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地铁动车牵引传动系统分析、建模及优化一、本文概述随着现代城市化的快速推进，地铁和动车已成为城市公共交通的重要组成部分，对于缓解城市交通压力、提高出行效率具有至关重要的作用。
而牵引传动系统作为地铁和动车的核心组成部分，其性能直接影响到列车的运行效率、能源消耗以及乘客的乘坐体验。
因此，对地铁动车牵引传动系统进行深入的分析、建模及优化，对于提升列车的整体性能、推动城市交通的绿色发展具有重要意义。
本文旨在对地铁动车牵引传动系统进行全面的研究。
通过文献综述和实地调研，梳理地铁和动车牵引传动系统的发展历程和现状，分析当前牵引传动系统存在的问题和挑战。
建立牵引传动系统的数学模型，利用先进的仿真工具进行模拟分析，深入了解系统的运行特性和性能表现。
在此基础上，探讨牵引传动系统的优化策略和方法，提出切实可行的优化方案。
通过案例分析，验证优化方案的有效性和可行性，为地铁和动车牵引传动系统的改进和升级提供理论支持和实践指导。
本文的研究内容不仅有助于提升地铁和动车牵引传动系统的技术水平，还可为城市交通的可持续发展提供有益借鉴。
通过不断优化牵引传动系统，有望降低列车的能源消耗、减少排放污染，推动城市交通向更加绿色、高效的方向发展。
本文的研究成果也可为相关领域的研究人员和技术人员提供参考和启示，推动牵引传动系统技术的不断创新和发展。
二、地铁动车牵引传动系统分析地铁动车的牵引传动系统是地铁车辆运行中的核心部分，其性能直接影响到列车的运行效率、乘坐舒适性和能源利用效率。
地铁动车的牵引传动系统主要包括牵引电机、传动装置、控制系统等部分，它们协同工作，使列车能够在不同的运行工况下保持稳定的牵引和制动性能。
牵引电机是地铁动车牵引传动系统的动力源，其性能直接影响到列车的加速和爬坡能力。
现代地铁动车通常采用交流传动系统，牵引电机多采用三相异步电机或永磁同步电机，具有高效率、高功率密度和良好的调速性能。
在列车运行过程中，牵引电机需要根据列车的运行需求和工况变化，实时调整输出功率和转速，以满足列车的牵引和制动需求。
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。
地铁是怎么驱动的原理
地铁是一种使用电力驱动的交通工具，通过铁轨上的电力供应来提供动力。
以下是地铁驱动的基本原理：
1. 供电系统：地铁的供电系统主要由供电站和接触网组成。
供电站将高压交流电转换为地铁所需的直流电，并通过电缆和地下供电通道将电力输送到铁轨上。
2. 接触网：铁轨上方悬挂有一条电气化的接触网，上面通有直流电。
地铁车辆上安装有集电靴，当车辆行驶时集电靴与接触网接触，从而将电能传输到车辆。
3. 传动系统：地铁车辆通常由电动机驱动，电动机连接到车轮上。
当电能传输到车辆后，电动机开始运转，并通过传动系统驱动车轮转动。
4. 控制系统：地铁的驱动还需要一个精确的控制系统。
乘务员或自动驾驶系统可以通过控制系统控制电能的传输和电动机的运行，从而实现车辆的加速、减速和停车等操作。
综上所述，地铁的驱动原理主要是通过供电系统将电能传输到车辆上，再通过电动机和传动系统实现车辆的运动。
这种电力驱动的方式可以提供稳定和高效的动力输出，使地铁成为一种快速、安全和环保的交通工具。
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。
