袁文燁，許義景，劉 勇，張路軍

應(yīng)用研究

自主化懸掛式單軌列車電氣牽引系統(tǒng)研制

袁文燁，許義景，劉 勇，張路軍

（株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南株洲 412001）

介紹了自主化懸掛式單軌列車的總體性能要求，包括列車牽引/電制動性能、故障及救援性能，及電氣牽引系統(tǒng)的高壓系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、輔助電源系統(tǒng)的構(gòu)成及功能參數(shù)，并闡述了適用于懸掛式單軌列車應(yīng)用場景的系統(tǒng)與關(guān)鍵部件的設(shè)計理念與設(shè)計要點，研制的小型化、輕量化、集成化的電氣牽引系統(tǒng)完全滿足列車總體性能指標(biāo)，系統(tǒng)運行狀態(tài)良好，為懸掛式單軌交通后續(xù)市場推廣應(yīng)用奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

懸掛式單軌列車 高壓系統(tǒng) 牽引系統(tǒng) 輔助電源系統(tǒng)

0 引言

自1825年世界上第一條以馬匹為動力的懸掛式單軌交通在英國切森特（Cheshunt）開通以來，到20世紀(jì)末日本、德國等逐步采用較為先進(jìn)的SAFEGE型懸掛式單軌車建造了多條商業(yè)運營線路[1]，懸掛式單軌交通系統(tǒng)以其獨特的技術(shù)特點和優(yōu)勢逐漸受到越來越多的關(guān)注。懸掛式單軌交通系統(tǒng)具有選線簡單、環(huán)境友好、工程造價低、節(jié)省道路資源實現(xiàn)交通系統(tǒng)立體化的優(yōu)點，可滿足構(gòu)建大城市支線交通或中小城市骨干交通的中低運量軌道交通需求，是未來城市中低運量軌道交通中的一個重要解決方案。

本文介紹的懸掛式單軌列車電氣牽引系統(tǒng)為國內(nèi)首次自主研制，其工程化成功應(yīng)用，為懸掛式單軌交通系統(tǒng)后續(xù)商用推廣奠定了基礎(chǔ)。

1 車輛參數(shù)及性能

自主化懸掛式單軌列車采用DC750V供電，為3輛全動車編組型式，其列車編組型式為：+Mc-M-Mc+（其中Mc：帶司機(jī)室動車，M：不帶司機(jī)室動車）,列車編組示意圖如圖1所示。

圖1 列車編組示意圖

1.1 列車動力性能

最高運行速度：70 km/h

設(shè)計結(jié)構(gòu)速度：80 km/h

平直道，AW2載荷，額定網(wǎng)壓條件下：

平均啟動加速度（0-30 km/h）：≥1.0m/s2

平均加速度（0-70 km/h）：≥0.6 m/s2

常用制動平均減速度（70 km/h-0）：≥1.1 m/s2

1.2 列車運行能力

故障運行能力：一列超員列車喪失1/3動力時，在100‰坡道上列車可以起動，并行駛到鄰近車站完成清客，再以不小于20 km/h的速度行駛回車輛段。

坡道救援能力：一列超員正常列車能在100‰坡道上救援一列超員且失去全部動力故障列車，并行駛到鄰近車站完成清客，再以不小于20 km/h的速度行駛回車輛段。

蓄電池應(yīng)急牽引能力：一列超員正常列車，當(dāng)外部供電系統(tǒng)故障時，列車可由應(yīng)急牽引儲能系統(tǒng)供電，在平直道以20 km/h的速度行駛不少于5 km距離，實現(xiàn)乘客疏散。

2 列車高壓系統(tǒng)

2.1 列車高壓系統(tǒng)構(gòu)成及原理

自主化懸掛式單軌列車采用全動車設(shè)計，每個動車設(shè)置一個熔斷器箱，熔斷器箱具有母線分線和母線熔斷保護(hù)功能，各功率部件的保護(hù)熔斷器、母線熔斷器及應(yīng)急牽引模式接觸器KM1均設(shè)置于熔斷器箱內(nèi)。

每個動車配置兩個動力轉(zhuǎn)向架，每個動力轉(zhuǎn)向架配置兩臺永磁牽引電機(jī)，由一臺牽引逆變器驅(qū)動；全列配置兩臺輔助變流器，位于Mc車上，每臺輔助變流器對外提供AC380V交流電源和DC24V直流電源，容量分別為20 kVA和10 kW；M車配置一套雙向DC/DC變換器+動力電池的應(yīng)急牽引儲能系統(tǒng)，為列車應(yīng)急牽引供電，圖2為列車高壓電路拓?fù)鋱D。

圖2 列車高壓電路拓?fù)鋱D

2.2 應(yīng)急牽引儲能系統(tǒng)

因懸掛式單軌列車運行于高架軌道箱梁下方[2]，列車救援和乘客疏散的“故障—安全”導(dǎo)向設(shè)計顯得尤為重要，不僅其故障運行能力、坡道救援能力要求比其他城軌車輛高，且還需設(shè)置應(yīng)急牽引功能。當(dāng)供電系統(tǒng)故障后，供電區(qū)間內(nèi)的列車均停運，為防止列車發(fā)生人員被困現(xiàn)象，通過列車自身應(yīng)急牽引儲能系統(tǒng)供電，列車具備運行到最近的車站疏散乘客，并返回車輛段或停車線的功能，實現(xiàn)自我救援。應(yīng)急牽引儲能系統(tǒng)包含兩個關(guān)鍵子系統(tǒng)，即動力電池與雙向DC/DC充電機(jī)，其系統(tǒng)原理圖如圖3所示。動力電池采用高可靠性和高安全性的鈦酸鋰電池，通過線路能耗仿真計算，動力電池存儲的有效能量能夠滿足列車在AW3工況下、平直道線路上，以20 km/h運行不少于5 km的距離。

當(dāng)外部供電系統(tǒng)正常時，雙向DC/DC充電機(jī)通過圖3中模塊2與電抗器L2、L3構(gòu)成Buck電路，按照動力電池的充電電流限制曲線給動力電池充電，同時模塊1的橋臂上管截止，可防止動力電池對列車高壓母線放電，確保動力電池的電能可靠存儲；在供電系統(tǒng)異常時，司機(jī)啟動應(yīng)急牽引功能，列車三個單元的熔斷器箱中KM1斷開，防止外部供電系統(tǒng)供電軌帶電，模塊1的橋臂上管開通，模塊2與電抗器L2、L3構(gòu)成Boost電路，按照動力電池的放電電流限制曲線及負(fù)載需求給母線供電，為列車提供應(yīng)急牽引所需電能。

3 牽引系統(tǒng)

3.1 牽引/電制動特性

根據(jù)整車加、減速性能要求，設(shè)計列車正常工況最大啟動輪緣牽引力為79 kN，恒牽引力速度范圍：0～30 km/h，恒功速度范圍：30km/h～80 km/h。列車最大電制動輪緣制動力為84kN，恒功速度范圍：80km/h～43 km/h，恒電制動力速度范圍：43km/h～5km/h，并實現(xiàn)在列車不同載荷下的牽引/電制動力的載荷補償，滿足列車的平穩(wěn)行駛。

圖3 應(yīng)急牽引儲能系統(tǒng)原理圖

救援工況時，設(shè)置高加速特性，列車的最大啟動輪緣牽引力為150 kN，恒牽引力速度范圍：0～15.8 km/h，恒功速度范圍：15.8km/h～80 km/h。通過牽引仿真計算結(jié)果表明救援工況可實現(xiàn)以17.6 km/ h在100‰坡道上運行，該工況下電機(jī)持續(xù)電流為163 A，根據(jù)牽引電機(jī)熱容量仿真可知，發(fā)揮高加速特性時，在電機(jī)設(shè)計溫度允許范圍內(nèi)，列車能在100‰坡道上救援工況持續(xù)運行3 min。列車牽引/電制動特性曲線如圖4所示。

3.2 牽引系統(tǒng)主電路及設(shè)備

牽引系統(tǒng)主電路采用兩電平電壓型直-交逆變電路，將輸入的DC750V變換成頻率、電壓均可調(diào)的三相交流電，驅(qū)動永磁牽引電機(jī)。當(dāng)外部供電系統(tǒng)在DC500V～DC900V之間變化時，牽引主電路能正常實現(xiàn)牽引－制動的無接點轉(zhuǎn)換，滿足列車的牽引及電制動要求，牽引主電路圖如圖5所示。

3.2.1牽引逆變器

DC750V電源經(jīng)本單元熔斷器箱進(jìn)入牽引逆變器，經(jīng)預(yù)充電輸入電路和LC濾波電路給變流器模塊供電，變流器模塊由四個逆變器單元及兩個過壓斬波單元組成，每個逆變器單元驅(qū)動一臺額定功率為54kW的永磁牽引電機(jī)，輸出端設(shè)置隔離接觸器用于系統(tǒng)故障時隔離永磁牽引電機(jī)的空載反電勢，每一個斬波橋臂與過壓吸收電阻構(gòu)成斬波單元，用于抑制主電路瞬時過電壓。四個逆變器單元及兩個斬波單元的IGBT功率器件集成在一個翅片式風(fēng)冷散熱器上，采用強(qiáng)迫風(fēng)冷方式。其主要技術(shù)參數(shù)如表1。

表1 牽引逆變器主要技術(shù)參數(shù)

自主化懸掛式單軌列車屬于輕型軌道交通車輛，受限于車輛安裝空間尺寸，牽引逆變器采用高度集成的小型化、輕量化設(shè)計，將預(yù)充電輸入電路、LC濾波電路、逆變電路、過壓斬波電路及過壓吸收電阻、輸出接觸器等器件集成在一個箱體內(nèi)。牽引逆變器采用1700 V/500 A IGBT器件，該器件功率密度高，封裝尺寸小，每個封裝器件集成了6個IGBT元件，開關(guān)頻率可利用至2 kHz。牽引逆變器采用較高開關(guān)頻率，在保證牽引系統(tǒng)工作穩(wěn)定的前提下，可將主電路尺寸較大的線路電感感值減小，實現(xiàn)牽引逆變器的小型化、輕量化設(shè)計，同時逆變電路提高開關(guān)頻率也有利于降低其驅(qū)動的永磁牽引電機(jī)諧波損耗，較小的諧波損耗降低了永磁牽引電機(jī)散熱空間要求，也給永磁牽引電機(jī)的小型化、輕量化設(shè)計帶來了積極因素。

通過牽引系統(tǒng)仿真模型，對不同線路電感和支撐電容的參數(shù)匹配，并結(jié)合永磁牽引電機(jī)功率、定子/轉(zhuǎn)子電阻和漏感、互感、極對數(shù)、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量等參數(shù)，對永磁牽引系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性、瞬態(tài)特性進(jìn)行仿真分析，確定牽引逆變器主電路LC參數(shù)與驅(qū)動電機(jī)的最優(yōu)匹配，經(jīng)系統(tǒng)仿真計算最終選取線路電感1 mH和中間支撐電容5 mF較為合適，圖6為開關(guān)頻率2 kHz，線路電感感值1 mH，中間支撐電容5 mF下牽引系統(tǒng)直流側(cè)電流、直流側(cè)電壓與電機(jī)電流的仿真波形，結(jié)果表明牽引主電路LC參數(shù)與驅(qū)動電機(jī)的參數(shù)匹配，既能保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定性，也能較大幅度的減小線路電感和中間支撐電容的尺寸與重量。

圖6 牽引主電路仿真波形

3.2.2牽引電機(jī)

本系統(tǒng)采用小型化永磁牽引電機(jī)，滿足懸掛式單軌車轉(zhuǎn)向架安裝空間狹小的要求。[3]該電機(jī)的安裝方式特殊，電機(jī)通過機(jī)座安裝孔采用35°傾斜吊裝在轉(zhuǎn)向架上，電機(jī)傳動端通過聯(lián)軸節(jié)與齒輪箱相連，非傳動端安裝有制動盤與制動夾鉗，制動盤安裝在電機(jī)非傳動端伸出的轉(zhuǎn)軸上，制動夾鉗機(jī)構(gòu)安裝在電機(jī)機(jī)殼上。

由于該電機(jī)采用35°傾斜安裝，且非傳動端安裝了制動盤和制動夾鉗，其帶來的影響有：

1）車輛制動時產(chǎn)生的制動力由電機(jī)承受，制動夾鉗夾緊力為5000N，摩擦系數(shù)為0.35，制動力會給電機(jī)增加較大的負(fù)荷，特別是軸承的徑向載荷較大，是影響電機(jī)可靠性的關(guān)鍵因素；

2）電動機(jī)傾斜35°安裝，由于電動機(jī)轉(zhuǎn)子、聯(lián)軸節(jié)以及制動盤的重量，加之沖擊、振動，電機(jī)固定端軸承軸向載荷大；

3）制動夾鉗夾緊時，與制動盤摩擦，會產(chǎn)生較高溫度，經(jīng)計算列車進(jìn)行一次安全制動即會使制動盤溫度上升到350℃，高溫將會對電機(jī)線纜等有較大影響。

通過結(jié)構(gòu)仿真計算，充分考慮由于制動盤和制動夾鉗所產(chǎn)生的載荷，尤其是對機(jī)座、轉(zhuǎn)軸和軸承的影響；在軸承選型設(shè)計時，根據(jù)軸承的運行條件及承受的綜合應(yīng)力，電機(jī)固定端選用承受軸向載荷能力較強(qiáng)的深溝球軸承，浮動端選用圓柱滾子軸承以適應(yīng)電動機(jī)運行工況；采用流體場仿真分析制動夾鉗工作時對電機(jī)溫度的影響，電機(jī)引出線采用耐高溫的線纜。其主要技術(shù)參數(shù)如表2。

表2 永磁牽引電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

4 輔助電源系統(tǒng)

列車輔助電源系統(tǒng)由兩臺輔充一體化輔助變流器構(gòu)成，輸出3 AC380 V/50 Hz、AC220V和DC24V三種制式電源，為列車輔助用電設(shè)備提供電源，其中三相輔助逆變器輸出額定容量為20 kVA的3AC380 V，并在三相逆變器后端的LC濾波環(huán)節(jié)采用分裂式電容形式構(gòu)成中性點，為列車提供3 kVA的AC220V交流電源，DC24V充電機(jī)額定輸出容量為10 kW。輔助變流器設(shè)置應(yīng)急啟動模塊用于列車DC24V蓄電池饋電時列車應(yīng)急啟動激活；3AC380V輸出采用擴(kuò)展供電，其內(nèi)部集成輸出接觸器及擴(kuò)展接觸器，兩臺輔助變流器實時互相監(jiān)視各自工作狀態(tài)及他車輔助逆變器輸出接觸器狀態(tài)，當(dāng)一臺輔助變流器故障時且輸出接觸器斷開，另一臺功能完好的輔助變流器即自動閉合擴(kuò)展接觸器接管全車3AC380 V負(fù)載。輔助變流器原理圖如圖7所示。

圖7 輔助變流器原理圖

表3 輔助變流器主要技術(shù)參數(shù)

輔助變流器主電路輸入電源通過電抗器和充電電阻對濾波電容進(jìn)行充電,完成預(yù)充電后控制系統(tǒng)檢測主電路輸入電壓在正常范圍時，開啟降壓斬波器+全橋LLC諧振變換器+逆變器工作，該模塊輸出的電壓經(jīng)LC濾波得到三相交流正弦波，通過輸出接觸器為三相交流負(fù)載提供3AC380V電源；充電機(jī)與輔助逆變器共用前級降壓斬波電路，采用半橋式DC-DC變換電路，輸出DC24V[4]。

因DC750V等級的供電電壓波動范圍較寬，輔助變流器主電路前級采用三電平降壓斬波電路將電網(wǎng)輸入的DC750V降壓斬波輸出穩(wěn)定的DC450V。通過主電路前級設(shè)置的三電平降壓斬波電路可給后級電路提供穩(wěn)定的輸入電壓，后級電路則不會受供電電壓波動影響，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，且通過降壓斬波電路環(huán)節(jié)處理后有利于降低后級電路中器件承受的電壓應(yīng)力，得益于前級三電平降壓斬波電路的設(shè)計，主電路均采用1200 V電壓等級功率的低損耗IGBT器件，從而大幅提升IGBT器件開關(guān)頻率，降低各環(huán)節(jié)磁性器件的重量，實現(xiàn)輔助變流器的小型化和輕量化設(shè)計。該懸掛式單軌列車的輔助變流器采用上述降壓斬波型高頻軟開關(guān)技術(shù)方案相較于采用傳統(tǒng)工頻技術(shù)方案，其功率密度提升30%左右。其主要技術(shù)參數(shù)如表3。

5 結(jié)語

本文所述自主化懸掛式單軌電氣牽引系統(tǒng)針對懸掛式單軌列車的特點進(jìn)行了適應(yīng)性設(shè)計，研制了小型化、輕量化、集成化的電氣牽引系統(tǒng)，總體性能指標(biāo)完全滿足懸掛式單軌列車的應(yīng)用場景要求，該系統(tǒng)為國內(nèi)首次完全自主研發(fā)，目前已完成列車型式試驗及線路運行考核，系統(tǒng)運行狀態(tài)良好，為懸掛式單軌交通系統(tǒng)后續(xù)市場推廣應(yīng)用奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

[1] 李芾，許文超，安琪. 懸掛式單軌車的發(fā)展及其現(xiàn)狀[J]. 機(jī)車電傳動, 2014(2): 16-76.

[2] 謝倩. 懸掛式單軌系統(tǒng)軌道梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究[D]成都: 西南交通大學(xué), 2016.

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Development of the Electric Traction System for Suspened Monorail Train Adaptable to Domestic Commercial Application

YuanWenye, XuYijing, LiuYong, ZhangLujun

（ZhuZhou CRRC Times Electric CO., LTD., Zhuzhou,Hunan 412001, China）

U271

A

1003-4862（2021）04-0001-05

2020-01-07

袁文燁（1984-），高級工程師，研究方向：新型軌道交通車輛電傳動系統(tǒng)。E-mail: yuanwy@csrzic.com