楊登峰

As型地鐵列車電氣牽引系統(tǒng)方案研究與設(shè)計(jì)

楊登峰

（重慶市軌道交通（集團(tuán)）有限公司，401120，重慶//工程師）

以As型地鐵列車為例，從列車基本技術(shù)參數(shù)出發(fā)，介紹了列車牽引特性曲線的設(shè)計(jì)過程，并基于列車實(shí)際運(yùn)行路況進(jìn)行了線路仿真。根據(jù)線路仿真數(shù)據(jù)與列車基本參數(shù)進(jìn)行了牽引系統(tǒng)主要元器件關(guān)鍵參數(shù)的選擇，供后續(xù)牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì)研制參考。

As型地鐵列車；牽引系統(tǒng)；方案設(shè)計(jì)；牽引特性曲線；器件參數(shù)選擇

我國地域遼闊、城市類型多樣，對(duì)地鐵列車類型也有多種選擇需求，As型地鐵列車應(yīng)運(yùn)而生。As型地鐵列車是一種山地A型地鐵列車，融合了A、B型兩種車型的特點(diǎn)，并擁有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，具有爬坡能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)彎半徑小等特點(diǎn)，尤為適合在山地城市載客運(yùn)行。牽引系統(tǒng)作為地鐵車輛六大子系統(tǒng)之一，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到列車能否平穩(wěn)、可靠運(yùn)行，本文主要圍繞As型地鐵列車牽引系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)展開分析與計(jì)算。

1 列車基本技術(shù)參數(shù)及性能要求

As型地鐵列車的基本編組方式為五動(dòng)一拖6輛編組，如圖1所示。其中，Mc為帶有司機(jī)室的動(dòng)車；Mp為帶有受電弓的動(dòng)車；M車為動(dòng)車。M與Mp帶2個(gè)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架，Mc帶1個(gè)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架，每3輛車形成一個(gè)動(dòng)力單元。該車可實(shí)現(xiàn)7輛或8輛兩種擴(kuò)展編組形式。

圖1 6輛編組列車示意圖

按照設(shè)計(jì)要求，列車供電電壓為DC 1 500 V，允許波動(dòng)范圍為DC 1 000～1 800 V，最高非持續(xù)電壓為DC 1 950 V；列車最高運(yùn)行速度為100 km/h，設(shè)計(jì)速度為110 km/h；線路最大坡度為50‰。按照車輛設(shè)計(jì)的載荷要求，列車在AW 0（空載）、AW 2（額定荷載）、AW 3（超載）下的質(zhì)量要求分別為216.68 t、308.6 t和356 t。

2 列車牽引系統(tǒng)特性設(shè)計(jì)

2.1列車動(dòng)力性能

列車最高運(yùn)行速度為100 km/h。列車加速時(shí)，在0～40 km/h速度運(yùn)行區(qū)間內(nèi)平均加速度≥1.1m/ s2，在0～100 km/h速度運(yùn)行區(qū)間內(nèi)平均加速度≥0.6m/s2。列車平均減速度≥1.0m/s2。

列車具有故障運(yùn)行能力：6輛編組的列車在AW 3狀態(tài)下，在損失1/5動(dòng)力時(shí)，能夠在正線的最大坡道上起動(dòng)并運(yùn)行至終點(diǎn)，清客后返回車輛基地；6輛編組的列車在AW 3狀態(tài)下，在損失1/2動(dòng)力時(shí)，能夠在最大坡道上起動(dòng)并運(yùn)行至最近站點(diǎn)，清客后返回基地；6輛編組處于AW 0狀態(tài)的列車，能夠救援另一列完全喪失動(dòng)力處于AW 3狀態(tài)的列車在最大的坡道上起動(dòng)，并使列車運(yùn)行至最近站點(diǎn)。

2.2列車阻力參數(shù)

列車阻力分為基本阻力、坡道附加阻力和起動(dòng)阻力等。列車基本阻力R采用標(biāo)準(zhǔn)戴維斯阻力公式：

式中：

m——列車質(zhì)量，t；

n——列車車軸數(shù)；

v——列車速度，km/h；

N——車輛數(shù)；

A——列車截面積，m2。

列車坡道附加阻力計(jì)算式為：

式中：

g——重力加速度；

θ——路面坡度。

列車處于AW 0、AW 2、AW 3下50‰坡道附加阻力分別為106.173 2 kN、151.214 kN和174.44 kN。

列車起動(dòng)阻力按照5×9.8×10-3kN/t計(jì)算，AW 0、AW 2、AW 3三種載荷下的列車起動(dòng)阻力分別為10.617 kN、15.121 kN、17.444 kN。

由此可以計(jì)算出列車在平直軌道上各載荷下的單位阻力如圖2所示。

圖2 各載荷下列車單位阻力

2.3列車牽引制動(dòng)特性

進(jìn)行牽引計(jì)算時(shí)，列車輪徑取805 mm（半磨耗輪徑），齒輪傳動(dòng)比確定為6.312 5，效率取0.975。計(jì)算列車動(dòng)態(tài)質(zhì)量時(shí)，列車動(dòng)車慣性系數(shù)為10%，拖車慣性系數(shù)為5%。

為滿足平均加速度的要求，考慮一定裕量，AW 0、AW 2、AW 3三種載荷下列車起動(dòng)牽引力分別設(shè)計(jì)為284.7 kN、394.9 kN、451.8 kN；列車輪緣電制動(dòng)力分別設(shè)計(jì)為243.1 kN、336.9 kN、385.2 kN。由此給出列車在額定網(wǎng)壓下各種負(fù)載情況的牽引特性與制動(dòng)特性曲線如圖3、圖4所示。

圖4 輪周電制動(dòng)力-速度曲線

由列車牽引制動(dòng)曲線及牽引計(jì)算可知：在額定網(wǎng)壓及AW 3載荷條件下，列車最大牽引力為451.8 kN，列車最大黏著系數(shù)為0.155；列車最大制動(dòng)力為385.2 kN，列車最大黏著系數(shù)為0.132，滿足牽引時(shí)黏著系數(shù)不得超過0.18，制動(dòng)時(shí)黏著系數(shù)不得超過0.16的要求。

根據(jù)列車牽引特性曲線，可以計(jì)算出列車在平直軌道上的速度-時(shí)間曲線如圖5所示。由圖5可知，列車處于AW 3載荷條件下平均加速度最小：在0～40 km/h速度區(qū)間內(nèi)，列車實(shí)際平均加速度為1.18m/s2，滿足1.10m/s2的加速度需求；在0～100 km/h速度區(qū)間內(nèi)，列車實(shí)際平均加速度為0.62m/s2，滿足0.60m/s2的加速度需求。

列車起動(dòng)加速度計(jì)算方法如下：

考察列車故障模式下的起動(dòng)加速度，可得AW 3時(shí)列車在損失1/5動(dòng)力、1/2動(dòng)力情況下的加速度分別為0.448m/s2和0.090m/s2，均大于0.083 3m/s2（列車在坡道起動(dòng)時(shí)需滿足的最小起動(dòng)加速度），列車可正常起動(dòng)。

在考察列車救援能力時(shí)，式（3）中的起動(dòng)阻力、坡道阻力和動(dòng)態(tài)質(zhì)量均為兩列列車的。計(jì)算可得列車的起動(dòng)加速度為-0.039m/s2，不符合要求。為此設(shè)置了高加速按鈕，單電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為1 211.6 Nm，加速度可達(dá)0.1m/s2，列車可以在最大坡道上正常起動(dòng)，但黏著系數(shù)將達(dá)0.209。

3 牽引系統(tǒng)部件參數(shù)選型

牽引主電路主要由高壓保護(hù)回路、預(yù)充電/放電回路、輸入濾波回路、牽引逆變電路和過壓斬波電路等組成。電力牽引系統(tǒng)高壓回路圖如圖6所示。M c車的1臺(tái)VVVF（變壓-變頻）箱與Mp車的2臺(tái)VVVF箱通過Mp的高壓箱1供電，而M車的2臺(tái)VVVF箱通過M車的高壓箱2供電。

圖6 牽引系統(tǒng)高壓回路圖（1單元）

3.1選型原則

電力牽引傳動(dòng)系統(tǒng)需要滿足車輛在指定線路條件下的動(dòng)力學(xué)性能、故障運(yùn)行能力、救援能力等基本性能，并能根據(jù)不同故障進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)與隔離。

額定電壓與額定電流是系統(tǒng)部件選型的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。額定電壓基于部件工作的最大電壓進(jìn)行選擇，IGBT（絕緣柵雙極晶體管）與直流側(cè)開關(guān)的最大工作電壓定義為列車的最高非持續(xù)電壓，即1 950 V。由于地鐵列車快起快停的特點(diǎn)，牽引系統(tǒng)實(shí)際工作方式為周期性間斷工作制，部件往往允許短時(shí)過流，因而部件電流定額需根據(jù)部件的工作特點(diǎn)使用區(qū)間等效電流或者瞬時(shí)電流進(jìn)行選擇。

3.2IGBT的額定電壓和電流

額定電壓與額定電流是IGBT最重要的參數(shù)。IGBT額定電壓通常采用式（4）進(jìn)行計(jì)算，再向上選擇額定電壓。

式中：

UDC，max——輸入最高直流電壓，UDC，max選取電制動(dòng)瞬間最高電壓1 950 V；

k1——電壓系數(shù)；

ΔU——關(guān)斷IGBT產(chǎn)生的過電壓；k2——安全系數(shù)。

額定電流采用式（5）進(jìn)行計(jì)算：

式中：

IAC，max——變流器輸出最大電流，IAC，max選取列車制動(dòng)時(shí)單臺(tái)逆變器的最大電流440 A；

k3——電流尖峰系數(shù)。

根據(jù)計(jì)算的VCE與IC，并考慮一定裕量，最終確定的IGBT額定電壓為3 300V，額定電流為1 000A。

3.3高速斷路器選型

根據(jù)列車牽引和電制動(dòng)性能仿真數(shù)據(jù)，對(duì)高速斷路器進(jìn)行負(fù)荷仿真分析，可以得到流過高速斷路器的有效值電流（均方根電流）、峰值電流。高速斷路器的保護(hù)特性為瞬時(shí)保護(hù)。高速斷路器正定保護(hù)偏差系數(shù)k4取為1.1，逆變器波動(dòng)系數(shù)k5取為1.4，則高速斷路器保護(hù)整定值為：

式中：

Ip，max——仿真數(shù)據(jù)中峰值電流的最大值。

As型地鐵列車的高速斷路器有兩種：高速斷路器1實(shí)現(xiàn)對(duì)M c/M車的2臺(tái)牽引逆變器的保護(hù)；高速斷路器2實(shí)現(xiàn)對(duì)M c車的1臺(tái)牽引逆變器的保護(hù)。按照理論計(jì)算值，高速斷路器1的電流整定值大于高速斷路器2的電流整定值，但實(shí)際使用過程中高速斷路器1與高速斷路器2設(shè)置脫扣電流值保持一致。這主要是考慮到以下幾點(diǎn)：

（1）使用統(tǒng)一規(guī)格的高速斷路器能夠減少后期維護(hù)、管理、備品備件的成本。

（2）根據(jù)高速斷路器的分段電流特性及故障特性，高速斷路器1設(shè)置的電流整定值也能夠?qū)崿F(xiàn)高速斷路器2所實(shí)現(xiàn)的保護(hù)性能。

3.4熔斷器選型

牽引系統(tǒng)主熔斷器箱用于列車受電弓到牽引電路的接地或短路保護(hù)。

熔斷器正常工作時(shí)電阻很小，線路電壓反應(yīng)不到熔斷器兩端，電壓值對(duì)于熔斷器沒有意義。熔斷器熔斷瞬間，熔斷器兩端的電阻值瞬間增大，在熔斷器兩端即刻產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。若熔斷器額定電壓小于等于熔斷器分?jǐn)鄷r(shí)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，則熔斷器的分?jǐn)嗑蜁?huì)受到很大的影響?？紤]到系統(tǒng)出現(xiàn)的最大電壓值不高于DC 1 950 V，故在電壓等級(jí)上選擇DC 2 000 V的熔斷器。

該熔斷器用于保護(hù)一個(gè)動(dòng)力單元的高壓回路，主要包括5臺(tái)牽引逆變器箱、2臺(tái)輔助逆變器箱、1臺(tái)蓄電池充電機(jī)裝置。流過熔斷器的RMS電流值IF可通過式（7）計(jì)算：

式中：

It——流過熔斷器箱的VVVF部分的電流值,為根據(jù)線路仿真數(shù)據(jù)計(jì)算的全程均方根電流值；

IS，Ich——分別為單臺(tái)輔助逆變器和單臺(tái)蓄電池充電機(jī)的電流均方根值，可根據(jù)輔助逆變器、蓄電池充電機(jī)容量及最低網(wǎng)壓值（即1 000 V）計(jì)算。

熔斷器額定電流IN的選擇還需考慮溫度、散熱、負(fù)載運(yùn)行停止周期等因素的影響。其計(jì)算式為：

式中：

A1——溫度系數(shù)；

BV——強(qiáng)制散熱修正系數(shù)；

C1——與連接方式相關(guān)的系數(shù)；

CP——電流頻率；

A2——周期性電流參數(shù)；

A3——負(fù)載運(yùn)行停止周期。

4結(jié)語

本文簡(jiǎn)要介紹了As型地鐵列車牽引系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。依據(jù)列車的基本技術(shù)條件設(shè)計(jì)了As型地鐵列車牽引特性曲線，并進(jìn)行了線路仿真；在此基礎(chǔ)上，完成了對(duì)IGBT、牽引熱管、高速斷路器等關(guān)鍵參數(shù)的選擇，保障了As型地鐵列車牽引系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研制。

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Research and Design of Electrical Traction System for As Type M etro Train

YANG Dengfeng

Based on the As type metro train and its basic technical parameters，the design of train traction characteristic curve is introduced，and a line simulation is conducted by practical train operation.Then，according to the simulation data and train basic technical parameters，the key parameters of major components in the traction system are selected，and w ill be used in the follow ing system designs.

As type metro train；traction system；scheme design；traction characteristic curve；device parameter selection Author′s address Chongqing Rail Transit Group Co.，Ltd.，401120，Chongqing，China

TM 922.3

10.16037/j.1007-869x.2017.07.024

2017-01-23）