As型地铁列车电气牵引系统方案研究与设计

杨登峰

As型地铁列车电气牵引系统方案研究与设计

杨登峰

（重庆市轨道交通（集团）有限公司，401120，重庆//工程师）

以As型地铁列车为例，从列车基本技术参数出发，介绍了列车牵引特性曲线的设计过程，并基于列车实际运行路况进行了线路仿真。根据线路仿真数据与列车基本参数进行了牵引系统主要元器件关键参数的选择，供后续牵引系统设计研制参考。

As型地铁列车；牵引系统；方案设计；牵引特性曲线；器件参数选择

我国地域辽阔、城市类型多样，对地铁列车类型也有多种选择需求，As型地铁列车应运而生。As型地铁列车是一种山地A型地铁列车，融合了A、B型两种车型的特点，并拥有独特的技术优势，具有爬坡能力强、转弯半径小等特点，尤为适合在山地城市载客运行。牵引系统作为地铁车辆六大子系统之一，其性能的优劣直接关系到列车能否平稳、可靠运行，本文主要围绕As型地铁列车牵引系统的参数设计展开分析与计算。

1 列车基本技术参数及性能要求

As型地铁列车的基本编组方式为五动一拖6辆编组，如图1所示。其中，Mc为带有司机室的动车；Mp为带有受电弓的动车；M车为动车。M与Mp带2个动力转向架，Mc带1个动力转向架，每3辆车形成一个动力单元。该车可实现7辆或8辆两种扩展编组形式。

图1 6辆编组列车示意图

按照设计要求，列车供电电压为DC 1 500 V，允许波动范围为DC 1 000～1 800 V，最高非持续电压为DC 1 950 V；列车最高运行速度为100 km/h，设计速度为110 km/h；线路最大坡度为50‰。按照车辆设计的载荷要求，列车在AW 0（空载）、AW 2（额定荷载）、AW 3（超载）下的质量要求分别为216.68 t、308.6 t和356 t。

2 列车牵引系统特性设计

2.1列车动力性能

列车最高运行速度为100 km/h。列车加速时，在0～40 km/h速度运行区间内平均加速度≥1.1m/ s2，在0～100 km/h速度运行区间内平均加速度≥0.6m/s2。列车平均减速度≥1.0m/s2。

列车具有故障运行能力：6辆编组的列车在AW 3状态下，在损失1/5动力时，能够在正线的最大坡道上起动并运行至终点，清客后返回车辆基地；6辆编组的列车在AW 3状态下，在损失1/2动力时，能够在最大坡道上起动并运行至最近站点，清客后返回基地；6辆编组处于AW 0状态的列车，能够救援另一列完全丧失动力处于AW 3状态的列车在最大的坡道上起动，并使列车运行至最近站点。

2.2列车阻力参数

列车阻力分为基本阻力、坡道附加阻力和起动阻力等。列车基本阻力R采用标准戴维斯阻力公式：

式中：

m——列车质量，t；

n——列车车轴数；

v——列车速度，km/h；

N——车辆数；

A——列车截面积，m2。

列车坡道附加阻力计算式为：

式中：

g——重力加速度；

θ——路面坡度。

列车处于AW 0、AW 2、AW 3下50‰坡道附加阻力分别为106.173 2 kN、151.214 kN和174.44 kN。

列车起动阻力按照5×9.8×10-3kN/t计算，AW 0、AW 2、AW 3三种载荷下的列车起动阻力分别为10.617 kN、15.121 kN、17.444 kN。

由此可以计算出列车在平直轨道上各载荷下的单位阻力如图2所示。

图2 各载荷下列车单位阻力

2.3列车牵引制动特性

进行牵引计算时，列车轮径取805 mm（半磨耗轮径），齿轮传动比确定为6.312 5，效率取0.975。计算列车动态质量时，列车动车惯性系数为10%，拖车惯性系数为5%。

为满足平均加速度的要求，考虑一定裕量，AW 0、AW 2、AW 3三种载荷下列车起动牵引力分别设计为284.7 kN、394.9 kN、451.8 kN；列车轮缘电制动力分别设计为243.1 kN、336.9 kN、385.2 kN。由此给出列车在额定网压下各种负载情况的牵引特性与制动特性曲线如图3、图4所示。

图4 轮周电制动力-速度曲线

由列车牵引制动曲线及牵引计算可知：在额定网压及AW 3载荷条件下，列车最大牵引力为451.8 kN，列车最大黏着系数为0.155；列车最大制动力为385.2 kN，列车最大黏着系数为0.132，满足牵引时黏着系数不得超过0.18，制动时黏着系数不得超过0.16的要求。

根据列车牵引特性曲线，可以计算出列车在平直轨道上的速度-时间曲线如图5所示。由图5可知，列车处于AW 3载荷条件下平均加速度最小：在0～40 km/h速度区间内，列车实际平均加速度为1.18m/s2，满足1.10m/s2的加速度需求；在0～100 km/h速度区间内，列车实际平均加速度为0.62m/s2，满足0.60m/s2的加速度需求。

列车起动加速度计算方法如下：

考察列车故障模式下的起动加速度，可得AW 3时列车在损失1/5动力、1/2动力情况下的加速度分别为0.448m/s2和0.090m/s2，均大于0.083 3m/s2（列车在坡道起动时需满足的最小起动加速度），列车可正常起动。

在考察列车救援能力时，式（3）中的起动阻力、坡道阻力和动态质量均为两列列车的。计算可得列车的起动加速度为-0.039m/s2，不符合要求。为此设置了高加速按钮，单电机输出转矩为1 211.6 Nm，加速度可达0.1m/s2，列车可以在最大坡道上正常起动，但黏着系数将达0.209。

3 牵引系统部件参数选型

牵引主电路主要由高压保护回路、预充电/放电回路、输入滤波回路、牵引逆变电路和过压斩波电路等组成。电力牵引系统高压回路图如图6所示。M c车的1台VVVF（变压-变频）箱与Mp车的2台VVVF箱通过Mp的高压箱1供电，而M车的2台VVVF箱通过M车的高压箱2供电。

图6 牵引系统高压回路图（1单元）

3.1选型原则

电力牵引传动系统需要满足车辆在指定线路条件下的动力学性能、故障运行能力、救援能力等基本性能，并能根据不同故障进行相应的保护与隔离。

额定电压与额定电流是系统部件选型的两个关键参数。额定电压基于部件工作的最大电压进行选择，IGBT（绝缘栅双极晶体管）与直流侧开关的最大工作电压定义为列车的最高非持续电压，即1 950 V。由于地铁列车快起快停的特点，牵引系统实际工作方式为周期性间断工作制，部件往往允许短时过流，因而部件电流定额需根据部件的工作特点使用区间等效电流或者瞬时电流进行选择。

3.2IGBT的额定电压和电流

额定电压与额定电流是IGBT最重要的参数。IGBT额定电压通常采用式（4）进行计算，再向上选择额定电压。

式中：

UDC，max——输入最高直流电压，UDC，max选取电制动瞬间最高电压1 950 V；

k1——电压系数；

ΔU——关断IGBT产生的过电压；k2——安全系数。

额定电流采用式（5）进行计算：

式中：

IAC，max——变流器输出最大电流，IAC，max选取列车制动时单台逆变器的最大电流440 A；

k3——电流尖峰系数。

根据计算的VCE与IC，并考虑一定裕量，最终确定的IGBT额定电压为3 300V，额定电流为1 000A。

3.3高速断路器选型

根据列车牵引和电制动性能仿真数据，对高速断路器进行负荷仿真分析，可以得到流过高速断路器的有效值电流（均方根电流）、峰值电流。高速断路器的保护特性为瞬时保护。高速断路器正定保护偏差系数k4取为1.1，逆变器波动系数k5取为1.4，则高速断路器保护整定值为：

式中：

Ip，max——仿真数据中峰值电流的最大值。

As型地铁列车的高速断路器有两种：高速断路器1实现对M c/M车的2台牵引逆变器的保护；高速断路器2实现对M c车的1台牵引逆变器的保护。按照理论计算值，高速断路器1的电流整定值大于高速断路器2的电流整定值，但实际使用过程中高速断路器1与高速断路器2设置脱扣电流值保持一致。这主要是考虑到以下几点：

（1）使用统一规格的高速断路器能够减少后期维护、管理、备品备件的成本。

（2）根据高速断路器的分段电流特性及故障特性，高速断路器1设置的电流整定值也能够实现高速断路器2所实现的保护性能。

3.4熔断器选型

牵引系统主熔断器箱用于列车受电弓到牵引电路的接地或短路保护。

熔断器正常工作时电阻很小，线路电压反应不到熔断器两端，电压值对于熔断器没有意义。熔断器熔断瞬间，熔断器两端的电阻值瞬间增大，在熔断器两端即刻产生电动势。若熔断器额定电压小于等于熔断器分断时产生的电动势，则熔断器的分断就会受到很大的影响。考虑到系统出现的最大电压值不高于DC 1 950 V，故在电压等级上选择DC 2 000 V的熔断器。

该熔断器用于保护一个动力单元的高压回路，主要包括5台牵引逆变器箱、2台辅助逆变器箱、1台蓄电池充电机装置。流过熔断器的RMS电流值IF可通过式（7）计算：

式中：

It——流过熔断器箱的VVVF部分的电流值,为根据线路仿真数据计算的全程均方根电流值；

IS，Ich——分别为单台辅助逆变器和单台蓄电池充电机的电流均方根值，可根据辅助逆变器、蓄电池充电机容量及最低网压值（即1 000 V）计算。

熔断器额定电流IN的选择还需考虑温度、散热、负载运行停止周期等因素的影响。其计算式为：

式中：

A1——温度系数；

BV——强制散热修正系数；

C1——与连接方式相关的系数；

CP——电流频率；

A2——周期性电流参数；

A3——负载运行停止周期。

4结语

本文简要介绍了As型地铁列车牵引系统的设计过程。依据列车的基本技术条件设计了As型地铁列车牵引特性曲线，并进行了线路仿真；在此基础上，完成了对IGBT、牵引热管、高速断路器等关键参数的选择，保障了As型地铁列车牵引系统的设计研制。

［1］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.地铁车辆通用技术条件：GB T 7928—2003［S］.北京：中国标准出版社，2013.

［2］SCHAEFER H H，韩才元.世界各国铁路列车阻力和机车粘着系数公式的比较［J］.国外铁道机车与动车，1989（2）：35-43.

［3］徐惠林，曾宪钧．北京地铁13号线车辆电传动系统设计［J］．机车电传动，2002（6）：35-38．

［4］黄济荣.电力牵引交流传动与控制［M］.北京：机械工业出版社，1998.

Research and Design of Electrical Traction System for As Type M etro Train

YANG Dengfeng

Based on the As type metro train and its basic technical parameters，the design of train traction characteristic curve is introduced，and a line simulation is conducted by practical train operation.Then，according to the simulation data and train basic technical parameters，the key parameters of major components in the traction system are selected，and w ill be used in the follow ing system designs.

As type metro train；traction system；scheme design；traction characteristic curve；device parameter selection Author′s address Chongqing Rail Transit Group Co.，Ltd.，401120，Chongqing，China

TM 922.3

10.16037/j.1007-869x.2017.07.024

2017-01-23）