大连地铁车辆牵引系统国产化改造介绍

徐晓林

大连地铁运营有限公司 辽宁 大连 116000

摘要：随着城市轨道交通装备国产化进程的日益推进，地铁车辆的牵引逆变器作为车辆核心装备的研究和探索也尤为重要。本文对地铁车辆的牵引逆变器国产化改造进行了介绍，并对改造后的牵引逆变器功能进行了分析和研究。

关键词：地铁车辆；牵引逆变器；国产化改造

1牵引系统国产化改造介绍

1.1系统概述

牵引系统是地铁车辆驱动系统的重要组成部分。主要是把接触网上的直流电压逆变成带有可变振幅和频率的三相电压，为牵引电机运行提供合适的能量。大连地铁12号线的牵引系统早期由东芝机车提供，外方主导了各子系统的功能关系。为响应国家发改委的号召，在12号线部分车辆实施了牵引系统的国产化改造。牵引系统相关的设备包括牵引逆变器、滤波电抗器、牵引电机、制动电阻等。本次改造全新设计牵引逆变器，用于替换原车牵引逆变器，牵引逆变器安装接口与电气接口与原车一致。滤波电抗器、牵引电机、制动电阻不做更换，根据原有设备的电气参数，新设计的牵引逆变器能够实现与原大连地铁12号线牵引逆变器相同的控制功能及各项性能。

1.2主要技术参数

牵引逆变器主要技术参数与原车保持一致。牵引逆变器安装方式与原大连地铁12号线牵引逆变器一致，主线接口与原大连地铁12号线逆变器保持一致，控制线接口与原大连地铁12号线逆变器保持一致，控制线连接器与原大连地铁12号线牵引变流器一致。

牵引逆变器采用1C4M的控制方式，与原大连地铁12号线牵引逆变器保持一致。该方式为一套功率模块控制本节车两个转向架下的四台牵引电机，使用原车牵引电机，实现原大连地铁12号线牵引逆变器的各项性能及控制指标。牵引逆变器主要技术参数为：

安装方式根据原牵引逆变器设计，尺寸与原车一致，采用吊装方式。为热管散热，走形风冷却。主电路额定电压DC1500V，电压范围DC100～1800V；控制电路额定电压DC110V，电压范围DC77～137.5V；控制方式采用32位DSP处理器+FPGA数字控制；通讯方式使用和原车网络兼容的MVB总线通讯。

2牵引系统单元说明

2.1一般要求

每一套牵引逆变器配备一个牵引控制单元。牵引控制单元为微机控制系统，其CPU采用32位或以上的高速微处理器，带高速信号处理器。

牵引控制单元应有一专门的标准通信接口（例如MVB或RS485接口）与车辆总线相连，在牵引控制单元发生故障时（如电源短路等），不应影响车辆总线其它用户的正常工作。

2.2主要功能

2.2.1对牵引电动机控制。

2.2.2牵引控制单元将列车控制的给定值和控制指令转换成VVVF逆变器的控制信号，对VVVF逆变器和牵引电机进行控制，包括列车速度调节、保护、逆变器脉冲模式的产生等。

2.2.3对VVVF逆变器和牵引电机进行保护控制。

2.2.4电制动控制

对电制动进行调整、保护和逆变器脉冲模式的产生。

2.2.5空转/滑行保护控制。

2.2.6列车加减速冲击限制保护。

2.2.7通过列车总线网络实现牵引控制单元与其它控制单元的通信功能。

2.2.8故障诊断功能，要求能做到诊断到整个系统的最小可更换单元。

2.3牵引控制单元对VVVF逆变器的基本控制要求

2.3.1转矩控制模式及基本要求

应采用矢量控制方式或更优化的控制方式来实现对牵引电动机的转矩控制。

在最大的制动与牵引转矩情况下，最大转矩与颠覆（峰值）转矩之间，应有足够的裕度确保系统稳定性。

2.3.2列车的加速和减速控制。

2.3.3司机控制器指令信号

司机控制器的手柄位置确定了所给指令对应的转矩（牵引或制动力）。牵引或常用制动指令位置是连续的。司机控制器的指令信号还包括紧急制动指令。

2.3.4加减速度要求

加速度和减速度控制是自动的、连续的和无级的，直到电动机电流达到所要求的加速度（或减速度）值。

2.4控制特点

牵引系统硬件电路板采用功能模块化设计，即每种硬件电路板集中实现同一类功能。采用6U×64TE尺寸机箱式设计，采用前面板出线方式，预留丰富对外接口，便于产品功能升级，同时可根据设计要求增加所需功能电路板。所有电路板之间的信号通过机箱背板相连。

1）采用32位DSP+FPGA数字化控制。

2）与列车总线网络通信，实现网络控制与监视，司机室显示屏上显示VVVF的工作状态及故障情况。

3）VVVF采用性能优异的异步牵引电机矢量控制算法实现VVVF控制。

4）VVVF具有性能优异的防滑/防空转控制策略。

5）具有自诊断及故障数据记录功能。

2.5牵引控制单元保护功能

牵引控制单元频率控制模式低速区采用异步调制，高速区采用多模式同步调制，由于对切换和切频点进行了优化，列车运行平稳，没有冲击和振动

牵引逆变器具有完备的保护功能。不仅具有过电压、欠电压、逆变驱动故障、散热器过热等基本保护功能，还具有过流、逆变输出缺相、指令错误等保护功能。出现故障时，会依据故障等级来判断故障并作出相应的保护动作。

3监控与诊断

牵引逆变器具有自诊断和故障记录功能，并能在司机室显示屏上显示系统状态及故障情况，便于故障分析和维修。

3.1便携式测试单元（PTU）和牵引系统的故障诊断功能

牵引控制单元应具有自诊断和自监视功能。牵引逆变器工作前首先进行系统自检，主要对控制单元各控制电源、传感器、接触器、IGBT驱动电路板等，牵引控制单元根据采集的模拟和数字信号进行自检。并将检测信息通过网络传送到司机室的TCMS显示屏上。

牵引控制单元故障应代码化，故障数据应包括故障点数据和历史数据，数据中应对牵引/制动用的各种信号进行记录，并提供故障代码表。

在牵引控制单元与列车中央控制单元支持的列车故障诊断系统中，应对各故障进行故障评估，将评估结果显示在司机显示屏上，并向司机做出相应指示。

在牵引控制单元中，应定义牵引系统最小可诊断单元，在牵引控制单元与中央控制单元支持的列车诊断系统中，应能对每个最小可诊断单元进行故障诊断。

通过列车中央控制单元的接口模块，用PTU可以访问牵引控制单元，读取故障数据，也可读取牵引控制单元内部数据，调整相关数值。牵引控制单元中应设置一个接口，该接口能将重要的信号连到该接口上，该接口必须是标准的接口，可以连接一个故障记录插件，记录跟踪故障。

为了方便维修和维护，在相应牵引逆变器内应有一维护用接口，通过PTU可访问该接口，并可完成如下功能：

读取牵引控制单元故障信息，也可读取所有可能的内部数据信息， 调整相关数值；

动态监测牵引系统的各种实时信息（如网压、电机电流、逆变器模块温度等）。

3.2自检功能

牵引控制单元应具有故障诊断和存储功能，其故障诊断应包括牵引控制单元、VVVF逆变器和其他与牵引控制单元有关的设备。TCU内部集成一块故障信息处理板，具有故障诊断和存储功能，TCU一旦检测到故障发生或遇到紧急制动，迅速的判断故障的种类和级别并作出相应的处理。并将正常记录区靠近故障点前后一段时间的记录完全复制到故障记录区，形成一条故障追踪数据。

故障信息处理板提供大于4Gb的FLASH存储空间，可保存3个月以内所有条件追踪数据，FLASH中保存的所有数据都可以通过维护接口使用PTU软件下载。

3.3 PTU故障追踪数据转储和分析

PTU提供按照故障代码、故障发生时间、故障统计等检索方式快速准确的搜索故障追踪数据，并提供单个文件或批量文件下载，可将下载的文件保存成Excel格式。

利用PTU提供的绘图功能，可将下载的故障追踪数据绘制成波形图，使用PTU提供的波形分析工具帮助设计或维护人员查看、分析波形或查找故障原因。

结语：牵引逆变器是城市轨道交通列车牵引传动系统的核心装置。设计满足城市轨道交通要求的牵引逆变器，可以加快城市轨道交通设备的国产化进程，促进城市轨道交通产业健康快速的发展。

参考文献

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