电气牵引系统在地铁车辆中的几点设计方案

马广辉

【摘 要】车辆牵引系统出现问题时，如果不能得到及时有效的解决，这样会极大影响车辆行车效率，影响人们的正常出行，为此我们要在实际的工作中不断的去发现故障，及时的排除故障，并总结其经验，提出了一套完整的牵引系统故障改进措施，这样才能保障运行安全，提高地铁运营和检修的效率。

当列车牵引系统实施国产化后，在沈阳地铁部分列车上实施了牵引系统国产化。其中的电气牵引系统采用了时代电气自主研发的电气牵引系统，列车制动系统采用了KNORR公司的EP2002制动系统。自主的牵引系统与车辆制动系统的之间配合关系牵涉到列车的牵引与制动性能，因此完善的接口及功能设计至关重要。本文就沈阳地铁国产列车牵引系统进行了阐述。

1.系统特点

牵引及其控制采用车控方式。1C4M方式高压电路，每套VVVF逆变器单元给1辆动车上的4台牵引电机供电；交流牵引电机的转矩控制采用无速度传感器式矢量控制，基于速度推算方式进行空转/滑行控制；电制动以再生制动优先。随着再生吸收条件的变化，再生制动与电阻制动连续调节，且平滑转换；列车全列设有贯通高压母线，且设置母线断路器，保证列车能安全通过线路上任何一处架空线电分段区；系统充分利用轮轨黏着条件，并按列车载重量从空车到超员范围内自动调整牵引力和再生制动力的大小，使列车在空车至超员范围内保持起动加速度和制动减速度基本不变；并具有反应及时、有效可靠的空转和滑行控制。

2.系统构成

沈阳地铁1号线一期工程地铁列车采用由2个动力单元组成的6辆编组型式。列车搭载有2台受电弓，每台受电弓向1个动力单元供给高压电源。为防止因1台受电弓短时离线时，造成牵引逆变器（VVVF）和辅助逆变器（SIV）停止工作；同时也保证在1台受电弓故障时，受电弓故障单元侧的辅助逆变器（SIV）也仍能工作，列车全列贯通有高压母线。当1台受电弓故障时，由于受电弓容量限制，1台受电弓不足以长时支撑两个动力单元共4台VVVF工作。因此，当1台受电弓故障时，列车传送系统（TMS）切除该侧牵引逆变器（VVVF）的牵引指令，受电弓故障单元侧的VVVF将由列车传送系统（TMS）控制不投入工作，该侧牵引逆变器停止工作，列车动力配置变为2M4T。为保证作业安全并对装置进行保护，在两个动力单元之间设置有母线断路器（BLB）。BLB受列车传送系统（TMS）控制。列车传送系统（TMS）正常工作时，在列车停车中BLB保持为OFF，当列车起动且速度超过一定值后BLB投入工作。

另外，当列车在不同变电所供电区间分界点停车或以较低速度运行（v<5km/h）时，由于BLB断开，可以防止因变电所间的电压不同，从1台受电弓通过列车母线经由另1台受电弓电流持续流动短路引起受电弓及母线的烧损。每辆动车各有一套电气牵引系统，其牵引主电路主要由受电弓（仅Mp车）、主熔断器、主开关、高速断路器、线路滤波器、VVVF逆变器（包括制动斩波器）、制动电阻、交流牵引电机与控制装置等组成。列车通过受电弓从电网受流DC1500V直流电，直流电经过主熔断器、主开关、遮断器箱、滤波电抗器后送入VVVF逆变器，经逆变器逆变后输出电压频率可调的三相交流电后，输出至交流牵引电机，并最终通过接地电刷经由车体、转向架形成电流回路。

3.系统控制

作为牵引系统的核心，牵引逆变器系统在牵引控制单元（电子控制装置）的控制下可实现如下控制功能：接受并执行司机操纵指令；进行牵引电机转矩控制，混合电制动控制，防冲击控制，空转/滑行控制，空重车控制，牵引/制动切换控制等反转保护；通过与空气制动控制系统交换数据，实现电空制动的联合控制；进行系统控制逻辑检测和故障诊断、显示、记录，并与列车监视系统交换数据等，根据故障严重程度分类实施保护动作。

采用矢量控制方法，具有快速响应和高精度的特点。通过采用矢量控制对电机转矩进行精确的控制，能实现防冲击控制，从而实现平稳的加速和制动。在牵引或电空混合制动工况，当轮对发生空转与滑行时，通过矢量控制对电机的转矩进行快速而精确的控制，能有效抑制空转及滑行，迅速恢复轮轨间的黏着。利用矢量控制方式实现空转/滑行控制，能充分的发挥轮轨间的黏着力利用，可以稳定列车的加速和制动，并避免空转和滑行对轮轨的损坏。沈阳地铁1号线一期工程地铁车辆采用无速度传感器矢量控制来实现对交流牵引电机转矩的精确有效控制。VVVF把4台交流牵引电机并联进行矢量控制。系统采用霍尔元件检测逆变器各相输出电流（电机电流），然后将电机电流分为转矩分电流和励磁分电流来分别进行控制。

3.1牵引控制

牵引逆变器接收由司机控制器或ATO装置发出的牵引指令及给定值，并根据从制动控制装置接收的列车空重车信号，对列车进行牵引及其输出转矩控制。系统设有速度限制功能。列车速度超过限定值时，系统进行牵引封锁，将牵引力变为0，直至速度恢复。另外当ATP切除时，本系统也可提供车辆限速功能。另外，本系统具有高加速功能。在坡道救援起动时，利用该功能可增大列车起动牵引力，将停靠于最大坡道的故障列车推过坡道。列车设有洗车运行模式。当采用该模式运行时，本系统控制牵引在规定速度区间自动施加或切除。

3.2再生电制动控制

列车制动方式采用电制动（含再生制动和电阻制动）与空气制动混合运算的控制方式。按列车制动力的需求，系统优先充分发挥电制动力的作用，以减少闸瓦磨耗并节约电能。电制动时，优先使用电网吸收再生能量，VVVF控制单元（牵引控制单元）连续监控电网状态，检查能量的吸收状况。当电网吸收电能能力不足或不能吸收时，电网电压（滤波电容端电压）会升高，牵引控制单元根据滤波电容器端电压情况，控制制动斩波器的开通。当电容器端电压超过1700V时，斩波控制器开通，制动电阻投入工作，将多余能量转换成热能消耗掉。当电制动力不足或失效时，由空气制动控制装置（BECU）控制投入空气制动进行补足或替代。

4.结束语

随着轨道交通的不断发展，地铁车辆的检维修工作量也是不断增多，而电气系统是车辆的重要环节，也是日常检修的难点，这就需要我们不断的去了解和增加对地铁车辆各个系统的知识和丰富我们的技术技能。 [科]

【参考文献】

[1]陶生桂，胡兵.城市轨道车辆电力传动系统及其控制综述[J].变频器世界，2012.

[2]沈恭，朱沪生.地铁二号线工程[M].上海：上海科学技术出版社，2010. 【关键词】轨道交通；牵引系统；系统设计