武汉地铁3号线车辆牵引电传动系统的研究

熊洁+庞友闱

摘 要：牵引电传动系统是地铁车辆设备的关键和难点，对地铁安全平稳运营起到关键性的作用。本文简述武汉地铁3号线列车的基本参数、性能要求和车辆牵引电传动系统的牵引/电制动特性、主电路、控制关键技术。

關键词：武汉地铁3号线；牵引电传动系统；牵引特性；控制关键技术

中图分类号：U264.3 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）23-0042-02

当今社会地铁日益普及，成为人们必不可缺的出行方式，同时，全国范围内城市地铁交通建设也越来越发达。牵引电传动系统作为地铁车辆的核心设备，其性能直接关系到地铁的安全平稳运营[1-2]。根据地铁供电制式和车型的不同，地铁车辆的牵引电传动系统的设计和原理也不尽相同。

武汉地铁3号线为750V直流电压接触轨供电的B型车辆，本文以武汉地铁3号线为例，对车辆牵引电传动系统的原理和控制进行阐述。

1 车辆概述

1.1 列车基本概述

列车的基本配置为6辆车编组，车辆为B型车体。整列车采用4动2拖编组型式：=Tc-M-M+M-M-Tc=（其中Tc：拖车，M：动车）。

列车由两个单元车组组成，每个单元车组由1辆拖车（Tc车）和2辆动车（M车）组成，列车编组如图1所示。

1.2 列车动力性能

（1）平均加速度：

列车在半磨耗轮径Φ805mm、定员载荷AW2、干燥清洁平直道线路及额定接触网压750V情况下，平均加速度为：

列车从0加速到40 km/h：≥0.95m/s2；

列车从0加速到80 km/h：≥0.6m/s2。

（2）平均制动减速度：

列车在半磨耗轮径Φ805mm、超员载荷AW2、干燥清洁平直道线路下，列车从最高运行速度到停车时，平均减速度为：

最大常用制动：≥1.0m/s2；

快速制动：≥1.2m/s2；

紧急制动：≥1.2m/s2；

2 牵引电传动系统说明

2.1 牵引电传动系统基本概述

列车牵引系统主电路采用两电平电压型直—交逆变电路。经受流器受流输入的DC750V直流电由VVVF逆变器变换成频率、电压均可调的三相交流电，向牵引电机供电。每个动车的主电路型式、结构基本相同。VVVF逆变器由两个逆变模块单元组成，采用2个逆变器模块驱动4台牵引电动机的工作方式，电阻制动斩波单元与逆变模块单元集成在一起。当电网电压在500V～900V之间变化时，主电路能正常工作，并方便地实现牵引—制动的无接点转换[3]。

电气牵引系统充分利用轮轨粘着条件，并按列车载重量从空车到超员载荷AW2范围内自动调整牵引力的大小，并保证一定牵引力冗余量，使列车在空车AW0至超员载荷AW2范围内保持起动加速度基本不变，并具有反应迅速、有效可靠的粘着利用控制和空转保护。

列车电制动采用再生制动，制动能量反馈回电网，当电网不能吸收时转为电阻制动。常用制动采用电制动优先，用足电制动，电制动不足时由空气制动补足的微机控制的混合制动方式。紧急制动仅使用空气制动。

列车充分利用轮轨粘着条件，并按列车载重量从空车到超员载荷范围内自动调整电制动力的大小及补充空气制动，使列车在空车至超员范围内保持制动减速度基本不变，并具有反应迅速、有效可靠的粘着利用控制和滑行保护。

电气牵引系统由高压电器（MQS、HB）、电容器充放电单元（KM1、KM2、MQS1、R1、R2）、滤波单元（L、C）、斩波及过电压抑制单元（斩波IGBT模块、RB01/RB02）、逆变器单元（INVMK1、INVMK2）、交流牵引电机（1M01-1M04）及检测单元（LH2、LH13-LH14/LH23-LH24、LH16/LH26、VH2、VH1）等组成。

2.2 各部件的主要作用

（1）高压母线电路：高压母线电路是电气牵引系统的输入电源电路，电路中母线电器用于列车高压母线重联（BHB、BLB用于Tc车和M2车之间的母线重联），从而确保列车通过无电区时运行平稳。BAF用于列车高压辅助贯通母线的保护，V1用于该母线与其他线路的隔离[4-5]。

（2）高压电器单元：高压电器单元由主隔离开关（MQS）、高速断路器（HB）等组成。

主隔离开关（MQS）用于主电路的隔离以及通过机械连锁开关将支撑电容器的放电回路短接，以保证维修安全。高速断路器（HB）用于主电路的故障保护。

（3）电容器充放电单元：电容器充放电单元由接触器（KM1、KM2）及充放电电阻（R1）、固定放电电阻（R4）等组成。

当主电路高速断路器（HB）闭合后，闭合接触器（KM2），通过受流器（AP）输入的高压电源经主隔离开关（MQS）、充放电电阻（R1）给支撑电容（C）充电，当电容电压在一定时间且上升到一定值时，KM1闭合，电容充电完成。

在正常情况下，电容的放电由固定放电电阻（R4）完成，将电容端电压放电到50V以下的时间小于5min。

当对高压电路和VVVF逆变器检修或维护保养时，则放电电阻（R1）与主隔离开关的联锁辅助开关（MQS1）形成直流支撑电容的快速放电回路，从而使电容通过放电电阻快速放电。

（4）滤波单元：滤波单元由滤波电抗器（L）及主电路支撑电容器（C）组成。

滤波电抗器与主回路支撑电容器组成滤波单元。主要用来限制直流侧滤波单元的电压、电流波动，滤除高次谐波，阻止供电的瞬时突变，保护电器设备。

（5）牵引逆变器单元：牵引逆变器作为整个交流传动系统的重要组成部分，它的基本功能是，把从直流电源获得的直流电压变换成频率和幅值都可调的三相交流电，并给牵引电机供电。endprint

逆变器采用IGBT元件，为两电平逆变电路。主电路由两个逆变器模块（INVMK1、INVMK2）组成，每个逆变器模块集成三相逆变器的三相桥臂（逆变模块）及制动相桥臂（斩波模块），驱动2台牵引电动机。集成在VVVF逆变器箱中的2个逆变器模块驱动4台牵引电动机。

（6）制动斩波单元：地铁车辆在下坡或者其他需要减速的场合，车辆上的电动机要停止从电网获取电能，电动机成为发电机，在发电的过程中电机会产生反力矩促使列车减速，而发出的电能在电网不能吸收的情况下由制动电阻进行耗散。此时则开通制动斩波回路，吸收动车所产生的制动能量，转换成电阻的热能散发到隧道或周围环境中。另外地铁车辆在运行的过程中有时会遇到轮对空转、跳弓等瞬态过程，从而引起直流电压的上升，为了防止直流电压上升超过允许范围以及电空制动的转换，需要开通制动电阻支路来降低相应的过电压或维持电制动完成与空气制动的平滑转换。

（7）牵引电动机：牵引电机为三相交流異步牵引电动机，其技术特征为：转子为铜排鼠笼式结构，定子为无机壳结构，悬挂方式为架承式全悬挂，绝缘等级为200级（耐电晕），冷却方式为带内风扇自通风。

（8）检测单元：检测单元由LH1、LH2、LH13、LH14、LH16、LH23、LH24、LH26、VH1、VH2等电流、电压传感器组成，传感器采用霍尔传感器，其中LH1为差动电流传感器，实现主电路接地故障保护。

3 结语

本文简述了武汉地铁3号线列车的基本参数、性能要求和车辆牵引电传动系统的牵引/电制动特性、主电路、控制关键技术。该牵引电传动系统经现场运用至今，能基本满足现场需求，验证了该系统的成熟可靠性。

参考文献

[1]张萌.城轨车牵引系统设计研究[J].中国高新技术企业，2014，（08）：99-103.

[2]孙大南.地铁车辆牵引电传动系统控制关键技术研究[J].北京交通大学，2012，（20）：97-102.

[3]王浩.基于地铁牵引电传动系统与其控制技术研究[J].中国科技纵横，2017，（03）：36-41.

[4]徐惠林.北京地铁车辆电传动系统的国产化研究[J].现代城市轨道交通，2008，（04）：7-11.

[5]陈文光，丁荣军.国产化北京地铁列车牵引电传动系统设计[J].机车电传动，2006，（04）：31-36.endprint