自主化悬挂式单轨列车电气牵引系统研制

袁文烨，许义景，刘 勇，张路军

应用研究

自主化悬挂式单轨列车电气牵引系统研制

袁文烨，许义景，刘 勇，张路军

（株洲中车时代电气股份有限公司，湖南株洲 412001）

介绍了自主化悬挂式单轨列车的总体性能要求，包括列车牵引/电制动性能、故障及救援性能，及电气牵引系统的高压系统、牵引系统、辅助电源系统的构成及功能参数，并阐述了适用于悬挂式单轨列车应用场景的系统与关键部件的设计理念与设计要点，研制的小型化、轻量化、集成化的电气牵引系统完全满足列车总体性能指标，系统运行状态良好，为悬挂式单轨交通后续市场推广应用奠定了坚实的技术基础。

悬挂式单轨列车 高压系统 牵引系统 辅助电源系统

0 引言

自1825年世界上第一条以马匹为动力的悬挂式单轨交通在英国切森特（Cheshunt）开通以来，到20世纪末日本、德国等逐步采用较为先进的SAFEGE型悬挂式单轨车建造了多条商业运营线路[1]，悬挂式单轨交通系统以其独特的技术特点和优势逐渐受到越来越多的关注。悬挂式单轨交通系统具有选线简单、环境友好、工程造价低、节省道路资源实现交通系统立体化的优点，可满足构建大城市支线交通或中小城市骨干交通的中低运量轨道交通需求，是未来城市中低运量轨道交通中的一个重要解决方案。

本文介绍的悬挂式单轨列车电气牵引系统为国内首次自主研制，其工程化成功应用，为悬挂式单轨交通系统后续商用推广奠定了基础。

1 车辆参数及性能

自主化悬挂式单轨列车采用DC750V供电，为3辆全动车编组型式，其列车编组型式为：+Mc-M-Mc+（其中Mc：带司机室动车，M：不带司机室动车）,列车编组示意图如图1所示。

图1 列车编组示意图

1.1 列车动力性能

最高运行速度：70 km/h

设计结构速度：80 km/h

平直道，AW2载荷，额定网压条件下：

平均启动加速度（0-30 km/h）：≥1.0m/s2

平均加速度（0-70 km/h）：≥0.6 m/s2

常用制动平均减速度（70 km/h-0）：≥1.1 m/s2

1.2 列车运行能力

故障运行能力：一列超员列车丧失1/3动力时，在100‰坡道上列车可以起动，并行驶到邻近车站完成清客，再以不小于20 km/h的速度行驶回车辆段。

坡道救援能力：一列超员正常列车能在100‰坡道上救援一列超员且失去全部动力故障列车，并行驶到邻近车站完成清客，再以不小于20 km/h的速度行驶回车辆段。

蓄电池应急牵引能力：一列超员正常列车，当外部供电系统故障时，列车可由应急牵引储能系统供电，在平直道以20 km/h的速度行驶不少于5 km距离，实现乘客疏散。

2 列车高压系统

2.1 列车高压系统构成及原理

自主化悬挂式单轨列车采用全动车设计，每个动车设置一个熔断器箱，熔断器箱具有母线分线和母线熔断保护功能，各功率部件的保护熔断器、母线熔断器及应急牵引模式接触器KM1均设置于熔断器箱内。

每个动车配置两个动力转向架，每个动力转向架配置两台永磁牵引电机，由一台牵引逆变器驱动；全列配置两台辅助变流器，位于Mc车上，每台辅助变流器对外提供AC380V交流电源和DC24V直流电源，容量分别为20 kVA和10 kW；M车配置一套双向DC/DC变换器+动力电池的应急牵引储能系统，为列车应急牵引供电，图2为列车高压电路拓扑图。

图2 列车高压电路拓扑图

2.2 应急牵引储能系统

因悬挂式单轨列车运行于高架轨道箱梁下方[2]，列车救援和乘客疏散的“故障—安全”导向设计显得尤为重要，不仅其故障运行能力、坡道救援能力要求比其他城轨车辆高，且还需设置应急牵引功能。当供电系统故障后，供电区间内的列车均停运，为防止列车发生人员被困现象，通过列车自身应急牵引储能系统供电，列车具备运行到最近的车站疏散乘客，并返回车辆段或停车线的功能，实现自我救援。应急牵引储能系统包含两个关键子系统，即动力电池与双向DC/DC充电机，其系统原理图如图3所示。动力电池采用高可靠性和高安全性的钛酸锂电池，通过线路能耗仿真计算，动力电池存储的有效能量能够满足列车在AW3工况下、平直道线路上，以20 km/h运行不少于5 km的距离。

当外部供电系统正常时，双向DC/DC充电机通过图3中模块2与电抗器L2、L3构成Buck电路，按照动力电池的充电电流限制曲线给动力电池充电，同时模块1的桥臂上管截止，可防止动力电池对列车高压母线放电，确保动力电池的电能可靠存储；在供电系统异常时，司机启动应急牵引功能，列车三个单元的熔断器箱中KM1断开，防止外部供电系统供电轨带电，模块1的桥臂上管开通，模块2与电抗器L2、L3构成Boost电路，按照动力电池的放电电流限制曲线及负载需求给母线供电，为列车提供应急牵引所需电能。

3 牵引系统

3.1 牵引/电制动特性

根据整车加、减速性能要求，设计列车正常工况最大启动轮缘牵引力为79 kN，恒牵引力速度范围：0～30 km/h，恒功速度范围：30km/h～80 km/h。列车最大电制动轮缘制动力为84kN，恒功速度范围：80km/h～43 km/h，恒电制动力速度范围：43km/h～5km/h，并实现在列车不同载荷下的牵引/电制动力的载荷补偿，满足列车的平稳行驶。

图3 应急牵引储能系统原理图

救援工况时，设置高加速特性，列车的最大启动轮缘牵引力为150 kN，恒牵引力速度范围：0～15.8 km/h，恒功速度范围：15.8km/h～80 km/h。通过牵引仿真计算结果表明救援工况可实现以17.6 km/ h在100‰坡道上运行，该工况下电机持续电流为163 A，根据牵引电机热容量仿真可知，发挥高加速特性时，在电机设计温度允许范围内，列车能在100‰坡道上救援工况持续运行3 min。列车牵引/电制动特性曲线如图4所示。

3.2 牵引系统主电路及设备

牵引系统主电路采用两电平电压型直-交逆变电路，将输入的DC750V变换成频率、电压均可调的三相交流电，驱动永磁牵引电机。当外部供电系统在DC500V～DC900V之间变化时，牵引主电路能正常实现牵引－制动的无接点转换，满足列车的牵引及电制动要求，牵引主电路图如图5所示。

3.2.1牵引逆变器

DC750V电源经本单元熔断器箱进入牵引逆变器，经预充电输入电路和LC滤波电路给变流器模块供电，变流器模块由四个逆变器单元及两个过压斩波单元组成，每个逆变器单元驱动一台额定功率为54kW的永磁牵引电机，输出端设置隔离接触器用于系统故障时隔离永磁牵引电机的空载反电势，每一个斩波桥臂与过压吸收电阻构成斩波单元，用于抑制主电路瞬时过电压。四个逆变器单元及两个斩波单元的IGBT功率器件集成在一个翅片式风冷散热器上，采用强迫风冷方式。其主要技术参数如表1。

表1 牵引逆变器主要技术参数

自主化悬挂式单轨列车属于轻型轨道交通车辆，受限于车辆安装空间尺寸，牵引逆变器采用高度集成的小型化、轻量化设计，将预充电输入电路、LC滤波电路、逆变电路、过压斩波电路及过压吸收电阻、输出接触器等器件集成在一个箱体内。牵引逆变器采用1700 V/500 A IGBT器件，该器件功率密度高，封装尺寸小，每个封装器件集成了6个IGBT元件，开关频率可利用至2 kHz。牵引逆变器采用较高开关频率，在保证牵引系统工作稳定的前提下，可将主电路尺寸较大的线路电感感值减小，实现牵引逆变器的小型化、轻量化设计，同时逆变电路提高开关频率也有利于降低其驱动的永磁牵引电机谐波损耗，较小的谐波损耗降低了永磁牵引电机散热空间要求，也给永磁牵引电机的小型化、轻量化设计带来了积极因素。

通过牵引系统仿真模型，对不同线路电感和支撑电容的参数匹配，并结合永磁牵引电机功率、定子/转子电阻和漏感、互感、极对数、转子转动惯量等参数，对永磁牵引系统稳态特性、瞬态特性进行仿真分析，确定牵引逆变器主电路LC参数与驱动电机的最优匹配，经系统仿真计算最终选取线路电感1 mH和中间支撑电容5 mF较为合适，图6为开关频率2 kHz，线路电感感值1 mH，中间支撑电容5 mF下牵引系统直流侧电流、直流侧电压与电机电流的仿真波形，结果表明牵引主电路LC参数与驱动电机的参数匹配，既能保证系统工作稳定性，也能较大幅度的减小线路电感和中间支撑电容的尺寸与重量。

图6 牵引主电路仿真波形

3.2.2牵引电机

本系统采用小型化永磁牵引电机，满足悬挂式单轨车转向架安装空间狭小的要求。[3]该电机的安装方式特殊，电机通过机座安装孔采用35°倾斜吊装在转向架上，电机传动端通过联轴节与齿轮箱相连，非传动端安装有制动盘与制动夹钳，制动盘安装在电机非传动端伸出的转轴上，制动夹钳机构安装在电机机壳上。

由于该电机采用35°倾斜安装，且非传动端安装了制动盘和制动夹钳，其带来的影响有：

1）车辆制动时产生的制动力由电机承受，制动夹钳夹紧力为5000N，摩擦系数为0.35，制动力会给电机增加较大的负荷，特别是轴承的径向载荷较大，是影响电机可靠性的关键因素；

2）电动机倾斜35°安装，由于电动机转子、联轴节以及制动盘的重量，加之冲击、振动，电机固定端轴承轴向载荷大；

3）制动夹钳夹紧时，与制动盘摩擦，会产生较高温度，经计算列车进行一次安全制动即会使制动盘温度上升到350℃，高温将会对电机线缆等有较大影响。

通过结构仿真计算，充分考虑由于制动盘和制动夹钳所产生的载荷，尤其是对机座、转轴和轴承的影响；在轴承选型设计时，根据轴承的运行条件及承受的综合应力，电机固定端选用承受轴向载荷能力较强的深沟球轴承，浮动端选用圆柱滚子轴承以适应电动机运行工况；采用流体场仿真分析制动夹钳工作时对电机温度的影响，电机引出线采用耐高温的线缆。其主要技术参数如表2。

表2 永磁牵引电机主要技术参数

4 辅助电源系统

列车辅助电源系统由两台辅充一体化辅助变流器构成，输出3 AC380 V/50 Hz、AC220V和DC24V三种制式电源，为列车辅助用电设备提供电源，其中三相辅助逆变器输出额定容量为20 kVA的3AC380 V，并在三相逆变器后端的LC滤波环节采用分裂式电容形式构成中性点，为列车提供3 kVA的AC220V交流电源，DC24V充电机额定输出容量为10 kW。辅助变流器设置应急启动模块用于列车DC24V蓄电池馈电时列车应急启动激活；3AC380V输出采用扩展供电，其内部集成输出接触器及扩展接触器，两台辅助变流器实时互相监视各自工作状态及他车辅助逆变器输出接触器状态，当一台辅助变流器故障时且输出接触器断开，另一台功能完好的辅助变流器即自动闭合扩展接触器接管全车3AC380 V负载。辅助变流器原理图如图7所示。

图7 辅助变流器原理图

表3 辅助变流器主要技术参数

辅助变流器主电路输入电源通过电抗器和充电电阻对滤波电容进行充电,完成预充电后控制系统检测主电路输入电压在正常范围时，开启降压斩波器+全桥LLC谐振变换器+逆变器工作，该模块输出的电压经LC滤波得到三相交流正弦波，通过输出接触器为三相交流负载提供3AC380V电源；充电机与辅助逆变器共用前级降压斩波电路，采用半桥式DC-DC变换电路，输出DC24V[4]。

因DC750V等级的供电电压波动范围较宽，辅助变流器主电路前级采用三电平降压斩波电路将电网输入的DC750V降压斩波输出稳定的DC450V。通过主电路前级设置的三电平降压斩波电路可给后级电路提供稳定的输入电压，后级电路则不会受供电电压波动影响，增强了系统的稳定性，且通过降压斩波电路环节处理后有利于降低后级电路中器件承受的电压应力，得益于前级三电平降压斩波电路的设计，主电路均采用1200 V电压等级功率的低损耗IGBT器件，从而大幅提升IGBT器件开关频率，降低各环节磁性器件的重量，实现辅助变流器的小型化和轻量化设计。该悬挂式单轨列车的辅助变流器采用上述降压斩波型高频软开关技术方案相较于采用传统工频技术方案，其功率密度提升30%左右。其主要技术参数如表3。

5 结语

本文所述自主化悬挂式单轨电气牵引系统针对悬挂式单轨列车的特点进行了适应性设计，研制了小型化、轻量化、集成化的电气牵引系统，总体性能指标完全满足悬挂式单轨列车的应用场景要求，该系统为国内首次完全自主研发，目前已完成列车型式试验及线路运行考核，系统运行状态良好，为悬挂式单轨交通系统后续市场推广应用奠定了坚实的技术基础。

[1] 李芾，许文超，安琪. 悬挂式单轨车的发展及其现状[J]. 机车电传动, 2014(2): 16-76.

[2] 谢倩. 悬挂式单轨系统轨道梁结构优化设计研究[D]成都: 西南交通大学, 2016.

[3] 张德乾.悬挂式单轨车辆转向架结构设计及动力学性能分析[D]. 成都: 西南交通大学, 2015.

[4] 饶沛南, 谢伟, 杨奎, 等. 一种新型低地板车用轻量化高频辅助变流器的研制[J]. 机车电传动, 2017(1): 25-30.

Development of the Electric Traction System for Suspened Monorail Train Adaptable to Domestic Commercial Application

YuanWenye, XuYijing, LiuYong, ZhangLujun

（ZhuZhou CRRC Times Electric CO., LTD., Zhuzhou,Hunan 412001, China）

U271

A

1003-4862（2021）04-0001-05

2020-01-07

袁文烨（1984-），高级工程师，研究方向：新型轨道交通车辆电传动系统。E-mail: yuanwy@csrzic.com