地铁车辆电气牵引技术探究

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　　摘 要：地铁车辆电气牵引技术朝着信息化、自动化和智能化的方向前进，以往的数字控制已趋于淘汰，取而代之的是通过计算机系统控制的电气牵引，此种牵引方式可以通过计算机系统完成自检，从而达到自控的目的，同时，自主控制还能够进行智能化的信号处理、信号输出，并利用数据传输完成对车辆的控制。
　　关键词：电气;地铁;牵引
　　一、地铁车辆牵引技术发展及应用
　　1.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。
　　2.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、当前地铁车辆电气牵引系统设计
　　针对某城市的轨道交通情况进行车辆电气牵引系统设计，通过电气牵引技术的运用实现车辆的智能控制。
　　1.车辆基本情况。作为城市轨道交通工具，需要具备架空接触网进行供电。车辆选购为中国著名地铁车辆生产厂家所生产的车辆，车辆车轮能够长时间保持清洁和干燥，且在平直轨道运行中最快速度能够达到80km/h，列车加速度大于0.7m/s2，列车制动速度不能小于1.2m/s2，制动减速度不小于1.5m/s2。
　　2.元件选择。为了能够满足车辆的运行需要，运用交流传动作为主要电气牵引技术进行牵引系统设计，首先需要根据基本需求原则选择元件。在一般的系统架构当中，元件选择一般为受电器和断路器两个方面，针对地铁轨道交通的各项需求，选择了具备高速断路器和充电设备的高压箱，具备支撑电容器和线路电抗器的滤波电抗器箱，以及制动电阻箱、牵引电动机等，利用这些设备，满足了系统设计的基本元件需求。
　　滤波电抗器箱在系统当中主要负责方向为维持电压稳定和吸收谐波电压两个方面，本次选择滤波电抗器箱还考慮到其拥有阻挡逆变器干扰的能力，可以在逆变器出现短路时，通过转换开关单元来实现空心。为了避免电压过高，设计中选用了制动电阻箱，该设备应用于牵引过程中，可以利用导通斩波模块来实现电路阻隔，最终完成电压控制，同时还能够为车辆紧急制动提供能量，维持车辆平稳运行。牵引电动机是电器牵引交流传动中重要设备，为了满足地铁车辆的运行需求，选择了四极自通风的三相鼠笼式异步牵引电动机，该型号电动机可以悬挂在地铁车辆上方的转向架上，利用联轴节完成传动和牵引，并利用逆变器完成电能传输。
　　3.牵引系统。在目前的电气牵引技术研究中，为了增大电动机的牵引压力，一般采用无吸收电路式逆变器，通过其中的绝缘IGBT模块，实现轨道车辆的结构紧凑、体量轻盈需求。本文在设计当中也采用了这种逆变器。在实际系统设计中，本文选用第三轨供电，满足地铁车辆的电气牵引要求，并设定了每小时0-43km的恒定引力范围，从而实现了每小时43-65km的恒定速度。基于此可以计算得出，恒定牵引力可以设置为350kN，自然牵引力则应该设定为230kN。同时，为了保证牵引可以规范在载荷范围之内，还需要专门设定车辆的牵引条件，使车辆能够在电气系统的牵引下，自动完成载荷调节。此外，制动方式本文采用了具有突出优势的全电制动方式，为了避免以往气制动在制动时出现的车辆剧烈摇晃现象，本文在电气牵引系统当中加入了全电制动设备，从而提高了停车精度，使噪声得到减小，还使车辆更加平稳，提高了行驶质量。
　　三、电气控制系统设计
　　1.电气控制。地铁车辆的电气牵引系统设计完成后，需要对电气控制系统进行设计。首先对列车开启之后的动能与电能的转化问题，需要用电气控制系统进行约束，在地铁电网系统中，车辆与电网的连接的方式决定决定了电能损耗，为了降低电能功率损耗，利用电气控制的方式进行控制，让电动马达的运行更加安全和合理，并从根本上节约电力使用量。在设计中选用PWM低噪声控制方法，通过变频变压逆变器VVVF的脉宽调制，实现了高频全域的异步、同步和低频全域异步、同步的控制，最终实现了电力使用量的降低。另外还运用了矢量控制方法，利用无速度传感器使电气牵引的轴向距离得到增加，从而实现对转矩电流的控制，大幅度提升了转矩响应的速度，且提高了测算速度，使电气传动牵引更加科学。
　　2.牵引控制。在牵引控制单元中，硬件设计包括：开关单元（PWR）、数字输入（DIO）、数字输出（DIO）、系统管理通信（SMC）、脉冲转换单元（PCU）、电机控制单元（MCU）、信号处理单元（SPU）、辅助处理单元（PAU）。通过这些硬件的选择和使用，可以进一步实现牵引控制单元的数字化，并能够将数字化运用于控制管理当中，管理人员可以通过数字化的信号传输和显示，对既以发生和可能发生的线路故障进行诊断和预估，并根据控制单元和电气牵引系统相连接的数据传递，实现紧急启动/制动牵引，保障行车安全。其中，电源开关是整个控制系统的电流供应插件，数字的输入和输出在本工程中包含了二十个110V的数字信号传递任务，在硬件设置中本文还加入了隔离转换器，可以将二十个110V信号转化成为5V信号进行传输。为了保证传输效果，还需要加装MOS输出信号插头、继电器插头等若干个开关。牵引控制单元可以利用这些硬件，对列车进行牵引控制，并保证列车牵引、方向、电机转向等判断准确，最终实现有效控制。
　　四、结语
　　随着技术的进步和发展，交流传动的电气牵引技术步入轨道交通的历史舞台。交流传动取代直流传动，除了具备结构简单的优势之外，还在技术发展的过程中逐渐形成了自动化的控制系统，从而保证了列车运行牵引过程更加平稳和高效，使城市轨道交通取得长足发展与进步。
　　参考文献：
　　[1]范伟媛 城市轨道车辆电气传动系统的发展 《黑龙江科技信息》-2015年第8期.
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