论文部分内容阅读
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
中图分类号：U260.13 文献标识码：A文章编号：
Abstract: This paper describes the Railcar Propulsion system integration structure, the basic design and key components of design, and urban rail traction system integrated key technologies proposed should be noted that in the urban rail traction system design problems and solutions.
Key Words: rail vehicles; traction system; integration technology; traction motor; explore
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 牽引系统结构组成
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。
4 牵引系统集成的关键技术
4．1牵引逆变器的电流浪涌控制技术
牵引电动机的功率是由牵引逆变器提供的，尤其是牵引电动机的电流更是依靠牵引逆变器中开关管的电流浪涌来满足的，因此牵引逆变器中开关管的设计选型不但要看额定电流，更要看其最大峰值电流，不同厂家的开关器件尽管额定电流一样，但最大峰值电流随温度的变化曲线却差异较大。
4．2牵引逆变器和牵引电动机的匹配技术
由于开关器件和牵引逆变器的容量所限，对于接触网电压在1 500 V的城轨车辆来说，一般采用1个逆变器单元带4台牵引电动机的配置方式( 简称为1C4M方式)。对于接触网电压在750 V的城轨车辆来说，一般采用1个逆变器带2台牵引电动机的配置方式( 简称为1C2M方式)。这种做法是最经济的。
对于 1C4M方式来说，尽管结构简单，但是也有不少缺点，如车辆动车的4个轮径差容易造成电动机负载分配不平衡，不能通过控制实现车辆起动、制动时转向架前后轴的转移补偿等。尤其是对于采用速度反馈控制技术的直接转矩控制方式来说，从4台牵引电动机速度中选择科学真实的速度信号十分困难。
4．3牵引逆变器的冷却技术
对于城轨车辆应用的牵引逆变器，要求结构紧凑，便于装拆与维护。IGBT模块绝缘式的封装可使冷却装置设计合理以及结构简化，但是牵引逆变器的输出功率与所采用的冷却方式密切相关，对牵引逆变器所用的冷却方式通常有自然冷却、强迫风冷及采用水冷却方式。自然冷却虽可不用风机，但其输出功率受限，或需用较多的半导体器件，因此会增大费用、体积和重量。城轨车辆上的牵引逆变器大多采用强迫风冷。
5 结语
随着电力牵引技术的进步与提高，有国家产业结构和广大轨道交通运输企业的大力支持，城轨车辆牵引系统集成技术一定会越来越完善，一定会更加成熟、可靠，全力支持和推动中国城市轨道交通的发展和人们生活水平的不断提高。
关键词: 轨道车辆; 牵引系统; 集成技术;牵引电动机；探究
中图分类号：U260.13 文献标识码：A文章编号：
Abstract: This paper describes the Railcar Propulsion system integration structure, the basic design and key components of design, and urban rail traction system integrated key technologies proposed should be noted that in the urban rail traction system design problems and solutions.
Key Words: rail vehicles; traction system; integration technology; traction motor; explore
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 牽引系统结构组成
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。
4 牵引系统集成的关键技术
4．1牵引逆变器的电流浪涌控制技术
牵引电动机的功率是由牵引逆变器提供的，尤其是牵引电动机的电流更是依靠牵引逆变器中开关管的电流浪涌来满足的，因此牵引逆变器中开关管的设计选型不但要看额定电流，更要看其最大峰值电流，不同厂家的开关器件尽管额定电流一样，但最大峰值电流随温度的变化曲线却差异较大。
4．2牵引逆变器和牵引电动机的匹配技术
由于开关器件和牵引逆变器的容量所限，对于接触网电压在1 500 V的城轨车辆来说，一般采用1个逆变器单元带4台牵引电动机的配置方式( 简称为1C4M方式)。对于接触网电压在750 V的城轨车辆来说，一般采用1个逆变器带2台牵引电动机的配置方式( 简称为1C2M方式)。这种做法是最经济的。
对于 1C4M方式来说，尽管结构简单，但是也有不少缺点，如车辆动车的4个轮径差容易造成电动机负载分配不平衡，不能通过控制实现车辆起动、制动时转向架前后轴的转移补偿等。尤其是对于采用速度反馈控制技术的直接转矩控制方式来说，从4台牵引电动机速度中选择科学真实的速度信号十分困难。
4．3牵引逆变器的冷却技术
对于城轨车辆应用的牵引逆变器，要求结构紧凑，便于装拆与维护。IGBT模块绝缘式的封装可使冷却装置设计合理以及结构简化，但是牵引逆变器的输出功率与所采用的冷却方式密切相关，对牵引逆变器所用的冷却方式通常有自然冷却、强迫风冷及采用水冷却方式。自然冷却虽可不用风机，但其输出功率受限，或需用较多的半导体器件，因此会增大费用、体积和重量。城轨车辆上的牵引逆变器大多采用强迫风冷。
5 结语
随着电力牵引技术的进步与提高，有国家产业结构和广大轨道交通运输企业的大力支持，城轨车辆牵引系统集成技术一定会越来越完善，一定会更加成熟、可靠，全力支持和推动中国城市轨道交通的发展和人们生活水平的不断提高。