轨道交通车辆电力牵引传动系统设计

陈 敏，竭 宝

（中车大连电力牵引研发中心有限公司，辽宁 大连 116000）

引言

我国对城市轨道交通的相关研究比较落后，城市轨道交通的车辆大多数来自于进口，但是随着相关技术的引进、吸收和创新等，我国的城市轨道交通已经发生了很大的变化[1]。电力牵引传动系统是城市轨道交通车辆的重要组成部分，是当前普遍采用的一种新型牵引和传动方式，对此进行研究，能够推动城市轨道交通和城市本身的健康发展。

1 电力牵引传动系统的概述

我国城市轨道交通车辆的发展历程是直流传动到交流传动，现阶段几乎都采用了交流传动的方式。城市轨道交通和干线铁路交通之间存在比较大的差异，使得两者在电力牵引传动系统上有明显的不同。城市轨道交通拥有自身的优点，即乘坐的舒适性比较高、对环境的影响比较低。但是在客流量变化呈现比较大的变化时，由于乘客的上下车频率比较高，在人流高峰期很可能会出现过载的情况。两者相比较而言，城市轨道交通车辆的编组运行方式是动力分散式，而干线机车的牵引方式则是动力集中型；城市轨道交通车辆的电力牵引供电方式是1 500 V、750 V低压直流，而干线的电力牵引为25 kV的单相交流。现阶段，随着城市轨道交通车辆发展的需要，将电力电子、计算机测控和电机学等先进的技术引入到了电力牵引传动系统当中，推动其向智能化、节能型、模块化和免维修等方向发展。

2 轨道交通车辆电力牵引传动系统的设计

由于城市轨道交通车辆和干线铁路运行之间存在比较大的差异，因此不能按照干线铁路的标准来配置动力性能，需要结合城市轨道交通车辆运行的特点，设计相应的电力牵引传动系统，保证其拥有良好的动力性能[2]。对轨道交通车辆的电力牵引系统设计存在相应的技术难点，从其电路原理和构成上来讲，主要是在车辆牵引和制动的特性曲线设计和逆变器与牵引电机的合理匹配方面，具体内容如下所述。

2.1 选择恰当的牵引参数

恰当牵引参数的选择需要从起动加速度、制动减速度、最高运行速度和平均运行速度的角度出发，首先，起动加速度。作为城市轨道交通的重要参数，其能够对轴功率的选择和旅行的最高值产生直接性的影响。城市轨道交通具有运行区间比较短的特点，为了使运行的效率和运输的能力得到提升，必须保证加速度远远高于干线列车的起动加速度。通过对当前城市轨道交通车辆运行的经验可知，确定其在0.69 m/s2到1.43 m/s2之间。其次，制动减速度。在城市轨道交通车辆的制动系统性能好的情况下，由于黏着制动的作用足够，能够使制动减速度达到1.0 m/s2。由于站间距不同，如果制动减速度超过了1.0 m/s2，那么制动减速度越大，制动时间的作用效果就会越来越低[3]。再次，最高运行速度。最高运行速度必须要考虑区间长度、线路要求的平均旅行速度等的影响，保证城市轨道交通车辆的加速区间足够长。最后，平均运行速度。一般来说，平均运行速度和起动加速度、制动加速度、停站持续时间和最高运行速度等密切相关。

2.2 城市轨道交通车辆牵引和制动特性的曲线设计

在城市轨道交通车辆当中，一般情况下地铁的站间距为0.8 km，而市郊线路的站间距为1~3 km之间。城市轨道交通在运行的过程中具有较短的运行区间的特点，加上其需要进行频繁的起动、制动和停靠，一般设定其旅行的速度为35~40 km/h。基于这种状况，制定合适的牵引参数是相当重要的内容。同时，还要制定与此相匹配的合理且科学的车辆牵引和制动特性曲线。为了满足实际的城市轨道交通车辆牵引传动系统的性能需要，与列车实际运行的要求相结合，制定出了牵引和制动特性曲线，如下页图1所示。

从牵引工况的角度来看，列车在起动加速的时候，需要保证其拥有足够大的起动牵引力，这样才能够保证起动的平稳性。图1中的k-A阶段，是牵引力恒定控制时期。当速度提升到一定的程度时，在最高电压和功率的限制作用下，就会进入图1的A-B阶段，即恒压恒功率控制，此时能够对额定的功率进行充分的使用；当速度进一步提高的时候，在牵引电动机转矩裕量的限制作用下，就会进入图1的B-C阶段，即自然特性控制。换句话说，就是要降低功率运行[4]。

从制动工况的角度来看，城市轨道交通车辆的运行需要先将电制动投入其中，在电制动力不足的情况下，补充相应的空气制动，从低速停车切换到空气制动阶段。当城市轨道交通车辆进行电制动的时候，此时牵引电机处于发动机的状态下，不仅会吸收列车的动能，还会对列车实施制动。

牵引工况和制动工况都能够使城市轨道交通车辆拥有良好的抑制空转和滑行的能力。

从图2可知，车辆的牵引阶段是在oc阶段，oa阶段和牵引电机的恒转矩起动阶段相对应。ab段和牵引电机的恒功率运行阶段对应，在保证电压恒定的情况下，可以提高交流电的频率，从而使电机在弱磁恒功区运行。bc段和牵引电机的自然特性阶段相对应，cd段和城轨车辆的惰性阶段相对应，而de段和车辆的制动阶段相对应。

2.3 逆变器和牵引电机的合理匹配性

城市轨道交通车辆的牵引传动系统的核心问题就是牵引逆变器和牵引动机的优先匹配设计，其能够保证具有优越性能的城市轨道车辆的牵引和制动性能充分发挥其作用。同时，城市轨道交通车辆的灵活性、便捷性等负载特性对变流器和牵引电机的匹配设计方法起到了决定性的作用。

从动力配置的角度来讲，逆变器与牵引电机的匹配有三种类型，即1C4M车控式动力配置、4C4M轴控式动力配置和2C4M架控式动力配置。这三种动力配置有各自的优缺点，在进行选择的时候，需要结合具体的城市轨道交通的成本、动力和粘着利用等方面进行考虑，从中找出最合适的方案[5]。

从牵引电机参数设计的角度来讲，需要结合国内各个城市的轨道交通车辆牵引制动工况，一般来讲，在制动工况下，需要保证在恒制动力阶段的最高速度点达到最大功率；牵引工况下，需要保证在恒功率阶段电机达到最大功率。

从牵引逆变器的参数设计角度来讲，当处于电制动恒转矩阶段的拐点时，将车量运行的速度提高到最高，此时的再生制动会产生非常大的瞬时电能。如果将非常大的再生能量回馈，那么就会直接影响牵引传动系统的安全。因此，需要根据轨道交通车辆运行的状况对逆变器设计容量。

3 结语

研究城市轨道交通车辆的电力牵引传动系统，能够大大提升城市轨道交通车辆的牵引和电制动性能，有助于提升城市轨道交通车辆运行过程中的安全性和稳定性，最大限度内降低这种交通运输方式对环境带来的污染和车辆的实际运营成本。