地铁交流传动系统初步探讨

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摘　要： 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。
关键字： 地铁车辆； 交流传动； VVVF逆变器； 电气系统
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。

下图为地铁交通系统中的牵引供电系统简要示意图，电能经牵引变电站滤波变压为1500V稳定的直流电后经接触网、受流器引到主牵引逆变器，主牵引逆变器将1500V直流电逆变为电压、频率可调的交流电提供给异步电动机产生动力。




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。

在六个模式中电机电压V、转差频率fs、电机电流Ir、牵引／制动力与速度v的对应关系曲线如下图所示：

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