上海地鐵13號線列車牽引電傳動系統設計

黎博聞+陳新濺+陳超錄+史熹

摘 要：簡述自主知識產權上海地鐵13號線列車牽引電傳動系統的基本參數和性能要求，闡述了列車牽引電傳動系統的牽引/電制動特性、性能計算和線路運行仿真、主電路結構、列車牽引控制系統的設計思路和技術特點。

關鍵詞：牽引電傳動系統；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節車編組的交流傳動列車，其中牽引電傳動系統為國內完全自主研發，其核心技術具有完全自主知識產權。下面對其牽引電傳動系統設計進行介紹。

1 車輛參數及性能要求

1.1 車輛基本參數

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（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（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，優先充分發揮電力再生制動的作用以減少閘瓦的磨損和節省電能。當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下，當損失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下，當損失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

牽引電傳動系統滿足車輛動力性能、故障運行/救援能力以及實現預期的技術、旅行速度等，并綜合考慮系統各參數匹配，滿足車輛的運行工況以及電氣性能要求。

牽引電傳動系統主要由主電路、牽引控制系統及其裝置組成，以提供列車的牽引/電制動力和實現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。

電氣牽引系統采用VVVF逆變器-異步牽引電動機構成的交流傳動系統；采用IGBT功率元件，VVVF逆變器為熱管散熱器走行風冷；采用高性能的交流傳動直接轉矩控制策略，具有反應迅速、可靠的空轉/滑行保護并優先使用電制動。

輔助電源系統采用集中式大功率輔助電源供電方式，大功率IGBT輔助電源，電源采用強迫風冷冷卻方式。

列車控制和診斷系統遵循IEC61375標準，系統集列車監視、診斷和控制功能于一體，網絡協議開放、產品互操作性好，為軌道交通領域主流技術。

2.1 牽引/電制動特性設計

牽引/電制動特性是列車電傳動系統的基本特性，其設計主要依據列車的動力性能要求，考慮列車的沖擊極限和電傳動系統部件的容量，參數匹配以及車輪與軌道之間的粘著允許，對平直線路、目標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

v： 列車速度 [km/h]

Mc、M車的慣性系數均取空車質量的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，Fst2≈396kN；AW0時，Fst0≈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。

考慮低網壓時的功率限制，在網壓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，Fb3≈416kN；AW2時，Fb2≈377.24kN；AW0時，Fb0≈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）。列車的最大計算粘著系數約為0.165。

在網壓Us

上海地鐵13號線（華江站至張江路站，距離為37700m）仿真計算結果為：在超員載荷AW3，牽引時網壓取DC1500 V，制動時網壓取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

列車牽引系統主電路采用兩電平電壓型直—交逆變電路。經受流器受流輸入的DC1500V由VVVF逆變器變換成頻率、電壓均可調的三相交流電，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。當電網電壓在1000V～1800V之間變化時，主電路都能正常工作，并方便地實現牽引—制動的無接點轉換。

牽引主電路原理圖見3。

牽引電傳動系統由高壓電器單元（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） 、齒輪驅動裝置（含聯軸節）、接地裝置、司機控制器等組成。各高壓電器設備箱均采用箱體式車下懸掛結構。牽引電機采用架承式全懸掛結構，并通過聯軸節與齒輪驅動裝置連接，傳遞牽引或電制動力矩，驅動列車前進或使列車制動。

綜合考慮系統的經濟性、電機的并聯運行、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。

當列車牽引準備好，主電路HB閉合后，閉合充電接觸器（KM12），電網電源通過BQS、HB、充電電阻（R11）給支撐電容（C11、C21）預充電，當電容充電完成時，線路接觸器KM11閉合。

當需對高壓電器箱、VVVF逆變器進行維護保養時，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支撐電容器電壓保持穩定并將電壓波動限制在允許范圍內，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的干擾，在逆變器發生短路時抑制短路電流并滿足逆變器開關元件換相的要求等。

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，通過觸發導通斬波模塊，能抑制因空轉或其它因數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，為強迫風冷方式。

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位功能以及部分車輛級控制功能，DCU是組成列車通訊網絡的一部份，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

2.4.1 功能及構成

牽引控制系統采用硬線控制方式，由繼電器邏輯電路和列車硬線來實現列車的牽引和制動控制。牽引控制系統由司機控制器、各指令開關、有接點控制電路、列車監控系統（TMS）和傳動控制單元（DCU）等構成，主要完成列車有關牽引的控制指令及狀態的給出、傳輸和控制，實現列車牽引/電制動控制、電傳動系統故障保護等。

3 結語

本文章介紹了上海地鐵13號線列車電傳動系統的整體設計方案，該電傳動系統采用了先進的設計理念及技術，并總結吸取了國內地鐵車輛牽引系統設計、生產方面的經驗教訓，整體性能優良，系統的可靠性較高。

參考文獻

[1]丁榮軍，陳文光.地鐵車輛用交流傳動系統的設計[J].機車電傳動，2001（5）.

[2]陳文光，丁榮軍.國產化北京地鐵列車牽引電傳動系統設計[J].機車電傳動，2006.