上海地铁13号线列车牵引电传动系统设计作者：黎博闻陈新溅陈超录史熹
来源：《科学与财富》2016年第28期
摘要：简述自主知识产权上海地铁13号线列车牵引电传动系统的基本参数和性能要求，阐述了列车牵引电传动系统的牵引/电制动特性、性能计算和线路运行仿真、主电路结构、列车牵引控制系统的设计思路和技术特点。
关键词：牵引电传动系统；性能计算；线路运行仿真
0 引言
上海地铁13号线列车是由6节车编组的交流传动列车，其中牵引电传动系统为国内完全自主研发，其核心技术具有完全自主知识产权。下面对其牵引电传动系统设计进行介绍。
1 车辆参数及性能要求
1.1 车辆基本参数
上海地铁13号线列车采用受电弓受电方式，供电电压为C1500V（DC1000～1800V），轮径为840/805/770mm（新轮/计算用轮径/全磨耗轮径），列车的基本配置为6 辆车编组（–Tc * Mp * M = M * Mp * Tc–），包括4辆动车和2辆拖车，列车编组示意图如图1所示。
1.2 列车动力性能要求
定员（AW2）情况下，在干燥平直线路上，车轮半磨耗状态（轮径Φ805mm），额定电压DC1500V供电时，列车平均加速度为：
列车从0加速到40 km/h：≥1.0m/s2
列车从0加速到80 km/h：≥0.6m/s2
制动性能（在超员AW3载荷情况下，在平直干燥线路上，车轮半磨耗状态（轮径
Φ805mm），列车在最高运行速度80km/h时，从给出制动指令到停车，平均减速度为：
最大常用制动：≥1.0m/s2
紧急制动：≥1.3m/s2
列车纵向冲击率：≤0.75m/s3
最高运行速度： 80km/h
平均技术速度：≥50km/h
平均旅行速度：≥35km/h
电制动能力：列车制动方式采用电力再生制动与空气制动混合运算的控制方法，优先充分发挥电力再生制动的作用以减少闸瓦的磨损和节省电能。当电力再生制动不足或失效时，由空气制动补足或替代。
1.3 列车故障运行及坡道救援能力要求
列车在各种负载状态下，当损失1/4牵引动力时，列车仍然可以在38‰的坡道上起动，并能以正常运行方式往返一个全程。
列车在各种负载状态下，当损失1/2牵引动力时，列车仍然可以在38‰的坡道上起动，并可以运行到下一站。
一列6辆编组的空车应能将另一列停在38‰坡道上的6辆编组超员故障列车移至前方有停车线的车站（上坡）。
2 牵引电传动系统
牵引电传动系统满足车辆动力性能、故障运行/救援能力以及实现预期的技术、旅行速度等，并综合考虑系统各参数匹配，满足车辆的运行工况以及电气性能要求。
牵引电传动系统主要由主电路、牵引控制系统及其装置组成，以提供列车的牵引/电制动力和实现列车的牵引顺序逻辑控制、故障保护及列车牵引/电制动运行等。
电气牵引系统采用VVVF逆变器-异步牵引电动机构成的交流传动系统；采用IGBT功率元件，VVVF逆变器为热管散热器走行风冷；采用高性能的交流传动直接转矩控制策略，具有反应迅速、可靠的空转/滑行保护并优先使用电制动。
辅助电源系统采用集中式大功率辅助电源供电方式，大功率IGBT辅助电源，电源采用强迫风冷冷却方式。
列车控制和诊断系统遵循IEC61375标准，系统集列车监视、诊断和控制功能于一体，网络协议开放、产品互操作性好，为轨道交通领域主流技术。
2.1 牵引/电制动特性设计
牵引/电制动特性是列车电传动系统的基本特性，其设计主要依据列车的动力性能要求，考虑列车的冲击极限和电传动系统部件的容量，参数匹配以及车轮与轨道之间的粘着允许，对平直线路、目标线路进行牵引计算和仿真，以及对故障运行能力进行核算等。
参考日立公式，列车基本阻力公式为：
Wv={ （1.65+0.0247v）×Mm+（0.78+0.0028v）×Mt+[0.028+0.0078×（N-
1） ]v2 }×9.80665×10-3 kN
其中：
Wv：列车基本阻力 [kN]
Mm：动车重量 [t]
Mt：拖车重量 [t]
N：车辆数
v：列车速度 [km/h]
Mc、M车的惯性系数均取空车质量的10%。
2.1.1 牵引特性
列车在平直道线路、轮径805mm以及接触网压DC1500V条件下，列车最大启动轮缘牵引力（取齿轮装置传动效率0.98）为：AW2时，Fst2≈396kN；AW0时，Fst0≈269.6kN。恒牵引力速度范围为0～40km/h，恒功速度范围为40～55km/h，自然特性速度范围为55～80km/h。
其中，AW2时，恒功起始点牵引力为396kN，自然特性起始点牵引力为288kN，列车牵引特性曲线如图2所示。
考虑低网压时的功率限制，在网压Us
2.1.2 电制动特性
列车在平直道线路、轮径805mm及接触网压DC1650V条件下，列车最大电制动轮缘制动力（取齿轮装置传动效率0.98）为：AW3时，Fb3≈416kN；AW2时，Fb2≈377.24kN；AW0时，Fb0≈257.1kN。恒电制动力速度范围为80～5km/h，电制动力减小的起始速度点为5 km/h （可调）。列车的最大计算粘着系数约为0.165。
在网压Us
上海地铁13号线（华江站至张江路站，距离为37700m）仿真计算结果为：在超员载荷AW3，牵引时网压取DC1500 V，制动时网压取DC1650V的条件下，往返总旅行时间为4814.88s，平均旅行速度可达45.28km/h。
2.2 主电路
列车牵引系统主电路采用两电平电压型直—交逆变电路。经受流器受流输入的DC1500V 由VVVF逆变器变换成频率、电压均可调的三相交流电，向异步牵引电动机供电。VVVF逆变器由一个IGBT逆变模块单元和高压电器组成，驱动4台牵引电动机，逆变模块单元将逆变单元与制动斩波单元集成在一起。当电网电压在1000V～1800V之间变化时，主电路都能正常工作，并方便地实现牵引—制动的无接点转换。
牵引主电路原理图见3。
牵引电传动系统由高压电器单元（BQS、HB、EDS）、电容器充放电单元（KM11、
KM12、R11、R12）、滤波单元（L、C）、斩波及过电压抑制单元（IGBT斩波单元、BR）、IGBT逆变器单元（INVU1、INVU2）、检测单元（VH11、VH12、LH11～LH15、LH22～
LH24）、异步牵引电动机（1M01-1M04）、齿轮驱动装置（含联轴节）、接地装置、司机控制器等组成。各高压电器设备箱均采用箱体式车下悬挂结构。牵引电机采用架承式全悬挂结构，并通过联轴节与齿轮驱动装置连接，传递牵引或电制动力矩，驱动列车前进或使列车制动。
综合考虑系统的经济性、电机的并联运行、牵引电动机与逆变器的容量以及齿轮传动装置的机械性能，选齿轮传动比为6.6842（127/19）及如2.1节所述的牵引特性/电制动特性。
2.3 功能单元
2.3.1电容充放电单元
电容器充放电单元由接触器（KM11、KM12）、充放电电阻（R11、R12、R22）等组成，用于主电路支撑电容器（C11、C21）的充、放电。
当列车牵引准备好，主电路HB闭合后，闭合充电接触器（KM12），电网电源通过BQS、HB、充电电阻（R11）给支撑电容（C11、C21）预充电，当电容充电完成时，线路接触器KM11闭合。
当需对高压电器箱、VVVF逆变器进行维护保养时，闭合制动斩波管形成直流支撑电容的快速放电回路，电容通过斩波模块快速放电，放电时间小于1s。
2.3.2滤波单元
