城市轨道交通地铁牵引传动系统

地铁牵引传动系统

进入21世纪以来，随着我国现代化建设和社会经济的飞速发展，现代城市人口大量增加、地域不断扩大，城市交通堵塞问题日益突出，交通事故、噪音和空气污染等影响着人们的工作和生活。轨道交通在优化城市空间结构、缓解城市交通拥挤、保护环境等方面均显示出积极促进作用，已日益成为中国走新型城镇化道路的重要战略举措。伴随着中国城市化进程的加快，城市交通需求剧增，城市轨道交通也进入高速发展时期。地铁作为城市快速轨道交通的一种工具，因其具有运量大、快捷、安全、舒适、乘坐方便、对环境污染少、占地面积小等诸多优点而受到越来越多城市的青睐。

车辆是地铁运输的主要载体，由于科技的高速发展，高性能的交流传动系统(牵引系统)己广泛应用于地铁车辆。据统计，欧美、日本等城市轨道交通技术强国，自20世纪90年代以来设计的地铁车辆全部采用IGBT或IPM的VVVF交流传动装置，极大地提升了地铁车辆在牵引、制动方面的动力性能。地铁车辆对牵引传动系统的安全性、可靠性、稳定性要求很高，由于各种历史原因，国内对地铁车辆交流传动系统的研究起步较晚，我国最早期的交流传动地铁列车都是整车进口的，但是，大量采用国外的变流器产品，不仅对我国轨道交通行业的发展极为不利，还会导致将来地铁车辆(一般地铁电气设备的使用寿命为30年)运营维护及维修成本提高。随着科技的发展和研究的不断深入，我们国家在装备制造方面已具备了一定的生产能力和技术基础，已经可以实现车体、空调、转向架、车钩、车门、乘客信息系统、ATO等列车重要部件的国产化，但是像牵引传动系统这样的关键部件，虽然取得一定进展，可是与国际先进水平相比，仍存在差距，国内已建或在建的地铁项目中，鲜有应用国产牵引变流设备的先例。

地铁车辆的运行条件与干线铁路/高速动车有很大差异。地铁车辆以动、拖车固定编组方式运行，站间距短，停靠站数多，区间运行时分少，要求列车动力性能优越，有较强的短时过载、断续工作能力;而大铁路的动力配置则关注城际间长距离的恒速/恒功率稳定运行，因此地铁不能像大铁路那样来进行牵引动力性能配置，这对地铁建设投资、列车服役寿命以及降低运营成本等方面均有重要影响。无论是地铁列车还是干线大铁路，其动力性能的发挥都是依靠牵引传动系统实现的，然而地铁车辆独特的运行特征决定了其牵引传动系统设计，可以借鉴

干线铁路/高速动车，但不可完全照搬。

地铁动车牵引传动系统是车体和车辆的关键技术之一，是车辆国产化的重点和难点，长期依赖进口并非长远之计，必须汲取引进一消化一吸收的宝贵经验，掌握自行设计地铁牵引传动系统的核心技术，拥有完全的自主知识产权。

1、研究的方法和现状

图1-1所示为“地铁动车的牵引电传动系统”的基本组成框图，主要由三部分构成:牵引变流器、牵引电机和牵引控制系统。

从电路原理及构成上讲，地铁动车牵引传动系统并不复杂，但从工作原理、控制技术和整体匹配性上讲，设计难度很大，尤其是设计整体性能和综合成本较优的系统难度更大。总结牵引系统的难点与核心技术有三个:1,“牵引电传动系统模型”;2,“牵引变流器控制”;3,“牵引系统设计与优化”，前者是深入研究的基础，后两者是工程实现的保障。

2、牵引传动主电路

随着半导体技术和电力电子控制技术的不断发展，世界范围内投入使用的地铁车辆基本上都采用了三相交流传动的牵引方式。图2- 11是具有代表性的

Siemens地铁动车用牵引传动系统主电路的示意图，采用两点式电压型直一交逆变电路，经受电弓接触牵引网输入DC 1500V直流电，由牵引逆变器变换成频率、电压均可调的三相交流电，向同一转向架上的两台并联的牵引电机供电。当网侧电压在1000-1800V之间变化时，主电路能正常工作，并可方便的实现牵引-制动的无接点转换。

地铁牵引传动系统的主电路主要包括高速断路器(Fl, high speed circuit breaker)、主接触器和预充电电路(K1, K2, Rl)、滤波电抗(L, line reactor)和滤波电容(C, line filter capacitor)、斩波制动单元(BCH,braking chopper),制动电阻(R,} breaking resistor), VUVF逆变器、异步牵引电机以及传感器和吸收电路等检测保护单元组成。

系统级仿真的目的主要是反映整个“逆变器一牵引电机”主电路系统的主要电量的变化规律。考虑到“主接触器和预充电电路”的作用是防止电容瞬时合闸电流冲击，以及“传感器和吸收电路”主要是在IGBT换流过程中起作用，两者在仿真过程中对系统功能的影响是次要的，完全表征复杂电路在系统级仿真时会使模型极其复杂，实际上也没有必要。因此，本章在主电路系统建模中，略去了预充电电路和吸收保护电路。