地铁车辆电气牵引系统的设计及应用

于龙海

摘 要：近年来，随着我国经济的迅速发展，我国城市现代化轨道交通建设进入一个高速发展的时期。地铁车辆作为承载乘客的直接载体，其安全与否直接关系到乘客的生命安全。本文对现有的传动系统进行了分析、建模及优化。针对交流传动控制系统的需要，给出了交流传动主电路的检测与保护电路设计方法，在直流侧电压检测与保护电路中，需要对逆变器外部的直流网压、中间的直流环节电压、再生制动时制动斩波器IGBT的两端电压等电压检测以及采取相应的保护措施，所以电压信号采集电路选用霍尔磁平衡式电压传感器，设计出了如文中的检测和保护电路图。

关键词：地铁车辆;牵引传动系统;分析优化;检测

检测与保护电路作为牵引传动系统控制系统的重要组成部分，能够实时检测牵引传动系统的电流、电压、温度、速度及开关状态等信号，并根据检测到的信号做出相应的动作，保证牵引传动系统的正常工作和最小化故障对牵引传动系统造成的影响。如何更好的设计、完善和优化牵引传动系统检测与保护电路，对保证车辆的安全运行有着极其重要的意义。

目前地铁车辆当中主要应用的牵引方式是三相交流传动方式以及两点式电压型直、交逆变电路，借助牵引逆变器将DC1 500 V直流电转变为三相交流电来完成并联牵引电机的供电，在网侧电网处于1 000 V～1 800 V范围内主电路可正常运作，从而确保动车牵引和制动之间的无接点转换。

1 地铁车辆牵引传动系统简介

地铁牵引传动系统主要由中间直流环节、牵引逆变器、牵引电机、齿轮传动系统等组成。不同于电气化铁路采用交流供电，地铁牵引传动系统采用直流供电，没有整流装置。地铁列车在牵引工况下，牵引电机处于电动机状态，从第三轨或接触网获得的直流电经过中间直流环节输出给牵引逆变器，逆变采用SPWM技术，将直流电转变为电压和频率可控三相交流电，输出给牵引异步电机，电机将获得的电能转换为机械能，驱动地铁列车前行。地铁列车在制动工况下，牵引电机处于发电状态，牵引逆变器将牵引电机输出的三相交流电变换成直流电，经由中间直流环节返回电网，即实现再生制动，直流电也可以通过电阻散热耗能，即实现电阻制动。

图1为地铁电气牵引传动系统简图，主要包括直流环节、逆变环节以及牵引电机。图中结构采用一台牵引逆变器驱动2台牵引电机，直流电通过滤波电感L1/L2和支撑电容C1/C2构成的低通滤波电路，形成比较稳定的直流电压，同时可以减弱电网电压波动对逆变器的影响，减少谐波对电网的影响，C1/C2还为牵引电机提供无功功率。DC/AC为直流电变换为交流电的牵引逆变单元，采用正弦脉宽调制技术（SPWM），通过控制内部大功率半导体器件（IGBT）的导通与关断获得变压变频的交流电，输出给牵引电机。R为预充电电阻，用以限制电容C1/C2在充电过程中的电流冲击，K2为预充电接触器，用以将预充电电阻切换到电路中，K1为线路接触器，用以在支撑电容充电结束后短接充电电阻，K3/K4和Ra/Rb为大功率半导体开关和制动电阻，再生制动模式下，直流网压过高时投入运行，进行电阻制动。

2 地铁车辆牵引传动系统基本组成

牵引传动系统是列车驱动系统的重要组成部分，其主要目的是将直流电压转换成变频变压的三相电压，以控制牵引电机，实现列车牵引与电制动功能。这一转换过程分如下几步完成：

从接触网输入电能供给牵引变流器→牵引变流器将直流电压转化成频率可变、振幅可变的三相电压供给牵引电机→在牵引模式下，牵引电机将输入的电能转化成机械能并通过齿轮箱转换成车辆的轮周牵引力功率→在制动模式下，倒转电源方向，使牵引电机充当发电机，机械制动能转换成电能，重新反馈给电网，供给其他列车或者在制动电阻中消耗。

地铁车辆牵引传动系统通常由下面的部分组成：（1）高压主电路;（2）线路滤波器;（3）牵引逆变器;（4）接地故障探测装置;（5）过压/制动斩波器;（6）牵引电机。

3 地铁车辆牵引传动系统检测与保护电路分析

作为一个完备的控制系统，检测和保护电路是必不可少的。为了保证交流传动系统正常工作以及判别系统是否处于正常工作状态，系统关键参数值的监控是最重要的任务。在列车运行过程中，系统中可能存在各种过电压、过电流、过热等故障及危险，如逆变单元、牵引电机输入过压、过流，IGBT过热、电机定子过热等。如果对这些危险情况听之任之，将造成严重的后果，因此必须采用相应的监测和保护措施。一般对传动系统的检测包括：直流侧线路电压、线路电流，逆变器功率器件（多为IGBT）结温，牵引电机电流、电压、温度等多个方面。在检测中，使用适当灵敏度与精度的传感器等来进行实时、连续监控，由检测信号来进行相关的保护或者控制。

3.1 直流侧检测与保护电路

在牵引传动系统中，功率模块的损坏大多数情况下都与过电流有直接或间接的关系，因此电流检测与保护电路的设计非常关键。虽然传动主电路中串联有熔断器以防止过电流，但是在过电流故障中，当出现过电流或短路电流时，由于熔断丝起作用的时间较长，很多情况下在熔断丝还没有起保护作用之前，电路元器件就已经被损坏。在当今的逆变器中多采用IGBT集成驱动器，所谓智能功率模块（IPM），即可以实现对电力电子器件的短路、过电流保护、欠电压监测等功能，同时还可将故障信号反馈给主控单元。但由于高压的存在，为了保护元器件、保证电路正常工作，还必须在系统设计中加入电压检测与过电压保护电路。

检测电路可使用霍尔电流传感器，由于大多微控制器内置的模/数转换器只能采集电压信号，因此传感器输出与其电源的参考地之间必须接入一个高精度电阻。同时，AD口输入电压一般在0 V～5 V之间，而采集的电流值为交流量，所以还要进行偏移转化将其变为单极性。由主电路中串入的霍尔传感器将采集到的直流电流信号经Rm转换为电压信号，经过电压跟随器，分成检测与保护两路。检测端将电压信号直接送到微控制器AD采样通道。而保护端则将采样电压信号送入LM393比较器，需要采取保护的电流上下阈值分别由RP1、RP2分压电阻来设置。当其高于参考电压信号，即输入电流大于安全值时，比较器输出低电平信号，将此信号作为保护信号输入到微控制器的外部中断引脚，以中断等方式，迅速发出控制信号，产生保护动作。反之，当输入电流小于最低要求时，也会产生中断信号，进入相应的保护措施。二极管D1、D2组成限幅电路保证了AD模块输入在5 V之内。

在直流侧电压检测与保护电路中，需要对逆变器外部的直流网压、中间的直流环节电压、再生制动时制动斩波器IGBT的两端电压等电压检测以及采取相应的保护措施。对直流高电压的检测可以采用LEM公司的LV100系列霍尔传感器，根据测量电压范围，可以选定具体的型号为LV100-1500。

3.2 電机定子电流、电压检测电路

根据异步电动机的控制要求，定子电流检测的精度和实时性是整个控制系统精度的关键。微控制器芯片AD转换器对高瞬态响应的电流传感器输出的电机定子电流信号进行转换，依此对逆变器进行控制。对此，同样可采用霍尔电流传感器来对电机定子电流进行检测，能很好满足系统的要求。

4 总结

随着我国经济水平的增长和城市化进程的日益加快，轨道车辆的技术研究与应用前景日益广阔。为了满足市场的需求，跟上世界牵引传动技术的发展趋势，需要我们结合现状，并进行进一步研究开发。

参考文献：

[1]王艺霖.试论地铁车辆电气牵引系统的控制[J].科技创新导报，2020，17（5）：86-87.

[2]林荣枢.地铁车辆电气牵引系统的电气控制探究[J].轻松学电脑，2019（23）：1.