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福州地铁一号线牵引系统分析

2017-09-01 9页 doc 53KB 44阅读

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福州地铁一号线牵引系统分析福州地铁一号线牵引系统分析 郑 伟 摘要:福州地铁一号线地铁车辆是 B 型铝合金地铁车辆,采用 DC1500V 受电弓供电方式, 采用三相交流异步电机以及直接转矩控制方式。本文着重介绍了福州地铁一号线列车的 牵引传动系统。牵引系统是城市轨道车辆的最重要组成部分之一,对福州地铁一号线牵 引传动系统的各个主要组成部分的结构、工作原理进行了论述,重点对牵引逆变器控制 原理和方法进行了深入的分析。 1 概述 近年来,随着我国城市人口的膨胀、国民环保节能理念的推进,城市轨道交通以逐渐成为大 部分人日常生活中必不可少的一部...
福州地铁一号线牵引系统分析
福州地铁一号线牵引系统分析 郑 伟 摘要:福州地铁一号线地铁车辆是 B 型铝合金地铁车辆,采用 DC1500V 受电弓供电方式, 采用三相交流异步电机以及直接转矩控制方式。本文着重介绍了福州地铁一号线列车的 牵引传动系统。牵引系统是城市轨道车辆的最重要组成部分之一,对福州地铁一号线牵 引传动系统的各个主要组成部分的结构、工作原理进行了论述,重点对牵引逆变器控制 原理和进行了深入的分析。 1 概述 近年来,随着我国城市人口的膨胀、国民环保节能理念的推进,城市轨道交通以逐渐成为大 部分人日常生活中必不可少的一部分并且得到了迅猛的发展,为了不断满足城市轨道车辆的各项 要求,车辆的种类、性能、档次也不断的提高,车辆牵引系统也在不断的发展,发展轨道交通已 。一。;鬈绪 经成为解决城市交通拥挤的主要手段,牵引传动系统是地铁车辆的核心部件,发展牵引系统是发 展城市轨道交通的基础。 我国轨道车辆供给电压有 DC750V、DCl500V、AC25000V 三种方式,受流有接触网和第三轨 两种方式。在电力技术、微电子技术以及模块化技术的大力发展和支持下,以 DC1500V 供电、以 高度集成化的 IGBT 模块为基础部件的牵引逆变器、三相交流异步电机组成的交流传动系统以其 固有的优越性,在轨道交通领域,尤其是在以直流电网供电的动车组中的得到迅猛发展。 牵引高压回路、牵引逆变器和牵引电机是地铁列车正常工作的基础部件,有很高的使用要求 和电气性能的要求。比如,高的可靠性、好的维修性、轻便的体积重量、较低的价格及使用费用 等,所以在牵引系统及其控制方面的研究对地铁车辆的发展是非常重要的。 福州地铁一号线地铁车辆是唐山轨道客车有限公司独立研发制造的,是公司为福州市民打造 的精品,代表了公司最高的技术和工艺水平,是公司打开海西市场的招牌产品。 1.1 列车编组方式 福州轨道交通 1 号线列车为 B 型铝合金车体,采用 4M2T 的列车编组,其列车编组型式为: =Tc,Mp,M,M,Mp,Tc= Mp,M,Tc,M,Mp,Tc, T,,,,,,,T,T,,,,,,T,T,,,,,,T,T,,,,,,,T,T,T,,,,,,,T,c,,,,,,,,c,c,,,,,,,c,c,c,c,c,(1) Tc1 车:有司机室的拖车。 (2) Tc2 车:有司机室且带轮缘润滑装置的拖车。 (3) Mp1 车:无司机室带脚踏泵受电弓的动车。 锄p (4) Mp2 车:无司机室带脚踏泵受电弓的动车。 (5) M1/M2 车:无司机室的动车。 (6) “,”半自动车钩。 (7) “,”半永久牵引杆。 (8) “=”全自动车钩。 1.2 列车牵引性能和制动性能 (1) 牵引性能。超员情况下,在平直干燥轨道上,车轮半磨耗状态,额定电压 DC1500V 时, 平均加速度为: 1) 列车从 0 加速到 40km/h?1.0 m/s2。 2) 列车从 0 加速到 80km/h?0.6 m/s2。 (2) 制动性能。额定载员情况下,在平直干燥轨道上,车轮半磨耗状态,列车在最高运行速 度 80km/h 时,从给制动指令到停车时,平均减速度为: 1) 最大常用制动?1.0m/s2 2) 快速制动?1.2m/s2 3) 紧急制动?1.2m/s2 4) 列车纵向冲击率? 0.75m/s3 星WRDRS 2 牵引系统概述 福州地铁 1 号线牵引系统为交流传动,4M2T,每辆动车有两个动力转向架,每个动力转向架 安装两台 190kW 的三相异步牵引电机,控制方式为车控,采用 DC1500V 架空接触网方式受流。 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,VVVF 逆变器采用 IGBT 大功率器件,散热方式为热管散热器自然冷却,采用高性能的交流传动直接转矩控制方式,减少 了 系统对电机参数的依赖以及繁琐的矢量变换。制动工况下,系统优先使用电制动,具有反应迅 速、可靠的空转/滑行保护功能。 每辆动车配置一台 VVVF 逆变器,逆变器内装有 1 个 IGBT 变流器模块,1 个 DCU,变流模 块驱动 2 个转向架上的 4 台电机。DCU 对逆变器进行控制并与列车通信,这种采用高度集成的大 容量 IGBT 模块驱动 4 台电机方式的优点是变流器体积小、重量轻、便于维护、IGBT 元件负荷小、 世界轨道交通发展研究会 过载能力大,逆变器系统负荷运行能力强,整套系统安全可靠。 VVVF 逆变器采用两电平电压型直,交逆变电路, 1500V 直流电压经综合电器箱、滤波电抗器 送入到 VVVF 逆变器,经逆变器输出三相可变频变压的交流电,为异步牵引电动机供电。制动时, 牵引电机产生的交流电通过逆变器反给接触网,当接触网电压超过一定等级时,制动斩波器打开, 通过制动电阻吸收电机产生的电能并以热量的形式散发,高压回路如图 1 所示: 图 1 高压回路示意图 其中,牵引系统中主要部件及其监控分析如下: (1) 高速断路器 HSCB。高速断路器是一种带有电磁执行机构和自然冷却装置的单极型接触 器,可以使牵引系统与综合电气箱直流供电电源连接或者断开,高速断路器的吸合和断开完全由 牵引控制系统控制并且监控其动作参数和状态。 (2) 滤波电抗器。滤波电抗器是主电路一部分,与直流回路支撑电容器组成滤波单元。滤波 单元集成在牵引逆变器内,用来限制直流侧滤波单元的电压、电流波动,滤除高次谐波,阻止供 电的瞬时突变,从而达到保护电器设备的目的。滤波电抗器为铁芯电抗器,基本无漏磁,免去电 抗器屏蔽板的安装,采用走行风自然冷却,滤波电抗器的所有绝缘均无毒、阻燃,采用 H 级 绝缘,具有良好的绝缘性能、防潮性能、抗振动及短路冲击能力。 ) 制动及过压斩波器。在 IGBT 逆变器模块中集成了一组制动及过压斩波器,斩波器用于 (3 接触网的过压保护及电制动,斩波器与制动电阻相连。接触网额定电压是 DC1500V,但是当实施 电制动时,接触网电压升高,如果升到 DC1800V,高压主回路的电压传感器监测到接触网电压超 出这个值时,DCU 向制动斩波器发出命令,门极驱动单元启动两个 IGBT,然后将能量传送到制 动电阻,以热能的形式散发。当接触网电压降低到允许范围时,制动斩波器处于关闭状态,如果 接触网电压上升到高于最大允许等级,逆变器将被关闭。 (4) 牵引逆变器工作状态的监控。牵引逆变器内电压传感器用来监测接触网电压,DCU 可以 在过压保护电路中探测到相关故障,为了检测过压保护主电路中的故障,需要对通过 IGBT 的电 压进行监控,测量到电压值和 IGBT 发出命令的任何差异都将导致牵引逆变器处于故障状态并通 过 VCU 在 HMI 界面上与司机进行交互。 制动电阻温度要依据周围环境温度、连接时间和接触网电压来计算和监督,制动电阻中的热 过载状态以电压传感器获得的电压值为依据进行计算的,过温是制动电阻最重要的警告信号,通 过时时的监控各个关键部件的工作状态来确保列车的安全运行。牵引系统停止工作之前,正常情 况下牵引逆变器中的过压保护电路会通过斩波器和制动电阻来释放所有电压,如果出现故障,则 通过放电电阻来放电。 (5) 接地故障探测装置。接地故障探测装置可以探测到任何接地故障,在运行期间,可以探 测到从接触网到牵引电机定子线圈这段线路上的任何故障。 接地故障传感器安装在 DC+和 DC-电路中,由牵引逆变器模块供电,传感器通过比较进入牵 引逆变器的电流和返回电流完成接地故障探测,如果电流的差异超出设定值,则会在 DCU 中指示 接地故障。接地故障时,牵引逆变器关闭,通过 DCU 控制的跳断线路将高速断路器断开,牵引逆 变器断电。牵引逆变器模块如果需要重新启动,首先排除接地故障,使牵引逆变器模块正常工作; 如果仍然存在接地故障,高速短路器断开,牵引逆变器断电,本车的牵引力丧失。 3 牵引逆变器及其控制分析 3.1 牵引逆变器电流走向分析 牵引系统满足列车运行状态、运行模式的判别和控制,包括:运行方向、牵引、制动、惰行、 快速制动、紧急制动、紧急牵引、洗车、联挂运行等,并对限速模式和洗车模式自动进行限速。 牵引逆变器有三组 IGBT 模块,一组 IGBT 模块中包含一个续流二极管和一个 IGBT,DCU 通 过控制 GDU 从而控制 IGBT 打开与关闭,IGBT 按 180?导通模式打开与关断使直流网压转化为 均匀地变压变频的三相电压,从而控制牵引力大小。 电制动工况下,电动机产生的电压通过逆变 器逆变为直流电压,返回接触网,接触网不能吸 收的电压通过制动电阻以热能的形式散发。 3.2 逆变器控制分析 星WRDRS 逆变器控制由逆变器内集成的基于电机信号的控制单元完成,DCU 及车辆控制单元间的通讯 通过车辆母线完成。DCU 包括控制及保护牵引系统所需的所有功能,执行包括力矩控制、速度测 量及防滑的硬件及软件。IGBT 由 DCU 控制单元通过门驱动单元(GDU)进行控制,由 DCU 控制单 元向门驱动单元发出的信号通过光纤传递,给系统高电抗扰度。GDU 也能检测相的短路,每相配 备有两个 GDU 且能够监控反馈电压是否超过 IGBT,DCU 将获得 GDU 及 IGBT 的实际状态快速 反馈,反馈很快给出检测故障的可能性。电动机模块为控制及监控与逆变器平行连接的四个 牵引电机,为使严重故障发生时逆变器的损坏最小化,高速断路器可由脱扣继电器立即打开。 3.3 直接转矩控制原理 福州地铁一号线牵引控制系统采用直接转矩控制方法,在低速区采用圆形磁链的间接转矩控 制,充分利用开关频率,获得好的电流波形,高速采用直接转矩控制,在有限的开关频率下,通 世界轨道交通发展研究会 过优化的磁链轨迹,获得转矩的快速动态调节能力,弱磁区工作在恒功模式下,独特的动态弱磁 方法,可以在弱磁区同样获得好的转矩动态调节性能。 直接转矩控制是在静止坐标系下对感应电机的定子磁链实行定向控制的同时,直接控制电磁 转矩,选择固定于定子绕组的坐标系,并以空间矢量的概念建立逆变器输出的电压与定子磁链定 向控制、电磁转矩控制的策略,直接转矩控制摒弃了矢量控制中解耦的思想,将转子磁通定向更 换为定子磁通定向,由于定子磁通定向只牵涉到定子电阻,因而对电机参数的依赖性大为减弱, 直接转矩控制通过转矩偏差和定子磁通偏差来确定电压矢量,不需要象矢量控制那样进行复杂的 坐标变换,计算过程大为简化。 3.4 防滑/空转控制 在交流传动地铁车辆牵引控制中,空转/滑行保护和粘着利用控制是牵引控制系统的一部分, 统称粘着利用控制。如图 2 所示,它的主要作用是在线路状况变化不定的情况下,通过对电机速 度,电机转矩等信息的采集,分析和处理,结合由 MVB 电机转矩指令给定和 DCU 生成的电机牵 引/制动特性包络线,综合得出的电机转矩指令,向电机控制系统发出合适的电机转矩给定,使得 列车能以接近线路当前最大的粘着系数运行,从而获得最大的粘着利用率。 H—一 图 2 粘着控制系统传动控制中的位置 牵引控制系统的粘着利用控制采用相位移法。相位移法建立在线性系统理论的基础上,其基 本原理是通过相位移的测量或计算,间接地获取粘着特性曲线斜率,实现最佳粘着利用原理框图 一。———。{一I— 如图 3 所示: 图 3 相位移法粘着利用控制系统原理框图 本控制系统基于单车控制,当列车因为轨面粘着状况变化导致轮对间速度差发生变化,或者 车轮加速度发生变化并超过保护门槛值时,粘着控制系统将认定为发生空转/滑行,并迅速调整电 机的给定转矩,使得机车在发生空转和滑行时能够从这些状态中迅速退出并重新恢复粘着。 4 结论 福州地铁一号线列车能够在解决福州市越来越拥堵的交通问题中发挥重要作用,能够成为福 州市民生活中必不可少的一部分,列车牵引系统是列车中最重要部分之一,其决定了列车运行的 安全性、平稳性、可靠性,只有在牵引系统正常运行的情况下,才能保证列车的正常运行。 F—’”+ 福州地铁牵引系统使用了高度集成化的 IGBT 大功率元器件,便于维修和日常运行中的保养 维护,采用直接转矩控制方式,保证了列车在低速区的平稳型,在高压回路中设置了电压传感器 和电流互感器,实时监控列车的运行,同时牵引系统具有空转/滑行保护,车轮加速度检测保护等 功能,保证了列车的安全运行。 参考文献 [1] 《福州地铁一号线牵引系统采购项目技术册》.株洲南车时代电气股份公司.2014 年. [2] 《电力牵引控制系统》.王林.中国电力出版社.2005 年. [3] 《电力牵引交流传动及其控制系统》.冯晓云 高等教育出版社.2009 年. [4] 《机车动车牵引交流传动技术》.郭世明 机械工业出版社.2012 年. [5] 《电机传动系统控制》.seung-ki sui.机械工业出版社. 2013 年. 作者: 郑 伟 北车(泉州)轨道装备有限责任公司 助理师 星WRDRS 世界轨道交通发展研究会
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