浅谈轨道交通电气牵引系统的电气控制

2021-12-26

科学与信息化 2021年5期

中车大连电力牵引研发中心有限公司辽宁大连 116000

轨道交通正常运行需要电气系统给予保障，在轨道交通车辆运行过程中为其提供所需要的电能。城市轨道交通在不断发展当中，车辆检修工作的重要性变得更加显著。电气牵引和控制系统则是轨道交通运行的关键依靠，可以确保列车安全稳定运行[1]。所以应当格外关注轨道交通电气牵引系统的电气控制内容。

1 轨道交通电气牵引和控制系统特点和构成

1.1 主要特点分析

电气牵引系统和控制系统当中包含了很多电路设备和系统，让轨道交通得到更完善的保障，为安全停靠和车辆减速产生了十分关键的作用。通常情况下，轨道交通车辆的电制动会应用再生和电阻制动方式，最终实现减速以及可靠目标。为了更精准控制到车辆速度，促进轨道车辆的停靠和减速足够安全，选择机械制动作为辅助方式。尤其是在面临紧急情况下，电制动和机械制动两种制动同时施加，确保车辆安全。制动电阻是电阻和再生制定最显著的区别，也就是在电机工作状态下所呈现出的差别。其中电阻制动指的是发电机状态所发出的电能消耗直接体现在了制动电阻上，再生制动则是将电能直接反馈到电网上。这两种方式都是借助了轨道电磁制动器和制动电磁铁来达到制动目标的。一般而言，地铁车辆需要先开展再生制动，在这个过程当中动能会转化成为电能，将其并入到电网当中[2]。把再生电能传递到其他车辆中，在动能和电能相互转化的过程中达到车辆制动的目标。

1.2 构成内容分析

轨道交通的电气牵引系统当中包含了避雷器、牵引电机、电阻器以及制动电阻和高压箱等。主隔离开关、高速断路器以及充电设备等都是高压箱的主要构成内容，为了让电气牵引系统当中的牵引功能和辅助逆变器的功能顺利实现，会在轨道车辆中配备两台受电弓，一备一用，保障车辆有效安全地运行。滤波电抗器主要是用来稳定电压，让逆变器可以安全有效运行。牵引逆变器的作用是将直流电转变成电压频率可调的三相交流电（VVVF）。

2 轨道交通电气牵引方式和电气控制所含具体构件分析

2.1 牵引方式

（1）直流传动模式

直流传动车辆所采用的就是直流电机，需要经过直流转换器朝着直流牵引电机供电，主电路以及控制电路是直流牵引系统的关键构成部分。结合牵引电源的具体特点，直流牵引系统还可以划分为直一直和交一直两种模式，最早的牵引装置是直一直流系统，电阻调压是最早的调压模式，车辆频繁启动，采用这种调压方式消耗的电能很多，难以平滑和连续地对车辆速度进行调整。当前半导体技术得到了快发展，电子交流技术也实现了进步。在时代发展当中，斩波调压方式替代传统电阻调压方式，不仅能够将启动电阻取消掉，而且还可以平滑、连续调节电动机的端电压，达到平稳调速的目标。

交一直流牵引模式使用到的是交流电源，而牵引电机应用到的还是直流电机，这种牵引系统当中最关键的部位是可以把交流转变成为可控的直流调压装置模式。在运行过程中对整流器的控制角进行改变，就能够实现输出直流电压的调节，达到调节电动机速度的目标。此种系统的电压比较高，更适合那种距离比较长以及功率比较大的牵引模式。

（2）交流传动模式

晶体管交流技术在快速发展过程中，地铁车辆的电气传动模式发生变化，从电力牵引研究视角来看，虽然传统电流牵引电机有着比较好的牵引性能，但是防空转性能力整体上却比较差。而且因为直流牵引的转向器和电刷都是固有的，占据了比较大的重量和体积。与此同时，换向会带来更加复杂的维护问题。交流牵引电机当中未设置电刷和换向器，所以重量和体积也比较小。而且电机结构比较简单，转子没有引线，也不需要绝缘。制造交流牵引电机的成本要明显更低。交流牵引电机也具有更好的耐潮湿、抗冲击性能、防护功能等，工作更加可靠，寿命也更长。

按照牵引提出的具体要求，控制应当让列车保持最大限度的平稳性，也就是恒加速及恒减速。逆变器控制需要采用恒流制动以及恒流牵引的模式，交流电传动当中的变压器主要起到了定频以及变压的效果。静止变频器在交流变频调速转动当中的应用，让交流电动机的调速范围变得更加广泛。在交流变频调速转动过程当中，为了保持恒定的电磁量，必须要按照频率函数关系变化来确定端电压的设置。电压频率比值是常数也是基本规律，否则电动机将会出现过励磁情况或者是欠励磁情况。

2.2 直线电机

城市轨道交通当中不仅有直流和交流牵引电动机，还有直线电动机。有些东西在国外已经得到了广泛的应用。直线电动机和之前的旋转式感应电动机十分接近，可以将其当作是旋转电机演变的新型结构。这种设备可以省去传统机械减速转动机构，借助于线性电机来达到直线驱动和制动的目标。牵引系统的应用可以产生加减速度，减速度，降低打滑情况。也因为线性电机的设置，减少传统转向架悬挂牵引装置和传动装置，提升车辆过小半径曲线能力，也减少轮轨磨耗情况[3]。