地铁车辆电气牵引及控制系统分析

地铁车辆电气牵引及控制系统分析

摘要：目前，我国地铁行业发展十分迅速，地铁运输系统是城市发展规划的重

要基础工程，是保证城市交通运输体系顺利运行的重要组成部分。电气牵引系统

作为地铁列车的电力供给方式，其和其所搭载的控制系统对列车顺利运行起到了

至关重要的作用。本文，重点对地铁电气牵引系统和其搭载的控制系统进行分析。

关键词：电气牵引；牵引电机；逆变器；制动设备

引言

电气牵引系统是地铁正常运行的保障，其主要负责地铁运行期间所需的电能。随着城市轨道交通的迅速发展，地铁车辆检修工作变得越发重要，而电气牵引与

控制系统作为地铁运行的重要依靠，其能确保地铁安全稳定运行。因此，加强对

车辆的检修尤为关键。

1地铁车辆电气牵引系统的结构特点

地铁车辆中的牵引系统主要是由受电弓、牵引电动机、高压箱、牵引逆变器、制动电阻和避雷器等部分组成的。其中高压箱是由主隔离开关、相应的充电设备

和断高速路器等部分组成，但是在地铁车辆中，大部分都是由两台受电弓组成，

从而防止由于其中一台在遇到故障问题后导致辅助逆变器和牵引逆变器停止运行

等问题。这几个受电弓由于可以向动力单元分别输送动力产生所必须的高压电源，因此假如其中一台受电弓发生故障问题，而另一个受电弓可以依然促进辅助逆变

器和逆变器的正常运行。在牵引系统同时还设置有牵引逆变器，将支撑电容输入

进逆变器中可以促进点电压输入的稳定性，同时还能发挥出能量缓冲的效果。地

铁车辆中的牵引系统是由各种电路和设备组成的，而系统的顺利运行也需要以相

关电路设备为支撑，在大部分设备之中，车辆停车和减速等行动都离不开制动装

置的支持，因此制动装置能够有效保障地铁的安全运行。目前我国城市中的地铁

车辆都是通过电阻制动、再生制动以及机械制动等形式来进行运行的，而机械制

动主要是通过空气的不断压缩来实现制动效果的，而电阻制动以及再生制动都是

通过轨道电磁制动和铁路电磁铁来实现的，再生制动当中，利用地铁的制动牵引

能够将动能顺利转化成电能，随后再生制动能量能够返回到电网当中，从而将制

动电能在提供给其它车辆。

2地铁车辆电气牵引及控制系统

2.1制动控制

众多设备中，制动设备是最重要的设备之一，地铁列车减速、加速、停车都

是通过制动装置完成的，制动装置高效的响应、运行是保证列车安全运行的重要

保障。在地铁列车牵引运行过程中，牵引力控制系统的作用至关重要，只有科学、合理的设计电气控制系统，才能有效的对地铁列车进行制动。目前我国城市地铁

列车使用的制动形式主要以机械制动、电阻制动和再生制动为主。所谓的机械制

动主要依靠压缩空气实现制动，而电阻制动则依赖轨道电磁制动，而再生制动可

以有效的将动能转化为电能进行能量循环使用。在列车的实际运行中，三种制动

方式和发挥出的功效差别较大，通常来说，在进行列车制动控制时，一般按照先

再生制动，随机电阻制动，最后进行机械制动的步骤顺序。但是在列车的实际运

行过程中，综合考虑制动效率和制动过程的能量损耗，在每个制动步骤中，一般

不会使用单独的制动方式，需要将多种制动方式耦合使用达到正向协同作用，提

高制动效果，减少制动过程中的能量损耗。根据地铁运行经验总结来看，地铁列

车设计的制动方式主要为电阻制动和再生制动，而机械制动方式主要起到辅助的

作用。

2.2矢量控制

是在整个地铁车辆的电气牵引系统设计中最主要的控制方法，通过矢量控制，能够对地铁车辆进行快速的操作，具有非常精准的特点，对地铁车辆的冲击进行

一个很好的控制，实现平稳的制动效果。在混合制动的状态下，一旦发生了空转

或者花型的情况，可以紧急实现该操作，恢复轨道之间的你附着力，减少设备损

坏的可能性。矢量控制的有效运用，可以使地铁车辆电气牵引系统更加的完善、

完整，并在列车行驶过程中保证其安全性与稳定性。

2.3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。

2.4电气控制模式

在地铁车辆实际运行期间，发动设备会受到多方面因素的影响，进而对牵引

逆变器带来不同程度的阻碍。此时，应综合控制设备多方面的内容，以满足地铁

车辆高速运行的要求。首先，通过对地铁接受到的工作指令进行整合，可以达到

高效操作设备的目的，且在电气牵引的基础上实现更好的控制操作，这能在一定

程度上提高车辆运行效率，防止车辆运行出现安全风险。其次，对地铁车辆的运

行速度进行控制，可以较好地满足安全运行的需求。同时，还可以通过地铁设备

的内部电控模式，达到有效管理移动范畴内的地铁运行，确保列车运行的安全稳

定的目的。实施电气控制能有效保证地铁安全行驶，在合理范畴内控制地铁运行

效率，防止出现超速等运行问题，解除地铁运行的安全隐患。

结语

综上所述，电气牵引系统对于地铁的正常运行来说具有重要的作用，也是地

铁运行中比不可少的内容，能够提高地铁运行的安全性，从而对运行中的地铁车

辆形成一种有效的制动与牵引。为此在日检测过程中，要加强车辆的检修工作，

同时还要熟练掌握制动控制和牵引控制，从而提高地铁运行的安全性。