上海地铁13号线列车牵引电传动系统设计

上海地铁13号线列车牵引电传动系统设计

作者：黎博闻 陈新溅 陈超录 史熹 来源：《科学与财富》2016年第28期

摘 要：简述自主知识产权上海地铁13号线列车牵引电传动系统的基本参数和性能要求，阐述了列车牵引电传动系统的牵引/电制动特性、性能计算和线路运行仿真、主电路结构、列车牵引控制系统的设计思路和技术特点。

关键词：牵引电传动系统；性能计算；线路运行仿真 0 引言

上海地铁13号线列车是由6节车编组的交流传动列车，其中牵引电传动系统为国内完全自主研发，其核心技术具有完全自主知识产权。下面对其牵引电传动系统设计进行介绍。 1 车辆参数及性能要求 1.1 车辆基本参数

上海地铁13号线列车采用受电弓受电方式，供电电压为C1500V（DC1000～1800V），轮径为840/805/770mm（新轮/计算用轮径/全磨耗轮径），列车的基本配置为6 辆车编组（–Tc * Mp * M = M * Mp * Tc–），包括4辆动车和2辆拖车，列车编组示意图如图1所示。 1.2 列车动力性能要求

定员（AW2）情况下，在干燥平直线路上，车轮半磨耗状态（轮径Φ805mm），额定电压DC1500V供电时，列车平均加速度为： 列车从0加速到40 km/h：≥1.0m/s2 列车从0加速到80 km/h：≥0.6m/s2

制动性能（在超员AW3载荷情况下，在平直干燥线路上，车轮半磨耗状态（轮径Φ805mm），列车在最高运行速度80km/h时，从给出制动指令到停车，平均减速度为： 最大常用制动： ≥1.0m/s2 紧急制动： ≥1.3m/s2 列车纵向冲击率： ≤0.75m/s3

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最高运行速度： 80km/h 平均技术速度： ≥50km/h 平均旅行速度： ≥35km/h

电制动能力：列车制动方式采用电力再生制动与空气制动混合运算的控制方法，优先充分发挥电力再生制动的作用以减少闸瓦的磨损和节省电能。当电力再生制动不足或失效时，由空气制动补足或替代。

1.3 列车故障运行及坡道救援能力要求

列车在各种负载状态下，当损失1/4牵引动力时，列车仍然可以在38‰的坡道上起动，并能以正常运行方式往返一个全程。

列车在各种负载状态下，当损失1/2牵引动力时，列车仍然可以在38‰的坡道上起动，并可以运行到下一站。

一列6辆编组的空车应能将另一列停在38‰坡道上的6辆编组超员故障列车移至前方有停车线的车站（上坡）。 2 牵引电传动系统

牵引电传动系统满足车辆动力性能、故障运行/救援能力以及实现预期的技术、旅行速度等，并综合考虑系统各参数匹配，满足车辆的运行工况以及电气性能要求。

牵引电传动系统主要由主电路、牵引控制系统及其装置组成，以提供列车的牵引/电制动力和实现列车的牵引顺序逻辑控制、故障保护及列车牵引/电制动运行等。

电气牵引系统采用VVVF逆变器-异步牵引电动机构成的交流传动系统；采用IGBT功率元件，VVVF逆变器为热管散热器走行风冷；采用高性能的交流传动直接转矩控制策略，具有反应迅速、可靠的空转/滑行保护并优先使用电制动。

辅助电源系统采用集中式大功率辅助电源供电方式，大功率IGBT辅助电源，电源采用强迫风冷冷却方式。

列车控制和诊断系统遵循IEC61375标准，系统集列车监视、诊断和控制功能于一体，网络协议开放、产品互操作性好，为轨道交通领域主流技术。 2.1 牵引/电制动特性设计

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牵引/电制动特性是列车电传动系统的基本特性，其设计主要依据列车的动力性能要求，考虑列车的冲击极限和电传动系统部件的容量，参数匹配以及车轮与轨道之间的粘着允许，对平直线路、目标线路进行牵引计算和仿真，以及对故障运行能力进行核算等。 参考日立公式，列车基本阻力公式为：

Wv={ （1.65+0.0247v）×Mm+（0.78+0.0028v）×Mt+[0.028+0.0078×（N-1） ]v2 }×9.80665×10-3 kN 其中：

Wv：列车基本阻力 [kN] Mm：动车重量 [t] Mt： 拖车重量 [t] N： 车辆数 v： 列车速度 [km/h]

Mc、M车的惯性系数均取空车质量的10%。 2.1.1 牵引特性

列车在平直道线路、轮径805mm以及接触网压DC1500V条件下，列车最大启动轮缘牵引力（取齿轮装置传动效率0.98）为：AW2时，Fst2≈396kN；AW0时，Fst0≈269.6kN。恒牵引力速度范围为0～40km/h，恒功速度范围为40～55km/h，自然特性速度范围为55～80km/h。 其中，AW2时，恒功起始点牵引力为396kN，自然特性起始点牵引力为288kN，列车牵引特性曲线如图2所示。

考虑低网压时的功率限制，在网压Us 2.1.2 电制动特性

列车在平直道线路、轮径805mm及接触网压DC1650V条件下，列车最大电制动轮缘制动力（取齿轮装置传动效率0.98）为：AW3时，Fb3≈416kN；AW2时，Fb2≈377.24kN；AW0时，Fb0≈257.1kN。恒电制动力速度范围为80～5km/h，电制动力减小的起始速度点为5 km/h（可调）。列车的最大计算粘着系数约为0.165。 在网压Us

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上海地铁13号线（华江站至张江路站，距离为37700m）仿真计算结果为：在超员载荷AW3，牵引时网压取DC1500 V，制动时网压取DC1650V的条件下，往返总旅行时间为4814.88s，平均旅行速度可达45.28km/h。 2.2 主电路

列车牵引系统主电路采用两电平电压型直—交逆变电路。经受流器受流输入的DC1500V由VVVF逆变器变换成频率、电压均可调的三相交流电，向异步牵引电动机供电。VVVF逆变器由一个IGBT逆变模块单元和高压电器组成，驱动4台牵引电动机，逆变模块单元将逆变单元与制动斩波单元集成在一起。当电网电压在1000V～1800V之间变化时，主电路都能正常工作，并方便地实现牵引—制动的无接点转换。 牵引主电路原理图见3。

牵引电传动系统由高压电器单元（BQS、HB、EDS）、电容器充放电单元（KM11、KM12、R11、R12）、滤波单元（L、C）、斩波及过电压抑制单元（IGBT斩波单元、BR）、IGBT逆变器单元（INVU1、INVU2）、检测单元（VH11、VH12、LH11～LH15、LH22～LH24）、异步牵引电动机（1M01-1M04） 、齿轮驱动装置（含联轴节）、接地装置、司机控制器等组成。各高压电器设备箱均采用箱体式车下悬挂结构。牵引电机采用架承式全悬挂结构，并通过联轴节与齿轮驱动装置连接，传递牵引或电制动力矩，驱动列车前进或使列车制动。

综合考虑系统的经济性、电机的并联运行、牵引电动机与逆变器的容量以及齿轮传动装置的机械性能，选齿轮传动比为6.6842（127/19）及如2.1节所述的牵引特性/电制动特性。 2.3 功能单元 2.3.1电容充放电单元

电容器充放电单元由接触器（KM11、KM12）、充放电电阻（R11、R12、R22）等组成，用于主电路支撑电容器（C11、C21）的充、放电。

当列车牵引准备好，主电路HB闭合后，闭合充电接触器（KM12），电网电源通过BQS、HB、充电电阻（R11）给支撑电容（C11、C21）预充电，当电容充电完成时，线路接触器KM11闭合。

当需对高压电器箱、VVVF逆变器进行维护保养时，闭合制动斩波管形成直流支撑电容的快速放电回路，电容通过斩波模块快速放电，放电时间小于1s。 2.3.2滤波单元

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滤波单元由滤波电抗器（L）及支撑电容器（C）组成线路滤波器。

线路滤波器使主电路直流侧支撑电容器电压保持稳定并将电压波动限制在允许范围内，同时，吸收直流输入端的谐波电压，抑制逆变器对输入电源网的干扰，在逆变器发生短路时抑制短路电流并满足逆变器开关元件换相的要求等。 支撑电容器集成在VVVF逆变器的逆变器模块上。 滤波电抗器为空心式电抗器，采用强迫风冷却方式。

线路电抗器电感值为L=5mH；支撑电容器的电容值为C=2×4.3mF=8.6mF。 2.3.3制动斩波单元

制动斩波单元由IGBT斩波模块及制动电阻（BR）等组成。IGBT斩波模块与逆变模块集成在逆变器模块上。制动斩波单元能够抑制中间直流回路电压的瞬时波动以及过电压。 牵引或制动工况时，通过触发导通斩波模块，能抑制因空转或其它因数等原因引起的瞬时过电压，再生制动时，能够吸收再生制动能量，确保再生制动的稳定进行。

制动电阻安装于车辆底架下，每动车两个电阻单元BR11、BR21，安装于一个制动电阻箱内，为强迫风冷方式。 2.3.4逆变器单元

逆变器单元采用IGBT元件，为两电平逆变电路。主电路含有一个逆变器单元

（CONMK），逆变器单元集成三相逆变器的三相桥臂（逆变单元）及制动相桥臂（制动斩波单元），驱动4台异步牵引电动机。逆变器单元集成在VVVF逆变器箱中，驱动4台牵引电动机。

逆变器控制装置即牵引控制单元（DCU），采用异步电动机直接转矩控制方法，具有粘着利用控制功能，主要完成对IGBT逆变器暨交流异步牵引电机的实时控制、粘着利用控制、制动斩波控制，同时具备完整的牵引变流系统故障保护功能、模块级的故障自诊断功能和一定程度的故障自复位功能以及部分车辆级控制功能，DCU是组成列车通讯网络的一部份，与多功能车辆总线采用MVB接口进行通信。DCU集成在牵引逆变器箱中。 2.3.5检测单元

检测单元由（VH11、VH12、LH11～LH15、LH22～LH24）等电压、电流传感器构成。 LH11、LH15放置于VVVF逆变器箱中，用于牵引输入电流检测及接地差分保护。

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LH12-LH13、LH22-LH23、LH14/LH24、VH11、VH12等安装在VVVF逆变器箱中，分别用于逆变器输出电流、斩波电路电流、输入电压及中间电路电压的检测。 2.4 牵引控制系统 2.4.1 功能及构成

牵引控制系统采用硬线控制方式，由继电器逻辑电路和列车硬线来实现列车的牵引和制动控制。牵引控制系统由司机控制器、各指令开关、有接点控制电路、列车监控系统（TMS）和传动控制单元（DCU）等构成，主要完成列车有关牵引的控制指令及状态的给出、传输和控制，实现列车牵引/电制动控制、电传动系统故障保护等。 3 结语

本文章介绍了上海地铁13号线列车电传动系统的整体设计方案，该电传动系统采用了先进的设计理念及技术，并总结吸取了国内地铁车辆牵引系统设计、生产方面的经验教训，整体性能优良，系统的可靠性较高。 参考文献

[1]丁荣军，陈文光.地铁车辆用交流传动系统的设计[J].机车电传动，2001（5）. [2]陈文光，丁荣军.国产化北京地铁列车牵引电传动系统设计[J].机车电传动，2006.

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