黃 金，張 波，郭曉燕（中國鐵道科學(xué)研究院 機車車輛研究所，北京100081）

北京地鐵13號線正線雙線線路全長40.58km，于2002-09通車試運營，2003年全線開通。車輛采用第3軌供電方式，額定電壓DC 750V，電壓變化范圍500～900V，再生制動時不高于DC 1 000V。列車初始為4輛編組：2動2拖；后續(xù)為6輛編組：3動3拖［1］。本文牽引系統(tǒng)的設(shè)計以4輛編組原型車為例對牽引系統(tǒng)設(shè)計展開討論和計算。

1 列車基本技術(shù)參數(shù)及性能要求

4輛編組列車采用Tc+M+M1+Tc的編組形式，Tc為帶司機室的拖車，M，M1為不帶司機室的動車。列車超員載重202t。

運行阻力：

其中v速度，km／h；Wt動車總重，t；Wt拖車總重，t；n車輛總數(shù)。

2 列車牽引仿真計算

2.1 加速度及牽引／電制動特性

快起快停是城市軌道交通的一大特色。這就要求城軌車輛有較大的起動加速度及制動減速度。

GB／T 7928《地鐵車輛通用技術(shù)條件》中對地鐵車輛起動加速度的規(guī)定［2］：“定員情況下，在平直干燥軌道上，車輪為半磨耗狀態(tài)，額定供電電壓時，如無特殊要求，起動平均加速度為：列車從0加速到40km／h，不低于0.83m／s2；列車從0加速到80km／h，不低于0.5 m／s2?！蹦壳埃瑖鴥?nèi)地鐵車輛招標(biāo)書要求的0～40km／h平均加速度往往高于GB／T 7928的規(guī)定，如杭州地鐵定員載荷0～40km／h平均加速度要求大于1.0m／s2。本文介紹的北京地鐵13號線地鐵列車設(shè)計平均加速度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)要求。不同載荷條件下列車牽引滿級的最大起動加速度均為0.89m／s2，超員載荷恒轉(zhuǎn)矩恒功率轉(zhuǎn)換速度點為38.1km／h，自然特性轉(zhuǎn)換速度點為42km／h。其他載荷條件下的特性以超員載荷牽引特性外包線為準(zhǔn)進行調(diào)整。圖1為北京13號線地鐵列車牽引滿級不同載荷條件下的牽引特性。

圖1 北京13號線地鐵列車不同載荷滿級牽引特性

GB／T 7928《地鐵車輛通用技術(shù)條件》中對地鐵車輛制動平均減速度的規(guī)定：定員情況下，在平直干燥軌道上，車輪為半磨耗狀態(tài)，列車從最高運行速度到停車，如無特殊要求，制動平均減速度為：常用制動平均減速度不低于1.0m／s2；緊急制動平均減速度不低于1.2 m／s2?！?3號線地鐵列車再生制動力不足的情況下，需要空氣制動力補足。電制動特性設(shè)計原則與牽引特性設(shè)計原則相同，首先確定超員載荷下的電制動特性外包線，而后依次確定其他載荷條件下的電制動特性?？紤]到黏著利用的問題，13號線地鐵列車超員載荷電制動滿級設(shè)計減速度為0.76m／s2。

2.2 牽引仿真計算結(jié)果

根據(jù)上述地鐵列車牽引、電制動特性曲線，進行相應(yīng)的牽引計算，模擬北京13號線地鐵列車的載客運營能力，校核高壓側(cè)及電機側(cè)的電氣參數(shù)。本文選取典型區(qū)間大鐘寺站到知春路站的計算結(jié)果，站間距離為1 206m。接觸網(wǎng)電壓牽引工況750V，電制動工況850V，列車超員載荷。列車牽引滿級起動，速度達到最大后恒速運行，電制動（非滿級）停車。圖2為列車直流側(cè)總電流。圖3為列車牽引電機總功率。

圖2 列車直流側(cè)總電流

圖3 列車牽引電機總輸出功率

3 牽引系統(tǒng)部件選型

地鐵列車牽引系統(tǒng)包括多種電氣部件，如高速斷路器、熔斷器、線路接觸器、制動電阻、逆變器、牽引電機等。圖4為北京13號線地鐵列車主電路圖。一個動車單元共4臺牽引電機，分別由兩組牽引逆變器供電。兩組牽引逆變器共用一臺高速斷路器HB及一臺預(yù)充電接觸器LB1。本文主要針對牽引系統(tǒng)中高速斷路器、線路接觸器及牽引電機的選型展開討論。

3.1 選型原則

額定工作電壓、額定功率是牽引電機選型的關(guān)鍵參數(shù)。

額定工作電壓和額定發(fā)熱電流是直流側(cè)開關(guān)電器部件選型的兩個關(guān)鍵參數(shù)。由于城軌列車快起快停的特性，電氣部件大部分為周期性間斷工作制。不管是牽引電機還是直流側(cè)電氣部件都有可能存在短時間過載工作的情況，流過部件的瞬時功率或瞬時電流已不能完全作為電氣參數(shù)選型原則。本文采用區(qū)間等效電流及區(qū)間等效功率作為選型依據(jù)。

圖4 牽引系統(tǒng)主電路圖

3.2 部件選型

如圖5所示，區(qū)間AB電流瞬時值為I（直流側(cè)），假設(shè)各電氣部件電阻值在區(qū)間內(nèi)無明顯變化，則區(qū)間AB內(nèi)的等效發(fā)熱電流可表示為：

圖5 等效發(fā)熱電流示意圖

根據(jù)牽引電算結(jié)果，北京地鐵13號線列車典型區(qū)間直流側(cè)峰值電流3 400A，總等效電流約為1 700A，流過單動車的等效電流為850A。從圖4的主電路結(jié)構(gòu)得出，高速斷路器承受的等效電流為850A。由此可以對高速斷路器額定發(fā)熱電流范圍進行界定。最終選擇賽雪龍公司的UR10型高速斷路器。該型斷路器額定工作電壓900V，額定發(fā)熱電流1 000A，1 700A過載能力為5min，完全滿足北京地鐵13號線正常運行的要求。

區(qū)間AB電流瞬時值為P，則區(qū)間AB內(nèi)的等效功率可表示為：

根據(jù)牽引電算結(jié)果，北京地鐵13號線列車典型區(qū)間內(nèi)牽引電機峰值功率2 160kW，輸出等效功率約為1 120kW。地鐵列車總共8臺牽引電機，每臺牽引電機輸出的等效功率為：

考慮城軌地鐵牽引電機功率過載倍數(shù)一般為額定功率的1.3～1.8倍，以及牽引電機現(xiàn)存系列的問題，該牽引系統(tǒng)應(yīng)選擇180kW級別的牽引電機。直流側(cè)750 V供電，牽引電機額定電壓選為550V。

4 結(jié)束語

本文以北京13號線地鐵列車牽引仿真計算結(jié)果為基礎(chǔ)，以區(qū)間等效電流及等效功率作為牽引電機及直流側(cè)高壓開關(guān)器件的選型依據(jù)，合理地選取了牽引系統(tǒng)幾個關(guān)鍵部件的電氣參數(shù)，為之后的地面聯(lián)調(diào)試驗及城軌列車牽引系統(tǒng)集成工作提供理論依據(jù)。

［1］徐惠林，曾憲鈞.北京地鐵13號線車輛電傳動系統(tǒng)設(shè)計［J］.機車電傳動，2002，（6）：35-38.

［2］GB／T-2003.地鐵車輛通用技術(shù)條件［S］.