对地铁车辆电气牵引系统的电气控制研究

贾博

摘 要：随着城市公共交通的发展，地铁作为公共出行的重要承载设施已经列入众多大中城市的建设规划中。电气牵引控制新技术得以在更多的地铁项目中得以运用。本文简要分析地铁车辆牵引系统的工作原理及牵引方式，并在此基础上分析地铁车辆牵引系统的电气控制。

关键词：地铁车辆；牵引系统；电气控制；研究

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.10.033

地铁车辆电气牵引遵从模块化设计，功能上组成整体，结构上相互独立。与早期地铁车辆电气牵引系统相比，如今与电力电子技术及智能化信息技术相结合，自动化及智能化程度更高。目前，地铁车辆的电气牵引技术已经较为成熟，车辆的种类、构造速度不同，其电力传动与控制也各不相同。

1 概述

电力牵引是一种以电能为动力的牵引方式。地铁电力牵引系统的工作原理就是地铁运行过程中由架空线处获取电能并将其调压变换后输送给车组的牵引电动机，由牵引电动机将电能转换成机械能，进而驱动车辆前行。

地铁车辆的电气牵引控制系统是由牵引电器和列车电路构成的。牵引电器包括：受流器、牵引电机、传动控制装置、其他牵引电力电子转换控制系统。列车电路包括：主电气回路、辅助电路、控制电路。现在微型计算机控制己代替了传统使用的模拟电路广泛应用于控制电路。它可根据司机的操作和牵引回路的状态及相应信号调节斩波器，对各接触器、继电器、电磁阀、发光二极管等发出指令，达到所要求的恒流牵引、电阻制动及再生制动等控制。

目前，轨道交通车辆电力牵引方式主要分为直流传动和交流传动两种。

2 直流传动

直流传动车辆采用直流牵引电机。直流电源经直流转换器向直流牵引电机供电，构成直流牵引系统的主要部分包括直流电机在内的主电路及控制电路等。

按照牵引电源性质，直流牵引系统可分为直一直流及交一直流两大类：

直一直流牵引系统是最早应用于电力牵引的一种牵引装置。它使用的是直流电源（直流电网或直流发电机）和直流串励牵引电机。早期的直一直流牵引系统主电路采用的是电阻调压，这种调压方式不仅在车辆频繁启动过程中经过电阻消耗了大量的电能，而且难以实现连续、平滑地调节列车速度。如今半导体技术的飞跃发展，电力电子交流技术得到了不断的提高，现在直流牵引已广泛采用斩波调压方式代替电阻调压，它不仅能取消起动电阻，并能对电动机的端电压进行连续、平滑的调节，实现平稳调速。

交一直流牵引系统使用的是交流电源（交流电网），牵引电机仍采用直流电机。此牵引系统的关键部位是将交流变成可控直流的整流调压装置。运行时改变整流器的控制角、就可调节输出直流电压，使电动机调速。这种系统的交流电网电压很高，适用于大功率、长距离牵引。

3 交流传动

随着晶体管交流技术的发展，地铁车辆电气传动逐渐采用无整流子交流牵引电机的交流传动方式。

从电力牵引的角度考虑，传统的电流牵引电机虽有较好的牵引性能，但防空转性能较差；而且由于直流牵引电机固有的换向器与电刷，带来了较大的体积与重量。另外，换向导致的繁杂的维护问题也时有发生。而交流牵引电机由于没有换向器与电刷，所以其体积与重量得以减小。此外，由于交流牵引电机结构简单，其转子无需绝缘，也没有引线，所以制造技术比直流牵引电机制造成本也低；同时交流牵引电机耐潮湿，防尘和抗机械冲击性能好，工作可靠，寿命长。

采用交流牵引电机后，车辆的调速需用逆变器来完成，将直流电机逆变器变为可调节电压与频率的交流电来控制交流牵引电机的转速。用了逆变器供电，就不需要笨重的有触点的反向开关与制动转换开关，因而，可大大简化车辆主电路，使主电路设备与连线大大减少。同时，由于交流牵引电机没有换向器而不存在换向问题，所以能发挥较高的输出功率；在高速运行时，电机效率也较高，且再生制功时也能输出较人的电功率。这些优点，都使得交流传动方式广泛推广。交流牵引电机的交流牵引系统已被认为近代最优越的牵引调速系统。

根据牵引要求，控制应使列车尽可能平稳，即可能恒加速恒减速，故斩波器控制应采取恒流牵引与恒流制动方式。如图所示，交流电传动的变频器发挥着变压、定频作用，在交流变频调速传动中利用静止变频器使交流电动机得到较宽的调速范围，而当交流电动机由变频电源供电时，为了保持恒定的磁通量，其端电压必须按频率的函数关系变化，其基本规律是电压频率的比值为常数，否则。电动机将出现过励磁或欠励磁。

4 直线电机

城市轨道交通除了直流和交流旋转式牵引电动机外。直线电动机在国外一些地铁项目中已有应用。直线电机工作原理与一般的旋转式感应电动机相类似。可看作是由旋转电机演变而成的新型结構通过交流电时，由于初级与次级感应轨之间磁场的相互作用产生推力，驱动车辆运行或制动车辆。由于省去了传统的机械减速传动机构，车辆依靠线性电机直接驱动和制动，牵引系统不仅产生较高的加、减速度、避免了打滑现象的产生，而且由于装设线性电机，免除了传统的在转向架上悬挂牵引电机与机械传动装置，从而有可能采用小轮径的径向转向架，提高了车辆过小半径曲线的能力，降低了过曲线时的尖啸声和轮轨磨耗。

目前制约线性电机广泛推广的主要缺点是由于线圈与感应轨间的工作气隙较大，导致磁滞损耗大，其效率仅为旋转电机效率的70%，同样工作状况下，耗电量也大大增加。

5 制动控制

地铁交通车站之间往往距离较短，运行过程小的调速和停车都比较频繁。为了提高列车的运行速度，必须使其起动提速快、制动距离短。因此地铁车辆的牵引系统制动应具备如下性能：

（1）制动灵活、制动迅速，制动和缓解时前后部车辆冲击小。（2）具有足够的制动力，保证车辆在规定的制动距离内安全停车。（3）应尽量发挥动力制动能力，以减少对城市环境的污染和降低运行成本。

在制动工况时把牵引电动机变为发电机、通过轮对将列车动能变为电能。这时牵引电动机轴上的反转矩作用在机车动轮上形成电制动力，称为电气制动。采用这种制动可以提高列车运行速度，降低机车车辆轮箍闸瓦的磨损。城市轨道交通车辆一般均采用再生制动与电阻制动相结合的电制动优先、空电联合制动方式，保证在制动系统允许的条件下得到尽可能大的制动减速度。