地铁车辆牵引电气故障系统分析

李语嫣

摘 要：随着我国地铁车辆的不断扩张线路，给市民生活、工作出行带来了很大便利。而地铁作为高频运行的机械设备，在长期的运行中，难免会产生一系列的电气故障。本文根据多年工作实践，对地铁车辆电气系统构成、故障进行分析，以期提高维护效率。

关键词：地铁车辆；电气系统；故障

一、地铁车辆牵引技术发展及应用

（一）牵引传动的发展

当前大部分的地铁车辆采用的电能，在众多的传动技术研究中，根据地铁车辆的牵引方式不同选用直流传动和交流传动两种主要的传动方式，其原理是通过电能进入到电力发动机，由发动机完成车辆牵引。其中直流牵引发动机结构复杂，需要通过半控型晶闸管完成对直流的斩波，从而使斩波调压与相控调压相结合。随着地铁车辆牵引技术的不断发展，异步电机的交流传动开始应用到牵引技术当中，同时随着变频变压的电压逆变器问世，从而使交流传动成为主要牵引技术，欧洲国家于1990年代对直流传动车辆进行停产，退出舞台。

（二）牵引技术的运用

作为当前主要地铁车辆牵引技术，交流传动方式通过牵引变流器来实现对地铁车辆的控制，为了能够实现牵引变流，则需要在地铁车辆设计时运用变频器弥补电压等级不足等问题。如德国和日本，分别用过1200V和1700V的三电平逆变器，随着技术发展，逆变器加入高压模块，从而输出波形更好。同时在交流传动中加入速度传感器和全电制动，保证电气牵引的灵活和可靠。

二、地铁车辆电气牵引系统的构成及特点

一辆普通的地铁车辆的牵引系统主要是由避雷器（LP）、制动电阻（BR）、牵引逆变器（VVVF）、含HSCB的高压箱（HV）、牵引电动机（MOTOR）及受电弓（PAN）等部件组成。

其中高压箱主要是由高速断路器、充电设备及其主隔离开关组成。在一般的地铁车辆上都配有两个受电弓，之所以要配备两个受电弓，就是为了防止地铁在运行的过程中一个受电弓出现故障，另一台受电弓依然能够正常的运行，以提供车辆正常运行需要的高电压。在地铁车辆的牵引控制系统内，还配备有牵引逆变器，与牵引逆变器相连的一端有相应的支撑电容，通过这样的一个支撑电容，能够有效地保障逆变器输出电压的稳定程度，同时在地铁的运行过程中也能够起到一个能量缓冲的作用。除此之外，在地铁车辆牵引系统中，还有着滤波电抗器，它与电容能够共同构成一个维持电压稳定的装置，进而使逆变器能够稳定的工作。

在逆变器之中，也包含有逆变箱和斩波控制器，这样就能够使地铁在运行的过程中，通过这些装置将直流电转变成为三相交流电，在进行转换之后，可以对列车运行过程中的频率和电压进行调控，进而完成对整个电机的控制。而在再生制动的过程中，又可以将三相交流电重新转变为直流电运输到电网中，从而实现对电网的再供电。当列车的制动电阻启动之后，制动电阻会将多余的热量进行转化，将这些多余的热量排放到空气中，避免列车出现发热的现象以影响列车的稳定运行。逆变器在使用的过程中还需要对其进行冷却，通常情况下，对逆变器的冷却是通过热管散热器进行的，热管散热器的工作原理是通过液态介质的冷凝和蒸发来实现对热量的冷却，而且热管散热器的運行机制也十分简单，不会对环境造成任何的污染。

三、判别和控制车辆运行状态

DCU的基本功能是对车辆信息，包括车辆的运行方向、牵引、制动、惰行、紧急牵引、紧急制动、电机转向、洗车等信号进行收集和判断，进而判别车辆的运行状态和运行模式，并采取合适的控制策略。

（一）粘着利用控制

为了实现最大粘着利用率，地铁车辆电气牵引系统具备粘着利用控制功能。DCU采用相位移法实现粘着利用控制即当线路状况变化不定的情况下，采集电机转速、电机转矩等信息，并对这些信息进行分析和处理，再对给定电机转矩指令与DCU所生成的电机牵引/制動特性包络线，进行综合分析，得出电机转矩指令，并向电机控制系统发出相应的电机转矩，进而使地铁车辆能够以接近线路当天最大的粘着系数运行。

（二）载荷补偿

DCU具备载荷补偿功能，其原理是：列车通过空气弹簧压力装备产生载重电信号，载重信号的植直接正比于列车的载客的重量。系统采集这一信号并进行计算后，将信息传送到牵引控制单元DCU，DCU再根据这一信号值自动调节补偿载重系数，进而很好的保障车辆具备既有的制动和牵引性能。具体计算方法为：

F=M×K×α

在上式中：M表示每次计算锁定列车启动速度大于零时的载荷信号；K表示载荷补偿系数；α表示牵引力/电制动力级位。

（四）中间直流电路控制

地铁车辆在制动和牵引工况下，因空转等原因，常常引起直流电路电压高于设定电压的情况，此时DCU控制斩波桥臂开通，进而通过制动电阻来消耗部分电能，使得中间直流电路电压处于正常数值范围内。

（五）系统故障记录

地铁车辆电气牵引系统具有完善的故障记录功能，这对系统运行状态的检查、故障的分析和诊断有着重要的意义。首先，向列车控制和诊断系统传输故障信息，形成故障日志，对系统故障的发生时间、工况、故障类别和表现等相关信息进行记录；其次，DCU可记录波形数据，在故障发生后，DCU会对相关电气数据进行采集和记录（主要包括直流环节电压、手柄纪位、输出电流等），并在专用软件上讲这些数据和信息记录下来，通过图形的方式产生数据波形，供工作人员查看、分析和诊断。除此之外DCU插件面板上还设有LED指示灯与测试孔，通过电源指示灯方式来提示相关控制状态信息，以便工作人员检查和判断。

四、故障及检修

（一）故障分析

首先，电容器故障。铝电解电容器具有稳压作用，主要安装至逆变器内部。在电容工作基础上，铝电解电容器的氧化膜易受到损害。铝电解电容器具有一定自愈功能，但若破坏速度超过自愈速度，氧化膜则会遭到破坏，影响电容器正常运转；其次，电力半导体器件故障。强烈电浪涌是逆变器的工作环境，然而，电力半导体器件失效是造成逆变器发生故障的关键因素；再次，弱电半导体器件故障：逆变器中包含多个弱电半导体器件，一旦其中一个发生故障，将导致整个系统性能下降，影响系统正常运行。其中，静电损伤失效、机械过应力失效以及温度失效等均是导致弱电半导体器件发生故障的原因。

（二）故障检修

神经网络故障诊断法是辅助系统故障检修的主要方法，具体而言包括两方面内容。一方面，训练创建网络，即将辅助系统信息样本传输至未训练的网络中，采用ANN训练方式，对此数据、信息进行训练，在自学基础上，获得诊断网络效果。另一方面，网络诊断，在神经网络基础上，开展向前计算工作。以特征提取和预处理为依据，处理辅助系统中的样本信息和相关故障数据，并开展故障检测工作，达到检修目的。

五、結束语

总之，为了保证地铁车辆电气系统能够正常运行，应该正确认识电气系统中的常见故障，并运用相应的检修手段准确地找出原因，然后采取相应的措施进行处理，保证地铁车辆整体的可靠性，使地铁车辆能够正常、稳定的运行。

参考文献

[1]丁洪东.城市轨道交通车辆辅助系统关键问题研究[J].科技信息.2011（01）.

[2]轨道维修计划辅助系统[J].铁道机车车辆工人.2001（03）.

（作者单位：深圳市地铁集团有限公司运营总部）