摘　要： 本文簡(jiǎn)要的探討了地鐵車(chē)輛交流傳動(dòng)系統(tǒng)的組成、控制原理、牽引和電制動(dòng)特性曲線，對(duì)地鐵車(chē)輛的系統(tǒng)電路進(jìn)行了簡(jiǎn)要的描述，分析了直流傳動(dòng)和交流傳動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn)。 關(guān)鍵字： 地鐵車(chē)輛； 交流傳動(dòng)； VVVF逆變器； 電氣系統(tǒng) 我國(guó)早期的地鐵列車(chē)多為國(guó)產(chǎn)直流傳動(dòng)電動(dòng)車(chē)組，采用凸輪調(diào)阻或斬波調(diào)阻的牽引控制方式，牽引電機(jī)為直流電機(jī)。而近幾年建設(shè)的地鐵項(xiàng)目均采用了進(jìn)口交流傳動(dòng)電動(dòng)車(chē)組，牽引控制方式為VVVF逆變器控制，牽引電機(jī)為異步電機(jī)。與直流傳動(dòng)系統(tǒng)相比，交流傳動(dòng)系統(tǒng)具有恒功速度范圍寬、功率因數(shù)和粘著系數(shù)高、牽引電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和維修方便等優(yōu)勢(shì)。 1 交流傳動(dòng)系統(tǒng)的組成 地鐵車(chē)輛與鐵路機(jī)車(chē)在結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)集成上大不相同，機(jī)車(chē)是完整的牽引系統(tǒng)，與后面連接的載客（貨）車(chē)廂相對(duì)獨(dú)立；而地鐵車(chē)輛則是編列成組，雖然分為動(dòng)車(chē)和拖車(chē)兩部分，但都是旅客車(chē)廂，動(dòng)力系統(tǒng)均被分散安裝于各車(chē)箱的地板下（動(dòng)力分散）。 交流傳動(dòng)系統(tǒng)是以調(diào)壓調(diào)頻VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）逆變器為核心的電傳動(dòng)系統(tǒng)。主要由高速斷路器、濾波電抗器、VVVF逆變器和異步電動(dòng)機(jī)等裝置構(gòu)成。地鐵車(chē)輛交流傳動(dòng)系統(tǒng)的組成因生產(chǎn)廠家的不同及用戶(hù)要求的不同而不相同，這里以六節(jié)編組的四動(dòng)兩拖（Tc+M+M+M+M+Tc）地鐵車(chē)輛為例，簡(jiǎn)要探討交流傳動(dòng)系統(tǒng)的組成。 下圖為地鐵交通系統(tǒng)中的牽引供電系統(tǒng)簡(jiǎn)要示意圖，電能經(jīng)牽引變電站濾波變壓為1500V穩(wěn)定的直流電后經(jīng)接觸網(wǎng)、受流器引到主牽引逆變器，主牽引逆變器將1500V直流電逆變?yōu)殡妷?、頻率可調(diào)的交流電提供給異步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生動(dòng)力。 下圖為一個(gè)“兩動(dòng)一拖（2M1T）”單元主電路實(shí)例。電網(wǎng)經(jīng)受電弓后分別經(jīng)兩臺(tái)動(dòng)車(chē)（B車(chē)和C車(chē)）的高速開(kāi)關(guān)給逆變器供電，而在拖車(chē)（A車(chē)）上的輔助逆變器的供電是經(jīng)過(guò)隔離二極管的。 下圖為1C4M單元主傳動(dòng)系統(tǒng)原理電路圖，1C4M是指一臺(tái)VVVF逆變器給同一輛車(chē)四臺(tái)相互并聯(lián)的異步電動(dòng)機(jī)供電的方式，也叫“車(chē)控”方式。其中濾波電抗器和濾波電容器構(gòu)成線路濾波器。VVVF逆變器包含斬波器，斬波器由T7、T8構(gòu)成，斬波器主要功能用于電阻制動(dòng)，用它來(lái)調(diào)節(jié)制動(dòng)電流大小，其另一個(gè)功能為過(guò)電壓保護(hù)。 [b]2 交流傳動(dòng)系統(tǒng)的控制原理 [/b] VVVF控制的基本原理為通過(guò)改變VVVF逆變器各IGBT元件的開(kāi)通時(shí)間來(lái)改變負(fù)載的電壓，通過(guò)改變VVVF逆變器各IGBT元件開(kāi)通的周期來(lái)改變輸出的頻率。 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩公式為：T=K1·φ·Ir=K2·（V/fi） 2·fs 這里T為轉(zhuǎn)矩，φ為磁通，Ir為轉(zhuǎn)子電流，V為電機(jī)電壓，fi為電源頻率，fs為轉(zhuǎn)差頻率，K1，K2為比例系數(shù)。 由上式可以看出：轉(zhuǎn)矩T與電機(jī)電壓和電源頻率之比（V/fi）的平方成正比、與轉(zhuǎn)差頻率fs成正比。同時(shí)還說(shuō)明，當(dāng)轉(zhuǎn)差頻率fs為負(fù)值時(shí)，轉(zhuǎn)矩T為負(fù)值，產(chǎn)生了制動(dòng)力。 因此：在采用VVVF逆變器的電動(dòng)車(chē)中，只要控制壓頻比（V/fi）和轉(zhuǎn)差頻率（fs）即可自由的控制牽引力和再生制動(dòng)力。即只需控制3個(gè)因素：逆變器輸出電壓V，逆變頻率fi，轉(zhuǎn)差頻率fs。 [b]3 交流傳動(dòng)系統(tǒng)牽引和電制動(dòng)特性 [/b] 3.1牽引工況 牽引工況時(shí)異步電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)將逆變器提供的電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，轉(zhuǎn)差頻率（fs）大于零。車(chē)輛由靜止?fàn)顟B(tài)開(kāi)始起動(dòng)、加速的控制大致可經(jīng)歷三個(gè)模式：恒轉(zhuǎn)矩控制、恒功率控制、自然特性區(qū)。 模式一（恒轉(zhuǎn)矩控制） 恒轉(zhuǎn)矩控制在控制轉(zhuǎn)差頻率的同時(shí)，慢慢提高逆變頻率fi，使其值與速度相符合。當(dāng)速度逐漸的增加，異步電機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)際旋轉(zhuǎn)頻率fm隨之增加。若要保持轉(zhuǎn)差頻率fs恒定，則要增加逆變頻率fi。 保持壓頻比（V/fi）恒定，則異步電機(jī)的磁通φ恒定，保持轉(zhuǎn)差頻率fs恒定，則異步電機(jī)轉(zhuǎn)子電流Ir恒定，結(jié)果力矩恒定。 保持壓頻比（V/fi）恒定，則異步電機(jī)電壓V隨逆變頻率fi成正比上升，電壓控制為 PWM控制。 當(dāng)逆變器輸出電壓達(dá)到上限時(shí)，轉(zhuǎn)為恒功率控制。 例如：1500V的網(wǎng)壓條件下，根據(jù)公式Vimax=VC·61/2/π,可以知道VVVF逆變器輸出電壓上限為1170V。 模式二（恒功率控制區(qū)） 逆變器電壓V達(dá)到上限后，其保持恒定，控制轉(zhuǎn)差頻率fs隨速度增大而增大以控制電機(jī)電流Ir恒定。由于電壓電流都不變，所以是恒功率控制。 轉(zhuǎn)差頻率 fs增大，則逆變頻率fi隨之增大，則力矩T下降，T∝1／fi。 恒功率運(yùn)行到轉(zhuǎn)差頻率fs上升到最大值時(shí)，轉(zhuǎn)到自然特性區(qū)。 如果逆變器容量有較大裕量，也可以在電機(jī)電壓達(dá)到最大值后，在一段時(shí)間內(nèi)提高轉(zhuǎn)差頻率使它隨著速度（頻率）較快增大，從而增大電流，以延長(zhǎng)恒力矩運(yùn)行時(shí)間，直到電流達(dá)到逆變器或電機(jī)最大允許值，然后再進(jìn)入恒功率運(yùn)行。 模式三（自然特性區(qū)） 逆變器電壓V保持恒定最大值，轉(zhuǎn)差頻率fs保持恒定最大值。 隨著速度的上升繼續(xù)增加逆變頻率fi。 電機(jī)電流Ir∝1／fi下降，力矩T下降，T∝1／fi2。 3.2 制動(dòng)工況 制動(dòng)工況時(shí)異步電機(jī)作為發(fā)電機(jī)將車(chē)輛動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，轉(zhuǎn)差頻率（fs）小于零。車(chē)輛由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)逐漸減速直至停止的控制大致也可經(jīng)歷三個(gè)模式：恒轉(zhuǎn)差率控制、恒轉(zhuǎn)矩1（恒電壓）、恒轉(zhuǎn)矩2（恒磁通）。 制動(dòng)工況時(shí)，車(chē)輛以再生制動(dòng)為主，產(chǎn)生的電能直接反饋入電網(wǎng)，由相鄰運(yùn)行的車(chē)輛吸收。當(dāng)電網(wǎng)沒(méi)有能力或不能全部吸收再生制動(dòng)的能量時(shí)，再生制動(dòng)轉(zhuǎn)為電阻制動(dòng)，消耗在制動(dòng)電阻上，再生制動(dòng)與電阻制動(dòng)的轉(zhuǎn)換由控制單元根據(jù)線路濾波電容器兩端的電壓控制制動(dòng)斬波器自動(dòng)完成的，當(dāng)濾波電容器兩端的電壓超過(guò)1800V時(shí)，電阻制動(dòng)完全取代再生制動(dòng)。 模式四（恒壓、恒轉(zhuǎn)差率） 在高速時(shí)開(kāi)始制動(dòng)，此時(shí)逆變器電壓V保持恒定最大值，轉(zhuǎn)差頻率fs保持恒定最大值。 隨著車(chē)輛速度的下升減小逆變頻率fi。 電機(jī)電流Ir與逆變頻率成反比增加，制動(dòng)力與逆變頻率的平方成反比增加。 電機(jī)電流Ir增大到恒轉(zhuǎn)矩相符合的值，進(jìn)入恒轉(zhuǎn)矩控制，但當(dāng)電機(jī)電流Ir增大到逆變器的最大允許值時(shí)，則要從電機(jī)電流Ir增大到該最大值時(shí)刻起保持電機(jī)電流恒定，在一個(gè)小區(qū)段內(nèi)用控制轉(zhuǎn)差頻率的方法進(jìn)行恒流控制。在這種情況下，制動(dòng)力將隨逆變頻率成反比增加。 模式五（恒轉(zhuǎn)矩1，恒電壓） 逆變器電壓V保持恒定最大值，控制轉(zhuǎn)差頻率fs與逆變頻率fi的平方成反比的同時(shí)，隨著速度的下升減小逆變頻率fi，則轉(zhuǎn)差頻率fs值變小直至最小值。 電機(jī)電流Ir與逆變器頻率成正比減小，制動(dòng)力保持恒定。 模式六（恒轉(zhuǎn)矩2，恒磁通） 轉(zhuǎn)差頻率fs保持恒定最小值，此時(shí)電機(jī)電流Ir亦為恒定。 隨著車(chē)輛速度的下降減小逆變頻率fi。 采用PWM控制電機(jī)電壓V減小，即保持（V/fi）恒定，則磁通恒定，制動(dòng)力恒定。 在六個(gè)模式中電機(jī)電壓V、轉(zhuǎn)差頻率fs、電機(jī)電流Ir、牽引／制動(dòng)力與速度v的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線如下圖所示： 3.3 牽引／制動(dòng)力相對(duì)于速度的特性曲線 因?yàn)榈罔F車(chē)輛的特性曲線因?yàn)檐?chē)型的不同而各不相同，此圖僅供參考。由圖中可以看出，當(dāng)?shù)罔F車(chē)輛處于牽引工況時(shí)，由起動(dòng)加速到37.5km/h期間，地鐵車(chē)輛處于恒轉(zhuǎn)矩控制區(qū)；由37.5km/h加速到75km/h期間，地鐵車(chē)輛處于恒功率控制區(qū)；由75km/h加速到80km/h期間，地鐵車(chē)輛處于自然特性區(qū)；當(dāng)?shù)罔F車(chē)輛處于制動(dòng)工況時(shí)，由高速減速到50km/h期間，地鐵車(chē)輛處于恒壓、恒轉(zhuǎn)差率區(qū)；由50km/h減速到停止期間，地鐵車(chē)輛理論上處于恒轉(zhuǎn)矩控制區(qū)，但在實(shí)際運(yùn)行中，10km/h以下的某一點(diǎn)再生制動(dòng)力會(huì)迅速下降，所以當(dāng)?shù)罔F車(chē)輛減速至10km/h以下后，為保持恒制動(dòng)力應(yīng)補(bǔ)充空氣制動(dòng)。 4 結(jié) 語(yǔ) 與直流傳動(dòng)系統(tǒng)相比，交流傳動(dòng)系統(tǒng)采用異步電機(jī)和VVVF無(wú)接點(diǎn)控制，省去了直流傳動(dòng)所需的正反向轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和牽引制動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)了牽引系統(tǒng)的小型化、輕量化，且維修作業(yè)量顯著減少；電能再生率達(dá)35％左右，節(jié)電效果顯著。因此，VVVF交流傳動(dòng)系統(tǒng)已成為地鐵車(chē)輛發(fā)展的趨勢(shì)。 本文僅對(duì)地鐵車(chē)輛的交流傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了初步的探討，我國(guó)地鐵車(chē)輛經(jīng)過(guò)幾十年的實(shí)踐，隨著VVVF交流傳動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)的不斷成熟完善，今后新開(kāi)發(fā)的地鐵車(chē)輛電傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)以VVVF交流傳動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)為基礎(chǔ)。 參考文獻(xiàn)： [1]長(zhǎng)春客車(chē)廠老年科技工作者協(xié)會(huì)編.城軌車(chē)輛技術(shù)與應(yīng)用.中國(guó)鐵道出版社, 2005.10. 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