地铁车辆电气牵引传动控制方法研究
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地铁车辆电气牵引传动控制方法研究
摘要：随着社会经济的发展、城市规模的扩大,为了提高城市交通运营水平、更好地解决交通堵塞问题和民众出行困难问题许多大中型城市纷纷选择将城市轨道交通作为城市公共交通的重要组成部分。以地铁为“骨架”,以公交车、出租车为“毛细血管”的公交网络将成为城市公共交通的主要运营方式。城市轨道交通具有运送量大、速度快、污染少等优势,其作用越重要,一旦发生故障或事故的后果也越严重。交通事故不仅严重影响市民的正常出行,还会造成生命和财产的重大损失。因此,人们对轨道交通系统可靠性和安全性的要求也越来越高。为了防止和减少事故、保证车辆正常运行,对轨道车辆的牵引系统进行可靠性分析、确定牵引系统的薄弱环节,对地铁车辆的可靠性设计以及车辆维修具有重要意义。
关键词：地铁车辆；电气牵引；传动控制；方法研究
引言
传统地铁牵引供电技术方案是在牵引变电所设置二极管整流机组[1]和再生电能利用装置：二极管整流机组负责牵引供电，其输出的电压波形为固定的下垂特性曲线，各牵引所的输出功率由机车位置、取流状态、线路阻抗自然分配，不受控制；列车制动时，牵引网电压升高，再生电能利用装置吸收列车的再生制动电能。柔性直流牵引供电技术（简称柔直供电）是采用双向变流器装置[2]替代二极管整流机组和再生电能利用装置，通过一定的控制策略协同各牵引所的双向变流器装置，调节牵引所输出电压及特性，对牵引用电潮流进行实时、动态管控；提高牵引供电电压及供电能力，调节各牵引所功率分布，提高中压交流网络供电质量。
1城市轨道交通牵引系统研究
1.1牵引系统简介 牵引系统是地铁车辆可靠运行的关键电气系统,一旦发生问题,地铁动力来源会受到影响,将使得列车牵引制动的能力大大降低甚至牵引失败,会导致列车无法准时到站以至于造成地铁运营异常甚至停运、乘客滞留、交通拥堵等问题。牵引系统可靠性是指在规定行车条件下,牵引系统能够在规定行车时间内正常、稳定完成列车牵引制动功能的能力。可靠性评估是保证列车牵引系统安全、可靠运行的重要手段。牵引系统如果在行驶中发生某部件或子系统性能降低,而在维修过程中又没有对该部件或子系统进行详细检测,将增大牵引系统运行风险,造成不必要的经济损失。可靠性预测是提高牵引系统检修水平、优化检修计划的有效手段。若能在牵引系统发生故障之前预估故障可能发生的大致时间,对系统性能仔细检测评估并修正潜在的不可靠性因素,就可以提高列车运行安全性和提高经济效益。可靠性评估之后获得的经济效益往往能达到评估费用的3~9倍。目前,国内对地铁车辆电气系统的检修大多基于经验实施,按照其行驶里程或安全运行时间来制定相关检修计划。
1.2系统可靠性理论
聚焦可靠性在内容方面表现为五个层面,具体是可靠度、规定条件、使用条件、产品、规定时间。聚焦可靠性存在的指向,往往是服务于产品可靠度。其中,产品是指具体的分析对象。该词汇本身存在着一定宽泛性,涵盖类型众多,可以是牵引系统中的控制开关、IGBT、制动电阻等独立元件,也可以是组件、接收器、子系统等设备,甚至是整个设备。当以地铁牵引系统作为分析对象时,需要关注其现实机理,明确维护策略和人为判断因素。规定是指研究对象的操作条件、工作环境、存储运输、使用维护等。这些控制条件的变化对可靠性有重大影响。规定时间通常用于评估可靠性的时间指标。因为评估主题可靠性是时间调整的定义,所以时间可以是不同的区间,也可以是将另一个指标分配给予时间对应的值,例如服务周期、使用期限等。规定功能是可靠性研究中的重要部分,通常代表指定情况或操作条件下,作为研究对象的产品可以保持继续正常运行而不会出现故障或意外。需要强调的是,规定功能失效并不完全等同于不能工作。在某些情况下,即使产品可以运行,但一些特定参数超出规定范围,该产品也可以被判断为功能失效。可靠度是指所研究对象可靠性的概率,并使用多个概率来表示作为可靠性技术持续发展基础的可靠性。概率的数字表示允许量,用于比较和评估产品或设备系统的可靠性,并确保对这种可靠性的质量控制。
2列车牵引传动系统运行状态建模
列车牵引传动系统关键部件运行状态建模是实现状态监测的基础和前提,模型的准确性直接影响状态监测的准确性和有效性.在机理建模方面,已有研究主要是描述正常运行状态以及不同物理场变化,且仅考虑了特定类型性能退化/失效情况的系统局部运行状态.关键部件发生性能退化/失效后,会通过控制器的反馈调节作用,沿着闭环传递路径影响系统中所有关键部件运行状态,而现有模型大多没有考虑反馈调节对系统关键部件的影响,导致关键部件发生性能退化后对系统运行状态和行为描述不完备.在数据驱动建模方面,关键部件运行数据的丰富性及多样性对于深度学习训练至关重要,数据量越充分,获得的深度模型泛化能力越强.然而,高速列车大部分服役时间处于正常运行状态,获得的性能退化/失效样本数据主要是在特定工况、特定故障达到一定严重程度时采集得到,具有样本小、不平衡的特点,无法覆盖不同服役工况、不同物理场作用下的不同类型、不同程度性能退化/失效情况.在实际操作过程中,数据驱动状态监测与预测方法受到了性能退化/失效样本数据量的制约.因此,研究构建性能退化、故障数据增广模型,对构建牵引传动系统多物理场运行状态模型并进行状态监测具有重要意义.
3直流设备框架保护改进措施原理
3.1增加对框架电流方向的判断
当负极与框架间绝缘电阻降低时，流过Ki的电流方向由大地流向直流开关柜外壳。负极柜中负极母线通过回流电缆连接到钢轨。由于全线钢轨相连，因此，全线所有变电所负极柜的负极母线连通。负极母线和钢轨之间没有分断开关，即使本变电所直流进线开关、直流馈线开关、整流机组开关，以及相邻变电所直流馈线开关都跳闸，仍有泄漏电流流过Ki，故障无法被切除。由于直流设备负极与钢轨相连，设备外壳与大地相通，因此，当负极绝缘电阻下降时，负极和钢轨电位限制装置导通，使杂散电流增加，抬升其他区段的钢轨电位，直流框架保护系统发出报警信号。直流设备框架保护系统主要监测正极电流泄漏。负极绝缘电阻下降不属于直流框架的保护范围，因此，系统不动作。正极与直流开关柜外壳发生短路时，框架电流由Ki流向大地；负极与直流开关柜外壳发生短路时，框架电流由大地流向Ki。因此，为了便于在直流设备框架保护系统中判断电流方向，定义电流由框架继电器指向大地为正，由大地指向框架继电器为负。通过PLC判断框架泄漏电流方向，如果电流方向为正，则电流型框架保护系统正常动作；如果电流方向为负，则仅预警，系统不跳闸。增加电流型框架保护系统电流方向的判断，可以提高保护动作的可靠性，实现绝缘状况的在线监测预警，减少电流型框架保护系统出现错误动作的可能性。
3.2取消电压型框架保护
当牵引网与钢轨发生短路或牵引网与大地发生短路时，如果电流型框架保护系统因故未动作，则会造成钢轨对地电位升高，Ku检测到的电压也会升高。由于钢轨电位限制装置的电压整定值小于电压型框架保护的整定值，而且动作延时小，因此，钢轨电位升高时，钢轨电位限制装置先动作，将钢轨与大地连通，降低钢轨电位，则电压型框架保护系统不动作。负极接地后，短路电流骤增，此时，直流断路器的过流、速断保护动作，将故障点切除。因此，可以取消电压型框架保护系统。
结语
针对地铁牵引供电直流设备框架保护系统存在的错误动作等问题，改进直流设备框架保护，保障了直流设备框架保护系统动作的选择性和正确性，既能减少直流框设备架保护的错误动作，又可降低框架泄漏电流对设备的损坏及对人员的伤害，保证了列车正常运行。
参考文献
［1］叶茏．浅析地铁直流牵引供电系统框架保护原理及保护设置方案［J］．机电信息，2018（21）：5-6．
［2］吴杰．浅析地铁直流框架保护原理及应急处置［J］．中国高新区，2017（17）：133． ［3］汤海．地铁供电系统保护装置探讨［J］．电力安全技术，2012，14（6）：26-29．
