武漢地鐵3號線車輛牽引電傳動系統(tǒng)的研究

熊潔+龐友闈

摘 要：牽引電傳動系統(tǒng)是地鐵車輛設備的關鍵和難點，對地鐵安全平穩(wěn)運營起到關鍵性的作用。本文簡述武漢地鐵3號線列車的基本參數(shù)、性能要求和車輛牽引電傳動系統(tǒng)的牽引/電制動特性、主電路、控制關鍵技術。

關鍵詞：武漢地鐵3號線；牽引電傳動系統(tǒng)；牽引特性；控制關鍵技術

中圖分類號：U264.3 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）23-0042-02

當今社會地鐵日益普及，成為人們必不可缺的出行方式，同時，全國范圍內(nèi)城市地鐵交通建設也越來越發(fā)達。牽引電傳動系統(tǒng)作為地鐵車輛的核心設備，其性能直接關系到地鐵的安全平穩(wěn)運營[1-2]。根據(jù)地鐵供電制式和車型的不同，地鐵車輛的牽引電傳動系統(tǒng)的設計和原理也不盡相同。

武漢地鐵3號線為750V直流電壓接觸軌供電的B型車輛，本文以武漢地鐵3號線為例，對車輛牽引電傳動系統(tǒng)的原理和控制進行闡述。

1 車輛概述

1.1 列車基本概述

列車的基本配置為6輛車編組，車輛為B型車體。整列車采用4動2拖編組型式：=Tc-M-M+M-M-Tc=（其中Tc：拖車，M：動車）。

列車由兩個單元車組組成，每個單元車組由1輛拖車（Tc車）和2輛動車（M車）組成，列車編組如圖1所示。

1.2 列車動力性能

（1）平均加速度：

列車在半磨耗輪徑Φ805mm、定員載荷AW2、干燥清潔平直道線路及額定接觸網(wǎng)壓750V情況下，平均加速度為：

列車從0加速到40 km/h：≥0.95m/s2；

列車從0加速到80 km/h：≥0.6m/s2。

（2）平均制動減速度：

列車在半磨耗輪徑Φ805mm、超員載荷AW2、干燥清潔平直道線路下，列車從最高運行速度到停車時，平均減速度為：

最大常用制動：≥1.0m/s2；

快速制動：≥1.2m/s2；

緊急制動：≥1.2m/s2；

2 牽引電傳動系統(tǒng)說明

2.1 牽引電傳動系統(tǒng)基本概述

列車牽引系統(tǒng)主電路采用兩電平電壓型直—交逆變電路。經(jīng)受流器受流輸入的DC750V直流電由VVVF逆變器變換成頻率、電壓均可調的三相交流電，向牽引電機供電。每個動車的主電路型式、結構基本相同。VVVF逆變器由兩個逆變模塊單元組成，采用2個逆變器模塊驅動4臺牽引電動機的工作方式，電阻制動斬波單元與逆變模塊單元集成在一起。當電網(wǎng)電壓在500V～900V之間變化時，主電路能正常工作，并方便地實現(xiàn)牽引—制動的無接點轉換[3]。

電氣牽引系統(tǒng)充分利用輪軌粘著條件，并按列車載重量從空車到超員載荷AW2范圍內(nèi)自動調整牽引力的大小，并保證一定牽引力冗余量，使列車在空車AW0至超員載荷AW2范圍內(nèi)保持起動加速度基本不變，并具有反應迅速、有效可靠的粘著利用控制和空轉保護。

列車電制動采用再生制動，制動能量反饋回電網(wǎng)，當電網(wǎng)不能吸收時轉為電阻制動。常用制動采用電制動優(yōu)先，用足電制動，電制動不足時由空氣制動補足的微機控制的混合制動方式。緊急制動僅使用空氣制動。

列車充分利用輪軌粘著條件，并按列車載重量從空車到超員載荷范圍內(nèi)自動調整電制動力的大小及補充空氣制動，使列車在空車至超員范圍內(nèi)保持制動減速度基本不變，并具有反應迅速、有效可靠的粘著利用控制和滑行保護。

電氣牽引系統(tǒng)由高壓電器（MQS、HB）、電容器充放電單元（KM1、KM2、MQS1、R1、R2）、濾波單元（L、C）、斬波及過電壓抑制單元（斬波IGBT模塊、RB01/RB02）、逆變器單元（INVMK1、INVMK2）、交流牽引電機（1M01-1M04）及檢測單元（LH2、LH13-LH14/LH23-LH24、LH16/LH26、VH2、VH1）等組成。

2.2 各部件的主要作用

（1）高壓母線電路：高壓母線電路是電氣牽引系統(tǒng)的輸入電源電路，電路中母線電器用于列車高壓母線重聯(lián)（BHB、BLB用于Tc車和M2車之間的母線重聯(lián)），從而確保列車通過無電區(qū)時運行平穩(wěn)。BAF用于列車高壓輔助貫通母線的保護，V1用于該母線與其他線路的隔離[4-5]。

（2）高壓電器單元：高壓電器單元由主隔離開關（MQS）、高速斷路器（HB）等組成。

主隔離開關（MQS）用于主電路的隔離以及通過機械連鎖開關將支撐電容器的放電回路短接，以保證維修安全。高速斷路器（HB）用于主電路的故障保護。

（3）電容器充放電單元：電容器充放電單元由接觸器（KM1、KM2）及充放電電阻（R1）、固定放電電阻（R4）等組成。

當主電路高速斷路器（HB）閉合后，閉合接觸器（KM2），通過受流器（AP）輸入的高壓電源經(jīng)主隔離開關（MQS）、充放電電阻（R1）給支撐電容（C）充電，當電容電壓在一定時間且上升到一定值時，KM1閉合，電容充電完成。

在正常情況下，電容的放電由固定放電電阻（R4）完成，將電容端電壓放電到50V以下的時間小于5min。

當對高壓電路和VVVF逆變器檢修或維護保養(yǎng)時，則放電電阻（R1）與主隔離開關的聯(lián)鎖輔助開關（MQS1）形成直流支撐電容的快速放電回路，從而使電容通過放電電阻快速放電。

（4）濾波單元：濾波單元由濾波電抗器（L）及主電路支撐電容器（C）組成。

濾波電抗器與主回路支撐電容器組成濾波單元。主要用來限制直流側濾波單元的電壓、電流波動，濾除高次諧波，阻止供電的瞬時突變，保護電器設備。

（5）牽引逆變器單元：牽引逆變器作為整個交流傳動系統(tǒng)的重要組成部分，它的基本功能是，把從直流電源獲得的直流電壓變換成頻率和幅值都可調的三相交流電，并給牽引電機供電。endprint

逆變器采用IGBT元件，為兩電平逆變電路。主電路由兩個逆變器模塊（INVMK1、INVMK2）組成，每個逆變器模塊集成三相逆變器的三相橋臂（逆變模塊）及制動相橋臂（斬波模塊），驅動2臺牽引電動機。集成在VVVF逆變器箱中的2個逆變器模塊驅動4臺牽引電動機。

（6）制動斬波單元：地鐵車輛在下坡或者其他需要減速的場合，車輛上的電動機要停止從電網(wǎng)獲取電能，電動機成為發(fā)電機，在發(fā)電的過程中電機會產(chǎn)生反力矩促使列車減速，而發(fā)出的電能在電網(wǎng)不能吸收的情況下由制動電阻進行耗散。此時則開通制動斬波回路，吸收動車所產(chǎn)生的制動能量，轉換成電阻的熱能散發(fā)到隧道或周圍環(huán)境中。另外地鐵車輛在運行的過程中有時會遇到輪對空轉、跳弓等瞬態(tài)過程，從而引起直流電壓的上升，為了防止直流電壓上升超過允許范圍以及電空制動的轉換，需要開通制動電阻支路來降低相應的過電壓或維持電制動完成與空氣制動的平滑轉換。

（7）牽引電動機：牽引電機為三相交流異步牽引電動機，其技術特征為：轉子為銅排鼠籠式結構，定子為無機殼結構，懸掛方式為架承式全懸掛，絕緣等級為200級（耐電暈），冷卻方式為帶內(nèi)風扇自通風。

（8）檢測單元：檢測單元由LH1、LH2、LH13、LH14、LH16、LH23、LH24、LH26、VH1、VH2等電流、電壓傳感器組成，傳感器采用霍爾傳感器，其中LH1為差動電流傳感器，實現(xiàn)主電路接地故障保護。

3 結語

本文簡述了武漢地鐵3號線列車的基本參數(shù)、性能要求和車輛牽引電傳動系統(tǒng)的牽引/電制動特性、主電路、控制關鍵技術。該牽引電傳動系統(tǒng)經(jīng)現(xiàn)場運用至今，能基本滿足現(xiàn)場需求，驗證了該系統(tǒng)的成熟可靠性。

參考文獻

[1]張萌.城軌車牽引系統(tǒng)設計研究[J].中國高新技術企業(yè)，2014，（08）：99-103.

[2]孫大南.地鐵車輛牽引電傳動系統(tǒng)控制關鍵技術研究[J].北京交通大學，2012，（20）：97-102.

[3]王浩.基于地鐵牽引電傳動系統(tǒng)與其控制技術研究[J].中國科技縱橫，2017，（03）：36-41.

[4]徐惠林.北京地鐵車輛電傳動系統(tǒng)的國產(chǎn)化研究[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2008，（04）：7-11.

[5]陳文光，丁榮軍.國產(chǎn)化北京地鐵列車牽引電傳動系統(tǒng)設計[J].機車電傳動，2006，（04）：31-36.endprint