地铁车辆电气牵引系统的电气控制探讨

曹雯

摘要：随着社会的发展，交通方式的多样化，牵引系统的设计越来越重要。本文对地铁车辆电气牵引系统的特点进行了分析，并且对牵引系统的构成作出了详细的描述。并且依托工程实例，对地铁车辆牵引系统的控制电路及控制方式作出了较为详细的分析，并且对地铁电器控制方案提出了规划和建议。

关键词：地铁车辆牵引系统；电器控制；牵引逆变器；牵引系统

一、地铁车辆电气牵引系统概述

一个系统推进车辆的牵引力或者驱动力是各种设备提供的。如柴油发动机，、蒸汽机、电机等。这样的系统称为牵引系统。这种牵引力可以是柴油，蒸汽或电力。系统大体上可分为非电力牵引和电力牵引系统。出于环保、成本等各方面因素，电力牵引系统越来越多地被应用于各种交通工具。它比无电牵引系统有许多优点，如更清洁，更容易处理，不需要煤和水，易于速度控制，效率高，维护和运行成本低，等等。

深圳地铁车辆采用的是电气牵引系统。电气牵引是在某一阶段或所有阶段的机车运动中使用的。它是一种电力驱动列车上的高电压，在大电流，高功率电源电路，电气制动的条件下，在车辆的动能传递到变电站，转化电气制动力，来实现功率转换和传输。同时，电容器滤波电路反应器一起形成一个倒L型的过滤器装置，直流电压的波动可以保持在允许的范围之内，使逆变器的电动机电流的精确控制变得可能。

二、地铁车辆电气牵引系统构成

为了能够更好的分析地铁车辆电气牵引系统的控制方式，我们首先要对地铁车辆电气系统的整体设计有一个概念。先从整体上了解地铁车辆牵引系统的特点，再对地铁车辆电气牵引系统电气控制方式进行分析，这样在设计具体的方案的时候能够提高效率。

图一显示了一个交流机车系统的框图，采用单相电源驱动三相电机。该系统的各个组成部分包括架空接触导线、断路器、受电弓、变压器、三相牵引电机、整流器、逆变器、平滑电抗器等。下面结合具体的工程实例介绍牵引系统的构成。

例如：苏州轨道交通列车采用由2个动力单元组成的4辆编组型式。列车搭载有2台受电弓，每台受电弓向1个动力单元供给高压电源。为防止因1台受电弓故障时，造成牵引逆变器（VVVF）和辅助逆变器（SIV）停止工作；同时也保证在1台受电弓故障时，受电弓故障单元侧的辅助逆变器（SIV）也仍能工作，列车全列贯通系统高压母线[2]。而南昌地铁1号线的牵引系统的关键部件主要有高压箱（HV），滤波电抗器箱，制动电阻箱（BR），牵引逆变器箱（VVVF），牵引电机等。VVVF主要电力开关元件为IPM，通过控制施加到其门极的电压来打开或关闭各IPM元件；通过调节IPM开关的次序，可控制三相输出的频率、相位和电压，将直流电转换为交流电，提供电机所需要的输出电压和频率。

在这些系统中，AC感应牵引电动机，VVVF非接触控制，维护大大降低；电气牵引系统的尺寸和重量减小，减轻重量，粘附性能，提高密合性的能力。

三、牵引主电路及主要设备

有的地铁车辆电气牵引系统为了防止电路故障，会设置两个受电弓。当一个受电弓出现故障时，另一台受电弓可以继续工作，大大提高了牵引系统的正确性和可靠性。一台受电弓如果短时离线的话大体上不会影响整个系统的温度性。但是若只有一台受电弓长时间工作，那么它所提供的动力将不足两台受电弓工作时所提供的动力。因此故障受电弓那一侧的牵引逆变器应该停止工作。传递停止控制命令由列车传送系统完成。

图一交流机车系统框图

三轨流动和受电弓转换器的选择主要取决于电源电压。电源电压DC750V，一般使用铁路，减少对城市景观的影响；电源电压DC1500V，一般采用的电气接触线电压降低的优势，减少能源损失，同时需要牵引变压站。

四、牵引系统的控制设计

牵引逆变器是牵引系统电气控制的核心单元。车轮轨道是电源负极，轨道边上还有一条供电轨，安在车辆转向架侧面的集电靴会把供电轨的750V直流电引入车内进入牵引变流器，牵引变流器把直流逆变成频率，电压可控的三相交流电驱动牵引电机，调节变流器的输出频率，电压就可以改变电机转速，从而控制车速。还需要牵引变流器来将电能量从直流转换到交流，控制各个牵引电动机。

4.1电气控制原理图的设计

牵引系统的最关键的部分就是电气控制，除了要对它的核心组件进行了解之外，如何设计其电气控制原理图也是非常重要的一部分。只有设计图正确，才能保证在实际实现的时候不会出现大的纰漏。设计控制原理图主要分为四个步骤：

4.1.1确定电力牵引方案

确定电力牵引方案前要在对生成机械的基本结构，各个基本组件，以及各个组件运行时所起的作用以及运行情况和运行原理要有充分的了解。在对基本情况掌握之后，确定电力牵引的牵引方案。如确定相关的控制方式，比如调速，制动等。

4.1.2确定电气控制方案

确定电器控制方式的时候要结合电气牵引方案进行综合性的考虑。在安全性、正确性、可靠性都满足的情况下，使得这二者结合效率更高。而不是只是某一方面越先进越好。例如南京地铁工程中控制逻辑简单的设备，采用继电器接触器控制方式；对于控制逻辑复杂的设备，则采用可编程序控制器[5]。

4.1.3将设计规范化，统一标准。

不论哪个领域的方案设计，很关键的一点就是统一设计标准。不同的设计标准会使得各模块在集成的时候遇到很大的麻烦，由于标准不一致导致模块设计中出现模块互相矛盾的情况，严重的甚至需要重新设计。增加了工作量和设计成本。因此在进行方案设计之前，各个模块的标准就应该定下来，为后面的工作做准备。

4.1.4确定各模块之间的接口

为了各个模块更好的集成，不仅要将设计规范化，各个模块之间的接口也是非常重要的。地铁工程因其复杂性，接口问题十分重要，有工点与工点之间的接口、专业与专业之间的接口、有技术接口、管理接口、有物理接口和时间接口等等[5]。为了使得各个模块顺利集成，在设计前，互相关联的模块工作人员要互相交流，达到一致，并且在设计过程中不断沟通，做出改进。

五、结语

随着轨道交通的发展，地铁车辆牵引系统的电气控制设计的质量也将会引起越来越多的重视。在设计地铁牵引系统的时候，要对基本情况及原理有了深刻的掌握的之后再进行设计。在设计的时候不妨参考一些国内外的成功案例，吸取失败案例的教训。同发达国家相比，我国的地铁车辆牵引系统还存在这很大的不足，可以从德国、日本等国家借鉴学习一些经验。

参考文献：

[1]杨利利.地铁车辆电气柜逻辑检测系统的软件设计与研究[D].南京理工大学，2014-02-01.

[2]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，2012-01-10.

[3]范伟媛.论述地铁车辆电气系统中牵引与辅助系统的故障检修[J].科学中国人，2015-05-15.