黎博聞+陳新濺+陳超錄+史熹
摘 要:簡述自主知識產(chǎn)權(quán)上海地鐵13號線列車牽引電傳動系統(tǒng)的基本參數(shù)和性能要求,闡述了列車牽引電傳動系統(tǒng)的牽引/電制動特性、性能計算和線路運行仿真、主電路結(jié)構(gòu)、列車牽引控制系統(tǒng)的設(shè)計思路和技術(shù)特點。
關(guān)鍵詞:牽引電傳動系統(tǒng);性能計算;線路運行仿真
0 引言
上海地鐵13號線列車是由6節(jié)車編組的交流傳動列車,其中牽引電傳動系統(tǒng)為國內(nèi)完全自主研發(fā),其核心技術(shù)具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)。下面對其牽引電傳動系統(tǒng)設(shè)計進行介紹。
1 車輛參數(shù)及性能要求
1.1 車輛基本參數(shù)
上海地鐵13號線列車采用受電弓受電方式,供電電壓為C1500V(DC1000~1800V),輪徑為840/805/770mm(新輪/計算用輪徑/全磨耗輪徑),列車的基本配置為6 輛車編組(–Tc * Mp * M = M * Mp * Tc–),包括4輛動車和2輛拖車,列車編組示意圖如圖1所示。
1.2 列車動力性能要求
定員(AW2)情況下,在干燥平直線路上,車輪半磨耗狀態(tài)(輪徑Φ805mm),額定電壓DC1500V供電時,列車平均加速度為:
列車從0加速到40 km/h:≥1.0m/s2
列車從0加速到80 km/h:≥0.6m/s2
制動性能(在超員AW3載荷情況下,在平直干燥線路上,車輪半磨耗狀態(tài)(輪徑Φ805mm),列車在最高運行速度80km/h時,從給出制動指令到停車,平均減速度為:
最大常用制動: ≥1.0m/s2
緊急制動: ≥1.3m/s2
列車縱向沖擊率: ≤0.75m/s3
最高運行速度: 80km/h
平均技術(shù)速度: ≥50km/h
平均旅行速度: ≥35km/h
電制動能力:列車制動方式采用電力再生制動與空氣制動混合運算的控制方法,優(yōu)先充分發(fā)揮電力再生制動的作用以減少閘瓦的磨損和節(jié)省電能。當(dāng)電力再生制動不足或失效時,由空氣制動補足或替代。
1.3 列車故障運行及坡道救援能力要求
列車在各種負載狀態(tài)下,當(dāng)損失1/4牽引動力時,列車仍然可以在38‰的坡道上起動,并能以正常運行方式往返一個全程。
列車在各種負載狀態(tài)下,當(dāng)損失1/2牽引動力時,列車仍然可以在38‰的坡道上起動,并可以運行到下一站。
一列6輛編組的空車應(yīng)能將另一列停在38‰坡道上的6輛編組超員故障列車移至前方有停車線的車站(上坡)。
2 牽引電傳動系統(tǒng)
牽引電傳動系統(tǒng)滿足車輛動力性能、故障運行/救援能力以及實現(xiàn)預(yù)期的技術(shù)、旅行速度等,并綜合考慮系統(tǒng)各參數(shù)匹配,滿足車輛的運行工況以及電氣性能要求。
牽引電傳動系統(tǒng)主要由主電路、牽引控制系統(tǒng)及其裝置組成,以提供列車的牽引/電制動力和實現(xiàn)列車的牽引順序邏輯控制、故障保護及列車牽引/電制動運行等。
電氣牽引系統(tǒng)采用VVVF逆變器-異步牽引電動機構(gòu)成的交流傳動系統(tǒng);采用IGBT功率元件,VVVF逆變器為熱管散熱器走行風(fēng)冷;采用高性能的交流傳動直接轉(zhuǎn)矩控制策略,具有反應(yīng)迅速、可靠的空轉(zhuǎn)/滑行保護并優(yōu)先使用電制動。
輔助電源系統(tǒng)采用集中式大功率輔助電源供電方式,大功率IGBT輔助電源,電源采用強迫風(fēng)冷冷卻方式。
列車控制和診斷系統(tǒng)遵循IEC61375標(biāo)準(zhǔn),系統(tǒng)集列車監(jiān)視、診斷和控制功能于一體,網(wǎng)絡(luò)協(xié)議開放、產(chǎn)品互操作性好,為軌道交通領(lǐng)域主流技術(shù)。
2.1 牽引/電制動特性設(shè)計
牽引/電制動特性是列車電傳動系統(tǒng)的基本特性,其設(shè)計主要依據(jù)列車的動力性能要求,考慮列車的沖擊極限和電傳動系統(tǒng)部件的容量,參數(shù)匹配以及車輪與軌道之間的粘著允許,對平直線路、目標(biāo)線路進行牽引計算和仿真,以及對故障運行能力進行核算等。
參考日立公式,列車基本阻力公式為:
Wv={ (1.65+0.0247v)×Mm+(0.78+0.0028v)×Mt+[0.028+0.0078×(N-1) ]v2 }×9.80665×10-3 kN
其中:
Wv:列車基本阻力 [kN]
Mm:動車重量 [t]
Mt: 拖車重量 [t]
N: 車輛數(shù)
v: 列車速度 [km/h]
Mc、M車的慣性系數(shù)均取空車質(zhì)量的10%。
2.1.1 牽引特性
列車在平直道線路、輪徑805mm以及接觸網(wǎng)壓DC1500V條件下,列車最大啟動輪緣牽引力(取齒輪裝置傳動效率0.98)為:AW2時,F(xiàn)st2≈396kN;AW0時,F(xiàn)st0≈269.6kN。恒牽引力速度范圍為0~40km/h,恒功速度范圍為40~55km/h,自然特性速度范圍為55~80km/h。
其中,AW2時,恒功起始點牽引力為396kN,自然特性起始點牽引力為288kN,列車牽引特性曲線如圖2所示。
考慮低網(wǎng)壓時的功率限制,在網(wǎng)壓Us 2.1.2 電制動特性 列車在平直道線路、輪徑805mm及接觸網(wǎng)壓DC1650V條件下,列車最大電制動輪緣制動力(取齒輪裝置傳動效率0.98)為:AW3時,F(xiàn)b3≈416kN;AW2時,F(xiàn)b2≈377.24kN;AW0時,F(xiàn)b0≈257.1kN。恒電制動力速度范圍為80~5km/h,電制動力減小的起始速度點為5 km/h(可調(diào))。列車的最大計算粘著系數(shù)約為0.165。 在網(wǎng)壓Us
上海地鐵13號線(華江站至張江路站,距離為37700m)仿真計算結(jié)果為:在超員載荷AW3,牽引時網(wǎng)壓取DC1500 V,制動時網(wǎng)壓取DC1650V的條件下,往返總旅行時間為4814.88s,平均旅行速度可達45.28km/h。
2.2 主電路
列車牽引系統(tǒng)主電路采用兩電平電壓型直—交逆變電路。經(jīng)受流器受流輸入的DC1500V由VVVF逆變器變換成頻率、電壓均可調(diào)的三相交流電,向異步牽引電動機供電。VVVF逆變器由一個IGBT逆變模塊單元和高壓電器組成,驅(qū)動4臺牽引電動機,逆變模塊單元將逆變單元與制動斬波單元集成在一起。當(dāng)電網(wǎng)電壓在1000V~1800V之間變化時,主電路都能正常工作,并方便地實現(xiàn)牽引—制動的無接點轉(zhuǎn)換。
牽引主電路原理圖見3。
牽引電傳動系統(tǒng)由高壓電器單元(BQS、HB、EDS)、電容器充放電單元(KM11、KM12、R11、R12)、濾波單元(L、C)、斬波及過電壓抑制單元(IGBT斬波單元、BR)、IGBT逆變器單元(INVU1、INVU2)、檢測單元(VH11、VH12、LH11~LH15、LH22~LH24)、異步牽引電動機(1M01-1M04) 、齒輪驅(qū)動裝置(含聯(lián)軸節(jié))、接地裝置、司機控制器等組成。各高壓電器設(shè)備箱均采用箱體式車下懸掛結(jié)構(gòu)。牽引電機采用架承式全懸掛結(jié)構(gòu),并通過聯(lián)軸節(jié)與齒輪驅(qū)動裝置連接,傳遞牽引或電制動力矩,驅(qū)動列車前進或使列車制動。
綜合考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟性、電機的并聯(lián)運行、牽引電動機與逆變器的容量以及齒輪傳動裝置的機械性能,選齒輪傳動比為6.6842(127/19)及如2.1節(jié)所述的牽引特性/電制動特性。
2.3 功能單元
2.3.1電容充放電單元
電容器充放電單元由接觸器(KM11、KM12)、充放電電阻(R11、R12、R22)等組成,用于主電路支撐電容器(C11、C21)的充、放電。
當(dāng)列車牽引準(zhǔn)備好,主電路HB閉合后,閉合充電接觸器(KM12),電網(wǎng)電源通過BQS、HB、充電電阻(R11)給支撐電容(C11、C21)預(yù)充電,當(dāng)電容充電完成時,線路接觸器KM11閉合。
當(dāng)需對高壓電器箱、VVVF逆變器進行維護保養(yǎng)時,閉合制動斬波管形成直流支撐電容的快速放電回路,電容通過斬波模塊快速放電,放電時間小于1s。
2.3.2濾波單元
濾波單元由濾波電抗器(L)及支撐電容器(C)組成線路濾波器。
線路濾波器使主電路直流側(cè)支撐電容器電壓保持穩(wěn)定并將電壓波動限制在允許范圍內(nèi),同時,吸收直流輸入端的諧波電壓,抑制逆變器對輸入電源網(wǎng)的干擾,在逆變器發(fā)生短路時抑制短路電流并滿足逆變器開關(guān)元件換相的要求等。
支撐電容器集成在VVVF逆變器的逆變器模塊上。
濾波電抗器為空心式電抗器,采用強迫風(fēng)冷卻方式。
線路電抗器電感值為L=5mH;支撐電容器的電容值為C=2×4.3mF=8.6mF。
2.3.3制動斬波單元
制動斬波單元由IGBT斬波模塊及制動電阻(BR)等組成。IGBT斬波模塊與逆變模塊集成在逆變器模塊上。制動斬波單元能夠抑制中間直流回路電壓的瞬時波動以及過電壓。
牽引或制動工況時,通過觸發(fā)導(dǎo)通斬波模塊,能抑制因空轉(zhuǎn)或其它因數(shù)等原因引起的瞬時過電壓,再生制動時,能夠吸收再生制動能量,確保再生制動的穩(wěn)定進行。
制動電阻安裝于車輛底架下,每動車兩個電阻單元BR11、BR21,安裝于一個制動電阻箱內(nèi),為強迫風(fēng)冷方式。
2.3.4逆變器單元
逆變器單元采用IGBT元件,為兩電平逆變電路。主電路含有一個逆變器單元(CONMK),逆變器單元集成三相逆變器的三相橋臂(逆變單元)及制動相橋臂(制動斬波單元),驅(qū)動4臺異步牽引電動機。逆變器單元集成在VVVF逆變器箱中,驅(qū)動4臺牽引電動機。
逆變器控制裝置即牽引控制單元(DCU),采用異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制方法,具有粘著利用控制功能,主要完成對IGBT逆變器暨交流異步牽引電機的實時控制、粘著利用控制、制動斬波控制,同時具備完整的牽引變流系統(tǒng)故障保護功能、模塊級的故障自診斷功能和一定程度的故障自復(fù)位功能以及部分車輛級控制功能,DCU是組成列車通訊網(wǎng)絡(luò)的一部份,與多功能車輛總線采用MVB接口進行通信。DCU集成在牽引逆變器箱中。
2.3.5檢測單元
檢測單元由(VH11、VH12、LH11~LH15、LH22~LH24)等電壓、電流傳感器構(gòu)成。
LH11、LH15放置于VVVF逆變器箱中,用于牽引輸入電流檢測及接地差分保護。
LH12-LH13、LH22-LH23、LH14/LH24、VH11、VH12等安裝在VVVF逆變器箱中,分別用于逆變器輸出電流、斬波電路電流、輸入電壓及中間電路電壓的檢測。
2.4 牽引控制系統(tǒng)
2.4.1 功能及構(gòu)成
牽引控制系統(tǒng)采用硬線控制方式,由繼電器邏輯電路和列車硬線來實現(xiàn)列車的牽引和制動控制。牽引控制系統(tǒng)由司機控制器、各指令開關(guān)、有接點控制電路、列車監(jiān)控系統(tǒng)(TMS)和傳動控制單元(DCU)等構(gòu)成,主要完成列車有關(guān)牽引的控制指令及狀態(tài)的給出、傳輸和控制,實現(xiàn)列車牽引/電制動控制、電傳動系統(tǒng)故障保護等。
3 結(jié)語
本文章介紹了上海地鐵13號線列車電傳動系統(tǒng)的整體設(shè)計方案,該電傳動系統(tǒng)采用了先進的設(shè)計理念及技術(shù),并總結(jié)吸取了國內(nèi)地鐵車輛牽引系統(tǒng)設(shè)計、生產(chǎn)方面的經(jīng)驗教訓(xùn),整體性能優(yōu)良,系統(tǒng)的可靠性較高。
參考文獻
[1]丁榮軍,陳文光.地鐵車輛用交流傳動系統(tǒng)的設(shè)計[J].機車電傳動,2001(5).
[2]陳文光,丁榮軍.國產(chǎn)化北京地鐵列車牽引電傳動系統(tǒng)設(shè)計[J].機車電傳動,2006.