劉立偉 王瑤 覃宏陽 黃威

摘 要：懸掛式空軌列車是全新制式城市軌道交通列車，近幾年備受國內(nèi)軌道交通行業(yè)關注，其車內(nèi)電氣牽引系統(tǒng)備受重視，特別是適合空軌列車制式綠色、輕量化、結(jié)構(gòu)簡單式的設計概念。本文簡要介紹武漢懸掛車電氣牽引系統(tǒng)的構(gòu)成組成、特點及主要控制功能。

關鍵詞：懸掛式空軌列車;牽引系統(tǒng);結(jié)構(gòu)組成

0 引言

隨著近幾年軌道交通列車發(fā)展，各種制式車輛不斷被設計，懸掛式空軌列車應運而生，與其他制式不同之處，武漢懸掛式軌道列車采用空氣輪胎作為走行輪，吊掛空中運行，車輛采用兩編組，全自動無人駕駛模式，控制系統(tǒng)簡單，其定位為城市1公里銜接列車、同時也可做為景區(qū)觀景列車、運行及觀景一體化小運量列車，由于運營特殊性，對電氣牽引系統(tǒng)要求頗高，同時系統(tǒng)應結(jié)構(gòu)簡單，可靠性好，壽命長的要求。

1 系統(tǒng)介紹

武漢懸掛式空軌列車采用2兩編組+Mc =Mc+（根據(jù)業(yè)主要求可擴編），及一列車2動力編組動車組成，+為半自動車鉤，=為半永久牽引桿，MC為有受流靴的動車，最高速度為60 km/h，牽引系統(tǒng)采用矢量控制，具有良好的空轉(zhuǎn)/滑行控制功能，列車制動采用電制動與液壓制動混合控制方式。

1.1 性能參數(shù)

平均加速度：列車在AW2載重下，在平直、干燥的軌道上，充氣輪胎在370 mm～378 mm（半徑）輪徑下范圍下，額定電壓750 V時。

平均加速度（0 km/h～30 km/h）：≥ 1.0 m/s2

平均加速度（0 km/h～60 km/h）：≥ 0.5 m/s2

平均減速度：列車在AW3載重下，在平直、干燥的軌道上，充氣輪胎在370 mm～378 mm（半徑）輪徑下范圍下，列車最大速大60 km/h時。

最大常用制動（ 60? km/h～0 km/h）：≥ 1.0 m/s2

緊急制動（60 km/h～0 km/h）：≥ 1.2 m/s2

沖擊極限：≤ 0.75 m/s3

降級模式：損失一節(jié)動車，AW3車輛在80‰坡道上啟動，速度≥5 km/h

救援模式：AW0車輛救援AW0車輛，80‰坡道

蓄電池緊急牽引模式：AW3車輛在30‰坡道上啟動，速度不低于5 km/h運行1 km。

牽引、制動特性曲線參見圖1所示。

1.2 主要特點

（1）牽引逆變器（TCU）通過矢量控制方式控制三相異步電動機運行;

（2）牽引電機采用三相式異步電動機，電機能力滿足車輛的運行參數(shù)要求;

（3）牽引系統(tǒng)應能通過TCMS系統(tǒng)監(jiān)測與保護，當列車TCMS系統(tǒng)故障時，牽引系統(tǒng)應能通過應急牽引實施動力控制;

（4）牽引電制動系統(tǒng)具有牽引、電制動功能。采用電制動與液壓制動混合運算的制動控制方式，電制動和液壓制動轉(zhuǎn)換平滑、無沖擊，并具有防空轉(zhuǎn)和防滑保護功能;

（5）牽引具有載荷補償功能，出站及下站根據(jù)胎壓自動校準輪徑功能;

（6）列車具備車輛段（停車場）內(nèi)蓄電池牽引功能和線路上的應急牽引功能。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

整車牽引系統(tǒng)設備布置在車頂和轉(zhuǎn)向架，主要由以下設備構(gòu)成：受流靴2套每個轉(zhuǎn)向架，高速斷路器HSCB、VVVF牽引逆變器、SIV輔助逆變器、牽引控制單元TCU、牽引電機和動力控制一體式蓄電池，其中最為關鍵的就是牽引電機、蓄電池。

電機采用電動驅(qū)動，以滿足車輛牽引和制動特性的要求;

蓄電池采用動力與控制一體化電池組，提供車輛應急牽引，同時滿足車輛正常應用的輔助供電，蓄電池采用安全、可靠、免維護的鈦酸鋰電池。

3 牽引系統(tǒng)主輔電路圖

牽引系統(tǒng)主輔電路主要描述車輛驅(qū)動電機形式、雙機重聯(lián)形式、蓄電池充電及應急牽引等電路，其控制方式為車控（1C4M）即1臺VVVF逆變器驅(qū)動2個轉(zhuǎn)向架4臺電機運轉(zhuǎn)，車輛懸掛在軌道箱梁內(nèi)運行，其供電通過配置轉(zhuǎn)向架上受流靴，采用全程絕緣的正軌受流，負軌回流供電方式，額定電壓750 V，每臺MC車上設有SIV輔助逆變器，輸出分兩路，一路AC380V 50 Hz交流電供輔助交流用電，一路DC110V給蓄電池充電及車輛直流輔助供電，車輛采用動力蓄電池和控制蓄電池集成方式，車輛在變電站斷電情況下，其可滿足車輛應急牽引下的動力用電及控制供電，蓄電池采用DC110V。參見圖2。

3.1 牽引、輔助系統(tǒng)

懸掛式列車牽引輔助系統(tǒng)基于IGBT技術牽引輔助集成變流器，牽引逆變器、輔助逆變器、充電機集成在一個箱體內(nèi)，模塊化設計，易于安裝拆卸及維護。封閉的內(nèi)部空氣回路可以達到IP65的防護等級。在滿足牽引輔助系統(tǒng)需求的情況下，實現(xiàn)了設備的小型化、集成化、輕量化。

變流器是基于電力電子功率模塊（PEBBs）的模塊化設計，功率模塊已經(jīng)世界范圍內(nèi)各種嚴苛的牽引環(huán)境中在現(xiàn)場運營超過十年。PEBB是使用藝術般的電力電子結(jié)構(gòu)的模塊代替了原來復雜的電力電子電路，是智能和可靠的電力變換平臺。

3.1.1 牽引逆變模塊

牽引逆變器（MC）模塊包含了驅(qū)動控制板、直流電容器、牽引逆變器、電壓限制單元，臺車設有1個牽引逆變器，輸入電源轉(zhuǎn)換成驅(qū)動牽引電機的電源。

（1）輸出電壓：0～500 / 600 VRMS;

（2）輸出頻率：0 Hz～160 Hz;

（3）每個牽引逆變器供電的電機數(shù)量：4;

（4）軸端峰值功率（牽引/制動）：234 / 246 kW（軸端）;

（5）脈沖類型：PWM & OPP;

（6）額定電壓上升率，最大：< 4 kV/us。

3.1.2 輔助逆變器

臺車設有兩個輔助逆變器，輔助逆變器1（AUX1）和輔助逆變器2（AUX2）。

輔助逆變器1（AUX1）從電隔離中間直流環(huán)節(jié)逆變出電流限制的三相輸出電壓，輔助電源逆變器的工作頻率為50 Hz的恒定基本頻率。

輔助逆變器2（AUX2）將DC110V蓄電池電壓逆變出電流限制的三相輸出電壓，輔助電源逆變器的工作頻率為50 Hz，電壓380V AC，輔助逆變器2僅用于蓄電池緊急牽引工況時給牽引逆變器的散熱風機供電。

3.2 牽引電機

牽引工況下，牽引逆變器輸出變頻變壓的三相交流異步電機，電機將電能轉(zhuǎn)換成機械能，通過聯(lián)軸器和齒輪箱，傳遞到車輪，驅(qū)動車輛前進。

在制動時，電機處于發(fā)電工況，將車輪的機械能轉(zhuǎn)化成電能，通過牽引逆變器的轉(zhuǎn)換，將電能消耗在制動電阻上。

3.3 蓄電池

蓄電池安裝在列車頂部，采用目前軌道交通應用最安全的鈦酸鋰電池，供電電壓為DC110V，容量160 Ah/臺車，采用冗余設計，可以在緊急狀況下為整車DC110V負載供電，供電時間大于30 min。蓄電池也可以用于在電網(wǎng)無電時的應急牽引，在無電狀況下將車輛牽引至下一站，保證乘客安全。

4 牽引系統(tǒng)控制功能

牽引控制單元（TCU）根據(jù)司機指令（或ATO）完成車輛牽引/制動特性控制及邏輯控制，通過對電路中接觸器控制、高速斷路器（HSCB）及VVVF逆變器等控制來完成列車牽引力及制動能力的計算。

4.1 高壓電路控制

車輛牽引輔助變流器與電網(wǎng)之間是靠高速斷路器（HSCB）進行隔離，通過受電靴導電，HSCB由車輛控制，HSCB的閉合/斷開指令通過司機操作司機控制臺上的高速斷路閉合、斷開兩個“按鈕開關”給出脈沖，該信號通過列車線（L_MCHSCB）送到各個牽引變流器，牽引逆變器通過高斷信號的可靠性，進行分斷和閉合。

4.2 牽引/制動特性控制

牽引變流器運行時以網(wǎng)絡模式為主，硬線模式為輔，在硬線模式下使用軟件默認的牽引制動百分比。

牽引/制動運算時，根據(jù)中間直流電壓、牽引電機轉(zhuǎn)矩包絡線、列車速度、司機/ATO給定的極位以及IGBT反饋的指令等，計算出電氣牽引/制動發(fā)揮的轉(zhuǎn)矩值，在運營的不同工況下，變流器通過脈沖寬度調(diào)制（PWM）或優(yōu)化脈沖模式（OPP）來開通IGBT，從而控制變頻器的輸出電壓幅值、相位和頻率，使電機輸出的轉(zhuǎn)矩值與系統(tǒng)給定值一致，同時控制牽引/制動時轉(zhuǎn)矩上升和下降的斜率變化，確保列車沖擊率在限定范圍內(nèi)。

4.3 負載補償控制

列車的負載重量通過空氣彈簧測量平均空氣壓力。如果負載測量故障，TCMS 會向牽引變流器發(fā)送一個默認值（保持最后一次載荷信息）。在制動和牽引模式下，可以使用不同的默認值。

牽引變流器在停車時讀取列車車重信號，此時沒有牽引指令（L_MOTOR 為低電平）。當L_MOTOR 為高電平時，經(jīng)過處理的車重信號將用作進一步的計算，當列車車重信號無效時，牽引系統(tǒng)按照默認（保持最后一次載荷信息）車重進行計算，牽引力和制動力將根據(jù)以下兩式做調(diào)整。

BEDnew 不應該大于 BE_MAX1，BE_MAX1 為AW2 下最大減速度對應的制動力。

TEDnew 不應該大于 TE_MAX1，TE_MAX1 為AW2 下最大加速度對應的牽引力。

4.4 蓄電池應急牽引控制

在列車收到零速信號，牽引手柄為N的時候，司機給出蓄電池牽引模塊硬線信號給牽引變流器控制單元。

牽引控制單元進入蓄電池緊急牽引模式，將蓄電池的110V DC逆變給牽引電機以驅(qū)動列車;蓄電池緊急牽引模式牽引力為固定力，列車速度≥5 km/h;制動時僅液壓制動，電制動不參與。

4.5 故障診斷測試

控制單元將故障信息閃存在系統(tǒng)內(nèi)。故障信息包括：故障名稱、故障部件、故障等級、故障發(fā)生的日期和時間、故障消失的日期和時間及相關的環(huán)境數(shù)據(jù)，控制單元將故障信息通過列車網(wǎng)絡傳送至TCMS，儲存于列車控制單元中。

故障環(huán)境數(shù)據(jù)采樣周期，最短的為0.25毫秒，最長為1秒。

事件分類如警告和故障連同時間一起記錄在非易失存儲區(qū)，同時相同的數(shù)據(jù)傳送到列車總線作為診斷信息。各種信號，參數(shù)和動態(tài)的錯誤及警告可以通過運行于PC機的逆變器診斷軟件（BORDLINE?-View）進行在線的監(jiān)視。

5 結(jié)束語

本次設計的電氣牽引系統(tǒng)采用先進的高速微處理器和直接轉(zhuǎn)矩控制方式以及先進成熟的電制動控制技術。

武漢懸掛式列車自投產(chǎn)到運營，受到各軌道交通行業(yè)的高度認可，車輛現(xiàn)已完成例行和型式試驗，同時，車輛已可實現(xiàn)無人駕駛，車輛電氣牽引系統(tǒng)運行良好，各項技術性能符合設計要求。

參考文獻：

[1]熊軍.南昌地鐵1號線車輛電氣牽引與控制系統(tǒng)[J].機車電傳動，2013（6）：68-71.

[2]陳文光.國產(chǎn)化北京地鐵列車牽引電傳動系統(tǒng)設計[J].機車電傳動，2006（4）：31-36+65.

[3]陳英，陳燕.成都地鐵1號線車輛電氣牽引系統(tǒng)設計[J].鐵道機車車輛，2008（5）：52-55.

[4]涂漢卿.昆明地鐵首期工程車輛電氣牽引系統(tǒng)設計[J].鐵道工程學報，2012，29（12）：85-89.

[5]GB50157，地鐵設計規(guī)范[S].

[6]歐洲標準EN61287-1（電力部分）[S].