城市轨道交通列车编组形式

5 0 2 0 0 5 年第5期 2 0 0 5 年9 月1 0日 机车电传动 E L E C T R I C D R I V E F O R L O C O M O T I V E S 5 , 2 0 0 5 S e p . 1 0 , 2 0 0 5 城市轨道交通列车编组形式 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 南京2 1 0 0 3 1 ) 城 市 轨 道 车 辆 作者简介：唐明辉（1 9 7 9 - ） ， 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 ： U 2 3 9 . 5 ; U 2 6 4 . 1 ; U 2 9 2 . 3 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 - 1 2 8 X ( 2 0 0 5 ) 0 5 - 0 0 5 0 - 0 4 收修改稿日期：2 0 0 5 - 0 4 - 2 6 C o m p o s i t i o n o f m a s s t r a n s i t t r a i n a n d s e l e c t i o n o f t r a c t i o n m o t o r T A N G M i n g - h u i ， W A N G J i a n - q u a n ， X U G u o - l i a n g ( R e s e a r c h I n s t i t u t e o f M a s s T r a n s i t V e h i c l e , N a n j i n P u z h e n R o l l i n g S t o c k W o r k s , N a n j i n g , J i a n g s u 2 1 0 0 3 1 , C h i n a ) A b s t r a c t :A i m i n g a t t h e m a t c h i n g p r o b l e m b e t w e e n t h e w a y o f c o m p o s i t i o n o f m a s s t r a n s i t v e h i c l e s a n d s e l e c t i o n o f t r a c t i o n m o t o r , a n a l y s i s a n d c o n c l u s i o n i s m a d e t o t h r e e t y p i c a l w a y s o f c o m p o s i t i o n a n d t h e p a r a m e t e r s s e l e c t i o n o f m o t o r s . V e r i f i c a t i o n s a r e d o n e t a k i n g t h e N a n j i n g m e t r o l i n e N o . 1 . K e y w o r d s : m a s s t r a n s i t ； c o m p o s i t i o n ； t r a c t i o n m o t o r ； p a r a m e t e r 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 。 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 比较大， 故障运行能力和故障救援能力较差， 发生空转 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 5 1 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 P Z= ULIe f fc o s （UL为牵引电机线电压， c o s 为功率因数， 为电机效率， U L、 c o s 、 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P Z， 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P N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2 0 。 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。 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。 1 . 3 4 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 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 2 0 。 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I e f f。 由计算公式 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 3 表1 南京地铁1 号线载重信息 旅客载荷列车重量 ABCABC6 节车 A W 0 空车质量/ t0003 4 . 9 03 8 . 8 03 8 . 8 02 2 5 . 0 0 A W 1 总质量/ t 全为有座乘客 3 . 2 43 . 4 83 . 4 83 8 . 1 44 2 . 2 84 2 . 2 82 4 5 . 4 0 A W 2 总质量/ t ( 6 人/ m 2 ) 定员载荷 1 8 . 1 21 8 . 8 41 8 . 8 45 3 . 0 25 7 . 6 45 7 . 6 43 3 6 . 6 A W 3 总质量/ t ( 9 人/ m 2 ) 超载 2 4 . 0 02 4 . 9 02 4 . 9 05 8 . 9 06 3 . 7 06 3 . 7 03 7 2 . 6 0 机车电传动 2 0 0 5 年 5 2 （1 ） 列车牵引特性曲线计算 在A W 2 工况， 列车静态质量M 为3 3 6 . 6t ， 转动惯量 M r为2 2 . 5 t 。 6 辆车动态质量W = M Mr3 5 9 . 1 0 t 。 设定列 车速度3 6 k m / h 时为牵引恒转矩恒功率转换点， 加速度a 为1 . 0 m / s 2 ， 根据列车基本阻力公式 2 可得 F r6 . 4 M + 1 3 0 n + 0 . 1 4 M V + 0 . 0 4 6 + 0 . 0 0 6 5 ( N - 1 ) A V 2 8 . 0 0 8 k N 式中：M 为列车质量， t ；n 为列车总轴数；V 为列车速度， k m / h ；N 为车辆数；A 是前端面面积， m 2 （按1 0 . 2 m 2 计算） 。 列车牵引力F t= W a Fr= 3 6 7 . 1 1 k N 单动轴轮周牵引力F s= Ft/ 1 6 = 2 2 . 9 4 k N 图4 为南京地铁1 号线A W 2 工况 （网压1 5 0 0 1 8 0 0 V ） 下的列车牵引特性曲线。 （2 ） 列车制动特性曲线计算 A W 2 工况， 设定列车速度5 8k m / h 时为电制动恒力 矩恒功率转换点， 减速度为1 . 1 m / s 2 ， 则列车基本阻力 F r= 1 0 . 7 k N 。 列车需要发挥的制动力F e b= W a - Fr = 3 8 4 . 3 1 k N 。 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F e b s= Fe b/ 1 6 = 2 4 . 0 2 k N 。 由于运用部门提出了电制动计算粘着系数最大不 超过0 . 1 6 5 ， 因此需要做一个粘着校核。 单辆动车质量M m = 5 7 . 6 4 t ， 单轴在1 6 . 5 % 的计算粘 着系数限制下实际发挥的最大电制动力 M mg / 4 2 3 . 3 2k N 。 显然计算粘着系数限制下实际发挥的最 大电制动力2 3 . 3 2k N 要小于需要发挥的轮周电制动力 2 4 . 0 2 k N 。 制动力不足部分由气制动补充。 图5 为南京地 铁1 号线A W 2 工况 （网压1 5 0 0 V ） 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2 2 . 9 4 k N ， 电制动力为2 3 . 3 2 k N 。 传动比C 为 6 . 9 5 4 7 ； 传动效率为9 7 % ； 速度3 6k m / h 为牵引时恒转矩恒功率转换点； 车轮直径 （半磨耗） D = 8 0 5 m m 。 单动轴牵引功率P t2 2 9 . 4 k W 电机牵引功率P m= Pt / = 2 3 6 . 5 k W 电机转速n =（V C ） /（D ） = 1 6 5 0 r / m i n 电机转矩M t= Pm/ n = 1 3 7 0 N m 图6 为南京地铁1 号线A W 2 工况 （网压15 0 0 V ） 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 6 5 0 r / m i n 到 最大转速这么大的范围内， 逆变器始终得到充分的利 用 2 。 （4 ） 电制动时的电机转矩计算 速度5 8k m / h 为电制动时恒转矩恒功率转换点。 单轴轮周制动功率P e b = 3 7 5 . 7 k W 电机电制动功率P m= Pe b= 3 6 4 . 4 4 k W 电机转速n =（V C ） /（D ） = 2 6 7 0 r / m i n 电机转矩M e b = Pm/ = 1 3 0 4 N m 电机电制动转矩M e b要小于牵引转矩Mt， 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6 6 . 7 的动车比例有着直接的关系。 如果动车比 例只有5 0 ， 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4A W 2工况列车牵引特性曲线 图5A W 2工况列车制动特性曲线 图6牵引电机牵引特性曲线 5 3 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A W 2 工况 （网压15 0 0 V ） 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：A W 2 工况、 列车以3 8 . 0 4k m / 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I e f f为7 8 . 7 6 A 。 持续输出功率 P Z= ULIe f fc o s = 1 2 4 . 2 3 k W 式中：U L为牵引电机线电压。 A W 3 工况， 列车以3 7 . 6 7k m / 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I e f f为8 0 . 2 1 A 。 3 电机持续输出功率P Z= 1 2 6 . 5 2 k W 。 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 4 L C A 2 1 3 8 ， 额定功率为1 8 5k W ， 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1 6 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。 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，2 0 0 1 . 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，1 9 9 9 . 图7牵引电机制动特性曲线 4 结论 （1 ） 在分析不同载荷下列车制动过程及其能流和 地面制动电阻负载特性的基础上， 系统地给出了地面 制动电阻的技术参数和计算方法。 （2 ） 从广州地铁4 号线专线段的3 个典型牵引变电 制动时制动电阻的工作时间t 11 8 s ， 制动电阻两次工 作的最短时间间隔为t 1t21 4 0 s ， 因此车辆段制动电 阻D C 0 . 1 2 9 。 图6 分析了A W 0 载荷的制动电功率曲线， 可被利用的瞬时最大电功率为1 8 8 4 k W ， 1 8 s 的平均电 功率为1 4 6 3 k W ， 制动电流最大值为1 0 4 7 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电阻的 技术参数。 参考文献： 1 南方四方机车车辆股份有限公司. 广州市轨道交通四、五号 线直线电机车辆采购投标文件Z .