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环球市场理论探讨/-99-浅谈西安地铁3号线车辆牵引系统组成及功能侯向阳西安市地下铁道有限责任公司运营分公司 摘要：地铁车辆牵引系统是地铁列车的核心部分，牵引系统为列车提供牵引动力，同时在制动时提供电制动力。
目前城轨车辆均使用电力传动系统，电力传动系统一般分为直流传动和交流传动。
主要功能包括牵引和制动指令的产生、牵引使能、高速断路器的控制、电空混合制动的控制、牵引设备的通风方式、牵引设备的监视和故障报警及处理方法等。
随着科学技术的快速发展，地铁车辆研究的不断深入，地铁车辆的速度大大得到提升，但是车辆建设中因为要考虑到的安全因素也随之增加，其内部结构也变得越复杂，因此地铁车辆故障出现频率增加。
文章重点论述了地铁车辆牵引系统的主要设备及基本原理。
关键词：地铁车辆；牵引系统；牵引电机；高速断路器 1引言西安地铁三号线车辆采用ALSTOM 的OPTONIX 牵引系统，使用1500A IGBT 的牵引功率模块和200kW(持续制)牵引电机，提供了更优异的牵引和电制动性能。
其中电气牵引系统为变频变压(VVVF)逆变器控制的交流传动系统。
该系统采用矢量控制，具有优异的防空转/滑行控制功能。
列车制动优先使用电力再生制动，在低速时启动制动过渡电阻，实行电制动与空气制动平滑转换。
2 地铁牵引系统介绍牵引系统为列车提供所需动力及制动力，用于控制列车电机工作，由高速开关、主电路、变流设备及其控制单元、制动电阻等部件组成。
在整个地铁牵引系统中，直线电机由逆变器控制，为车辆运行提供动力，具体来说，地铁车辆驱动，牵引系统中逆变器接收到牵引命令，关闭霍尔电流传感器，此时为其并联电路上的滤波电容器充电，其两端的电压不断升高，达到一个固定值，接着关闭三极管并打开传感器，牵引系统正式发挥作用。
在此过程中，滤波电容器两端的电压不断上升，每控制到一个固定值时，三极管自动打开，地铁牵引系统出现故障，无法正常工作。
3 系统特点牵引及其控制采用为每台牵引逆变器有一台TCU 控制单元控制并驱动4台交流牵引电机；交流牵引电机的转矩采用带速度传感器的矢量控制，速度传感器不能长期用于调节过程，只有在低速区(转子频率低于5Hz)及出现空转/打滑的情况下才使用：列车制动采用优先使用电力再生制动，当电网不能吸收此能量，投入空气制动。
地铁列车电传动系统分析摘要：文章通过对我国现阶段主型地铁车辆电传动系统构成及其功能的分析。
清晰的介绍了该系统各器件的作用及相互之间的关系。
为地铁车辆运用与检修提供了有益的参考。
关键词：地铁车辆电传动；主电路；系统工作原理一、轨道车辆电力牵引发展简介电力牵引是一种以电能为动力牵引车辆前进的牵引方式。
轨道车辆通过受流器从架空接触网或第三轨（输电轨）接收电能，通过车载的变流装置给安装在转向架上的牵引电机供电，牵引电机将电能转变成机械能，机械能通过齿轮传给轮对，驱动轮对在轨道上运动带动车辆前进。
轨道交通电力牵引传动系统分为：1、直流电力牵引传动系统（1）直流—直流（2）交流—直流2、交流电力牵引传动系统（1）直流—交流（2）交流—直流—交流早期的电力牵引的轨道车辆采用直流电动机（如北京地铁一号线）。
直流电动机存在体积大、结构复杂、工作可靠性差、制造成本高、维修麻烦的缺点。
随着交流电机控制理论和大功率电力电子元器件制造技术的发展，采用交流电机牵引的交流传动技术迅速崛起，使轨道车辆电力牵引技术上了一个新台阶。
交流—直流—交流供电系统运用于干线铁路。
我国城市内的地铁、轻轨网络多采用直流牵引制式，城市轨道交通采用直流供电制式是因为城市轨道交通运输的列车功率并不是很大，其供电半径（范围）也不大，因此供电电压不需要太高，还由于直流制比交流制的电压损失小（同样电压等级下），因为没有电抗压降。
另外由于城市内的轨道交通，供电线路都处在城市建筑群之间，供电电压不宜太高，以确保安全。
基于以上原因，世界各国城市轨道交通的供电电压都在直流550～1500V之间。
我国国家标准也规定为750 V和1500V。
以北京和天津为代表的北方地区采用DC 750V供电电压制式，允许电压波动范围为DC 500V～DC 900V，第三轨受流；以上海和广州为代表的南方地区采用DC 1500V供电电压制式，允许电压波动范围为DC 1000V～DC 1800V，架空接触网受电弓受流。
地铁牵引传动系统LC谐振抑制方法研究摘要：随着我国经济的快速发展，社会在不断的进步，近年来轨道交通在国内各主要城市发展迅猛，地铁列车一牵引网的稳定运行是确保乘客安全以及城市交通秩序的关键，因此地铁牵引传动系统的稳定性成为近年来研究的重点，受到广泛的关注。
地铁列车为直一交变流结构，稳定的直流供电是牵引传动系统良好调速性能的关键。
然而受车载变流装置本身空间、重量以及谐波抑制等诸多因素的限制，充当稳压滤波的直流侧滤波电感以及支撑电容的选值往往难以满足系统稳定性的需要，同时由矢量控制等调速方案在负载侧所引起的负阻抗极大地削弱了系统阻尼，使得系统在外界激励作用下容易发生直流侧振荡。
因此，研究分析这一车网失稳现象，探究其失稳机理并提出振荡抑制措施具有重要的理论和工程应用意义。
关键词：地铁牵引；传动系统；LC谐振；抑制方法；研究引言交流传动技术的发展推动了我国综合交通体系的建立，高性能变流控制技术是其中的核心。
随着国家经济发展与城市建设的需要，为更好地解决城市交通拥堵问题，大运量、立体式的轨道交通建设迎来了高峰期，国内各主要城市都己建设或规划了轨道交通线路，并保持高速增长态势。
截止2017年上半年，国内共有31个城市开通运营城市轨道交通，共计133条线路，运营线路总长度达4152.8公里，其中地铁3168.7公里，占76.3070，其他制式结构的轨道交通也呈现多样化并与地铁轨道交通互补发展，其中包括轻轨、单轨、市域快轨、现代有轨电车、磁浮交通、APM等共计984公里。
此外，十三五期间，己开工建设轨道交通的城市有53个，规划建设规模超过9000公里，在建规模约5770公里，预计到2020年，我国城市轨道交通建设将达到一个新的层次。
1交流牵引传动系统振荡分析与抑制研究现状对于直流供电下的变流器一感应电机系统，由于前级滤波环节的存在其直流供电侧在运行过程中很容易产生振荡失稳，特别是针对牵引传动领域，牵引网、变电站以及牵引网分布参数的存在使得列车与列车之间以及列车与牵引供电网之间存在祸合，更容易引起失稳情况的发生，同时也大大增加了该问题的复杂性。
铁道机车车辆新技术培训班讲稿（文档）主要内容●一、交流传动技术发展综述●二、交流传动系统的基本原理●三、交流传动系统的核心技术主讲人：冯晓云第一讲、交流传动技术发展综述●交流传动技术发展的经纬●交流传动机车的技术分类●国内外交流传动技术的最新进展●交流传动技术的展望1、交流传动技术发展的经纬●运输的需求●各种限制●交流传动技术的发展●交直流传动的特点●电力牵引传动方式分类●交流传动机车的发展1.1 运输需求●运输意味着什么?●旅客需要什么?–安全–实用–可靠–性能费用–灵活–舒适1.2 现实条件的各种限制1.3 交流传动技术的发展传动诞生于19世纪，20世纪初被广泛应用于工业、农业、交通运输和日常生活中，受当时科学技术的制约，直流电传动用于高性能的可调速传动系统，而交流传动多用于不须调速的传动系统。
自1879年世界上出现第1条电气化铁路以来，电力牵引经历了将近60年的交流传动的初期探索。
20世纪50年代初整流器电力机车的诞生，使交流传动的研究暂告一段落。
从此直流传动和交直传动机车成为电力牵引无可争辩的主体。
1.4 交直流传动的特点●直流传动（牵引电动机为直流电机）●交流传动（牵引电动机为交流电机）①直流传动时电机的矩速特性②交流传动电机（异步）的矩速特性机车技术●电子技术的发展带来的突破–电力电子 (晶闸管, GTO, IGBT等)–微电子(µP, DSP, i960等)–新材料1.5牵引电传动方式的分类电力牵引传动方式主要可分四类：直流传动（直流供电加直流驱动）交直传动（交流供电加直流驱动）直交传动（直流供电加交流驱动）交流传动（交流供电加交流驱动）1.6 交流传动机车的发展20世纪下半叶，电力电子器件的不断更新和迅猛发展，为采用交流电机驱动提供了重要的物质基础。
通过大功率变频变压变流器实现了交流驱动的优良调速性能，交流电机驱动装置的优越性由此得到完整体现，从而使以交流驱动技术为核心的交流传动机车——交直交传动机车得到了充分的发展。
地铁车辆交流传动系统
本文简要的探讨了地铁车辆交流传动系统的组成、控制原理、牵引和电制
动特性曲线，对地铁车辆的系统电路进行了简要的描述，分析了直流传动和交
流传动的优缺点。
我国早期的地铁列车多为国产直流传动电动车组，采用凸轮调阻或斩波调阻的
牵引控制方式，牵引电机为直流电机。
而近几年建设的地铁项目均采用了进口
交流传动电动车组，牵引控制方式为VVVF逆变器控制，牵引电机为异步电机。
与直流传动系统相比，交流传动系统具有恒功速度范围宽、功率因数和粘着系
数高、牵引电机结构简单和维修方便等优势。
1 交流传动系统的组成
地铁车辆与铁路机车在结构、系统集成上大不相同，机车是完整的牵引系统，
与后面连接的载客（货）车厢相对独立；而地铁车辆则是编列成组，虽然分为
动车和拖车两部分，但都是旅客车厢，动力系统均被分散安装于各车箱的地板
下（动力分散）。
交流传动系统是以调压调频VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）逆变器为核心的电传动系统。
主要由高速断路器、滤波电抗器、VVVF逆变器和异步电动机等装置构成。
地铁车辆交流传动系统的组成因生产厂家的不同及用户
要求的不同而不相同，这里以六节编组的四动两拖（Tc+M+M+M+M+Tc
）地铁车辆为例，简要探讨交流传动系统的组成。
下图为一个“两动一拖（2M1T）”单元主电路实例。
电网经受电弓后分别经两
台动车（B车和C车）的高速开关给逆变器供电，而在拖车（A车）上的辅助逆变器的供电是经过隔离二极管的。
下图为1C4M单元主传动系统原理电路图，1C4M是指一台VVVF逆变器给同一辆车四台相互并联的异步电动机供电的方式，也叫“车控”方式。
其中滤波电抗
器和滤波电容器构成线路滤波器。
VVVF逆变器包含斩波器，斩波器由T7、T8构成，斩波器主要功能用于电阻制动，用它来调节制动电流大小，其另一个功能
为过电压保护。
2 交流传动系统的控制原理
VVVF控制的基本原理为通过改变VVVF逆变器各IGBT元件的开通时间来改变负载的电压，通过改变VVVF逆变器各IGBT元件开通的周期来改变输出的频率。
异步电动机的转矩公式为：T=K1·φ·Ir=K2·（V/fi）2·fs
这里T为转矩，φ为磁通，Ir为转子电流，V为电机电压，fi为电源频率，fs 为转差频率，K1，K2为比例系数。
由上式可以看出：转矩T与电机电压和电源频率之比（V/fi）的平方成正比、与转差频率fs成正比。
同时还说明，当转差频率fs为负值时，转矩T为负值，产生了制动力。
因此：在采用VVVF逆变器的电动车中，只要控制压频比（V/fi）和转差频率（fs）即可自由的控制牵引力和再生制动力。
即只需控制3个因素：逆变器输出电压V，逆变频率fi，转差频率fs。
3 交流传动系统牵引和电制动特性
3.1牵引工况
牵引工况时异步电机作为电动机将逆变器提供的电能转化为动能，转差频率
（fs）大于零。
车辆由静止状态开始起动、加速的控制大致可经历三个模式：
恒转矩控制、恒功率控制、自然特性区。
模式一（恒转矩控制）
恒转矩控制在控制转差频率的同时，慢慢提高逆变频率fi，使其值与速度相符合。
当速度逐渐的增加，异步电机转子的实际旋转频率fm随之增加。
若要保持转差频率fs恒定，则要增加逆变频率fi。
保持压频比（V/fi）恒定，则异步电机的磁通φ恒定，保持转差频率fs恒定，则异步电机转子电流Ir恒定，结果力矩恒定。
保持压频比（V/fi）恒定，则异步电机电压V随逆变频率fi成正比上升，电压控制为 PWM控制。
当逆变器输出电压达到上限时，转为恒功率控制。
例如：1500V的网压条件下，根据公式Vimax=VC·61/2/π,可以知道VVVF逆变器输出电压上限为1170V。
模式二（恒功率控制区）
逆变器电压V达到上限后，其保持恒定，控制转差频率fs随速度增大而增大以控制电机电流Ir恒定。
由于电压电流都不变，所以是恒功率控制。
转差频率 fs增大，则逆变频率fi随之增大，则力矩T下降，T∝1／fi。
恒功率运行到转差频率fs上升到最大值时，转到自然特性区。
如果逆变器容量有较大裕量，也可以在电机电压达到最大值后，在一段时间内
提高转差频率使它随着速度（频率）较快增大，从而增大电流，以延长恒力矩
运行时间，直到电流达到逆变器或电机最大允许值，然后再进入恒功率运行。
模式三（自然特性区）
逆变器电压V保持恒定最大值，转差频率fs保持恒定最大值。
随着速度的上升继续增加逆变频率fi。
电机电流Ir∝1／fi下降，力矩T下降，T∝1／fi2。
3.2 制动工况
制动工况时异步电机作为发电机将车辆动能转化为电能，转差频率（fs）小于零。
车辆由运动状态逐渐减速直至停止的控制大致也可经历三个模式：恒转差
率控制、恒转矩1（恒电压）、恒转矩2（恒磁通）。
制动工况时，车辆以再生制动为主，产生的电能直接反馈入电网，由相邻运行
的车辆吸收。
当电网没有能力或不能全部吸收再生制动的能量时，再生制动转
为电阻制动，消耗在制动电阻上，再生制动与电阻制动的转换由控制单元根据
线路滤波电容器两端的电压控制制动斩波器自动完成的，当滤波电容器两端的
电压超过1800V时，电阻制动完全取代再生制动。
模式四（恒压、恒转差率）
在高速时开始制动，此时逆变器电压V保持恒定最大值，转差频率fs保持恒定最大值。
随着车辆速度的下升减小逆变频率fi。
电机电流Ir与逆变频率成反比增加，制动力与逆变频率的平方成反比增加。
电机电流Ir增大到恒转矩相符合的值，进入恒转矩控制，但当电机电流Ir增大到逆变器的最大允许值时，则要从电机电流Ir增大到该最大值时刻起保持电机电流恒定，在一个小区段内用控制转差频率的方法进行恒流控制。
在这种情
况下，制动力将随逆变频率成反比增加。
模式五（恒转矩1，恒电压）
逆变器电压V保持恒定最大值，控制转差频率fs与逆变频率fi的平方成反比的同时，随着速度的下升减小逆变频率fi，则转差频率fs值变小直至最小值。
电机电流Ir与逆变器频率成正比减小，制动力保持恒定。
模式六（恒转矩2，恒磁通）
转差频率fs保持恒定最小值，此时电机电流Ir亦为恒定。
随着车辆速度的下降减小逆变频率fi。
采用PWM控制电机电压V减小，即保持（V/fi）恒定，则磁通恒定，制动力恒定。
3.3 牵引／制动力相对于速度的特性曲线
因为地铁车辆的特性曲线因为车型的不同而各不相同，此图仅供参考。
由图中
可以看出，当地铁车辆处于牵引工况时，由起动加速到37.5km/h期间，地铁车辆处于恒转矩控制区；由37.5km/h加速到75km/h期间，地铁车辆处于恒功率控制区；由75km/h加速到80km/h期间，地铁车辆处于自然特性区；当地铁车辆处于制动工况时，由高速减速到50km/h期间，地铁车辆处于恒压、恒转差率区；由50km/h减速到停止期间，地铁车辆理论上处于恒转矩控制区，但在实际
运行中，10km/h以下的某一点再生制动力会迅速下降，所以当地铁车辆减速至
10km/h以下后，为保持恒制动力应补充空气制动。
4 结语
与直流传动系统相比，交流传动系统采用异步电机和VVVF无接点控制，省去了直流传动所需的正反向转换开关和牵引制动转换开关，实现了牵引系统的小型
化、轻量化，且维修作业量显著减少；电能再生率达35％左右，节电效果显著。
因此，VVVF交流传动系统已成为地铁车辆发展的趋势。
本文仅对地铁车辆的交流传动系统进行了初步的探讨，我国地铁车辆经过几十
年的实践，随着VVVF交流传动系统技术的不断成熟完善，今后新开发的地铁车
辆电传动系统应以VVVF交流传动系统技术为基础。
