[摘 要]近30年来城市轨道交通车辆电气牵引技术取得了迅速发展，主要体现在新型电力电子器件的开发和性能的提高。引发了牵引电气传动方式根本性改变。本文主要介绍了某路线地铁车辆的牵引控制系统及控制功能。
[关键词]地铁车辆；交流传动；电气牵引
一、牵引系统主电路及主要设备
牵引系统主要设备包括：受电弓（PAN）；避雷器（LP）；高压箱（HV，含高速断路器HSCB）；线路滤波器（L）；制动电阻（BR）；牵引逆变器（VVVF）；牵引电动机（MOTOR）等。下面就几个核心的关键稍作介绍。
（1） 高压箱：高压箱由主隔离开关、高速断路器、充电单元等组成。主隔离开关MS用于主电路的隔离以及通过其机械联锁开关（DS）将支撑电容器C的快速放电电路接通，以保证安全。高速断路器HSCB用于主电路的故障保护，当主电路出现严重故障时进行快速保护。
（2）滤波电抗器箱：线路电抗器与支撑电容器构成线路滤波器，使主电路直流侧支撑电容器电压保持稳定并将电压波动限制在允许范围内，同时，吸收直流输入端的谐波电压，抑制逆变器对输入电源网的干扰，在逆变器发生短路时抑制短路电流并满足逆变器开关元件换相的要求等。滤波电抗器为空心式电抗器，采用走行风冷却方式。线路电抗器电感值为L=5 mH。
（3）制动电阻箱（BR）：车辆在牵引或制动工况时，通过触发导通斩波模块，能抑制因空转或其他原因引起的瞬时过电压，再生制动时，能够吸收再生制动能量，确保再生制动的稳定进行。
制动电阻采用强迫风冷。当列车进站时，关闭冷却风机，提高候车乘客的舒适度，同时节省能源。
（4）牵引逆变器箱（VVVF）：逆变器单元采用IGBT元件，为两电平逆变电路。主电路由2 个逆变器单元（INVMK1、INVMK2）组成，每个逆变器单元集成三相逆变器的三相桥臂（逆变单元）及制动相桥臂（制动斩波单元），驱动2台异步牵引电动机。2个逆变器单元集成在一个VVVF逆变器箱中，驱动4台牵引电动机。
逆变器单元采用抽屉式结构，冷却采用热管散热器走行风冷却方式。每个逆变单元都集成了支撑电容，电容值为4.3 mF。
（5）牵引电机：牵引电动机为4 极自通风三相鼠笼式异步牵引电动机。该牵引电动机是专为地铁车辆设计，满足IEC 60349-2的要求。牵引电动机采用全悬挂安装在转向架上，通过联轴节进行传动，由VVVF牵引逆变器进行变频变压供电。
二、牵引控制单元（DCU）
牵引控制单元（DCU）放置于VVVF逆变器箱内，采用无边插头6U标准插箱，从各插件的前面板输入/输出信号，DCU与IGBT变流器模块之间通过屏蔽电缆传输触发脉冲和反馈信号，实现对IGBT变流器模块控制的目的。DCU 内部采用32位的高速微处理器CPU及32位的数字信号处理器DSP芯片。DCU是电传动系统核心控制部分，接受列车网络或硬连线指令信号，控制主电路中的高速断路器（HSCB）和各接触器，输出VVVF逆变器的控制脉冲。
变流器控制级的核心任务是完成对IGBT逆变器及交流异步牵引电机的实时控制、粘着利用控制，同时具备完整的故障保护功能、模块级的故障自诊断功能和一定程度的故障自排除功能。
（一）牵引控制单元硬件
DCU采用直接转矩控制策略，完成对异步牵引电动机的精确转矩控制，基于成熟的TEC3000交流传动模块平台进行设计。硬件配置如图2所示，可实现完全微机化、数字化的实时控制。DCU具有符合列车通信网络（TCN）IEC 61375标准的MVB通信接口，对外与车辆总线相连，与中央控制单元等形成控制与通信系统。DCU内部则构成并行AMS 总线。同时，具备当列车控制与诊断系统出现故障时，可通过硬连线实现紧急牵引功能。
（二）牵引控制单元功能
牵引控制单元（DCU）根据司机指令（或ATO）完成对列车牵引/制动特性控制和逻辑控制，实现对主电路中接触器的通断控制和VVVF逆变器的启/停控制，计算列车所需的牵引/电制动力等，功能框图如图3所示。
（1）列车运行状态、运行模式的判别和控制DCU对列车信息，如运行方向、电机转向、牵引、制动、惰行、紧急制动、紧急牵引、洗车等信号进行判断，并实施对应控制策略。
（2）高压电路逻辑控制
DCU 接收来自网络或硬线上的控制命令，实施高压主电路的逻辑控制，如充电接触器、短接接触器的时序控制逻辑、监测保护与故障处理，逆变器的时序控制逻辑，司机钥匙、受电弓、方向手柄、牵引/制动手柄的不同状态对VVVF逆变器控制的逻辑关系，过无电区逻辑和隔离逻辑等等，并对高压主电路实施故障保护及监测。
（3）牵引电动机牵引/ 电制动特性控制
牵引/电制动特性计算时，根据中间直流电压、牵引电机转矩包络线、列车速度（电机转速）、牵引/制动级位以及IGBT元件的驱动反馈等，计算出牵引电机应该发挥的牵引或制动转矩。控制逆变器模块的IGBT元件开关状态，从而控制逆变器的输出电压幅值、相位和频率，使牵引电机的输出转矩与牵引电动机的给定转矩一致。牵引/制动转矩的上升/下降按设定的斜率变化，保证列车冲击率在限制范围内。
在列车紧急模式下，DCU接受司机控制器硬线指令，执行50%和100%两挡牵引，电制动自动隔离，完全由空气制动系统执行列车制动。
根据系统要求，DCU确保实际转矩比颠覆转矩至少小20%。在列车试验时，通过改变程序，实际转矩可调整±10%。
（4）粘着利用控制
DCU 采用相位移法进行粘着利用控制，根据在线路状况变化不定的情况下，通过对电机转速、电机转矩等信息的采集、分析和处理，结合给定电机转矩指令和DCU生成的电机牵引/制动特性包络线，综合得出电机转矩指令，向电机控制系统发出合适的电机转矩给定，使得列车能以接近线路当前最大的粘着系数运行，从而获得最大的粘着利用率。
[关键词]地铁车辆；交流传动；电气牵引
一、牵引系统主电路及主要设备
牵引系统主要设备包括：受电弓（PAN）；避雷器（LP）；高压箱（HV，含高速断路器HSCB）；线路滤波器（L）；制动电阻（BR）；牵引逆变器（VVVF）；牵引电动机（MOTOR）等。下面就几个核心的关键稍作介绍。
（1） 高压箱：高压箱由主隔离开关、高速断路器、充电单元等组成。主隔离开关MS用于主电路的隔离以及通过其机械联锁开关（DS）将支撑电容器C的快速放电电路接通，以保证安全。高速断路器HSCB用于主电路的故障保护，当主电路出现严重故障时进行快速保护。
（2）滤波电抗器箱：线路电抗器与支撑电容器构成线路滤波器，使主电路直流侧支撑电容器电压保持稳定并将电压波动限制在允许范围内，同时，吸收直流输入端的谐波电压，抑制逆变器对输入电源网的干扰，在逆变器发生短路时抑制短路电流并满足逆变器开关元件换相的要求等。滤波电抗器为空心式电抗器，采用走行风冷却方式。线路电抗器电感值为L=5 mH。
（3）制动电阻箱（BR）：车辆在牵引或制动工况时，通过触发导通斩波模块，能抑制因空转或其他原因引起的瞬时过电压，再生制动时，能够吸收再生制动能量，确保再生制动的稳定进行。
制动电阻采用强迫风冷。当列车进站时，关闭冷却风机，提高候车乘客的舒适度，同时节省能源。
（4）牵引逆变器箱（VVVF）：逆变器单元采用IGBT元件，为两电平逆变电路。主电路由2 个逆变器单元（INVMK1、INVMK2）组成，每个逆变器单元集成三相逆变器的三相桥臂（逆变单元）及制动相桥臂（制动斩波单元），驱动2台异步牵引电动机。2个逆变器单元集成在一个VVVF逆变器箱中，驱动4台牵引电动机。
逆变器单元采用抽屉式结构，冷却采用热管散热器走行风冷却方式。每个逆变单元都集成了支撑电容，电容值为4.3 mF。
（5）牵引电机：牵引电动机为4 极自通风三相鼠笼式异步牵引电动机。该牵引电动机是专为地铁车辆设计，满足IEC 60349-2的要求。牵引电动机采用全悬挂安装在转向架上，通过联轴节进行传动，由VVVF牵引逆变器进行变频变压供电。
二、牵引控制单元（DCU）
牵引控制单元（DCU）放置于VVVF逆变器箱内，采用无边插头6U标准插箱，从各插件的前面板输入/输出信号，DCU与IGBT变流器模块之间通过屏蔽电缆传输触发脉冲和反馈信号，实现对IGBT变流器模块控制的目的。DCU 内部采用32位的高速微处理器CPU及32位的数字信号处理器DSP芯片。DCU是电传动系统核心控制部分，接受列车网络或硬连线指令信号，控制主电路中的高速断路器（HSCB）和各接触器，输出VVVF逆变器的控制脉冲。
变流器控制级的核心任务是完成对IGBT逆变器及交流异步牵引电机的实时控制、粘着利用控制，同时具备完整的故障保护功能、模块级的故障自诊断功能和一定程度的故障自排除功能。
（一）牵引控制单元硬件
DCU采用直接转矩控制策略，完成对异步牵引电动机的精确转矩控制，基于成熟的TEC3000交流传动模块平台进行设计。硬件配置如图2所示，可实现完全微机化、数字化的实时控制。DCU具有符合列车通信网络（TCN）IEC 61375标准的MVB通信接口，对外与车辆总线相连，与中央控制单元等形成控制与通信系统。DCU内部则构成并行AMS 总线。同时，具备当列车控制与诊断系统出现故障时，可通过硬连线实现紧急牵引功能。
（二）牵引控制单元功能
牵引控制单元（DCU）根据司机指令（或ATO）完成对列车牵引/制动特性控制和逻辑控制，实现对主电路中接触器的通断控制和VVVF逆变器的启/停控制，计算列车所需的牵引/电制动力等，功能框图如图3所示。
（1）列车运行状态、运行模式的判别和控制DCU对列车信息，如运行方向、电机转向、牵引、制动、惰行、紧急制动、紧急牵引、洗车等信号进行判断，并实施对应控制策略。
（2）高压电路逻辑控制
DCU 接收来自网络或硬线上的控制命令，实施高压主电路的逻辑控制，如充电接触器、短接接触器的时序控制逻辑、监测保护与故障处理，逆变器的时序控制逻辑，司机钥匙、受电弓、方向手柄、牵引/制动手柄的不同状态对VVVF逆变器控制的逻辑关系，过无电区逻辑和隔离逻辑等等，并对高压主电路实施故障保护及监测。
（3）牵引电动机牵引/ 电制动特性控制
牵引/电制动特性计算时，根据中间直流电压、牵引电机转矩包络线、列车速度（电机转速）、牵引/制动级位以及IGBT元件的驱动反馈等，计算出牵引电机应该发挥的牵引或制动转矩。控制逆变器模块的IGBT元件开关状态，从而控制逆变器的输出电压幅值、相位和频率，使牵引电机的输出转矩与牵引电动机的给定转矩一致。牵引/制动转矩的上升/下降按设定的斜率变化，保证列车冲击率在限制范围内。
在列车紧急模式下，DCU接受司机控制器硬线指令，执行50%和100%两挡牵引，电制动自动隔离，完全由空气制动系统执行列车制动。
根据系统要求，DCU确保实际转矩比颠覆转矩至少小20%。在列车试验时，通过改变程序，实际转矩可调整±10%。
（4）粘着利用控制
DCU 采用相位移法进行粘着利用控制，根据在线路状况变化不定的情况下，通过对电机转速、电机转矩等信息的采集、分析和处理，结合给定电机转矩指令和DCU生成的电机牵引/制动特性包络线，综合得出电机转矩指令，向电机控制系统发出合适的电机转矩给定，使得列车能以接近线路当前最大的粘着系数运行，从而获得最大的粘着利用率。