地鐵牽引系統(tǒng)控制比選研究

尚磊 艾子洋

摘 要：地鐵牽引系統(tǒng)控制方式的選擇對(duì)于地鐵穩(wěn)定運(yùn)行、能源消耗的控制有著重要的意義。基于此，本文對(duì)地鐵牽引系統(tǒng)的配置方式進(jìn)行了分析，并對(duì)車控、架控、軸控這三種地鐵牽引系統(tǒng)控制方式在故障下的運(yùn)行、地鐵車下設(shè)備布置與質(zhì)量、與制動(dòng)系統(tǒng)配合這些方面進(jìn)行了比較，為相關(guān)人員進(jìn)行地鐵牽引系統(tǒng)控制方式的選擇提供了指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛;牽引系統(tǒng);控制方式

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.01.040

0 引言

目前，地鐵車輛牽引系統(tǒng)控制的方式主要有三種：車控方式、架控方式以及軸控方式，在進(jìn)行地鐵牽引系統(tǒng)控制方式的實(shí)際選擇時(shí)，通常會(huì)對(duì)地鐵車輛的編組、線路條件、技術(shù)性能、成本等等進(jìn)行考量。

1 地鐵牽引系統(tǒng)的配置方式

當(dāng)?shù)罔F車輛牽引系統(tǒng)控制使用了車控的方式時(shí)，每輛地鐵車輛上的動(dòng)車都會(huì)布置起一臺(tái)逆變器;當(dāng)?shù)罔F車輛牽引系統(tǒng)控制使用了架控的方式時(shí)，逆變器的布置就有了兩種方案：第一，將兩個(gè)小的逆變器模塊組成一個(gè)大的逆變器箱，其中的每一個(gè)小逆變器模塊都控制著一臺(tái)轉(zhuǎn)向架上的兩組電機(jī)，使用這樣的形式布置起的逆變器的質(zhì)量相對(duì)較輕。第二，在每輛地鐵車輛上都設(shè)置起兩臺(tái)獨(dú)立的逆變器箱，分別對(duì)轉(zhuǎn)向架上的電機(jī)進(jìn)行控制;當(dāng)?shù)罔F車輛牽引系統(tǒng)控制使用了軸控的方式時(shí)，因?yàn)槭艿降罔F車輛底部空間的影響，通常會(huì)使用兩個(gè)逆變器箱，并在每個(gè)逆變器箱中設(shè)置兩個(gè)小的逆變器模塊[1]。

2 地鐵牽引系統(tǒng)控制方式的比較

2.1 地鐵車輛故障運(yùn)行能力及冗余性比較

2.1.1 車控方式

當(dāng)?shù)罔F車輛牽引系統(tǒng)控制使用了車控方式時(shí)，每一節(jié)動(dòng)車都設(shè)置了一臺(tái)逆變器。在這樣的條件下，由于部件故障而產(chǎn)生的整車故障的概率較低。但是，對(duì)該節(jié)車的逆變器出現(xiàn)故障時(shí)，則會(huì)使得整節(jié)車全部失去動(dòng)力。對(duì)于動(dòng)拖比為1：1地鐵車輛來說，這種情況會(huì)使得動(dòng)車節(jié)數(shù)與拖車節(jié)數(shù)的比例低于1：1，導(dǎo)致地鐵車輛在故障條件下的運(yùn)行能力相對(duì)較差。舉例來說，當(dāng)一輛4節(jié)編組的地鐵車輛在80km/h、AW3（9人/m2）的條件下運(yùn)行時(shí)（此時(shí)的動(dòng)拖比為1：1），產(chǎn)生的最大牽引力為180kN。當(dāng)一臺(tái)逆變器產(chǎn)生故障時(shí)，該地鐵車輛的牽引力就降低至了90kN。而若是此時(shí)地鐵車輛運(yùn)行的線路為較大的坡道時(shí)，則車輛可能會(huì)無法繼續(xù)啟動(dòng)。

2.1.2 架控方式

當(dāng)?shù)罔F車輛牽引系統(tǒng)控制使用了架控方式時(shí)，每一節(jié)動(dòng)車都會(huì)有兩臺(tái)小逆變器進(jìn)行工作。相比于車控方式，架控方式在每一節(jié)動(dòng)車上多設(shè)置其了一臺(tái)逆變器，這使得地鐵車輛的故障點(diǎn)有所增加，導(dǎo)致由于部件故障而產(chǎn)生的整車故障的概率升高。在這樣的條件下，當(dāng)一臺(tái)逆變器發(fā)生故障時(shí)，意味著該節(jié)動(dòng)車喪失了50%的動(dòng)能。相比于車控方式，架控方式發(fā)生故障后持有的動(dòng)力更大。舉例來說，當(dāng)一輛4節(jié)編組的地鐵車輛在80km/h、AW3（9人/m2）的條件下運(yùn)行時(shí)（此時(shí)的動(dòng)拖比為1：1），產(chǎn)生的最大牽引力為180kN。當(dāng)一臺(tái)逆變器產(chǎn)生故障時(shí)，該地鐵車輛的牽引力就降低至了135kN。若是此時(shí)地鐵車輛運(yùn)行的線路為較大的坡道時(shí)，車輛依舊能夠繼續(xù)啟動(dòng)。

2.1.3 軸控方式

當(dāng)?shù)罔F車輛牽引系統(tǒng)控制使用了軸控方式時(shí)，意味著地鐵車輛中每一節(jié)動(dòng)車都有著四臺(tái)逆變器提供動(dòng)能。相比于車控方式，增加了三臺(tái)逆變器;相比于架空方式，增加了兩臺(tái)逆變器。當(dāng)一臺(tái)逆變器發(fā)生故障后，該節(jié)動(dòng)車僅僅會(huì)喪失25%的動(dòng)能，比車控方式以及架控方式下保存下的動(dòng)力更大。舉例來說，當(dāng)一輛4節(jié)編組的地鐵車輛在80km/h、AW3（9人/m2）的條件下運(yùn)行時(shí)（此時(shí)的動(dòng)拖比為1：1），產(chǎn)生的最大牽引力為180kN。當(dāng)一臺(tái)逆變器產(chǎn)生故障時(shí)，該地鐵車輛的牽引力就降低至了157.5kN。若是此時(shí)地鐵車輛運(yùn)行的線路為較大的坡道時(shí)，車輛依舊能夠繼續(xù)啟動(dòng)。

通過上述的比較能夠發(fā)現(xiàn)，從故障下地鐵車輛的運(yùn)行能力來看，使用軸控方式或使用架控方式進(jìn)行地鐵車輛牽引系統(tǒng)控制的效果較好，在線路坡度較大的情況下，使用軸控方式以及架控方式都能確保地鐵車輛能夠繼續(xù)啟動(dòng)。

2.2 地鐵車下設(shè)備的比較

從車下設(shè)備的布置方面進(jìn)行比較能夠發(fā)現(xiàn)，由于車控方式中每節(jié)動(dòng)車只使用了一臺(tái)逆變器，所以車底的空間較為充足，設(shè)備的布置也相對(duì)合理;相比之下，架控方式與軸控方式中使用的逆變器數(shù)量較多，車底空間較為緊張。

從車下設(shè)備的質(zhì)量方面進(jìn)行比較能夠發(fā)現(xiàn)，使用架控方式的動(dòng)車比使用車控方式的動(dòng)車質(zhì)量上增加了580kg。在地鐵車輛實(shí)際的運(yùn)行中，質(zhì)量的增加意味著能耗的增加。依照筆者的工作經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)?shù)罔F車輛的質(zhì)量每降低1t，則電能消耗就隨著降低8000kWh，二氧化碳的排放量就會(huì)減少6.2t。而使用軸控方式進(jìn)行地鐵車輛牽引系統(tǒng)控制，則會(huì)使地鐵車輛的質(zhì)量增加的更多。

2.3 不同控制方式與制動(dòng)系統(tǒng)配合的比較

常見的配置方式有四種：第一，架控做牽引，車控做制動(dòng)。在這一配合方式下，當(dāng)某一轉(zhuǎn)向架電制動(dòng)力失效并開始進(jìn)行空氣制動(dòng)時(shí)，為了避免制動(dòng)力疊加過大形成車輪抱死，需要切除故障動(dòng)車中的另一臺(tái)轉(zhuǎn)向架電制動(dòng)力。由于這樣的方式形成的資源浪費(fèi)較多，所以較少被使用。第二，架控或車控做牽引，架控做制動(dòng)。在這樣的配合下，電控制動(dòng)的配合較好。第三，車控做牽引，車控做制動(dòng)。在這樣的配合下，當(dāng)逆變器發(fā)生故障后空氣制動(dòng)提供了全部的制動(dòng)力，所以不會(huì)產(chǎn)生制動(dòng)力的疊加。第四，軸控做牽引，架控或車控做制動(dòng)。在這一配合方式下，雖然也會(huì)第一種配合方式所產(chǎn)生的問題，但是由于軸控在故障時(shí)的電制動(dòng)能力比車控要好，所以并不需要更多的空氣制動(dòng)補(bǔ)充。

3 總結(jié)

綜上所述，車控、架控以及軸控這三種地鐵牽引系統(tǒng)控制方式各有優(yōu)劣。由于軸控的耗能較大且設(shè)備配置較為復(fù)雜，在地鐵實(shí)際的運(yùn)行中很少被使用。相比于車控，架控與軸控在故障條件下能夠保存更多的動(dòng)力，在進(jìn)行實(shí)際的選擇時(shí)，要結(jié)合地鐵的線路條件、列車編組以及節(jié)能減排的理念等進(jìn)行確定。

參考文獻(xiàn)：

[1]張哲.地鐵牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)與其控制技術(shù)研究[D].北京交通大學(xué)，2015.