地铁车辆电气牵引系统探讨

地铁车辆电气牵引系统探讨

梁英才

深圳市地铁集团有限公司运营总部

摘要：近几年来地铁运营发展速度迅速，有效缓解了城市交通压力。地铁车辆电气的牵引系统作为关系到车辆的行驶安全及性能的重要组成部分，对其进行研究具有重要意义。本文主要对于深圳地铁车辆的电气牵引的特点、组件及牵引主电路等进行探讨。

关键词：地铁车辆；电气；牵引系统

一、牵引系统概述

深圳地铁1号线车辆采用四动两拖六编组形式（4M2T）：=Tc-Mp-M+M-Mp-Tc=，其中Tc为有司机室的拖车、Mp为有受电弓的动车、M为无受电弓的动车；=为全自动车钩、+为半自动车钩、-为半永久牵连杆。列车由两个单元车组组成，每个单元车组由一辆拖车和两辆动车组成。控制方式为车控（1C4M）即每辆Mp/M车上设有1台牵引逆变器VVVF，驱动4个异步牵引电动机工作。列车采用架空接触网方式受电，额定电压DC1500V。牵引系统采用VVVF交流传动技术，具有防滑、防空转功能。每辆Tc车上设有1台辅助逆变器SIV，每个辅助逆变器的输出分两路，一路输出为380V、50HZ三相交流电，用于辅助交流设备的供电，另一路为110V直流，用于直流控制设备的供电及蓄电池充电。

图1电气牵引系统框图

图2牵引传动系统

二、电气牵引系统的功能

牵引系统是地铁车辆的动力源，主要由VVVF逆变器和三相交流牵引电机组成。深圳地铁5号线部分车辆采用南车株洲时代的VVVF逆变器-异步牵引电动机构成的交流传动系统；采用高性能的交流传动直接转矩控制策略，具有反应迅速、可靠的空转/滑行保护并优先使用电制动。列车在AW2载荷工况下，在丧失1/4动力情况下，列车可以正常往返一个全程；在AW3载荷工况下，可适当降低列车运行速度。列车在AW3载荷工况下，在丧失1/2动力情况下，能在正线35‰的坡道上起动，运行到下一站，清客后空车能运行至车辆段（AW0表示地铁车辆空载；AW1表示地铁车辆座客载荷；AW2表示地铁车辆定员载荷6人/㎡；AW3表示地铁车辆超员载荷9人/㎡）。

每辆Tc车安装1套辅助供电系统，为车辆设备提供电源输出。正常情况下，一列车的两套辅助电源装置向全列车的负载提供电源，但当其中一台辅助逆变器故障时，另一台逆变器则通过扩展供电装置向全车的负载供电（此时空调机组自动减载运行，制冷能力减半），保证列车正常运行。

列车电制动采用再生制动，最大限度地把能力反馈回电网；当电网不能吸收一部分或全部再生能量时则投入制动电阻，补充电阻制动；当电制动力不足时，用空气制动补充总制动力。紧急制动完全使用空气制动。

三、电气牵引系统的组成

牵引系统是地铁车辆的关键系统，是车辆的动力源，主要部件有熔断器箱（MF）、高压电器箱（HV）、滤波电抗器（LR）、牵引逆变器箱（VVVF）、制动电阻箱（BRE）、牵引电机1～4（IM1～IM4）、避雷器（ARR）、接地碳刷（EB）。

熔断器箱（MF）的组成为主熔断器和辅助熔断器。当电源接地或短路时，熔断器箱的相应熔断器熔断，切除被保护电路。

高压电器箱（HV）由主隔离开关（MQS）、高速断路器（HB）等组成。主隔离开关（MQS）用于主电路的隔离以及通过其机械联锁开关（MQSI）将支撑电容器C的快速放电回路接通，以保证安全。高速断路器用于主电路的故障保护，当主电路出现严重故障时，高速断路器断开，以实现主电路的故障保护。同时对检测到的过电流进行快速响应脱扣，高速断路器立即分断，以实现主电路短路保护。列车及主电路高压回路系统的保护值和特性将和变电站主保护相协调，其中高速断路器的分断特性将与变电站的保护特性相匹配。

滤波电抗器（LR）使主电路直流侧支撑电容器电压保持稳定并将电压波动限制在允许范围内，同时，吸收直流输入端的谐波电压，抑制逆变器对输入电源网的干扰，在逆变器发生短路时抑制短路电流并满足逆变器开关元件换相的要求等。支撑电容器集成在VVVF逆变器的逆变器模块上。滤波电抗器为空心式电抗器，釆用走行风冷却方式。

牵引逆变器单元（VVVF）采用IGBT模块，为两电平逆变电路。主电路由两个逆变器单元（INV1、INV2）组成，每个逆变器单元集成三相逆变器的三相桥臂及制动相桥臂，驱动2台异步牵引电动机。2个逆变器单元集成在一个牵引逆变器箱中，驱动4台牵引电动机。逆变器模块采用冷却采用热管散热器走行风冷却方式。逆变器控制装置即牵引控制单元（DCU），采用“异步电动机直接转矩控制”和“粘着控制”软件，主要完成对IGBT逆变器暨交流异步牵引电机的实时控制、粘着控制、制动斩波控制，同时具备完整的牵引变流系统故障保护功能、模块级的故障自诊断功能和一定程度的故障自复位功能以及部分车辆级控制功能，DCU是组成列车通讯网络的一部份，与多功能机车车辆总线MVB接口及通信。

制动电阻箱（BR）安装于车辆底架下，每辆动车有一个制动电阻箱，每个箱内有两个电阻单元Re01、Re02，为强迫风冷方式。

牵引电机1～4（IM1～IM4）为4极自通风三相鼠笼式异步牵引电动机。该牵引电动机是专为地铁车辆设计。牵引电动机采用架承式悬挂（全悬挂）安装在转向架上，通过联轴节进行传动，由VVVF牵引逆变器进行供电。额定功率为190KW。

接地碳刷（EB）动车每轴设一接地装置。接地装置能保证列车接地电路及车体接地良好，其通流能力与主回路参数相匹配，且不允许造成车辆轴承的电蚀。

四、牵引系统的主电路

列车通过Mp车上的受电弓与接触网接触受电。为防雷击等浪涌电压的侵袭，列车设置避雷器，安装在受电弓附近。Mp车受电弓引出的动力线经熔断器箱进入高压电器箱，而M车直接由前车Mp车引入动力线，进入高压电器箱，经滤波电抗器到牵引逆变器，给电机提供电压和频率都可调的动力通过牵引电机进行牵引。电制动时候，可以将剩余的能量消耗在制动电阻上。

五、总结

目前深圳地铁线上运营的各线列车有庞巴迪列车MOVIA系列、北车长春客车、南车株机列车等车型，各车型电气牵引系统各有优劣。近年来国产列车不管是在价格还是性能指标方面都有明显的进步，竞争优势尤其明显。本文就深圳地铁线上运营各列车电气牵引系统进行探讨，为地铁列车在未来采购和维护上提供技术支持，促进地铁行业发展。

参考文献：

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[2]陶生桂，胡兵.城市轨道车辆电气传动系统发展综述[J].电力机车与城轨车辆，2007，02。

[3]李东林.城市轨道交通车辆电气牵引系统自主研发与应用[J].机车电传动，2012，01。