地铁车辆牵引电气技术及故障

地铁车辆牵引电气技术及故障

卢基友

深圳地铁运营集团车辆中心518000

【摘要】地铁车辆的牵引系统作为地铁运营重要组成部分，技术上通过与外来资源的结合，将牵引系统技术进行创新应用，在一定程度上提高了我国牵引电气技术水平。然而，地铁车辆牵引系统在日常维护工作难度较大，一旦出现故障，对地铁正常运营造成很大影响。因此，需要对地铁车辆牵引系统的技术特征进行熟悉，才能准确判断故障问题，提升牵引系统的维护效率。本文主要对地铁车辆牵引电气技术及故障诊断进行分析，供同行借鉴参考。

【关键词】地铁车辆；牵引电气系统；构成；特点；故障诊断

1.地铁车辆电气牵引系统的构成及特点

地铁车辆牵引系统由受电弓、含HSCB的高压箱、牵引逆变器、牵引电机、制动电阻及避雷器等部件组成。其中高压箱由高速断路器、充电设备及隔离接开关组成，一般地铁车辆都配有两个受电弓，防止地铁在运行的过程单个受电弓出现故障时，另一个受电弓保障地铁车辆运行。另外，地铁车辆牵引控制系统内还配备牵引逆变器、滤波电抗器等；逆变箱有逆变器和斩波控制器，地铁运行过程中将直流电转变为三相交流电，从而对车辆运行的频率和电压进行调控；其次，再生制动的过程中可以将三相交流电重新转变为直流电运输到电网中，实现电网的再供电。逆变器在使用的过程中还需要对其进行冷却，通常情况下，对逆变器的冷却是通过热管散热器进行的，热管散热器的工作原理是通过液态介质的冷凝和蒸发来实现对热量的冷却，而且热管散热器的运行机制也十分简单，不会对环境造成任何的污染。

2.现阶段我国轨道交通车辆电气牵引系统概述

现阶段我国轨道交通车辆电气牵引系统主要是为了配合牵引技术。我国轨道交通的供电方式一般采用架空DC1500接触网供电，因此轨道车辆的相似性是比较高的，因此，在车辆运行的过程中在行驶方式和运行过程方面都需要进一步提升。只有这样才能够让电气牵引技术有更好的发展。而为了保障我国轨道交通车辆运行过程中具有稳定的牵引力，就必须采用牵引系统来加以规范。牵引系统在应用的过程中有三点作用。第一，牵引系统能够保证电气牵引技术的恒定牵引力在一定范围内，进一步保障了电气牵引技术的稳定。第二，牵引系统能够对牵引力进行一定的约束，这主要是为了让轨道交通在不同的情况下都能够达到额定的速度并根据车辆的负载能力进行自动调节和规范性调节；第三，电气牵引系统的应用还能够保证轨道交通运行的平衡，制定相应的动力来保障轨道交通的稳定速度。因此应用电气牵引系统来规范电气牵引技术能够更加深层次地保障现代轨道交通车辆的正常运行。

3.控制系统的主要应用

现阶段我国的电气牵引技术在轨道交通的应用过程中逐渐使用计算机来进行控制，摒弃了传统数字控制的方式。使用电子计算机来进行系统性的操作能够实时监测并查看轨道的具体情况和车辆的运行方式，进一步提供信息化、现代化的控制。计算机控制系统在轨道交通车辆电气牵引技术的应用过程中具备自动检测和自动控制的优势，尤其是在交流传感式的轨道交通车辆中更加发挥了其独特的优势。计算机控制和传统的控制相比更加精确。而现阶段我国的轨道交通车辆电气牵引技术应用的过程中一般采用多重微机来进行自动控制。计算机控制系统主要在电气牵引技术作业的过程中控制牵引的信号，按照信号监控中心的指示，实时控制车辆的牵引，这样的操作能够发挥控制系统的整体性作用，为电气牵引提供更加完整的配置。对于计算机控制系统来说，能够进一步增加电气牵引的完整性，让我国的轨道交通电气牵引技术有了更进一步的发展。在现阶段我国的电气牵引技术中计算机控制系统最主要的是计算机软件。因为计算机只是控制电气牵引的一部分，而实现通信、驱动和多项模块同时作业的重要环节是计算机软件的利用。在我国很多城市的地铁应用都采用了网络化的发展，很多轨道交通车辆都可以通过计算机来进行控制，打造成了网络化集成牵引控制一体化平台。

4.判别和控制车辆运行状态

DCU的基本功能是对车辆信息，包括车辆的运行方向、牵引、制动、惰行、紧急牵引、紧急制动、电机转向、洗车等信号进行收集和判断，进而判别车辆的运行状态和运行模式，并采取合适的控制策略。

4.1粘着利用控制

为了实现最大粘着利用率，地铁车辆电气牵引系统具备粘着利用控制功能。DCU采用相位移法实现粘着利用控制即当线路状况变化不定的情况下，采集电机转速、电机转矩等信息，并对这些信息进行分析和处理，再对给定电机转矩指令与DCU所生成的电机牵引/制动特性包络线，进行综合分析，得出电机转矩指令，并向电机控制系统发出相应的电机转矩，进而使地铁车辆能够以接近线路当天最大的粘着系数运行。

4.2载荷补偿

DCU具备载荷补偿功能，其原理是：列车通过空气弹簧压力装备产生载重电信号，载重信号的直接正比于列车的载客的重量。系统采集这一信号并进行计算后，将信息传送到牵引控制单元DCU，DCU再根据这一信号值自动调节补偿载重系数，进而很好的保障车辆具备既有的制动和牵引性能。具体计算方法为：

F=M×K×α

在上式中：M表示每次计算锁定列车启动速度大于零时的载荷信号；K表示载荷补偿系数；α表示牵引力/电制动力级位。

4.3中间直流电路控制

地铁车辆在制动和牵引工况下，因空转等原因，常常引起直流电路电压高于设定电压的情况，此时DCU控制斩波桥臂开通，进而通过制动电阻来消耗部分电能，使得中间直流电路电压处于正常数值范围内。

4.4系统故障记录

地铁车辆电气牵引系统具有完善的故障记录功能，这对系统运行状态的检查、故障的分析和诊断有着重要的意义。首先，向列车控制和诊断系统传输故障信息，形成故障日志，对系统故障的发生时间、工况、故障类别和表现等相关信息进行记录；其次，DCU可记录波形数据，在故障发生后，DCU会对相关电气数据进行采集和记录（主要包括直流环节电压、手柄极位、输出电流、环境温度等），并在专用软件上将这些数据和信息记录下来，通过图形的方式产生数据波形，供工作人员查看、分析和诊断。除此之外DCU插件面板上还设有LED指示灯与测试接口，通过电源指示灯方式来提示相关控制状态信息，以便工作人员检查和判断。

5.故障及检修

5.1故障分析

首先，电容器故障。铝电解电容器具有稳压作用，主要安装至逆变器内部。在电容工作基础上，铝电解电容器的氧化膜易受到损害。铝电解电容器具有一定自愈功能，但若破坏速度超过自愈速度，氧化膜则会遭到破坏，影响电容器正常运转；其次，电力半导体器件故障。强烈电浪涌是逆变器的工作环境，然而，电力半导体器件失效是造成逆变器发生故障的关键因素；再次，弱电半导体器件故障：逆变器中包含多个弱电半导体器件，一旦其中一个发生故障，将导致整个系统性能下降，影响系统正常运行。其中，静电损伤失效、机械过应力失效以及温度失效等均是导致弱电半导体器件发生故障的原因。

5.2故障检修

神经网络故障诊断法是牵引系统故障检修的主要方法，具体而言包括两方面内容。一方面，训练创建网络，即将牵引系统信息样本传输至未训练的网络中，采用ANN训练方式，对此数据、信息进行训练，在自学基础上，获得诊断网络效果。另一方面，网络诊断，在神经网络基础上，开展向前计算工作。以特征提取和预处理为依据，处理辅助系统中的样本信息和相关故障数据，并开展故障检测工作，达到检修目的。

6.结束语

综上所述，为确保地铁车辆牵引电气系统的正常运作，应正确认识其构成特点及常见故障，并运用相关检修技术准确找到原因并解决，确保地铁车辆的正常、安全地运行。