wǎng)不能吸收此能量時(shí)投入空氣制動(dòng)，在空氣制動(dòng)前投入制動(dòng)過度電子以保障電氣制動(dòng)和空制動(dòng)的順利銜接;按照載重量自空車超負(fù)荷范圍內(nèi)對(duì)牽引力水平進(jìn)行靈活調(diào)整，進(jìn)而最大限度地保證車輛在空載狀態(tài)和超負(fù)荷狀態(tài)下能夠保持較為穩(wěn)定啟動(dòng)加速度。由于地鐵工程的電氣安裝是貫穿在整個(gè)工程建設(shè)施工過程中的，甚至是在地鐵工程竣工交付以后，其應(yīng)用服務(wù)周期也會(huì)涉及電氣安裝;然而在這一時(shí)期又通常是施工人員比較懈怠的時(shí)期，所以這一時(shí)期的電氣安裝質(zhì)量問題也很容易被忽略，因此必須要加強(qiáng)對(duì)竣工驗(yàn)收期的電氣安裝質(zhì)量管理控制，以便當(dāng)其出現(xiàn)質(zhì)量安全隱患時(shí)能夠第一時(shí)間發(fā)掘并加以修復(fù)。

二、地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)的構(gòu)成

每輛動(dòng)車所包含的一套電氣牽引系統(tǒng)主要由受流器、高速斷路器、高速斷路器、制動(dòng)過渡電阻、交流牽引機(jī)、速度傳感器、VVVF牽引逆變器箱構(gòu)成，列車電制動(dòng)采用再生制動(dòng)，最大限度地把能力反饋回電網(wǎng);當(dāng)電網(wǎng)不能吸收一部分或全部再生能量時(shí)則投入制動(dòng)電阻，補(bǔ)充電阻制動(dòng);當(dāng)電制動(dòng)力不足時(shí)，用空氣制動(dòng)補(bǔ)充總制動(dòng)力。緊急制動(dòng)完全使用空氣制動(dòng)。現(xiàn)將其中的關(guān)鍵是設(shè)備及其構(gòu)成介紹如下：

（一）牽引電機(jī)

目前國(guó)內(nèi)常用的牽引電機(jī)為敞開式三相籠異步電機(jī)，多采用自然通風(fēng)方式。

（二）VVVF牽引逆變器

VVVF牽引逆變器采用PWM控制技術(shù)，其中的逆變模塊采用IGBT功率元件，逆變器多采用電壓逆變器。VVVF牽引逆變器的主要部件包括線路濾波器、牽引控制單元、三相IGBT功率單元。通常每個(gè)VVVF牽引逆變器為一輛車兩臺(tái)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架上的4臺(tái)并聯(lián)牽引電動(dòng)機(jī)提供用電，當(dāng)其中的牽引逆變單元發(fā)生故障時(shí)，不會(huì)影響其他逆變單元的正常工作。

（三）制動(dòng)過渡電阻

制動(dòng)過渡電阻的功能主要包括：實(shí)現(xiàn)再生電氣制動(dòng)與機(jī)械制動(dòng)之間的轉(zhuǎn)換;撬棒電路的功能;制動(dòng)時(shí)通過短距離無電區(qū)，不必?cái)嚯娭苿?dòng)。

（四）HSCB高速斷路器

HSCB高速斷路器為直流單極裝置，具有雙向過流保護(hù)功能，且能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)跳閘釋放功能，進(jìn)而對(duì)牽引驅(qū)動(dòng)設(shè)備進(jìn)行過流保護(hù)HSCB高速斷路器主體和滅弧室兩部分構(gòu)成。

三、地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)的應(yīng)用功能

（一）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。

（二）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。

（三）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)而很好地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、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在地鐵車輛控制系統(tǒng)中，電氣牽引系統(tǒng)使整個(gè)地鐵車輛控制的核心所在，深入研究地鐵車輛牽引系統(tǒng)，并強(qiáng)化對(duì)其創(chuàng)新和應(yīng)用，對(duì)于保證地鐵車輛運(yùn)行的安全性有著重要的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]肖偉福地鐵車輛電器牽引系統(tǒng)的電器控制探討《科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊》-2016年第7期.

[2]胡軍南昌地鐵1號(hào)線車輛電器牽引及控制系統(tǒng)《機(jī)車電傳動(dòng)》2013年第6期.