【內(nèi)容來源】《機車電傳動》2002年第3期，P44~47：《北京復八線地鐵車輛電傳動系統(tǒng)》

前言

隨著電力電子技術、計算機技術和控制技術的發(fā)展，采用交流傳動系統(tǒng)已經(jīng)成為今后軌道交通車輛發(fā)展的趨勢。復八線（現(xiàn)1號線的一部分）用DKZ4型是引進國外關鍵設備，并由國內(nèi)工廠自主設計和制造的我國第一批采用交流傳動系統(tǒng)的軌道交通車輛，它在1號線上運行了二十多年，滿足了北京地鐵的運營需要。

車輛參數(shù)及主要性能

DKZ4型為3M3T形式的6節(jié)編組（預留擴編為8節(jié)編組的條件），總長 19 m，寬度（最寬處）為 2.8 m，車頂距軌面高度 3.51 m。列車采用 DC 750?V?第三軌供電制式（電壓變化范圍為?500?~?1000?V），最高速度 80 km/h，平均技術速度 50 km/h，平均旅行速度 33 km/h（停站時間以 30 s 計），其牽引和制動的特性曲線見下圖。

主電路

DKZ4型的電傳動系統(tǒng)為交流傳動系統(tǒng)，自東洋電機制造株式會社引進，其原理圖如下所示。

從圖中可以看出，交流傳動系統(tǒng)相比于直流傳動系統(tǒng)，無需正/反向開關和牽引制動轉換開關等元件，簡化了主電路的排布。4臺牽引電機永久并聯(lián)在逆變器的輸出端，整套回路除了電源側的高速斷路器和電空接觸器之外，沒有其他的主電路節(jié)點。主電路的設備組成包括：

1. 受流器 SG：位于動車兩側，每側2臺，額定電壓 DC 750 V，額定電流 600 A，與第三軌的接觸壓力為 120~180 N。

2. 主隔離開關箱 MS：主電路和供電電源的隔離開關。

3. 高速斷路器箱：內(nèi)含高速斷路器 HB、電空接觸器 LB、充電接觸器 CGK 、過電壓放電電阻 OVR 和充放電電阻 CGR\DCGR，其中 HB?作為核心部件，采用波紋管式風缸，不加油脂，并且可頻繁操作，具有自身過電流脫扣和外部控制脫扣兩種功能，其各項技術參數(shù)為：額定電壓 DC 750 V，額定電流 800 A，斷路能力（L 不大于 20 mH，U = 900 V）不小于 10 kA，總分斷時間（穩(wěn)定電流 1000 A，L = 1?mH，U = 900 V）為 20.5 ms，控制空氣壓力為 0.49 MPa。

4. 主熔斷器箱 MF：與 HB 相配合，用于主電路的短路保護，其額定電壓為 DC?750 V，額定電流為 500 A × 3。

5. 濾波電抗器 FL：采用F級環(huán)氧樹脂絕緣，自然風冷卻，由于是沒有鐵芯的鋁線圈結構，因而減輕了裝置的重量。FL 的電感量為 2.5 mH，額定電流為 600 A，裝置上部有一塊厚約 9 mm 的鋼板，可以有效屏蔽線圈電感產(chǎn)生的磁通，避免對于佩戴心臟起搏器的乘客造成危險。

6. VVVF 主逆變器箱 ATR-M4180-RG644A（RG644-A-M）：內(nèi)含主電路中的3組GTO單元、電壓傳感器 DCPT1/2、電感傳感器 CT-U/V/W/L、濾波電容器 FC（電容量 24600 μF）以及過電壓抑制晶閘管 OVCRF。主逆變器為電壓源 PWM 類型的 GTO 逆變器，配以非氟冷媒熱管的走行風冷，采用多個微處理器進行測量和控制，具有較為完善的保護功能，其額定工作點為 4500V · 4000A，輸出電壓 0~550 V，輸出頻率 0~150 Hz，牽引時的最大輸出容量為 1200 kVA。

7. 牽引電機 M1~M4（TDK-6175-A）：為鼠籠式三相異步電動機，絕緣等級H級，自通風冷卻，其主要參數(shù)為：額定功率 180kW，額定電壓 550 V，額定電流 240 A，額定頻率 77 Hz，額定轉速 2255 r/min，額定效率 92%，額定功率因素 85%。每臺電機均裝有兩種信號的脈沖速度傳感器，其中一種用于測速，另一種用于測量旋轉方向。

8. 接地開關箱：裝有主電路接地開關 GS1、用于檢測主電流值的分流器 SH 和其他各種低壓電路接地開關。

控制系統(tǒng)

DKZ4型的VVVF控制系統(tǒng)基本框圖如下所示，其中的大部分功能依靠由3個?CPU?構成多微處理器結構實現(xiàn)，不同的 CPU 各有分工。

• 核心 CPU：產(chǎn)生 GTO 元件的門極驅動脈沖；讀取電流、電壓等A/D轉換數(shù)據(jù)；檢測過電流、過電壓信號并輸出保護動作。

• 系統(tǒng) CPU：根據(jù)牽引指令、制動指令、車載載荷信號、濾波電容器電壓等條件產(chǎn)生電流指令和V/f模式指令，并啟動控制邏輯和監(jiān)控系統(tǒng)接口的處理環(huán)節(jié)。

• 速度檢測 CPU：處理4個驅動軸的速度檢測、空轉和滑行檢測等信號。

整個控制回路中，處理A/D轉換、光電轉換等外部信號的傳輸之外的大部分處理程序（包括 PWM 計算）都依靠軟件實現(xiàn)，使得控制部分實現(xiàn)了小型化、輕量化，提高了系統(tǒng)的可靠性。

控制系統(tǒng)的大致工作流程為：

1. 牽引電機轉速、逆變器輸出電流、濾波電容器電壓、車輛載荷等信號送入控制系統(tǒng)后，系統(tǒng)按照列車指令的要求進行綜合計算，生成變壓指令和頻率指令。

2. 對變壓指令和頻率指令進行 PWM 運算，生成各個觸發(fā)脈沖，并且經(jīng)過邏輯控制和光電轉換后送入各GTO模塊。

3. GTO元件接收到被放大的觸發(fā)脈沖后，使逆變器輸出相應電壓和頻率的交流電，實現(xiàn)牽引電機的速度控制。

以下介紹DKZ4型的幾種典型控制情形。

坡道啟動控制

列車在坡道上啟動時，在制動緩解到開始前進的這段時間內(nèi)，存在著某種程度的后退現(xiàn)象，如下圖所示。此時需要控制逆變器的輸出頻率，使其隨著列車后退速度的增加而降低，同時還要控制轉差頻率為定值，保證列車在后退時也能獲得向前的牽引力。

空轉和滑行的再粘著控制

動車4臺牽引電機的轉速信號傳送到電子控制裝置，由速度檢測 CPU 計算每個速度的變化率，如果其中任何一個速度變化率信號超過設定值 DH（牽引時為 5.5 Hz/s，制動時為 7.5 Hz/s）并持續(xù) 0.1 s，電子控制裝置輸出空轉/滑行信號 SLD1，被控制 CPU 接收后，轉差頻率控制指令以一定的斜率下降，使牽引電機的輸出轉矩減小，以便恢復再粘著，如下圖所示。

當空轉或滑行軸恢復再粘著后，速度變化率信號低于 DH，經(jīng)過 0.1 s 后，SLD1 信號變?yōu)?OFF，同向電流設定值則以 100 A/s 的速率緩慢上升。如果粘著條件惡劣，實施再粘著反而會使空轉和滑行加劇時，在某一軸的速度變化率超過 10 Hz/s 且持續(xù)超過 1 s 的前提下，控制裝置發(fā)出指令，將主電路的高速斷路器斷開（如果是處于制動工況，還將實施空氣制動）。粘著恢復后，如果主控制器的級位不變，則主電路可以自動恢復到牽引或電制動的狀態(tài)。

電流軟啟動控制

在啟動和再生制動開始時，為了使轉矩的變化趨于平滑，需要進行電流軟啟動控制；變換緩位以及進行空轉/滑行的再粘著控制也是這種類型。在牽引/制動工況轉為零位時，主電流首先迅速扼流，然后才斷開主電路，如下圖所示。

脈沖模式轉換

逆變器輸出頻率較低時，為減少牽引電機的轉矩脈動和電磁噪聲，改善低頻區(qū)段的工作特性，應當盡可能提高 GTO 元件的斬波頻率，此時受到 GTO 元件允許最高斬波頻率的限制，必須轉換脈沖模式，降低載波頻率比，而載波頻率比連續(xù)降低，則又勢必會使逆變器輸出電壓的波形和相位都發(fā)生變化，難以保證三相輸出之間的對稱關系，造成牽引電機工作的不平穩(wěn)。

有鑒于此，對于DKZ4型，采取載波頻率比隨著逆變器輸出頻率的升高而分階段降低的控制方法。在確定載波頻率比時，要考慮 GTO 元件的開關速度、開關損耗、GTO 關斷時的輸出峰值電流、抑制偶次諧波等因素。載波頻率比的確定及轉換如下圖所示。

結語

作為北京地鐵 VVVF 車輛的開山之作，DKZ4 在表現(xiàn)出優(yōu)異性能的同時，也為后續(xù)的國產(chǎn)化牽引系統(tǒng)研究提供了可靠參照。以上介紹的是 DKZ4 在 ATO 改造前的控制系統(tǒng)，至于 ATO 改造后的情況，目前能掌握到的信息并不是很多，還有許多要點需要進一步展開研究。