地鐵車輛牽引電氣故障系統(tǒng)分析

李語嫣

摘 要：隨著我國地鐵車輛的不斷擴張線路，給市民生活、工作出行帶來了很大便利。而地鐵作為高頻運行的機械設備，在長期的運行中，難免會產(chǎn)生一系列的電氣故障。本文根據(jù)多年工作實踐，對地鐵車輛電氣系統(tǒng)構(gòu)成、故障進行分析，以期提高維護效率。

關鍵詞：地鐵車輛；電氣系統(tǒng)；故障

一、地鐵車輛牽引技術發(fā)展及應用

（一）牽引傳動的發(fā)展

當前大部分的地鐵車輛采用的電能，在眾多的傳動技術研究中，根據(jù)地鐵車輛的牽引方式不同選用直流傳動和交流傳動兩種主要的傳動方式，其原理是通過電能進入到電力發(fā)動機，由發(fā)動機完成車輛牽引。其中直流牽引發(fā)動機結(jié)構(gòu)復雜，需要通過半控型晶閘管完成對直流的斬波，從而使斬波調(diào)壓與相控調(diào)壓相結(jié)合。隨著地鐵車輛牽引技術的不斷發(fā)展，異步電機的交流傳動開始應用到牽引技術當中，同時隨著變頻變壓的電壓逆變器問世，從而使交流傳動成為主要牽引技術，歐洲國家于1990年代對直流傳動車輛進行停產(chǎn)，退出舞臺。

（二）牽引技術的運用

作為當前主要地鐵車輛牽引技術，交流傳動方式通過牽引變流器來實現(xiàn)對地鐵車輛的控制，為了能夠?qū)崿F(xiàn)牽引變流，則需要在地鐵車輛設計時運用變頻器彌補電壓等級不足等問題。如德國和日本，分別用過1200V和1700V的三電平逆變器，隨著技術發(fā)展，逆變器加入高壓模塊，從而輸出波形更好。同時在交流傳動中加入速度傳感器和全電制動，保證電氣牽引的靈活和可靠。

二、地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)的構(gòu)成及特點

一輛普通的地鐵車輛的牽引系統(tǒng)主要是由避雷器（LP）、制動電阻（BR）、牽引逆變器（VVVF）、含HSCB的高壓箱（HV）、牽引電動機（MOTOR）及受電弓（PAN）等部件組成。

其中高壓箱主要是由高速斷路器、充電設備及其主隔離開關組成。在一般的地鐵車輛上都配有兩個受電弓，之所以要配備兩個受電弓，就是為了防止地鐵在運行的過程中一個受電弓出現(xiàn)故障，另一臺受電弓依然能夠正常的運行，以提供車輛正常運行需要的高電壓。在地鐵車輛的牽引控制系統(tǒng)內(nèi)，還配備有牽引逆變器，與牽引逆變器相連的一端有相應的支撐電容，通過這樣的一個支撐電容，能夠有效地保障逆變器輸出電壓的穩(wěn)定程度，同時在地鐵的運行過程中也能夠起到一個能量緩沖的作用。除此之外，在地鐵車輛牽引系統(tǒng)中，還有著濾波電抗器，它與電容能夠共同構(gòu)成一個維持電壓穩(wěn)定的裝置，進而使逆變器能夠穩(wěn)定的工作。

在逆變器之中，也包含有逆變箱和斬波控制器，這樣就能夠使地鐵在運行的過程中，通過這些裝置將直流電轉(zhuǎn)變成為三相交流電，在進行轉(zhuǎn)換之后，可以對列車運行過程中的頻率和電壓進行調(diào)控，進而完成對整個電機的控制。而在再生制動的過程中，又可以將三相交流電重新轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娺\輸?shù)诫娋W(wǎng)中，從而實現(xiàn)對電網(wǎng)的再供電。當列車的制動電阻啟動之后，制動電阻會將多余的熱量進行轉(zhuǎn)化，將這些多余的熱量排放到空氣中，避免列車出現(xiàn)發(fā)熱的現(xiàn)象以影響列車的穩(wěn)定運行。逆變器在使用的過程中還需要對其進行冷卻，通常情況下，對逆變器的冷卻是通過熱管散熱器進行的，熱管散熱器的工作原理是通過液態(tài)介質(zhì)的冷凝和蒸發(fā)來實現(xiàn)對熱量的冷卻，而且熱管散熱器的運行機制也十分簡單，不會對環(huán)境造成任何的污染。

三、判別和控制車輛運行狀態(tài)

DCU的基本功能是對車輛信息，包括車輛的運行方向、牽引、制動、惰行、緊急牽引、緊急制動、電機轉(zhuǎn)向、洗車等信號進行收集和判斷，進而判別車輛的運行狀態(tài)和運行模式，并采取合適的控制策略。

（一）粘著利用控制

為了實現(xiàn)最大粘著利用率，地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)具備粘著利用控制功能。DCU采用相位移法實現(xiàn)粘著利用控制即當線路狀況變化不定的情況下，采集電機轉(zhuǎn)速、電機轉(zhuǎn)矩等信息，并對這些信息進行分析和處理，再對給定電機轉(zhuǎn)矩指令與DCU所生成的電機牽引/制動特性包絡線，進行綜合分析，得出電機轉(zhuǎn)矩指令，并向電機控制系統(tǒng)發(fā)出相應的電機轉(zhuǎn)矩，進而使地鐵車輛能夠以接近線路當天最大的粘著系數(shù)運行。

（二）載荷補償

DCU具備載荷補償功能，其原理是：列車通過空氣彈簧壓力裝備產(chǎn)生載重電信號，載重信號的植直接正比于列車的載客的重量。系統(tǒng)采集這一信號并進行計算后，將信息傳送到牽引控制單元DCU，DCU再根據(jù)這一信號值自動調(diào)節(jié)補償載重系數(shù)，進而很好的保障車輛具備既有的制動和牽引性能。具體計算方法為：

F=M×K×α

在上式中：M表示每次計算鎖定列車啟動速度大于零時的載荷信號；K表示載荷補償系數(shù)；α表示牽引力/電制動力級位。

（四）中間直流電路控制

地鐵車輛在制動和牽引工況下，因空轉(zhuǎn)等原因，常常引起直流電路電壓高于設定電壓的情況，此時DCU控制斬波橋臂開通，進而通過制動電阻來消耗部分電能，使得中間直流電路電壓處于正常數(shù)值范圍內(nèi)。

（五）系統(tǒng)故障記錄

地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)具有完善的故障記錄功能，這對系統(tǒng)運行狀態(tài)的檢查、故障的分析和診斷有著重要的意義。首先，向列車控制和診斷系統(tǒng)傳輸故障信息，形成故障日志，對系統(tǒng)故障的發(fā)生時間、工況、故障類別和表現(xiàn)等相關信息進行記錄；其次，DCU可記錄波形數(shù)據(jù)，在故障發(fā)生后，DCU會對相關電氣數(shù)據(jù)進行采集和記錄（主要包括直流環(huán)節(jié)電壓、手柄紀位、輸出電流等），并在專用軟件上講這些數(shù)據(jù)和信息記錄下來，通過圖形的方式產(chǎn)生數(shù)據(jù)波形，供工作人員查看、分析和診斷。除此之外DCU插件面板上還設有LED指示燈與測試孔，通過電源指示燈方式來提示相關控制狀態(tài)信息，以便工作人員檢查和判斷。

四、故障及檢修

（一）故障分析

首先，電容器故障。鋁電解電容器具有穩(wěn)壓作用，主要安裝至逆變器內(nèi)部。在電容工作基礎上，鋁電解電容器的氧化膜易受到損害。鋁電解電容器具有一定自愈功能，但若破壞速度超過自愈速度，氧化膜則會遭到破壞，影響電容器正常運轉(zhuǎn)；其次，電力半導體器件故障。強烈電浪涌是逆變器的工作環(huán)境，然而，電力半導體器件失效是造成逆變器發(fā)生故障的關鍵因素；再次，弱電半導體器件故障：逆變器中包含多個弱電半導體器件，一旦其中一個發(fā)生故障，將導致整個系統(tǒng)性能下降，影響系統(tǒng)正常運行。其中，靜電損傷失效、機械過應力失效以及溫度失效等均是導致弱電半導體器件發(fā)生故障的原因。

（二）故障檢修

神經(jīng)網(wǎng)絡故障診斷法是輔助系統(tǒng)故障檢修的主要方法，具體而言包括兩方面內(nèi)容。一方面，訓練創(chuàng)建網(wǎng)絡，即將輔助系統(tǒng)信息樣本傳輸至未訓練的網(wǎng)絡中，采用ANN訓練方式，對此數(shù)據(jù)、信息進行訓練，在自學基礎上，獲得診斷網(wǎng)絡效果。另一方面，網(wǎng)絡診斷，在神經(jīng)網(wǎng)絡基礎上，開展向前計算工作。以特征提取和預處理為依據(jù)，處理輔助系統(tǒng)中的樣本信息和相關故障數(shù)據(jù)，并開展故障檢測工作，達到檢修目的。

五、結(jié)束語

總之，為了保證地鐵車輛電氣系統(tǒng)能夠正常運行，應該正確認識電氣系統(tǒng)中的常見故障，并運用相應的檢修手段準確地找出原因，然后采取相應的措施進行處理，保證地鐵車輛整體的可靠性，使地鐵車輛能夠正常、穩(wěn)定的運行。

參考文獻

[1]丁洪東.城市軌道交通車輛輔助系統(tǒng)關鍵問題研究[J].科技信息.2011（01）.

[2]軌道維修計劃輔助系統(tǒng)[J].鐵道機車車輛工人.2001（03）.

（作者單位：深圳市地鐵集團有限公司運營總部）