摘　要： 本文簡要的探討了地鐵車輛交流傳動系統的組成、控制原理、牽引和電制動特性曲線，對地鐵車輛的系統電路進行了簡要的描述，分析了直流傳動和交流傳動的優(yōu)缺點。 關鍵字： 地鐵車輛； 交流傳動； VVVF逆變器； 電氣系統 我國早期的地鐵列車多為國產直流傳動電動車組，采用凸輪調阻或斬波調阻的牽引控制方式，牽引電機為直流電機。而近幾年建設的地鐵項目均采用了進口交流傳動電動車組，牽引控制方式為VVVF逆變器控制，牽引電機為異步電機。與直流傳動系統相比，交流傳動系統具有恒功速度范圍寬、功率因數和粘著系數高、牽引電機結構簡單和維修方便等優(yōu)勢。 1 交流傳動系統的組成 地鐵車輛與鐵路機車在結構、系統集成上大不相同，機車是完整的牽引系統，與后面連接的載客（貨）車廂相對獨立；而地鐵車輛則是編列成組，雖然分為動車和拖車兩部分，但都是旅客車廂，動力系統均被分散安裝于各車箱的地板下（動力分散）。 交流傳動系統是以調壓調頻VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）逆變器為核心的電傳動系統。主要由高速斷路器、濾波電抗器、VVVF逆變器和異步電動機等裝置構成。地鐵車輛交流傳動系統的組成因生產廠家的不同及用戶要求的不同而不相同，這里以六節(jié)編組的四動兩拖（Tc+M+M+M+M+Tc）地鐵車輛為例，簡要探討交流傳動系統的組成。 下圖為地鐵交通系統中的牽引供電系統簡要示意圖，電能經牽引變電站濾波變壓為1500V穩(wěn)定的直流電后經接觸網、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?、頻率可調的交流電提供給異步電動機產生動力。 下圖為一個“兩動一拖（2M1T）”單元主電路實例。電網經受電弓后分別經兩臺動車（B車和C車）的高速開關給逆變器供電，而在拖車（A車）上的輔助逆變器的供電是經過隔離二極管的。 下圖為1C4M單元主傳動系統原理電路圖，1C4M是指一臺VVVF逆變器給同一輛車四臺相互并聯的異步電動機供電的方式，也叫“車控”方式。其中濾波電抗器和濾波電容器構成線路濾波器。VVVF逆變器包含斬波器，斬波器由T7、T8構成，斬波器主要功能用于電阻制動，用它來調節(jié)制動電流大小，其另一個功能為過電壓保護。 [b]2 交流傳動系統的控制原理 [/b] VVVF控制的基本原理為通過改變VVVF逆變器各IGBT元件的開通時間來改變負載的電壓，通過改變VVVF逆變器各IGBT元件開通的周期來改變輸出的頻率。 異步電動機的轉矩公式為：T=K1·φ·Ir=K2·（V/fi） 2·fs 這里T為轉矩，φ為磁通，Ir為轉子電流，V為電機電壓，fi為電源頻率，fs為轉差頻率，K1，K2為比例系數。 由上式可以看出：轉矩T與電機電壓和電源頻率之比（V/fi）的平方成正比、與轉差頻率fs成正比。同時還說明，當轉差頻率fs為負值時，轉矩T為負值，產生了制動力。 因此：在采用VVVF逆變器的電動車中，只要控制壓頻比（V/fi）和轉差頻率（fs）即可自由的控制牽引力和再生制動力。即只需控制3個因素：逆變器輸出電壓V，逆變頻率fi，轉差頻率fs。 [b]3 交流傳動系統牽引和電制動特性 [/b] 3.1牽引工況 牽引工況時異步電機作為電動機將逆變器提供的電能轉化為動能，轉差頻率（fs）大于零。車輛由靜止狀態(tài)開始起動、加速的控制大致可經歷三個模式：恒轉矩控制、恒功率控制、自然特性區(qū)。 模式一（恒轉矩控制） 恒轉矩控制在控制轉差頻率的同時，慢慢提高逆變頻率fi，使其值與速度相符合。當速度逐漸的增加，異步電機轉子的實際旋轉頻率fm隨之增加。若要保持轉差頻率fs恒定，則要增加逆變頻率fi。 保持壓頻比（V/fi）恒定，則異步電機的磁通φ恒定，保持轉差頻率fs恒定，則異步電機轉子電流Ir恒定，結果力矩恒定。 保持壓頻比（V/fi）恒定，則異步電機電壓V隨逆變頻率fi成正比上升，電壓控制為 PWM控制。 當逆變器輸出電壓達到上限時，轉為恒功率控制。 例如：1500V的網壓條件下，根據公式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達到上限后，其保持恒定，控制轉差頻率fs隨速度增大而增大以控制電機電流Ir恒定。由于電壓電流都不變，所以是恒功率控制。 轉差頻率 fs增大，則逆變頻率fi隨之增大，則力矩T下降，T∝1／fi。 恒功率運行到轉差頻率fs上升到最大值時，轉到自然特性區(qū)。 如果逆變器容量有較大裕量，也可以在電機電壓達到最大值后，在一段時間內提高轉差頻率使它隨著速度（頻率）較快增大，從而增大電流，以延長恒力矩運行時間，直到電流達到逆變器或電機最大允許值，然后再進入恒功率運行。 模式三（自然特性區(qū)） 逆變器電壓V保持恒定最大值，轉差頻率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。 電機電流Ir∝1／fi下降，力矩T下降，T∝1／fi2。 3.2 制動工況 制動工況時異步電機作為發(fā)電機將車輛動能轉化為電能，轉差頻率（fs）小于零。車輛由運動狀態(tài)逐漸減速直至停止的控制大致也可經歷三個模式：恒轉差率控制、恒轉矩1（恒電壓）、恒轉矩2（恒磁通）。 制動工況時，車輛以再生制動為主，產生的電能直接反饋入電網，由相鄰運行的車輛吸收。當電網沒有能力或不能全部吸收再生制動的能量時，再生制動轉為電阻制動，消耗在制動電阻上，再生制動與電阻制動的轉換由控制單元根據線路濾波電容器兩端的電壓控制制動斬波器自動完成的，當濾波電容器兩端的電壓超過1800V時，電阻制動完全取代再生制動。 模式四（恒壓、恒轉差率） 在高速時開始制動，此時逆變器電壓V保持恒定最大值，轉差頻率fs保持恒定最大值。 隨著車輛速度的下升減小逆變頻率fi。 電機電流Ir與逆變頻率成反比增加，制動力與逆變頻率的平方成反比增加。 電機電流Ir增大到恒轉矩相符合的值，進入恒轉矩控制，但當電機電流Ir增大到逆變器的最大允許值時，則要從電機電流Ir增大到該最大值時刻起保持電機電流恒定，在一個小區(qū)段內用控制轉差頻率的方法進行恒流控制。在這種情況下，制動力將隨逆變頻率成反比增加。 模式五（恒轉矩1，恒電壓） 逆變器電壓V保持恒定最大值，控制轉差頻率fs與逆變頻率fi的平方成反比的同時，隨著速度的下升減小逆變頻率fi，則轉差頻率fs值變小直至最小值。 電機電流Ir與逆變器頻率成正比減小，制動力保持恒定。 模式六（恒轉矩2，恒磁通） 轉差頻率fs保持恒定最小值，此時電機電流Ir亦為恒定。 隨著車輛速度的下降減小逆變頻率fi。 采用PWM控制電機電壓V減小，即保持（V/fi）恒定，則磁通恒定，制動力恒定。 在六個模式中電機電壓V、轉差頻率fs、電機電流Ir、牽引／制動力與速度v的對應關系曲線如下圖所示： 3.3 牽引／制動力相對于速度的特性曲線 因為地鐵車輛的特性曲線因為車型的不同而各不相同，此圖僅供參考。由圖中可以看出，當地鐵車輛處于牽引工況時，由起動加速到37.5km/h期間，地鐵車輛處于恒轉矩控制區(qū)；由37.5km/h加速到75km/h期間，地鐵車輛處于恒功率控制區(qū)；由75km/h加速到80km/h期間，地鐵車輛處于自然特性區(qū)；當地鐵車輛處于制動工況時，由高速減速到50km/h期間，地鐵車輛處于恒壓、恒轉差率區(qū)；由50km/h減速到停止期間，地鐵車輛理論上處于恒轉矩控制區(qū)，但在實際運行中，10km/h以下的某一點再生制動力會迅速下降，所以當地鐵車輛減速至10km/h以下后，為保持恒制動力應補充空氣制動。 4 結 語 與直流傳動系統相比，交流傳動系統采用異步電機和VVVF無接點控制，省去了直流傳動所需的正反向轉換開關和牽引制動轉換開關，實現了牽引系統的小型化、輕量化，且維修作業(yè)量顯著減少；電能再生率達35％左右，節(jié)電效果顯著。因此，VVVF交流傳動系統已成為地鐵車輛發(fā)展的趨勢。 本文僅對地鐵車輛的交流傳動系統進行了初步的探討，我國地鐵車輛經過幾十年的實踐，隨著VVVF交流傳動系統技術的不斷成熟完善，今后新開發(fā)的地鐵車輛電傳動系統應以VVVF交流傳動系統技術為基礎。 參考文獻： [1]長春客車廠老年科技工作者協會編.城軌車輛技術與應用.中國鐵道出版社, 2005.10. [2]高爽編著.地鐵車輛構造與維修管理.中國鐵道出版社, 2003.12. [3]榮智林.TGN10型地鐵車輛用DC1500V IGBT牽引逆變器[J].機車電傳動,2004（4）.　　 [4]株洲時代集團公司.北京地鐵電動客車牽引系統技術說明. [5]于清松,文龍賢.天津輕軌電氣系統 .長客科技.　　　 [6]胡繼勝 ,苗彥英.輕軌交流傳動系統技術方案及主要參數的選擇.大連鐵道學院學報.2003（1）.