摘要:地铁车辆的电气牵引控制系统是由牵引电器和列车电路构成的。牵引电器包括:受流器、牵引电机、传动控制装置、其他牵引电力电子转换控制系统。列车电路包括:主电气回路、辅助电路、控制电路。现在微型计算机控制己代替了传统使用的模拟电路广泛应用于控制电路。它可根据司机的操作和牵引回路的状态及相应信号调节斩波器,对各接触器、继电器、电磁阀、发光二极管等发出指令,达到所要求的恒流牵引、电阻制动及再生制动等控制。
关键词:地铁车辆;电气牵引;控制系统
1引言
地铁车辆的电气牵引主要由车辆的牵引力和相关电气设备控制组成,主要是一种由电力产生的牵引能量转化,从而促使地铁进行运行,这种电路设备要求具有较强电压承受力的电流和大功率的电源电路,经过这样的电气作用下,牵引就能实现。车辆的牵引系统作为地铁运营系统中的核心,电气牵引系统能够通过控制地铁车辆运行系统当中的电流完成对地铁车辆的牵引制动工作。由此可见,地铁车辆的牵引系统是整个运营系统当中的关键技术之一,也是地铁运营事业发展的重点和难点,基于此,本文主要以某地铁为背景对地铁车辆电气牵引及控制系统进行分析。
2牵引系统概述
地铁交通车站之间往往距离较短,运行过程小的调速和停车都比较频繁。为了提高列车的运行速度,必须使其起动提速快、制动距离短。因此地铁车辆的牵引系统制动应具备如下性能:制动灵活、制动迅速,制动和缓解时前后部车辆冲击小;具有足够的制动力,保证车辆在规定的制动距离内安全停车;应尽量发挥动力制动能力,以减少对城市环境的污染和降低运行成本。在制动工况时把牵引电动机变为发电机、通过轮对将列车动能变为电能。这时牵引电动机轴上的反转矩作用在机车动轮上形成电制动力,称为电气制动。采用这种制动可以提高列车运行速度,降低机车车辆轮箍闸瓦的磨损。城市轨道交通车辆一般均采用再生制动与电阻制动相结合的电制动优先、空电联合制动方式,保证在制动系统允许的条件下得到尽可能大的制动减速度。牵引系统主要设备包括:受电弓(PAN):避雷器(LP);高压箱(HV,含高速断路器HSCB);线路滤波器D;制动电阻(BR);牵引逆变器(VVVF);牵引电动机(M0T0R)等。下面就几个核心的关键稍作介绍。
(1)高压箱:高压箱由主隔离开关、高速断路器、充电单元等组成。主隔离开关MS用于主电路的隔离以及通过其机械联锁开关(DS)将支撑电容器C的快速放电电路接通,以保证安全。高速断路器HSCB用于主电路的故障保护,当主电路出现严重故障时进行快速保护。
(2)滤波电抗器箱:线路电抗器与支撑电容器构成线路滤波器,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。滤波电抗器为空心式电抗器,采用走行风冷却方式。线路电抗器电感值为L=5mH。
(3)制动电阻箱(BR):车辆在牵引或制动工况时,通过触发导通斩波模块,能抑制因空转或其他原因引起的瞬时过电压,再生制动时,能够吸收再生制动能量,确保再生制动的稳定进行。制动电阻采用强迫风冷。当列车进站时,关闭冷却风机,提高候车乘客的舒适度,同时节省能源。
(4)牵引逆变器箱(VVVF):逆变器单元采用IGBT元件,为两电平逆变电路。主电路由2个逆变器单元(INvMK1、INVMK2)组成,每个逆变器单元集成三相逆变器地三相桥臂(逆变单元)及制动相桥臂(制动斩波单元),驱动2台异步牵引电动机。2个逆变器单元集成在一个VVVF逆变器箱中,驱动4台牵引电动机。逆变器单元采用抽屉式结构,冷却采用热管散热器走行风冷却方式。每个逆变单元都集成了支撑电容,电容值为4-3mF。
(5)牵引电机:牵引电动机为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,满足IEC60349—2的要求。牵引电动机采用全悬挂安装在转向架上,通过联轴节进行传动,由VVVF牵引逆变器进行变频变压供电。
(6)牵引控制单元:牵引控制单元(DCU)放置于VVVF逆变器箱内,采用无边插头6U标准插箱,从各插件的前面板输入／输出信号,DCU与IGBT变流器模块之间通过屏蔽电缆传输触发脉冲和反馈信号,实现对IGBT变流器模块控制的目的。DCU内部采用32位的高速微处理器CPU及32位的数字信号处理器DSP芯片。DCU是电传动系统核心控制部分,接受列车网络或硬连线指令信号,控制主电路中的高速断路器(HSCB)和各接触器,输出VVVF逆变器的控制脉冲。牵引控制单元(DCU)根据司机指令(或ATO)完成对列车牵引／制动特性控制和逻辑控制,实现对主电路中接触器的通断控制和VVVF逆变器的启,停控制,计算列车所需的牵引,电制动力等。
3地铁车辆电气牵引的控制系统
(一)地铁电气牵引的交流传动控制
交流传动技术是地铁车辆的电气牵引系统中应用的重要技术之一,为地铁车辆电气牵引系统的安全运行提供了有效地保障。所谓交流传动技术实际上是一种逆变集成技术,集成了异步电机控制技术、粘着控制技术、参数识别技术以及传动系统故障诊断与保护技术等多种技术内容,弱化了电气牵引系统内部各部件电流相互之间的负面影响,强化了对电气牵引系统控制的全面性和统一性。同时,通过对交流传动技术的有效利用,解决了地铁电气牵引系统中的线路运行过于复杂的问题,提升了异步牵引电机控制理论的可行性,并且提高了地铁列车运行的安全性和稳定性,满足了地铁列车电气控制的复杂需求。
(二)牵引控制
地铁车辆的牵引控制往往通过司机控制器将模拟信号传给牵引逆变器,然后通过牵引逆变器对信号进行分析处理之后传输给具体的牵引/制动控制装置,从而实现地铁的牵引控制。但是在地铁的正常运行过程中,由于地铁车辆运行速度过快,使得单纯依靠司机控制室命令进行车辆速度调整方案的实用性较低,因此在车辆的牵引系统程序设定上,加设对车辆运行速度的控制条件,也就是说,一旦地铁车辆的运行速度超过设定标准,则制动装置立即、自动启动,实现对地铁牵引系统的控制和管理。当地铁车辆速度恢复到设定范围以内时,相应的制动装置控制系统也恢复为牵引系统所控制,进而保证地铁车辆运行速度的统一,保证地铁运行的平稳而安全。
4总结
综上所述,电气牵引系统是地铁列车车辆正常运行的基本保障,是地铁车辆系统的关键组成部分,同时也是一项技术难度要求较高,设备连接较为复杂的重要系统,因此要求在地铁车辆的电气牵引设计施工时,明确电气牵引和控制中的问题与难点,以优化和完善地铁车辆电气牵引与控制系统结构为原则,引导未来车辆设计的方向,进而提升我国相关专业技术的应用水平。
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