对轨道车辆牵引系统集成技术的探究

摘 要: 本文介绍了轨道车辆牵引系统集成的结构组成、系统基本设计和关键部件设计，以及城轨车辆牵引系统集成关键技术，提出在城轨车辆牵引系统设计中应该注意的问题和解决方案等。

关键词: 轨道车辆; 牵引系统; 集成技术;牵引电动机;探究

引言

随着电力电子等技术的进步与发展，现代化的城轨车辆系统已经成为一个集机、电于一体的复杂系统，一般说来，包含五大子系统技术。这五大子系统技术是: 牵引系统集技术、制动系统技术、网络控制系统技术、旅客信息系统技术和车辆走行部系统技术等。但在这些系统技术中，牵引系统集成技术是其他系统技术发挥性能的有力保障和支撑，始终占据着举足轻重的地位。

1 牵引系统的组成

1.1 牵引系统结构组成

城轨车辆牵引系统的结构形式主要取决于两个方面，一是城轨车辆的编组方式，二是牵引逆变器的技术水平。

目前，城轨车辆的编组形式主要有以下3种:两动两拖4节编组，三动三拖和四动两拖6节编组，并尽可能组成单元，以便于设计、制造、维修等。

1.2 牵引系统主电路组成

1.2.1 输入滤波电路

对于直流接触网电源供电的城轨车辆牵引系统，在前级一定要设置有输入滤波电路，该电路由输入滤波电抗器和滤波电容器构成，该滤波电路的作用是:

(1) 将接触网送来的直流电源进行滤波，尽可能将输入电源的脉动量控制在牵引逆变器允许的范围内;

(2) 抑制电网侧发生的过电压突变，防止对牵引逆变器工作构成干扰;

(3) 抑制牵引逆变器换流引起的尖峰电压对电网的冲击;

(4) 限制牵引逆变器的短路电流上升率，以便留出高压断路器在电流限制时间内分断，进而避免当牵引逆变器发生短路时对电网的冲击。

1.2.2 牵引逆变器和牵引电动机电路

对于牵引逆变器和牵引电动机的匹配，理论上说，一个逆变器配一台牵引电动机最好，这样做的优势在于每个牵引电动机转矩均可以单独调整，不存在由于轮径差或牵引特性差异引起电动机功率发挥不平衡的问题，车辆黏着利用率高。故障运行能力强，但是由于存在着牵引逆变器成本高、安装空间大等缺点，在城轨车辆牵引系统中极少采用。目前城轨车辆牵引系统一般采用一个逆变器配两牵引电动机(架控)或一个逆变器配四牵引电动机(车控)的模式。

1.2.3 斩波制动控制电路

为了尽可能达到节能效果，在城轨车辆牵引系统中，也设计有再生制动控制回路。该控制回路主要由两部分组成，一部分是制动电阻，另一部分是制动斩波电路，该电路设置在牵引逆变器中。该控制回路设计的基本原则是: (1)满足直流主电路长时过电压的抑制; (2) 在车辆实施电气制动时，如果该能量不能反馈到电网，必须通过开启制动斩波电路，通过制动电阻吸收电能; (3)可以吸收当牵引逆变器发生故障导致高速断路器分断所引起的直流电路的过电压。

3 牵引系统关键部件的设计技术

3.1 高速断路器

高速断路器设在受电弓与线路滤波器之间，一般来说，每一个高速断路器给每辆或两辆动车牵引逆变器提供保护，高速断路器仅用于牵引回路，辅助系统独立于牵引回路。

总体要求是: (1)为便于控制和保护，高速断路器由电磁力驱动; (2)高速断路器的动作由牵引控制单元或过流脱扣装置触发，控制跳闸时间和断开速度应与输入滤波器的有关特性相匹配; (3)牵引逆变器输入端能承受最大瞬时电流及输入回路因故障突然接地的电流。

3.2 输入滤波器

在每辆动车的牵引逆变器前配备一个线路滤波器，该输入滤波器的主要作用是: 限制牵引逆变器的输入电流变化率和当牵引逆变器发生故障短路时的短路电流的变化率。

总体要求是: (1)线路滤波器的设计应与高速断路器的分断能力协调一致，以保证当线路滤波器突然接地时不损坏任何其他设备; (2) 滤波电抗器的安装应采取措施，减小磁通密度对客室的影响; (3)为保证电感在任何电流时电感值的恒定，一般采用空心结构。

3.3 牵引逆变器

牵引逆变器是牵引系统的关键部件，其主要部件有: 接触器、滤波电容器、三相逆变器模块、电气制动斩波器模块、牵引控制单元等。

总体要求是：(1)牵引逆变器的前级接触器，用于与电网电源的隔离。有时，牵引系统有独立的熔断器，可以实施短路保护。(2)牵引逆变器或功率模块由独立的牵引控制单元控制，牵引控制单元与车载网络控制系统连接，可以及时地接受控制指令，同时将车辆牵引变流器工作情况反馈回网络。(3)为减少滤波电容器和IGBT开关器件之间的杂散电感，滤波电容器的安装应尽可能靠近IGBT，并且采用叠片式低感母排。

3.4牵引电动机

城轨车辆的牵引电动机的额定功率仅仅是一个标称功率，在牵引工况时，牵引电动机总要超功率，即峰值功率，在制动时的峰值功率则更大。

总体要求是：(1)在Mp车上和M车上分别设有 4 台牵引电动机，由一台牵引逆变器向牵引电动机供电。(2)牵引电动机主要特点有: 适应牵引逆变器输出的谐波影响; 在车轮直径有偏差(小于6 mm)时，各牵引电动机间的负荷分配能满足要求; 在车辆运行发生牵引电动机发热时，由于发热所引起的特性变化必须在牵引逆变器控制许可的范围内。(3)一般采用强迫风冷。

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