城市轨道交通列车编组形式与牵引电机的选择.docx

图 1 上海 1 号线延长线列车编组形式tc 带司机室的拖车；mp 带受电弓的动车；m 动车市轨 道车 辆与牵引电机的选择唐明辉，王健全，徐国梁(南京浦镇车辆厂 城市轨道车辆研究所，江苏 南京 210031)作者简介：唐明辉（1979-），男，现主要从事城市轨道 车辆的设计工作。摘要：针对城市轨道交通列车编组形式和牵引电机之间的匹配问题，对3种典型编组形式及电机的参数选择做了分析和总结，并以南京地铁1号线为例进行了验证。关键词： 城市轨道交通；编组形式；牵引电机；参数中图分类号：u239.5;u264.1;u292.31 文献标识码：a文章编号：1000-128x(2005)05-0050-04composition of mass transit train and selection of traction motortang ming-hui ，wang jian-quan，xu guo-liang(researchinstituteofmasstransitvehicle,nanjinpuzhenrollingstockworks,nanjing,jiangsu210031,china)abstract:aimingatthematchingproblembetweenthewayofcompositionofmasstransitvehiclesandselectionoftractionmotor,analysisandconclusionismadetothreetypicalwaysofcompositionandtheparametersselectionofmotors.verificationsaredonetaking the nanjing metro line no. 1.key words: mass transit；composition；tractionmotor；parameter长编组的优点是运量大，尤其适合像上海这样人口高度集中的大都市。另外长编组动车比例高，实际粘 着利用系数相对较低，发生滑行和空转的几率大大减 小，故障运行和救援能力强，且电制动能力强，能有效 地减少气制动的次数和损耗。但由于动车比例高，采购 和维护费用都会相应增加。1.2 短编组以4 辆车编组形式为主，参见图2 。 短编组的优点是允许使用较短的站台，从而减少了土建工程的工作量。很多中小城市都比较青睐这种 方案，原因是采用该方案后土建工程和车辆的投资都 很经济，同时也能满足中小城市的客流量需求。但是2 动2 拖编组形式的列车动车比例较低，列车气制动损耗0引言目前，城市交通日益紧张，出行难已经成为城市的一大难题。很多城市都在筹建自己的地铁、轻轨项目，有些城市已经拥有了一定规模的城市轨道交通。城市 轨道交通列车编组形式和牵引电机的匹配如何最佳？ 下面就这个问题作一个初步探讨。1编组形式城市轨道交通列车编组有3 种典型形式：长编组，短编组和4动2 拖。1.1长编组以8 辆车编组形式为主，参见图1 。收修改稿日期：2005-04-26比较大，故障运行能力和故障救援能力较差，发生空转 50 图2 天津1 号线编组形式tc 带司机室的拖车；m 动车图3 南京1 号线编组形式a 带司机室的拖车；b 带受电弓的动车；c 动车第5期唐明辉，王健全，徐国梁：城市轨道交通列车编组形式与牵引电机的选择或滑行也较为频繁，尤其是在线路条件较为恶劣的情况下。为了保证2 动2 拖编组形式列车的高粘着利用系 数，提高列车防滑防空转能力是一个途径，改变列车牵 引系统的控制方法，譬如改整车控制为转向架架控也 是提高粘着利用的一种办法。pz=ulieffcos（ul为牵引电机线电压，3cos为功率因数，为电机效率，ul、cos、可近似认为是常数） 得知，确定了牵引电机相电流就确定了牵 引电机的持续输出功率，进而可以基本确定电机额定功率。只要保证电机额定功率p n 大于或等于电机持续输出功率pz ，电机发热就没有问题，不需要进行发热校验1 。 确定了电机额定功率和颠覆转矩就可以确定电机其他重要参数。 通常动车比例高，需要的电机功率和颠覆转矩就小；动车比例低，需要的电机功率和颠覆转矩就大。显 然，如果是全动车的话，电机功率和颠覆转矩就较小， 电机牵引转矩和电制动转矩也较小，粘着利用系数也 小，出现滑行和空转的几率很低，常用制动可以不使用 气制动。但是动车比例高，车辆的采购和维护费用就比 较高。如果动车比例很低，表面上车辆采购和维护费用 降低，但是如果要达到一个比较高的动力性能指标则 需要增加电机功率，对电机颠覆转矩的要求会比较高， 电机的牵引转矩和电制动转矩会增大，粘着利用系数 增大，出现滑行和空转的几率大大增加，粘着利用大打 折扣，电机不能时刻有效地发挥功率。此种情况下动力 性能很大程度上不是受电机功率的影响，而是受可利 用粘着的影响。在确定了电机的持续输出功率、颠覆转 矩后，再综合粘着、温升裕量、牵引供应商所能提供的 成熟产品这几个因素，最终确定采用的电机额定功率、 颠覆转矩。选择牵引电机有几个必要条件：（1） 此电机属于有业绩的成熟产品，不会给用户带 来任何的风险；（2）电机额定功率pn大于或等于电机持续输出功率p z ，但是通常需要留有一定的温升裕量；（3 ）电机功率的发挥要充分考虑粘着限制条件；（4 ）电机的颠覆转矩值通常至少比电机牵引转矩 或制动转矩的最大值大20。1.34 动 2 拖2动1 拖组成一个单元，2 个完全对称布置的单元构 成了整列车6 辆编组的形式，见图3 。该编组形式的优点是运量较大，动力性能较好，故障运行和故障救援能力也比较好，能够适应线路的需 要。另外电制动能满足常用制动的需要，大大减少了气 制动的次数和损耗。动车比例高于短编组，但是低于长 编组，采购费用和维护费用介于短编组和长编组之间。各种编组形式均有优缺点，运用部门应对自己城 市的客流量、经济水平和预定的运营模式等各个方面 进行综合考虑，最后决定采购最适合自己的列车编组 方式。笔者认为单元式对称编组形式有着车种相对较少、 电路相对简单、网络拓扑简洁的优点，有利于设计、组 织生产和维护。2牵引电机重要参数的选择原则牵引电机重要参数大致为额定功率、额定电压、额定电流、额定转矩、额定转速、颠覆转矩等等。牵引电机的额定功率、颠覆转矩与编组形式的联系最为紧密， 对于运用部门和车辆制造商来说也是最为关键。下面 就这2 个参数的选择进行详细阐述。根据列车的编组形 式和需要的动力性能，就可以计算出恒转矩恒功率转 换点时的整列车及单个动车的3实例分析以南京地铁1 号线编组形式（6 辆车编组方式，4 动2 拖）为例，参数如表1 所示。表1 南京地铁1号线载重信息牵引力和电制动力，甚至单个电机的牵引转矩、电制动转矩。 一般来说电机牵引转矩、电制 动转矩最大值要比颠覆转矩小20 。由此可确定电机颠覆转 矩。综合线路条件作列车往返 一次牵引计算，可得牵引电机相电流有效值ieff。由计算公式旅客载荷列车重量abcabc6 节车aw0 空车质量 /t aw1 总质量/t 全为有座乘客 aw2 总质量/t (6 人/m2)定员载荷aw3 总质量/t (9 人/m2)超载00034.9038.8038.80225.003.243.483.4838.1442.2842.28245.4018.1218.8418.8453.0257.6457.64336.624.0024.9024.9058.9063.7063.70372.60 51 机车电传动2005年（1）列车牵引特性曲线计算在aw2 工况，列车静态质量m 为336.6 t，转动惯量 mr为22.5 t。6辆车动态质量w=mmr359.10 t。设定列 车速度36 km/h时为牵引恒转矩恒功率转换点，加速度a 为1.0 m/s2，根据列车基本阻力公式2可得着系数限制下实际发挥的最大电制动力 mm g/4 23.32 kn。显然计算粘着系数限制下实际发挥的最大电制动力23.32 kn 要小于需要发挥的轮周电制动力24.02 kn。制动力不足部分由气制动补充。图5为南京地 铁1 号线aw2 工况（网压1500v）列车制动特性曲线。（3 ）牵引时的电机转矩计算 单轴牵引力为22.94 kn，电制动力为23.32 kn。 传动比c为 6.9547；传动效率为97%；速度36 km/h 为牵引时恒转矩恒功率转换点； 车轮直径（半磨耗）d= 805 mm。 单动轴牵引功率pt229.4 kw电机牵引功率pm= pt /= 236.5 kw电机转速n=（vc）/（d）=1 650 r/min电机转矩mt= pm/n=1 370 nm图6为南京地铁1号线aw2工况（网压1 500 v）牵引电机牵引特性曲线。fr6.4m+130n+0.14mv+0.046+0.0065(n-1)av 8.008kn2式中：m为列车质量，t；n为列车总轴数；v为列车速度，km/h；n为车辆数；a是前端面面积，m（2 按10.2 m2计算）。 列车牵引力ft= wafr= 367.11 kn 单动轴轮周牵引力fs=ft/16 = 22.94 kn 图4为南京地铁1号线aw2工况（网压1 5001 800 v）下的列车牵引特性曲线。图 4aw2 工况列车牵引特性曲线（2 ）列车制动特性曲线计算aw2 工况，设定列车速度58 km/h 时为电制动恒力 矩恒功率转换点，减速度为1.1m/s2，则列车基本阻力 fr=10.7 kn。列车需要发挥的制动力feb= wa -fr = 384.31 kn。如果列车所需制动力完全由电制动力提供，那么 单轴需要发挥的轮周电制动力febs=feb/16 = 24.02 kn。由于运用部门提出了电制动计算粘着系数最大不 超过0.165，因此需要做一个粘着校核。单辆动车质量mm = 57.64 t，单轴在16.5%的计算粘图 6牵引电机牵引特性曲线从图6可以得出：逆变器电流除了受电机功率因数的影响，较为恒定；电压随着频率上升，到达额定功率 点后，电压转为恒定电压，电压和电流的最大值同时出 现。逆变器的容量容易确定。从额定转速1 650 r/min 到 最大转速这么大的范围内，逆变器始终得到充分的利2 用 。（4 ）电制动时的电机转矩计算速度58 km/h 为电制动时恒转矩恒功率转换点。 单轴轮周制动功率peb =375.7 kw 电机电制动功率pm= peb= 364.44 kw 电机转速n=（vc）/（d）=2 670 r/min 电机转矩meb = pm/=1 304 nm电机电制动转矩m eb 要小于牵引转矩m t ，说明电机电制动转矩未能发挥到最大值。虽然电制动转矩未能 完全发挥，但是电制动已经基本能满足常用制动的制 动力的需要，减少了气制动使用的次数和损耗。这个优 势和它66.7的动车比例有着直接的关系。如果动车比例只有50 ，电机电制动转矩的发挥受设定的计算粘 着系数的影响（为了防止列车有较多的滑行现象出现）图 5aw2 工况列车制动特性曲线 52 第5期唐明辉，王健全，徐国梁：城市轨道交通列车编组形式与牵引电机的选择更为明显。一方面由于动车比例低，单个电机容量比较大，电机的利用很不充分；另一方面实际发挥的电制动 力与需要的制动力之间有较大的缺口，势必要增加气 制动的次数和损耗。图7为南京地铁1号线aw2工况（网压1 500 v）牵引 电机制动特性曲线。电机持续输出功率pz= 126.52 kw。可见，牵引电机额定功率要大于持续输出功率，而且需要留有一定的裕量。综合考虑粘着限制和所需要的 电机转矩最大值，可得出电机的颠覆转矩。选择的牵引 电机的颠覆转矩值要大于或等于计算出来的颠覆转矩 值。此电机必须是有业绩的成熟产品，不会给运用部门 带来任何的风险。综合了以上因素，车辆制造商最终选 择了阿尔斯通公司有一定运营实践经验的电机 4lca2138，额定功率为185 kw，要远大于由牵引计算得 知的电机持续输出功率。此电机无需做热校核。4结论南京地铁1 号线在适应客流量的基础上，采用了6辆车编组，4 动2 拖。整列车共16 个动轴，电机额定功率较小，粘着利用系数也比较小。轮轴发生空转、滑行的 几率较低。电制动时受运用部门设定的计算粘着系数 的限制，未能发挥电机的全额电制动力。但是基本上满 足了制动的需要，大大减少了气制动的次数和损耗，同 时再生制动也有效地节约了能源。应该说南京地铁1 号 线的编组形式和牵引电机的匹配是比较好的。图 7牵引电机制动特性曲线（5 ）牵引电机持续输出功率计算由牵引计算获知：aw2工况、列车以38.04 km/h 的 平均速度由奥体中心至迈皋桥往返一次，电机相电流 有效值ieff为78.76 a。持续输出功率参考文献：1 顾绳谷. 电机及拖动基础m . 北京：机械工业出版社，2001.3 黄济荣. 电力牵引交流传动与控制m . 北京：机械工业出 版社，1999.pz=ulieffcos = 124.23 kw3式中：u l 为牵引电机线电压。aw3工况，列车以37.67 km/h的平均速度由奥体中心至迈皋桥往返一次，电机相电流有效值ieff为80.21 a。（上接第46页）制动时制动电阻的工作时间t1 18 s，制动电阻两次工 作的最短时间间隔为t1t2140 s，因此车辆段制动电 阻dc 0.129。图6 分析了aw0载荷的制动电功率曲线， 可被利用的瞬时最大电功率为1 884 kw，18 s的平均电 功率为1 463 kw，制动电流最大值为1 047 a。根据式（7）- 式（9）可以计算出车辆段牵引所制动电阻的技术 参数（详见表3 ）。负载变化周期如图7 所示。所地面制动电阻的设计方案可知，在不同的线路区段，随着列车运行方式和线路特征的不同，制动电阻的技 术参数相差较大，如新造站变电所和新造车辆段变电 所。因此，地面制动电阻的设计应根据各地面制动电阻 在其工作的有效区段内列车的制动特性和行车要求的 不同分别进行计算，这样才能合理地确定制动