广州地铁四号线直线电机车辆牵引系统

维普资讯 http://www.cqvip.com 第３０卷第１期　电力机车与城轨车辆　Ｖ０Ｌ　３０　Ｎｏ．１　２００７年１月２０口　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅｓ＆Ｍ滥ｓ　Ｔｒａｎｓｉｔ　Ｖｅｈｉｃｌｅｓ　Ｊａｎ．２０ｔｈ，２００７　・他山之石・　广州地铁四号线直线电机车辆牵引系统　郑沃奇　（广州市地下铁道总公司运营事业总部，广东广州　５１０３８０）　摘要：介绍广州地铁四号线直线电机车辆牵引系统的组成、控制原理与主要设备的技术参数，并分析了目前该系统　运行中存在的问题。　关键词：地铁车辆；直线电机；牵引系统；系统结构；原理；参数；运行故障　中图分类号：Ｕ２６０．１３；ＴＭ３５９．４　文献标识码：Ｂ　文章编号：１６７２—１１８７（２０ｏ７）０１—００６２—０４　ＬＩＭ　ｔｒａｃｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　Ｍｅｔｒｏ　Ｌｉｎｅ　４　ｖｅｈｉｃｌｅｓ　ＺＨＥＮＧ　Ｗｏ—ｃ『ｉ　（Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎｓ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　Ｍｅｔｒｏ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ。Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５　１０３８０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｐｒｅｓｅｎｔｓ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｃｏｎｔ　ｒｏｌ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｐａｒａｍｅｔｅ￣ｏｆ　ｔｈｅ　ＬＩＭ　ｔｒａｃｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　Ｍｅｔｒｏ　Ｌｉｎｅ　４　ｖｅｈｉｃｌｅｓ。ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ｔｈｅ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｒｕｎｎｉｎｇ　ｆａｕｌｔｓ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｍｅｔｒｏ　ｖｅｈｉｃｌｅ；ＬＩＭ；ｔｒａｃｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ；ｓｙｓｔｅｍ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ；ｐａｒａｍｅｔｅｒ；ｒｕｎｎｉｎｇ　ｆａｕｌｔ　ｌ　概述　２．１牵引系统的构成　牵引系统的主电路如图１所示。每个ＶＶＶＦ逆变器　直线电机车辆由于采用直线电机，车辆的牵引力不　驱动２个直线电机，两个ＶＶＶＦ逆变器都是装在Ｂ车上。　受黏着条件的限制，车辆的爬坡、加速和曲线通过能力　当ＶＶＶＦ逆变器接受到牵引手柄给出的牵引指令后，　强，可以有利于线路的选线和选址，降低工程拆迁量和工　ＣＨＢ闭合，滤波电容器充电，当滤波电容的电压达到一定　程造价；由于采用直线电机，车辆取消了齿轮传动装置，　值时（Ｆｃ的电压小于网压８０—１００　Ｖ），ＬＢ闭合，接着　可有效地减少车辆摩擦和振动噪声，节约运行维护费用。　ＣＨＢ分离，逆变器的门极开始工作。如果ＤＣＰＴ１２，２２（滤　另外，由于车辆断面尺寸可以减少，空间体积缩小，可减　波电容电压传感器）检测到的电压高于１　９８０　Ｖ，门极将　少隧道断面面积，降低工程造价，因此直线电机车辆在城　停止工作，同时ＬＢ分离，ＯＶＣＲ　Ｆ１，２（过压保护晶闸管）　市轨道交通中的应用也越来越受到重视。广州地铁四号　导通，对ＯＶＣＲ　ＦＲ１，２（过压保护电阻）放电。电容ＣＥ１，２　线在国内首次采用了直线电机车辆，其牵引系统（包括直　的作用是吸收电机地线的谐波。当需要对ＶＶＶＦ箱进行　线电机）是由三菱公司设计研制的。本文将从系统结构、　检修时，就需要将ＭＳ箱隔离开关打到接地位置，这时　控制原理及主要设备等方面介绍该直线电机车辆牵引系　ＤＣＨＳ１，２（放电开关）闭合，ＦＣ１，２（滤波电容器）和ＦＬ１，２　统，并分析了其试运营中存在的问题。　（滤波电抗器）等储能元件通过ＤＣＨＲ１，２（放电电阻）放　电，保护检修员工的作业安全。　２广州地铁四号线直线电机车辆牵引系统　２．２牵引系统的控制　广州地铁四号线列车为４节车编组全动车，超员载　广州地铁四号线车辆的牵引系统正常情况下采用来　荷为１　３２２人，在车辆段采用以柔性接触网受电方式受　自硬线的ＰＷＭ牵引力指令，如果检测到硬线ＰＷＭ信号　电，隧道内、高架线路区段采用第三轨下部受电方式，供　超出正常的范围，ＶＶＶＦ逆变器就会采用来自ＴＭＳ（列车　电电压为ＤＣ　１　５００　Ｖ，列车的最高运行速度为９０　ｋｍ／ｈ，　管理系统）的总线的牵引力指令。如果硬线ＰＷＭ信号和　正线的最大坡度为６０％。，辅助线、车辆段最大坡度为　ＴＭＳ（列车管理系统）总线都失效的情况下，列车还有一　７０％０　条紧急的备用硬线，当该紧急备用硬线被激活后，列车以　收稿日期：２００６—０７—１２　作者简介：郑沃奇，２００２年毕业于广东Ｊ二业大学机械电子工程专业。现从事地铁车辆的维修、调试和技术管理工作。　－６２－　维普资讯 http://www.cqvip.com 郑沃奇・广州地铁四号线直线电机车辆牵引系统・２００７年第１期　Ｍｓ一主隔离开关；ＤＣＨＳ１。２一放电开关；ＨＢ一高速断路器；ＣＨＢ１，２一充电接触器；ＬＢ１，２一线路接触器；ＣＨＲ１，２一充电电阻；ＤＣＨＲＩ，２一放　电电阻；ＯＶＣＲ　ＦＲ１，２一过压保护电阻；ＦＬ１，２一滤波电抗器；ＦＣ１，２一滤波电容器；ＯＶＣＲ　ＦＩ，２一过压保护晶闸管；ＤＣＣＴ１，２～差动电流传感器；　ＣＴＳ１，２一输人电流传感器；ＤＣＰＴ１１，２１一线电压传感器；ＤＣＰＴ１２，２２一滤波电容电压传感器；ＣＥ１。２一电容；ＣＴＵ１，２／ＣＴＶ１，２一逆变器输出电流传　感器；ＬＩ￣｜一直线电机。　图１牵引系统的主电路图　２０　ｋｍ／ｈ的目标值进行驾驶，如果这时列车速度超　＿＝［＿］ＶＶＶＦ　过２２　ｋｍ／ｈ，ＶＶＶＦ逆变器将停止输出。另外，考虑　ｌ逆变器　ＵＭ　到列车损失１／２动力时，在ＡＷ２状态下，可在　６０％。的坡道上起动，并能使列车行驶到最近车站，　②气隙补偿　ｖ４ｖＪ一ｌ磁通ｌ　．ｌ坐标　・．．．．Ｊ＿　Ｖ，＿＿　　—生一ｌＶＭ　　频率　列车还增加了高加速的功能，当该功能被激活，转　ｌ控制ｌ　ｌ转换　转换　矩的指令值就会乘以计划值的１．３３５。上面这些功　ＺＸＩ１ＤＲ１ｌ　ｌ　Ｅ１ＱＦＦｌ　ｌＥ１Ｄ　能可以尽量降低由于列车故障对运营的影响。　电压矢　２．３牵引系统的矢量控制　量控制　广州地铁四号线车辆的直线电机采用矢量控　—１　——制方式，其控制性能可与他励电机相媲美，实现快　＿叫控制　过电流ｎ速控制转矩，能将负载的扰动对速度的影响降到　③无感应板的控制矗　最低。　转差率　相位　计算　广州地铁四号线车辆的矢量控制方法如图２　计算ｌ　所示。通过矢量控制可以实现正常情况下的列车　转差率Ｌ＿Ｊ　控制　牵引，感应板次边阻抗变化的补偿，感应板与直线　①感应板次边阻抗变化补偿　电机之间气隙变化的补偿，感应板缺失时的防止　Ｅｆｃｌ一滤波电容器电压；Ｅ１ＤＦ卜定子ｄ轴的前馈电压；Ｅ１ＯＦＦ一定子ｑ轴的　直线电机过流，再生制动等功能。　前馈电压；Ｉ１ＤＲ一定子电流的ｄ轴分量指令；ＩｌＱＲ一定子电流的ｑ轴分量指令；　ＩｌＤＦ一定子电流的ｄ轴分量；ＩｌＱ卜定于电流的ｑ轴分量；ＦＩＮＶ一逆变器输出频　１）感应板次边阻抗变化补偿。当感应板的电　率；ＦＳ一转差率；ＦＭ一电机频率；ＴＲ一电机转矩指令；Ｆ２Ｒ一转子磁链幅值。　阻发生改变，转矩电流（ｎＱＶ）发生变化，ＶＶＶＦ逆　图２电机矢量控制图　变器的控制系统检测到这一变化后，会根据Ｉ１ＱＦ　和Ｉ１ＱＲ的不同改正转差频率，使ｇ轴电流回复到原来的　变化时，直线电机的互感值发生变化，磁通电流（Ｉ１ＤＦ）也　值，控制直线电机转矩的波动。　发生变化。控制系统检测到这一变化后，将根据Ｉ１ＤＦ和　２）气隙变化控制。当直线电机与感应板之间的气隙　Ｉ１ＤＲ的不同改变ｄ轴电流的指令值（Ｉ１ＤＲ），使ｄ轴电流　－６３－　维普资讯 http://www.cqvip.com 电力机车与城轨车辆・２００７年第ｌ期　回复到原来的值，控制直线电机转矩的波动。　３）无感应板时的控制。当直线电机通过感应板不连　动的时候，当逆变器的频率已经降到０　Ｈｚ时，电机的速　度仍然比较高，这时的速度大约为１０　ｋｍ／ｈ左右，如果这　时就直接完全由气制动补充，会造成列车的制动盘和制　动闸片的磨耗比较快，为了满足速度９０～６　ｋｍ／ｈ时完全　贯时，直线电机的互感值将减少，直线电机的电流大大增　加，当直线电机电流超过ＶＶＶＦ逆变器的设定值时，传动　控制系统将降低ｄ轴电流Ｉ１ＤＦ和ｑ轴电流Ｉ１ＱＦ的指令　值，防止逆变器和直线电机过流。　２．４　ＷＶＦ逆变器与制动系统的接口　为电制动，广州地铁四号线车辆在低于１０　ｋｍ／ｈ的电制动　采用了反相制动。　ＶＶＶＦ逆变器控制单元和制动控制单元的接口如　３直线电机　广州地铁四号线的牵引电机为３相８极的直线感应　图３所示。载荷信号是ＶＶＶＦ逆变器的输入信号，信号的　大小为４～２０ｍＡ，对应列车载重的ＡＷ０　～ＡＷ３。电制动　力大小的信号是ＶＶＶＦ的输出信号，信号的大小也是　４～２０　ｍＡ，对应列车的电制动力大小。电制动下降信号是　应用于列车混合制动的时候，该信号在６　ｋｍ／ｈ（该速度可　调）及以下速度是高电平，当制动控制单元接受到该信号　后，就会逐渐增加空气制动的压力以补充电制动力的减　少，直到最后完全由空气制动接管所有的制动。保压制动　也是高电平有效，当列车快要停下来的时候，ＶＶＶＦ会要　求制动控制单元施加保压制动。保压制动施加上后。该信　号一直有效，直至ＶＶＶＦ控制单元检测到一定的列车牵　引力矩后才取消保压制动，这有效地避免了列车在坡道　起动的情况下后溜。电制动有效信号也是高电平有效信　号，在电制动的时候激活。ＶＶＶＦ通过上面几个信号与制　动控制单元的通讯，可实现对列车制动的控制。　ＶＶＶＦ　电制动有　效　：数字信号：ｌ　　制动　控制　电制动下降（数字信号）　控制　单元　载荷（模拟信号）　单元　一电制动力（模拟信号）　图３　ＶＶＶＦ控制单元与制动控制单元的接口　２．５能量自消耗制动　能量自消耗制动是将电制动产生的能量在直线电机　内部自行消耗，所谓的能量自消耗模式实际上就是高转　差率制动。因为广州地铁四号线车辆的制动电阻是安装　在地面上的，当地面的制动电阻有故障的时候，列车再生　制动的能量就无法被制动电阻吸收，如果这时直接就完　全使用气制动补偿，对列车的制动盘和制动闸片的磨耗　就比较多。基于上述考虑，当滤波电容电压高于１　９５０　Ｖ　时，速度在７０～２０　ｋｍ／ｈ时，牵引控制系统会转到能量自　消耗模式。能量自消耗模式时在ＡＷ０状态下无需补充空　气制动即可达到１．０　ｍ／ｓ　以上的减速度。不过由于逆变器　的容量关系，能量自消耗模式的制动力最大约为ｌ５　ｋＮ。　如果超过这个数值，其余的制动力则由气制动补偿。由于　这种制动模式会使电机的温度升高，所以相应对直线电　机的热保护也是必须考虑的。　２．６反相制动　由于直线电机的转差率比旋转电机要高，所以在制　电机，直线电机的结构外形如图４所示。安装在转向架上　的部分是属于电机的定子，安装在轨道中间的感应板是　电机的转子。由于采用自然风冷的冷却方式，因此直线电　机的功率不大，额定功率只有１２０　ｋＷ。感应板是采用铝　钢复合型式，直线电机与感应板的设计距离是９　ｍｍ。直　线电机与感应板之间的距离对于列车的性能和安全都十　分重要，所以在广州地铁的部分列车上装有监测该间隙　的传感器，这样就可以在列车运行的过程中监测线路的　感应板与直线电机之间的距离是否存在异常的情况。当　异常的情况出现时，该传感器就会将相应的报警信号传　给列车的监控系统，并在列车的显示屏有相应的报警和　记录。另外，在列车每天都经过的车辆段轨道（如出入段　线、洗车线等）装有直线电机位置传感器，检查直线电机　的位置是否正常。这些设备都是为了直线电机车辆而专　门增加的，它们的存在有效地保证了列车的直线电机以　及感应板位置在正常的范围之内。　图４直线电机结构外形图　４系统主要设备参数　１）牵引逆变器　供电系统ＤＣ　ｌ　５００Ｖ（范围：ｌ　０００一ｌ　８００Ｖ）　逆变输出容量／ｋＶＡ　ｌ　０８０（峰值）　最大输出电压，Ｖ　ＡＣ　ｌ　４０４　电流／Ａ　ｌ１ｌ６（峰值）　２）直线电机　输出功率／ｋｗ　１２０（持续功率），１５５（１　ｈ功率）　电压，Ｖ　ｌ　１００　维普资讯 http://www.cqvip.com 郑沃奇・广州地铁四号线直线电机车辆牵引系统・２００７年第１期　电流／Ａ　频率／Ｈｚ　１６２（持续功率），２１０（１　ｈ功率）　２２　要注意做好直线电机线路运营前的轨道铁屑清理工作。　５．２制动的高电平施加　同步速度／ｋｍ－ｈ一１　４４．５　ＶＶＶＦ逆变器输出保压制动信号给制动控制单元，让　制动控制单元执行保压制动功能，由于设计上是高电平　施加保压制动，低电平缓解，所以在运营中，曾发生４个　ＶＶＶＦ逆变器同时故障，导致列车的保压制动不能施加　而后溜。而且四号线列车的其它制动指令都是高电平有　效，这种设计是不合理的，对制动列车线故障，即断线或　虚接导向安全的考虑欠周到。　５．３能耗偏大　绝缘等级　线圈温升极限／Ｋ　３）间隙传感器　２００级　２００（电阻测量法）　质量／ｋｇ　１　５５０（包括防护板，不包括安全鼻）　传感器原理　测量范围／ｍｍ　涡电流　０～２５　适用材料　线性度／％　采样周期／ｍｓ　铝和铜　≤ｌ（２５℃）　０．５　２０００　１　０００　３００００　２　２００　根据供电系统的初步统计，四号线车辆直线电机的　能耗比其它线路传统电机的能耗要偏大。我们初步分析　了直线电机的能耗偏大主要原因有：　１）初、次级气隙比传统电机大，导致其效率和功率因　数都比较低；而且出于安全考虑现在的气隙比设计值要　大３　ｍｍ左右，这就更增加了能量的损耗；　２）直线电机初级铁心两端开断，产生了边端效应，从　而引起波形的畸变，也导致了能耗的增加；　３）四号线试运营期间只有两列车在正线上运行，所　以再生制动反馈的能量基本由供电所的制动电阻消耗　掉，导致能耗的增加。　４）高速断路器　额定电压Ⅳ　额定电流／Ａ　分断能力（２０００Ｖ，２ｍＨ时），Ａ　过流整定值，Ａ　５）滤波器　滤波电抗器　（１０．０士１）ｍＨ　６．６ｍＦ　（１　５００　Ｖ．ｔ＝１５　ｍ８）　滤波电容器　６）接触器　ＬＢ１．２　今后随着四号线列车运营数量的增加以及气隙调整　４００　Ａ　４００　Ａ　到设计值，会减少列车的能耗，但直线电机的效率和功率　因数比传统电机的要低，如何提高直线电机的效率和功　ＣＨＢｌ。２　５试运营存在的问题　从试运营的情况来看，广州地铁四号线车辆的牵引　系统遇到了下列问题。　５．１电机刮伤　率因数，使直线电机更加节能，是今后直线电机项目研究　的一项重点。　６结论　广州地铁四号线车辆从２００５年１２月底开始试运营，　至今已经运行超过８万ｋｍ，运用情况表明，该牵引系统　性能非常稳定，适合地铁运行的需要。广州地铁四号线直　线电机车辆项目在国内首次成功上线运营，使直线电机　车辆成为今后国内地铁发展的一种新选择。　在日本，曾发生由于轨道里边的异物造成直线电机　损坏的事故，所以基于安全的考虑，四号线列车试运营期　间的直线电机的气隙并没有调整到设计的范围（９　ｍｍ），　而是调整到１２　ｍｍ。但在列车上线运营的初期，直线电机　的底部还是出现了几次被硬物刮伤的划痕，这种划痕主　要是由于直线电机在运行的过程中，将轨道里边没被清　理的铁屑吸到直线电机和感应板的中间，从而造成了直　线电机的刮伤。不过所幸这些刮伤都只是对电机底部的　骨架造成了局部的损伤，并没有伤及直线电机的线圈，所　以没有对直线电机的功能造成影响。但这提醒我们必须　参考文献：　［１１　叶云岳．直线电机技术手册【】Ｍ】．北京：机械二【＝＿业出版社，２００３．　［２】杨基宏．北京城轨八通线车辆电气牵引系统【Ｊ】．电力机车与城轨车　辆，２０Ｏ５（５）．　——６５——