武漢懸掛式空軌列車(chē)電氣牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉立偉 王瑤 覃宏陽(yáng) 黃威

摘 要：懸掛式空軌列車(chē)是全新制式城市軌道交通列車(chē)，近幾年備受?chē)?guó)內(nèi)軌道交通行業(yè)關(guān)注，其車(chē)內(nèi)電氣牽引系統(tǒng)備受重視，特別是適合空軌列車(chē)制式綠色、輕量化、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單式的設(shè)計(jì)概念。本文簡(jiǎn)要介紹武漢懸掛車(chē)電氣牽引系統(tǒng)的構(gòu)成組成、特點(diǎn)及主要控制功能。

關(guān)鍵詞：懸掛式空軌列車(chē);牽引系統(tǒng);結(jié)構(gòu)組成

0 引言

隨著近幾年軌道交通列車(chē)發(fā)展，各種制式車(chē)輛不斷被設(shè)計(jì)，懸掛式空軌列車(chē)應(yīng)運(yùn)而生，與其他制式不同之處，武漢懸掛式軌道列車(chē)采用空氣輪胎作為走行輪，吊掛空中運(yùn)行，車(chē)輛采用兩編組，全自動(dòng)無(wú)人駕駛模式，控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，其定位為城市1公里銜接列車(chē)、同時(shí)也可做為景區(qū)觀景列車(chē)、運(yùn)行及觀景一體化小運(yùn)量列車(chē)，由于運(yùn)營(yíng)特殊性，對(duì)電氣牽引系統(tǒng)要求頗高，同時(shí)系統(tǒng)應(yīng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性好，壽命長(zhǎng)的要求。

1 系統(tǒng)介紹

武漢懸掛式空軌列車(chē)采用2兩編組+Mc =Mc+（根據(jù)業(yè)主要求可擴(kuò)編），及一列車(chē)2動(dòng)力編組動(dòng)車(chē)組成，+為半自動(dòng)車(chē)鉤，=為半永久牽引桿，MC為有受流靴的動(dòng)車(chē)，最高速度為60 km/h，牽引系統(tǒng)采用矢量控制，具有良好的空轉(zhuǎn)/滑行控制功能，列車(chē)制動(dòng)采用電制動(dòng)與液壓制動(dòng)混合控制方式。

1.1 性能參數(shù)

平均加速度：列車(chē)在AW2載重下，在平直、干燥的軌道上，充氣輪胎在370 mm～378 mm（半徑）輪徑下范圍下，額定電壓750 V時(shí)。

平均加速度（0 km/h～30 km/h）：≥ 1.0 m/s2

平均加速度（0 km/h～60 km/h）：≥ 0.5 m/s2

平均減速度：列車(chē)在AW3載重下，在平直、干燥的軌道上，充氣輪胎在370 mm～378 mm（半徑）輪徑下范圍下，列車(chē)最大速大60 km/h時(shí)。

最大常用制動(dòng)（ 60? km/h～0 km/h）：≥ 1.0 m/s2

緊急制動(dòng)（60 km/h～0 km/h）：≥ 1.2 m/s2

沖擊極限：≤ 0.75 m/s3

降級(jí)模式：損失一節(jié)動(dòng)車(chē)，AW3車(chē)輛在80‰坡道上啟動(dòng)，速度≥5 km/h

救援模式：AW0車(chē)輛救援AW0車(chē)輛，80‰坡道

蓄電池緊急牽引模式：AW3車(chē)輛在30‰坡道上啟動(dòng)，速度不低于5 km/h運(yùn)行1 km。

牽引、制動(dòng)特性曲線參見(jiàn)圖1所示。

1.2 主要特點(diǎn)

（1）牽引逆變器（TCU）通過(guò)矢量控制方式控制三相異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行;

（2）牽引電機(jī)采用三相式異步電動(dòng)機(jī)，電機(jī)能力滿足車(chē)輛的運(yùn)行參數(shù)要求;

（3）牽引系統(tǒng)應(yīng)能通過(guò)TCMS系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與保護(hù)，當(dāng)列車(chē)TCMS系統(tǒng)故障時(shí)，牽引系統(tǒng)應(yīng)能通過(guò)應(yīng)急牽引實(shí)施動(dòng)力控制;

（4）牽引電制動(dòng)系統(tǒng)具有牽引、電制動(dòng)功能。采用電制動(dòng)與液壓制動(dòng)混合運(yùn)算的制動(dòng)控制方式，電制動(dòng)和液壓制動(dòng)轉(zhuǎn)換平滑、無(wú)沖擊，并具有防空轉(zhuǎn)和防滑保護(hù)功能;

（5）牽引具有載荷補(bǔ)償功能，出站及下站根據(jù)胎壓自動(dòng)校準(zhǔn)輪徑功能;

（6）列車(chē)具備車(chē)輛段（停車(chē)場(chǎng)）內(nèi)蓄電池牽引功能和線路上的應(yīng)急牽引功能。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

整車(chē)牽引系統(tǒng)設(shè)備布置在車(chē)頂和轉(zhuǎn)向架，主要由以下設(shè)備構(gòu)成：受流靴2套每個(gè)轉(zhuǎn)向架，高速斷路器HSCB、VVVF牽引逆變器、SIV輔助逆變器、牽引控制單元TCU、牽引電機(jī)和動(dòng)力控制一體式蓄電池，其中最為關(guān)鍵的就是牽引電機(jī)、蓄電池。

電機(jī)采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，以滿足車(chē)輛牽引和制動(dòng)特性的要求;

蓄電池采用動(dòng)力與控制一體化電池組，提供車(chē)輛應(yīng)急牽引，同時(shí)滿足車(chē)輛正常應(yīng)用的輔助供電，蓄電池采用安全、可靠、免維護(hù)的鈦酸鋰電池。

3 牽引系統(tǒng)主輔電路圖

牽引系統(tǒng)主輔電路主要描述車(chē)輛驅(qū)動(dòng)電機(jī)形式、雙機(jī)重聯(lián)形式、蓄電池充電及應(yīng)急牽引等電路，其控制方式為車(chē)控（1C4M）即1臺(tái)VVVF逆變器驅(qū)動(dòng)2個(gè)轉(zhuǎn)向架4臺(tái)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，車(chē)輛懸掛在軌道箱梁內(nèi)運(yùn)行，其供電通過(guò)配置轉(zhuǎn)向架上受流靴，采用全程絕緣的正軌受流，負(fù)軌回流供電方式，額定電壓750 V，每臺(tái)MC車(chē)上設(shè)有SIV輔助逆變器，輸出分兩路，一路AC380V 50 Hz交流電供輔助交流用電，一路DC110V給蓄電池充電及車(chē)輛直流輔助供電，車(chē)輛采用動(dòng)力蓄電池和控制蓄電池集成方式，車(chē)輛在變電站斷電情況下，其可滿足車(chē)輛應(yīng)急牽引下的動(dòng)力用電及控制供電，蓄電池采用DC110V。參見(jiàn)圖2。

3.1 牽引、輔助系統(tǒng)

懸掛式列車(chē)牽引輔助系統(tǒng)基于IGBT技術(shù)牽引輔助集成變流器，牽引逆變器、輔助逆變器、充電機(jī)集成在一個(gè)箱體內(nèi)，模塊化設(shè)計(jì)，易于安裝拆卸及維護(hù)。封閉的內(nèi)部空氣回路可以達(dá)到IP65的防護(hù)等級(jí)。在滿足牽引輔助系統(tǒng)需求的情況下，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的小型化、集成化、輕量化。

變流器是基于電力電子功率模塊（PEBBs）的模塊化設(shè)計(jì)，功率模塊已經(jīng)世界范圍內(nèi)各種嚴(yán)苛的牽引環(huán)境中在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)超過(guò)十年。PEBB是使用藝術(shù)般的電力電子結(jié)構(gòu)的模塊代替了原來(lái)復(fù)雜的電力電子電路，是智能和可靠的電力變換平臺(tái)。

3.1.1 牽引逆變模塊

牽引逆變器（MC）模塊包含了驅(qū)動(dòng)控制板、直流電容器、牽引逆變器、電壓限制單元，臺(tái)車(chē)設(shè)有1個(gè)牽引逆變器，輸入電源轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)牽引電機(jī)的電源。

（1）輸出電壓：0～500 / 600 VRMS;

（2）輸出頻率：0 Hz～160 Hz;

（3）每個(gè)牽引逆變器供電的電機(jī)數(shù)量：4;

（4）軸端峰值功率（牽引/制動(dòng)）：234 / 246 kW（軸端）;

（5）脈沖類(lèi)型：PWM & OPP;

（6）額定電壓上升率，最大：< 4 kV/us。

3.1.2 輔助逆變器

臺(tái)車(chē)設(shè)有兩個(gè)輔助逆變器，輔助逆變器1（AUX1）和輔助逆變器2（AUX2）。

輔助逆變器1（AUX1）從電隔離中間直流環(huán)節(jié)逆變出電流限制的三相輸出電壓，輔助電源逆變器的工作頻率為50 Hz的恒定基本頻率。

輔助逆變器2（AUX2）將DC110V蓄電池電壓逆變出電流限制的三相輸出電壓，輔助電源逆變器的工作頻率為50 Hz，電壓380V AC，輔助逆變器2僅用于蓄電池緊急牽引工況時(shí)給牽引逆變器的散熱風(fēng)機(jī)供電。

3.2 牽引電機(jī)

牽引工況下，牽引逆變器輸出變頻變壓的三相交流異步電機(jī)，電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，通過(guò)聯(lián)軸器和齒輪箱，傳遞到車(chē)輪，驅(qū)動(dòng)車(chē)輛前進(jìn)。

在制動(dòng)時(shí)，電機(jī)處于發(fā)電工況，將車(chē)輪的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能，通過(guò)牽引逆變器的轉(zhuǎn)換，將電能消耗在制動(dòng)電阻上。

3.3 蓄電池

蓄電池安裝在列車(chē)頂部，采用目前軌道交通應(yīng)用最安全的鈦酸鋰電池，供電電壓為DC110V，容量160 Ah/臺(tái)車(chē)，采用冗余設(shè)計(jì)，可以在緊急狀況下為整車(chē)DC110V負(fù)載供電，供電時(shí)間大于30 min。蓄電池也可以用于在電網(wǎng)無(wú)電時(shí)的應(yīng)急牽引，在無(wú)電狀況下將車(chē)輛牽引至下一站，保證乘客安全。

4 牽引系統(tǒng)控制功能

牽引控制單元（TCU）根據(jù)司機(jī)指令（或ATO）完成車(chē)輛牽引/制動(dòng)特性控制及邏輯控制，通過(guò)對(duì)電路中接觸器控制、高速斷路器（HSCB）及VVVF逆變器等控制來(lái)完成列車(chē)牽引力及制動(dòng)能力的計(jì)算。

4.1 高壓電路控制

車(chē)輛牽引輔助變流器與電網(wǎng)之間是靠高速斷路器（HSCB）進(jìn)行隔離，通過(guò)受電靴導(dǎo)電，HSCB由車(chē)輛控制，HSCB的閉合/斷開(kāi)指令通過(guò)司機(jī)操作司機(jī)控制臺(tái)上的高速斷路閉合、斷開(kāi)兩個(gè)“按鈕開(kāi)關(guān)”給出脈沖，該信號(hào)通過(guò)列車(chē)線（L_MCHSCB）送到各個(gè)牽引變流器，牽引逆變器通過(guò)高斷信號(hào)的可靠性，進(jìn)行分?jǐn)嗪烷]合。

4.2 牽引/制動(dòng)特性控制

牽引變流器運(yùn)行時(shí)以網(wǎng)絡(luò)模式為主，硬線模式為輔，在硬線模式下使用軟件默認(rèn)的牽引制動(dòng)百分比。

牽引/制動(dòng)運(yùn)算時(shí)，根據(jù)中間直流電壓、牽引電機(jī)轉(zhuǎn)矩包絡(luò)線、列車(chē)速度、司機(jī)/ATO給定的極位以及IGBT反饋的指令等，計(jì)算出電氣牽引/制動(dòng)發(fā)揮的轉(zhuǎn)矩值，在運(yùn)營(yíng)的不同工況下，變流器通過(guò)脈沖寬度調(diào)制（PWM）或優(yōu)化脈沖模式（OPP）來(lái)開(kāi)通IGBT，從而控制變頻器的輸出電壓幅值、相位和頻率，使電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩值與系統(tǒng)給定值一致，同時(shí)控制牽引/制動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)矩上升和下降的斜率變化，確保列車(chē)沖擊率在限定范圍內(nèi)。

4.3 負(fù)載補(bǔ)償控制

列車(chē)的負(fù)載重量通過(guò)空氣彈簧測(cè)量平均空氣壓力。如果負(fù)載測(cè)量故障，TCMS 會(huì)向牽引變流器發(fā)送一個(gè)默認(rèn)值（保持最后一次載荷信息）。在制動(dòng)和牽引模式下，可以使用不同的默認(rèn)值。

牽引變流器在停車(chē)時(shí)讀取列車(chē)車(chē)重信號(hào)，此時(shí)沒(méi)有牽引指令（L_MOTOR 為低電平）。當(dāng)L_MOTOR 為高電平時(shí)，經(jīng)過(guò)處理的車(chē)重信號(hào)將用作進(jìn)一步的計(jì)算，當(dāng)列車(chē)車(chē)重信號(hào)無(wú)效時(shí)，牽引系統(tǒng)按照默認(rèn)（保持最后一次載荷信息）車(chē)重進(jìn)行計(jì)算，牽引力和制動(dòng)力將根據(jù)以下兩式做調(diào)整。

BEDnew 不應(yīng)該大于 BE_MAX1，BE_MAX1 為AW2 下最大減速度對(duì)應(yīng)的制動(dòng)力。

TEDnew 不應(yīng)該大于 TE_MAX1，TE_MAX1 為AW2 下最大加速度對(duì)應(yīng)的牽引力。

4.4 蓄電池應(yīng)急牽引控制

在列車(chē)收到零速信號(hào)，牽引手柄為N的時(shí)候，司機(jī)給出蓄電池牽引模塊硬線信號(hào)給牽引變流器控制單元。

牽引控制單元進(jìn)入蓄電池緊急牽引模式，將蓄電池的110V DC逆變給牽引電機(jī)以驅(qū)動(dòng)列車(chē);蓄電池緊急牽引模式牽引力為固定力，列車(chē)速度≥5 km/h;制動(dòng)時(shí)僅液壓制動(dòng)，電制動(dòng)不參與。

4.5 故障診斷測(cè)試

控制單元將故障信息閃存在系統(tǒng)內(nèi)。故障信息包括：故障名稱(chēng)、故障部件、故障等級(jí)、故障發(fā)生的日期和時(shí)間、故障消失的日期和時(shí)間及相關(guān)的環(huán)境數(shù)據(jù)，控制單元將故障信息通過(guò)列車(chē)網(wǎng)絡(luò)傳送至TCMS，儲(chǔ)存于列車(chē)控制單元中。

故障環(huán)境數(shù)據(jù)采樣周期，最短的為0.25毫秒，最長(zhǎng)為1秒。

事件分類(lèi)如警告和故障連同時(shí)間一起記錄在非易失存儲(chǔ)區(qū)，同時(shí)相同的數(shù)據(jù)傳送到列車(chē)總線作為診斷信息。各種信號(hào)，參數(shù)和動(dòng)態(tài)的錯(cuò)誤及警告可以通過(guò)運(yùn)行于PC機(jī)的逆變器診斷軟件（BORDLINE?-View）進(jìn)行在線的監(jiān)視。

5 結(jié)束語(yǔ)

本次設(shè)計(jì)的電氣牽引系統(tǒng)采用先進(jìn)的高速微處理器和直接轉(zhuǎn)矩控制方式以及先進(jìn)成熟的電制動(dòng)控制技術(shù)。

武漢懸掛式列車(chē)自投產(chǎn)到運(yùn)營(yíng)，受到各軌道交通行業(yè)的高度認(rèn)可，車(chē)輛現(xiàn)已完成例行和型式試驗(yàn)，同時(shí)，車(chē)輛已可實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛，車(chē)輛電氣牽引系統(tǒng)運(yùn)行良好，各項(xiàng)技術(shù)性能符合設(shè)計(jì)要求。

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