...自动驾驶 有轨电车提供牵引系统
朱丽媛 李明 鲍新娜
摘 要：在轨道交通行业中，牵引系统为列车提供所需动力及电制动力，用于控制列车电机工作，是列车的核心系统。文章介绍了导轨电车车辆参数及性能要求，阐述了导轨电车牵引/电制动特性，主要研究了导轨电车的牵引系统，包括牵引系统的主回路，牵引控制单元以及牵引控制回路。
关键词：导轨电车；牵引系统；牵引控制
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.09.057
1 引言
目前，城市轨道交通在全国及全世界得到了快速的发展，它有运行密度高、行车间隔短、行车速度高、污染小等优点。导轨电车作为城市轨道交通行业的新型产品，其显著优势是爬坡能力强，能耗低等。
2 车辆参数及性能要求
导轨电车为三编组100%低地板有轨电车，编组形式为动车（M1）+客车（Tp）+动车（M2），采取胶轮驱动、承载，单轨钢轮导向模式。列车最高速度为80km/h，接触网受电弓受流方式，供电电压为DC750V。
2.1 车辆参数
车辆参数如下表所示：
2.2 动力性能
2.2.1 牵引性能要求
在平直干轨情况下：
最大起动加速度：1.3m/s?，失去一半动力为0.5m/s2
0-40km/h 平均加速度：a0-40≥ 0.95 m/s2，失去一半动力为0.45 m/s2
0-80km/h 平均加速度：a0-80≥ 0.45 m/s2，失去一半动力为0.09 m/s2
2.2.3 电制动性能要求
在平直干轨情况下：
最大电制动减速度：≤2 m/s2
紧急制动：≤5 m/s2
3 牵引系统
导轨电车的牵引系统为直-交流传动系统，该系统采用矢量控制，具有优异的牵引特性及空转/滑行控制功能。牵引系统主要由受电弓、高压箱、牵引逆变器、牵引电机、辅助牵引蓄电池组和电阻制动装置等组成。正常运行时，受电弓直接从架空接触网获取DC750V电压，经过受电弓进入高压箱，高压箱将DC750V供给M1和M2车的牵引逆变器、辅助变流器和各车的DC750V空调。牵引逆变器为牵引电机提供电源，充电机对牵引蓄电池充电。辅助变流器为整车的辅助设备提供电能。在无接触网供电时，由牵引蓄电池组为整列车提供动力。制动工况时，牵引电机将机械能转换为电能，当接触网电压低于DC850V时，制动能量通过接触网返回，当接触网电压高于DC850V时，制动能量由电阻制动装置消耗。
3.1 牵引/制动特性设计
（1）根据导轨电车运行性能要求：列车起动牵引力Fq为85kN，持续牵引力为38.5kN，持续速度为28km/h，持续轮周功率PL为300kW。
（2）根据汽车理论，汽车的行驶阻力Fx为滚动阻力Fg、空气阻力Fk和坡道阻力Fp之和。即Fx=Fg+Fk+Fp。
滚动阻力Fg=W×f，其中W为车轮法向载荷，f为滚动阻力系数。
滚动阻力系数f=0.0076+0.000056V，其中， V为列车运行速度。
空气阻力Fk=CD×A×V×V÷21.15，其中CD为空气阻力系数，客车常用值为0.5～0.8；A为迎风面积，客车常用值为4～7；V为列车运行速度。
坡道阻力Fp=G×i，其中G为重力，i为坡度值。
空气阻力中，CD取0.8，A取7。计算得行驶阻力与速度的特性曲线。
（3）列车瞬时加速度a=（FL-Fx）÷1.06÷M
计算得：列车最大加速度为1.752m/s?，列车剩余加速度为0.14m/s?。
设置加速踏板最高加速度为1.3m/s?。
（4）根据汽车理论，列车粘着牵引力Fμ=Fz×φ，其中Fz为驱动轮法向反作用力，φ为附着系数。
在良好的混凝土或沥青路面上，路面干燥时φ=0.7～0.8。计算时取平均值0.75。
若前后轮Fz相等，则Fz=0.5×（G-0.5×A×ρ×V×V×（C1+C2）），其中G为重力，A为迎风面积取7，ρ为空气密度1.2258，V为列车运行速度，C1+C2为前后轮空气升力系数，可通过试验确定，结合一般车型的空气升力系数取平均值，约为0.35。
计算得到列车粘着牵引力与速度的关系为：
（5）结合以上计算，得到有轨电车的牵引特性曲线，如图4所示。
（6）根据牵引电机特性，制动功率可在短时内达到电机最大功率，故电阻制动最大功率为440kW。计算得电制动力与速度曲线如图5所示。
经过计算，设计的牵引/电制动特性能够使得导轨电车爬坡能力、牵引制动能力得到充分体现。
3.2 主回路
3.2.1 高压电路
导轨电车的高压电路如图6所示。在正常接触网供电时，DC750V通过接触网经过受电弓进入Tp车的高压箱，在受电弓下设置有避雷器。高压箱位于Tp车车顶，内部有三位置隔离开关、高速断路器、熔断器，并将DC750V供给M1和M2车的牵引逆变器和三个车的DC750V空调。牵引逆变器为牵引电机提供电源，充电机对牵引蓄电池充电。在无接触网供电时，全车的牵引模块和直流空调都由M1和M2车的充电机将牵引蓄电池升压提供电能。
3.2.2 牵引主回路
导轨电车牵引系统采用牵引逆变器-异步牵引电机构成的交流电传动系统。牵引系统主电路采用两电平电压型直-交逆变电路。经受电弓接触受流输入或牵引蓄电池提供的DC750V直流电由牵引逆变器变换成频率、电压均可调的三相交流电，向牵引电机供电。牵引逆变器由一个逆变模块单元组成，驱动一台牵引电机。牵引蓄电池充电机、制动斩波单元与逆变模块单元集成在牵引变流器箱。当电网电压在500V～900V之间变化时，主电路能正常工作，并方便地实现牵引-制动的无接点转换，满足列车的牵引及制动特性的要求，并且双向DC/DC充电机单元通过降压斩波可向牵引蓄电池充电。当无电网时，牵引工况下，双向DC/DC充电机单元通过升压斩波可将牵引蓄电池储存的能量反向输出给牵引系统、辅助系统使用，满足列车的牵引系统、辅助系统和直流空调的用电需求；电制动工况下，优先通过双向DC/DC充电机单元降压斩波向牵引蓄电池充电。牵引主电路如图7所示。
4 牵引系统控制
4.1 牵引控制单元（TCU）
牽引控制单元（TCU）作为导轨电车牵引转换装置的核心器件，接收来自整车系统的牵引、制动、调速等指令信息，同时将牵引转换装置的工作状态、重要参数传送给网络控制系统，主要实现的控制功能有：接受并执行司机的控制指令；电牵引、电制动特性控制；列车速度调节、保护、逆变器脉冲模式的产生；粘着控制；电动机-变流器-制动电阻保护；启动限流功能；电池牵引控制；持续低转速控制；通过列车总线网络实现TCU与其他控制单元之间的通信功能；故障诊断和记录功能等。
4.2 牵引控制
导轨电车采用单司机操纵模式，电车运行由位于前部的司机室控制，具有联锁装置，防止两个司机室同时控制。
牵引控制回路包括：高速断路器合闸/分闸控制，应急运行控制，高加速控制，方向选择控制，供电选择控制，牵引使能回路以及油门踏板控制。
其中牵引使能回路中有列车停放制动不缓解继电器触点、列车制动不缓解继电器触点、门全关继电器触点、紧急制动继电器触点、导向装置故障继电器触点、超速继电器触点等，只有以上触点均闭合时，牵引指令才能发送。同时各触点并联旁路开关，当继电器不能工作时，可采用手动闭合旁路开关强制进行牵引，图8为牵引控制逻辑框图。
5 总结
本文以导轨电车牵引系统为研究对象，深入研究了牵引系统的组成和功能，并根据导轨电车自身的特点，对牵引控制系统进行重点设计。对牵引控制系统各部分的工作原理及功能进行分析设计，最终设计出一套适用于此导轨电车的牵引系统方案。
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