成都地铁１号线地铁牵引电气系统 成都地铁１号线地铁牵引电气系统 陈鸿蔚方兵陈晚余 （湘潭电机股份有限公司，湖南湘潭，４１１１０１） 摘要：地铁牵引电气系统是一个技术含量较高、结构复杂的工业控制系统。本文以成都１号线的列车 牵引系统为对象，介绍了系统的组成、结构以及主要的控制算法。针对轨道交通需要的一些特殊的控制方 式，本文也给出了说明。最后介绍了系统的国产化情况。 关键词：轨道交通成都地铁牵引电气系统 前言 刖菁 成都地铁１号线是成都市第一条地铁线路，也 是中国西部第一条地铁。该线路于２０１０年９月２７ １３开通。截至２０１６年５月，成都地铁１号线运营总 长２３．９公里，拥有２２座车站，包含２座转乘站。 １系统介绍 １糸ｚ允’ｆ．鲻 成都地铁１号线列车编组型式为４Ｍ２Ｔ，即一列 车由４个动车和２个拖车组成。整个电气牵引系统 主要包括ＶＶＶＦ逆变器箱、ＳＩＶ静止辅助电源、交流 湘潭电机股份有限公司自２００３年开始与１３本 东洋公司开展合作，先后为成都地铁１号线、２号线 提供全套牵引电气系统。通过近６年的运行表明， 系统稳定，故障率少，未出现过清客等救援行为，在 整个成都地铁所运营的列车牵引电气系统中表现 最为优异。 牵引电机、滤波电抗器、制动电阻、各种断路器箱和 隔离开关箱等。整个系统组成见图１。 牵引电气系统的主要功能包括控制牵引电机 运行、为车上其他设备提供交流电源以及为控制系 统提供直流控制电源。其中，在两个拖车ＴＣ１和 ＴＣ２上分别安装一套ＳＩＶ辅助电源系统。正常工作 时，每套ＳＩＶ辅助电源系统负责给相邻的三个车辆 供电。当其中一套系统出现问题时，通过Ｍ２车上 Ｍ２ Ｔｃ２ ＼ 蕊圆 Ｌｒ—！竺— —竺 ］ 晦 ｆｉ …ｌ…～＝二二Ｉ． 二＝．Ｉｌ］ ｝ｌ ｌ ・一艄。。 厂 ｌ 。‘’ 龋。 珞‘。 莉’ 。Ｊｌ Ｉ ｌ 晰蚺 ｌ ｌｌ竺竺Ｉ｛ ！ｊ Ｉ一ｉＩ ・—－ —－一Ｌ—－ 蝣－ —．ｌ ＪＩ 壶 Ｌ——— ＪＩ Ｉ Ｉ．－．－．－． ． ．．－Ｊ ： Ｌ广 ］ 圈蒿 Ｉｌ———Ｔ—一１ 一事豳 螬 ｝ 越一 一 二］二二＿ｉ厂 中ｉ 上 ｝ ｆ 图１牵引电气系统组成 电气牵引２０１６年第１期（总第１３１期） 的扩展供电装置由另外一套系统为整个列车提供 电源。每个动车上安装一套ＶＶＶＦ逆变器系统，采 用无速度传感器矢量算法来控制三相交流牵引电 机的运行。在ＶＶＶＦ箱体内，安装有制动斩波单元， 制动时将多余的能量通过制动电阻消耗。受电弓 安装在ＭＰ１和ＭＰ２车上，包含受电弓的受流装置安 装有熔断器（在主断路器箱内）和避雷器，从受电弓 引入的直流１５００Ｖ高压通过母线接线箱贯通整个列 时能够与母线分离，保证列车能够继续运行。 整个牵引电气系统中，ＶＶＶＦ逆变器箱和ＳＩＶ辅 助电源系统是核心组成部分，其工作性能是列车能 否安全运行的重要条件。 ２ ＶＶＶＦ逆变器 ２．１主电路 ＶＶＶＦ逆变器箱主要完成对牵引电机的控制， 车。每个子系统都有断路器箱，当子系统出现故障 包括牵引、电制动两种基本功能，其主电路见图２。 图２ ＶＶＶＦ主电路简图 每个ＶＶＶＦ逆变器控制四台电机（安装在同一 输入，调制频率固定； ２）ＰＷＭ的调制比由外接电位器或外部调试程 序输入； 辆动车上）。主电路主要模块有三相逆变桥（供给 牵引电机交流三相电源）、支撑电容、电容充放电电 路（包括充电电阻ＣＧＲ、放电电阻ＤＣＧＲ以及旁路接 触器Ｌ２）、制动斩波器、制动电阻和一些电压、电流 传感器。 ２．２运行模式 ３）计算用电机电流在ｄ－ｑ坐标系上的分量分 别等于励磁电流给定值和力矩电流给定值； ４）转差频率设置为０； ５）转子磁链计算不进行必要的调整，例如不 进行磁链角度的校正； ６）不进入同步调制。 ＶＶＶＦ主要有四个运行模式，分别为空车模式、 紧急运行模式、洗车模式以及正常运行模式。四个 个模式满足了列车试验、运行中不同的功能要求。 ａ）空车模式 因为屏蔽了ＦＣＤ等故障，空车模式可以工作在 没有直流电压的状态下。在空车模式下，在传感器 端输入直流电压或交流电压，可以校准系统的保护 空车模式满足ＶＶＶＦ系统试验中对传感器的整 定、报警阈值的检查以及控制系统逻辑功能的“无 加压”试验要求。在空车模式下，微机箱（ＡＭＰ）能 够对部分故障进行屏蔽，包括：ＦＣＤ（直流电容充电 故障）、ＢＳＤ（车辆后退）、ＢＳＬＰ（大空转）、ＢＳＬＢ（大滑 走）以及ＮＶＤ—Ｆ（架线低压过低）。 空车模式下，ＶＶＶＦ的三相交流输出有如下特 点： 阈值，同时通过电位器输入，可以检查微机箱输出 的三相ＰＷＭ波是否正常。最重要的是可以观察控 制的一些中间变量例如励磁电流和转矩电流的指 令值，从而可以判断软件牵引曲线设置以及各功能 模块的计算是否正常。 ｂ）紧急牵引模式 紧急牵引模式将屏蔽列车网络通讯，ＶＶＶＦ系 统脱离列车网络运行。 １）ＰＷＭ的基频由外接电位器或外部调试程序 一＇一 成都地铁１号线地铁牵引电气系统 根据成都１号线的实际运行状况，在列车正常 等所有控制信息都由列车网络ＴＭＳ提供，同时 运行时的牵引、制动以及力矩等指令均从列车网络 ＴＭＳ获得。为了保证系统工作的可靠性，ＶＶＶＦ有 ＶＶＶＦ亦将车辆控制系统的各种参数传递给列车网 络。对牵引电机的控制采用无速度传感器矢量控 制算法。 ２．３牵引电机控制方法 冗余的２个高速ＲＳ４８５列车网络接口。如果任何一 个网络接口在０．２Ｓ内没有通讯，则ＡＭＰ将会报 ＦＣＯＭ—Ｆ故障，列车将无法正常运行，直至列车网络 为了实现对三相交流牵引电机的精确控制，矢 量控制是目前工业中重要的控制方式。矢量控制 一恢复通讯１Ｓ以上。 当出现ＦＣＯＭ—Ｆ网络通讯故障时，ＶＶＶＦ提供 了紧急牵引模式用来牵引列车。在紧急牵引模式 般分为直接矢量控制和间接矢量控制。直接矢 量控制将三相交流牵引电机的电流分解为类似直 流电机的励磁电流和转矩电流分量，通过闭环对转 子磁链的幅值和相位进行直接控制。由于转子磁 链直接测量困难，因此在控制计算中通常利用电机 的数学模型进行转子磁链的估计。因为数学模型 严重依赖电机参数，特别是转子时间常数，所以直 接矢量控制方法的控制结构复杂，软件计算量大。 下，列车运行所需的牵引、制动以及力矩等指令将 由司机控制器通过ＰＷＭ指令器给出，其他控制保 护和算法与列车正常运行模式一致。 该模式另外的一个重要作用是在进行ＶＶＶＦ单 体试验时，无需列车通讯网络，方便试验人员操作。 Ｃ）洗车模式 洗车模式是一种列车低速运行的模式，其速度 被限制为最大１０Ｋｍ／ｈ。 洗车模式和正常运行模式相比，最主要区别在 特别是在无速度传感器控制领域，转速估计和转子 磁链计算存在耦合性，其中一个环节的计算误差有 可能导致控制的失调，因此对于转速估计的精确度 要求极高。 于牵引力矩给定值不同。洗车模式下，牵引力矩根 据列车当前速度给出，接近ｌＯＫｒｎ／ｈ时直接切除。牵 引电机控制保护和算法与列车正常运行模式一致。 ｄ）正常牵引模式 正常牵引模式下，牵引／制动指令以及力矩指令 间接矢量控制的控制结构相对简单，也是目前 工业化产品中应用最为广泛的三相交流电机控制 方式。ＶＶＶＦ对牵引的电机的控制即采用该方法， 其基本控制原理见下图。 图３牵引电机矢量控制原理 从上图可以看出，转差频率指令由电机电流指 令直接计算得出。根据反馈的实际电机电流和指 出给牵引电机交流电压。由于直接对转差进行控 制，因此该控制方法也被称为转差矢量控制。如果 令值，控制算法给出需要的电压矢量。从转速积分 得到的角度作为整个矢量控制的坐标角度，最后输 系统安装有转速传感器，可以看出整个控制无需计 算转子磁链，控制结构相对直接矢量控制极为简 一３一 电气牵引２０１６年第１期（总第１３１期） 单。即使未安装有速度传感器，需要对速度进行估 算，转子磁链也仅仅只参与该环节。考虑到牵引电 机的机械时间常数，转速是一个大惯性的变量，同 时经过控制程序中数学计算的推演和因子消除，不 同于在直接矢量控制中转子磁链需要参与闭环控 制，转子时间常数对转速估计的影响得到了消除， 系统的鲁棒性得到了保证。 由于未安装速度传感器，因此在牵引电机启动 前必须进行当前转速的估计，避免控制失控。牵引 电机启动分为两种情况：静止（例如列车停止）和运 转（例如列车滑行）。此时ＶＶＶＦ将向电机注入一定 频率和幅值的电流，进行预备励磁。通过预备励 磁，控制系统可以检测到电机当前的转速，同时建 立了转子磁链，为后续的速度估计提供了初始值。 而当牵引电机停止时，为了消除电机残余磁链，为下 一次启动做准备，ＶＶＶＦ将进入消磁模式，同样通过 向牵引电机注人一定的电流来实现。为了消除牵引 电机参数的变化对控制性能的影响，在预备励磁实 施前，ＶＶＶＦ还会进行必要的牵引电机参数辨识。 在低速下，由于牵引电机参数的影响，ＶＶＶＦ采 用Ｖ／Ｆ开环控制。两个控制方法根据转速估计的具 体情况，通过一定的过渡算法实现平滑切换。为了 尽可能利用直流电压，减少功率器件的损耗，控制 输出的三相ＰＷＭ波根据列车速度分别进行异步调 制和同步调制，高速时进人方波调制。 图４ ＰＷＭ波的开关频率切换不意 除对牵引电机进行正常的牵引和制动控制，为 了适应轨道交通一些特殊的运行要求，ＶＶＶＦ具有 粘着系数控制、电压安定控制以及再生制动等功 能。其中粘着系数控制是在列车进行空转打滑时 进行转矩调节，保证列车车轮与轨道的粘着系数。 该控制通过检测列车的加速度来实现，粘着系数通 过列车转向架的物理模型推算得到。电压安定控 制是当母线电压出现波动或者经过断电区时， 一ａ— ＶＶＶＦ自动调节转矩，减少能量消耗，以免产生故障 而列车停止。 ２．４列车的制动 对于地铁交通来说，每条线或每个公司的制动 系统都有所不同。根据成都１号线实际情况，车辆 制动分为再生制动、电阻制动和空气制动。再生制 动和电阻制动由ＶＶＶＦ系统实现。再生制动可将能 量反馈回电网，当在电网电流吸收能力不足时（表 现为架线电压超过１７００ＶＤＣ），ＶＶＶＦ系统将投入电 阻制动。 空气制动由车辆系统的制动系统协调实施，用 来补偿电制动的制动力，其作用在于：补偿给定制 动力与实际电制动力的差值，为了减少闸瓦的磨耗 和节省电能，车辆系统优先使用电制动；在ＶＶＶＦ电 制动出现故障时，例如制动电阻温度保护或ＩＧＢＴ异 常时，列车将投入空气制动；在紧急制动下，列车投 入空气制动，此时电制动不投入。 当车辆速度低于某一限定值时，由于电制动无 法产生足够的制动力，此时空气制动将逐步替代电 制动。在制动的作用下，列车速度减小接近时，由 于交流电机本身固有的机械特性以及控制算法的 特点，低速下牵引电机无法提供足够的电制动力甚 至电制动力为零，因此需要投入空气制动，这个阶 段称之为“电空转换”。低速下电空转换的逻辑见 下图。 图５电空转换不意 由上图可以看出，当车速降至约６ｋｍ／ｈ时，电制 动失效信号开始输出高电平。大约经过０．４ｓｅｃ后， 电空转换开始，此时电制动力开始下降而空气制动 开始投入。从电制动力下降开始直至电制动力为 零的时间段为电空转换期。在此期间，电制动力与 空气制动力的总和始终等于制动系统要求的车辆 制动力。当电空转换期结束时，电制动力为零，车 辆制动力完全由空气制动系统提供且制动力等于 成都地铁１号线地铁牵引电气系统 制动系统要求的制动力。在电空转换期间，车辆的 制动加速度始终限制为１．０ｍ／ｓ 。 ２．５与列车总线的连接 ＳＩＶ辅助逆变器输出的电压和频率恒定，不同 与ＶＶＶＦ逆变器，是一个恒压恒频的逆变器。逆变 器采用三电平，输出谐波少，可有效减小交流测滤 波器尺寸。整流装置变压器Ｔ０将逆变器输出的交 列车通讯总线ＴＭＳ是列车与车辆其他系统交 换信息以及接受控制指令的通道之一，例如在列车 正常运行时，ＶＶＶＦ控制系统的力矩指令、前进后退 信号等信息都从ＴＭＳ获得。 根据成都１号线的实际情况，列车通讯网络是 ＣＡＮ总线。对于ＶＶＶＦ控制系统，控制器提供冗余 流电压降压成车上设备使用的ＡＣ３８０Ｖ三相电源， 同时将交流电源整流成ＤＣ１１０Ｖ和ＤＣ２４Ｖ供给车上 直流设备使用。ＳＩＶ辅助电源系统相对其他公司的 系统，结构较为简单，但由于采用变压器降压，系统 体积略显庞大。 的ＲＳ４８５通讯接口２个，而ＲＳ４８５转化成ＣＡＮ在 ＶＶＶＦ系统之外的车辆网络管理器中完成。 ＶＶＶＦ系统通过控制器与列车网络连接。在整 个列车网络柘扑结构中，ＶＶＶＦ作为网络的一个子 节点，与车辆网络控制器通过ＴＭＳ０和ＴＭＳ１的 ＲＳ４８５通讯进行数据交换。通过车辆网络控制器的 ＣＡＮ总线接口，ＶＶＶＦ实现了与列车网络的连接。 具体结构见下图。 图６与列车网络的连接 ３ ＳＩＶ辅助电源系统 ３．１主电路 ＳＩＶ辅助电源系统的功能是为列车其他设备如 空调系统、控制电源、照明设备、空气压缩机、控制 系统等提供交流和直流电源，系统主要包括ＳＩＶ逆 变器和整流装置。ＳＩＶ辅助电源系统的主电路见下 图。 图７ ＳＩＶ辅助电源系统主电路简图 ３．２ ＳＩＶ辅助电源的控制 ＳＩＶ辅助电源系统的控制关键在于ＳＩＶ逆变器 的控制。因为ＳＩＶ逆变器输出的是恒压恒频电源， 因此与ＶＶＶＦ系统相比，其控制算法较为简单。ＳＩＶ 控制原理见下图。 图８ ＳＩＶ控制原理简图 ＳＩＶ控制采用电压矢量定位算法，即系统的旋 转坐标定位在输出的电压矢量上。根据输出电压 矢量的目标幅值和频率，计算得到旋转坐标上的电 压分量给定值，将其与实际电压量的误差送人ＰＩ 调节器进行输出调节。为了加快系统响应的快速 性，增加了电流闭环，增强了对车上其他功率较大 的设备启动时对逆变器冲击的抵抗能力。由于系 统主回路包含电感和电容等器件，控制中考虑了电 流流经这些器件引起的电压变化，使控制精度进一 步提高。 ３．３扩展供电 根据成都一号线的车辆组成，每列车有两套 ＳＩＶ辅助电源系统，两者之间通过扩展供电方式连 接。当其中一台出现故障时，通过扩展供电单元另 外一台给全列车供电，但此时列车控制系统将停掉 部分设备例如列车空调来降低ＳＩＶ辅助电源的负 载。辅助供电的扩展供电序列见下图。 一５一 电 牵引２０Ｉ６ １期（总第１３１期） ■ ｌ Ｂ 一 ＿—＿ 呲 一 翻■曩 ｝¨ 刚＇ＳＩＶＯ Ｋ一 隧隧翻哪 ９ ｓｉｖ扩眨供【乜序列 腱供ｉＵ动作…列车总线处理 １其Ｉｌｌ一 ｓＩｖ辅助ｆ 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