地鐵車輛電氣牽引技術(shù)探討
發(fā)布時(shí)間:2018-07-02 來源: 日記大全 點(diǎn)擊:
[摘 要]地鐵車輛電氣牽引技術(shù)朝著信息化、自動(dòng)化和智能化的方向前進(jìn),以往的數(shù)字控制已趨于淘汰,取而代之的是通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制的電氣牽引,此種牽引方式可以通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完成自檢,從而達(dá)到自控的目的,同時(shí),自主控制還能夠進(jìn)行智能化的信號(hào)處理、信號(hào)輸出,并利用數(shù)據(jù)傳輸完成對(duì)車輛的控制。
[關(guān)鍵詞]電氣系統(tǒng);牽引控制;車輛動(dòng)力;交流式牽引
中圖分類號(hào):S455 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1009-914X(2018)24-0193-01
一、地鐵車輛牽引技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用
。ㄒ唬恳齻鲃(dòng)的發(fā)展
當(dāng)前大部分的地鐵車輛采用的電能,在眾多的傳動(dòng)技術(shù)研究中,根據(jù)地鐵車輛的牽引方式不同選用直流傳動(dòng)和交流傳動(dòng)兩種主要的傳動(dòng)方式,其原理是通過電能進(jìn)入到電力發(fā)動(dòng)機(jī),由發(fā)動(dòng)機(jī)完成車輛牽引。其中直流牽引發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,需要通過半控型晶閘管完成對(duì)直流的斬波,從而使斬波調(diào)壓與相控調(diào)壓相結(jié)合。隨著地鐵車輛牽引技術(shù)的不斷發(fā)展,異步電機(jī)的交流傳動(dòng)開始應(yīng)用到牽引技術(shù)當(dāng)中,同時(shí)隨著變頻變壓的電壓逆變器問世,從而使交流傳動(dòng)成為主要牽引技術(shù),歐洲國(guó)家于1990年代對(duì)直流傳動(dòng)車輛進(jìn)行停產(chǎn),退出舞臺(tái)。
(二)牽引技術(shù)的運(yùn)用
作為當(dāng)前主要地鐵車輛牽引技術(shù),交流傳動(dòng)方式通過牽引變流器來實(shí)現(xiàn)對(duì)地鐵車輛的控制,為了能夠?qū)崿F(xiàn)牽引變流,則需要在地鐵車輛設(shè)計(jì)時(shí)運(yùn)用變頻器彌補(bǔ)電壓等級(jí)不足等問題。如德國(guó)和日本,分別用過1200V和1700V的三電平逆變器,隨著技術(shù)發(fā)展,逆變器加入高壓模塊,從而輸出波形更好。同時(shí)在交流傳動(dòng)中加入速度傳感器和全電制動(dòng),保證電氣牽引的靈活和可靠。
二、當(dāng)前地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì)
針對(duì)某城市的軌道交通情況進(jìn)行車輛電氣牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì),通過電氣牽引技術(shù)的運(yùn)用實(shí)現(xiàn)車輛的智能控制。
(一)車輛基本情況
作為城市軌道交通工具,需要具備架空接觸網(wǎng)進(jìn)行供電。車輛選購(gòu)為中國(guó)著名地鐵車輛生產(chǎn)廠家所生產(chǎn)的車輛,車輛車輪能夠長(zhǎng)時(shí)間保持清潔和干燥,且在平直軌道運(yùn)行中最快速度能夠達(dá)到80km/h,列車加速度大于0.7m/s2,列車制動(dòng)速度不能小于1.2m/s2,制動(dòng)減速度不小于1.5m/s2。
(二)元件選擇
為了能夠滿足車輛的運(yùn)行需要,運(yùn)用交流傳動(dòng)作為主要電氣牽引技術(shù)進(jìn)行牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì),首先需要根據(jù)基本需求原則選擇元件。在一般的系統(tǒng)架構(gòu)當(dāng)中,元件選擇一般為受電器和斷路器兩個(gè)方面,針對(duì)地鐵軌道交通的各項(xiàng)需求,選擇了具備高速斷路器和充電設(shè)備的高壓箱,具備支撐電容器和線路電抗器的濾波電抗器箱,以及制動(dòng)電阻箱、牽引電動(dòng)機(jī)等,利用這些設(shè)備,滿足了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本元件需求。高壓箱除了具備高速斷路器和充電設(shè)備這兩個(gè)元件之外,為了可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械連鎖開關(guān)與主電路隔離,還應(yīng)該具有主隔離開關(guān)。從而在運(yùn)行過程中,可以通過隔離開關(guān)對(duì)電容器進(jìn)行快速放電,保障電路安全。
濾波電抗器箱在系統(tǒng)當(dāng)中主要負(fù)責(zé)方向?yàn)榫S持電壓穩(wěn)定和吸收諧波電壓兩個(gè)方面,本次選擇濾波電抗器箱還考慮到其擁有阻擋逆變器干擾的能力,可以在逆變器出現(xiàn)短路時(shí),通過轉(zhuǎn)換開關(guān)單元來實(shí)現(xiàn)空心。為了避免電壓過高,設(shè)計(jì)中選用了制動(dòng)電阻箱,該設(shè)備應(yīng)用于牽引過程中,可以利用導(dǎo)通斬波模塊來實(shí)現(xiàn)電路阻隔,最終完成電壓控制,同時(shí)還能夠?yàn)檐囕v緊急制動(dòng)提供能量,維持車輛平穩(wěn)運(yùn)行。牽引電動(dòng)機(jī)是電器牽引交流傳動(dòng)中重要設(shè)備,為了滿足地鐵車輛的運(yùn)行需求,選擇了四極自通風(fēng)的三相鼠籠式異步牽引電動(dòng)機(jī),該型號(hào)電動(dòng)機(jī)可以懸掛在地鐵車輛上方的轉(zhuǎn)向架上,利用聯(lián)軸節(jié)完成傳動(dòng)和牽引,并利用逆變器完成電能傳輸。
。ㄈ恳到y(tǒng)
在目前的電氣牽引技術(shù)研究中,為了增大電動(dòng)機(jī)的牽引壓力,一般采用無吸收電路式逆變器,通過其中的絕緣IGBT模塊,實(shí)現(xiàn)軌道車輛的結(jié)構(gòu)緊湊、體量輕盈需求。本文在設(shè)計(jì)當(dāng)中也采用了這種逆變器。在實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,本文選用第三軌供電,滿足地鐵車輛的的電氣牽引要求,并設(shè)定了每小時(shí)0-43km的恒定引力范圍,從而實(shí)現(xiàn)了每小時(shí)43-65km的恒定速度;诖丝梢杂(jì)算得出,恒定牽引力可以設(shè)置為350kN,自然牽引力則應(yīng)該設(shè)定為230kN。同時(shí),為了保證牽引可以規(guī)范在載荷范圍之內(nèi),還需要專門設(shè)定車輛的牽引條件,使車輛能夠在電氣系統(tǒng)的牽引下,自動(dòng)完成載荷調(diào)節(jié)。此外,制動(dòng)方式本文采用了具有突出優(yōu)勢(shì)的全電制動(dòng)方式,為了避免以往氣制動(dòng)在制動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的車輛劇烈搖晃現(xiàn)象,本文在電氣牽引系統(tǒng)當(dāng)中加入了全電制動(dòng)設(shè)備,從而提高了停車精度,使噪聲得到減小,還使車輛更加平穩(wěn),提高了行駛質(zhì)量。
三、電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
(一)電氣控制
地鐵車輛的電氣牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后,需要對(duì)電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先對(duì)列車開啟之后的動(dòng)能與電能的轉(zhuǎn)化問題,需要用電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行約束,在地鐵電網(wǎng)系統(tǒng)中,車輛與電網(wǎng)的連接的方式?jīng)Q定決定了電能損耗,為了降低電能功率損耗,利用電氣控制的方式進(jìn)行控制,讓電動(dòng)馬達(dá)的運(yùn)行更加安全和合理,并從根本上節(jié)約電力使用量。在設(shè)計(jì)中選用PWM低噪聲控制方法,通過變頻變壓逆變器VVVF的脈寬調(diào)制,實(shí)現(xiàn)了高頻全域的異步、同步和低頻全域異步、同步的控制,最終實(shí)現(xiàn)了電力使用量的降低。另外還運(yùn)用了矢量控制方法,利用無速度傳感器使電氣牽引的軸向距離得到增加,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩電流的控制,大幅度提升了轉(zhuǎn)矩響應(yīng)的速度,且提高了測(cè)算速度,使電氣傳動(dòng)牽引更加科學(xué)。
。ǘ恳刂
本文將車輛的牽引控制設(shè)置在電氣牽引系統(tǒng)的逆變箱當(dāng)中,并使用了無邊6U插頭和標(biāo)準(zhǔn)插箱插件相結(jié)合,進(jìn)行信號(hào)的傳輸和搜集。插件即可在DUC和IGBT之間對(duì)部分信號(hào)進(jìn)行屏蔽,從而是交流器可以得到控制。此外,本文采用了高速微處理器,將其裝置于牽引控制單元當(dāng)中,高速微處理器能夠快速接收到地鐵運(yùn)行過程中所發(fā)出的信號(hào),并對(duì)信號(hào)進(jìn)行甄別和處理,從而對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行控制。牽引單元在高速微處理器的運(yùn)作之下,能夠?qū)?duì)交流傳動(dòng)模塊進(jìn)行設(shè)定,從而實(shí)現(xiàn)直接轉(zhuǎn)矩控制。在牽引控制單元中,硬件設(shè)計(jì)包括:開關(guān)單元(PWR)、數(shù)字輸入(DIO)、數(shù)字輸出(DIO)、系統(tǒng)管理通信(SMC)、脈沖轉(zhuǎn)換單元(PCU)、電機(jī)控制單元(MCU)、信號(hào)處理單元(SPU)、輔助處理單元(PAU)。通過這些硬件的選擇和使用,可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)牽引控制單元的數(shù)字化,并能夠?qū)?shù)字化運(yùn)用于控制管理當(dāng)中,管理人員可以通過數(shù)字化的信號(hào)傳輸和顯示,對(duì)既以發(fā)生和可能發(fā)生的線路故障進(jìn)行診斷和預(yù)估,并根據(jù)控制單元和電氣牽引系統(tǒng)相連接的數(shù)據(jù)傳遞,實(shí)現(xiàn)緊急啟動(dòng)/制動(dòng)牽引,保障行車安全。其中,電源開關(guān)是整個(gè)控制系統(tǒng)的電流供應(yīng)插件,數(shù)字的輸入和輸出在本工程中包含了二十個(gè)110V的數(shù)字信號(hào)傳遞任務(wù),在硬件設(shè)置中本文還加入了隔離轉(zhuǎn)換器,可以將二十個(gè)110V信號(hào)轉(zhuǎn)化成為5V信號(hào)進(jìn)行傳輸。為了保證傳輸效果,還需要加裝MOS輸出信號(hào)插頭、繼電器插頭等若干個(gè)開關(guān)。牽引控制單元可以利用這些硬件,對(duì)列車進(jìn)行牽引控制,并保證列車牽引、方向、電機(jī)轉(zhuǎn)向等判斷準(zhǔn)確,最終實(shí)現(xiàn)有效控制。
四、結(jié)束語
隨著技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展,交流傳動(dòng)的電氣牽引技術(shù)步入軌道交通的歷史舞臺(tái)。交流傳動(dòng)取代直流傳動(dòng),除了具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)之外,還在技術(shù)發(fā)展的過程中逐漸形成了自動(dòng)化的控制系統(tǒng),從而保證了列車運(yùn)行牽引過程更加平穩(wěn)和高效,使城市軌道交通取得長(zhǎng)足發(fā)展與進(jìn)步。
參考文獻(xiàn)
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