【内容来源】《机车电传动》2002年第3期，P44~47：《北京复八线地铁车辆电传动系统》

前言

随着电力电子技术、计算机技术和控制技术的发展，采用交流传动系统已经成为今后轨道交通车辆发展的趋势。复八线（现1号线的一部分）用DKZ4型是引进国外关键设备，并由国内工厂自主设计和制造的我国第一批采用交流传动系统的轨道交通车辆，它在1号线上运行了二十多年，满足了北京地铁的运营需要。

车辆参数及主要性能

DKZ4型为3M3T形式的6节编组（预留扩编为8节编组的条件），总长 19 m，宽度（最宽处）为 2.8 m，车顶距轨面高度 3.51 m。列车采用 DC 750 V 第三轨供电制式（电压变化范围为 500 ~ 1000 V），最高速度 80 km/h，平均技术速度 50 km/h，平均旅行速度 33 km/h（停站时间以 30 s 计），其牵引和制动的特性曲线见下图。

主电路

DKZ4型的电传动系统为交流传动系统，自东洋电机制造株式会社引进，其原理图如下所示。

从图中可以看出，交流传动系统相比于直流传动系统，无需正/反向开关和牵引制动转换开关等元件，简化了主电路的排布。4台牵引电机永久并联在逆变器的输出端，整套回路除了电源侧的高速断路器和电空接触器之外，没有其他的主电路节点。主电路的设备组成包括：

1. 受流器 SG：位于动车两侧，每侧2台，额定电压 DC 750 V，额定电流 600 A，与第三轨的接触压力为 120~180 N。

2. 主隔离开关箱 MS：主电路和供电电源的隔离开关。

3. 高速断路器箱：内含高速断路器 HB、电空接触器 LB、充电接触器 CGK 、过电压放电电阻 OVR 和充放电电阻 CGR\DCGR，其中 HB 作为核心部件，采用波纹管式风缸，不加油脂，并且可频繁操作，具有自身过电流脱扣和外部控制脱扣两种功能，其各项技术参数为：额定电压 DC 750 V，额定电流 800 A，断路能力（L 不大于 20 mH，U = 900 V）不小于 10 kA，总分断时间（稳定电流 1000 A，L = 1 mH，U = 900 V）为 20.5 ms，控制空气压力为 0.49 MPa。

4. 主熔断器箱 MF：与 HB 相配合，用于主电路的短路保护，其额定电压为 DC 750 V，额定电流为 500 A × 3。

5. 滤波电抗器 FL：采用F级环氧树脂绝缘，自然风冷却，由于是没有铁芯的铝线圈结构，因而减轻了装置的重量。FL 的电感量为 2.5 mH，额定电流为 600 A，装置上部有一块厚约 9 mm 的钢板，可以有效屏蔽线圈电感产生的磁通，避免对于佩戴心脏起搏器的乘客造成危险。

6. VVVF 主逆变器箱 ATR-M4180-RG644A（RG644-A-M）：内含主电路中的3组GTO单元、电压传感器 DCPT1/2、电感传感器 CT-U/V/W/L、滤波电容器 FC（电容量 24600 μF）以及过电压抑制晶闸管 OVCRF。主逆变器为电压源 PWM 类型的 GTO 逆变器，配以非氟冷媒热管的走行风冷，采用多个微处理器进行测量和控制，具有较为完善的保护功能，其额定工作点为 4500V · 4000A，输出电压 0~550 V，输出频率 0~150 Hz，牵引时的最大输出容量为 1200 kVA。

7. 牵引电机 M1~M4（TDK-6175-A）：为鼠笼式三相异步电动机，绝缘等级H级，自通风冷却，其主要参数为：额定功率 180kW，额定电压 550 V，额定电流 240 A，额定频率 77 Hz，额定转速 2255 r/min，额定效率 92%，额定功率因素 85%。每台电机均装有两种信号的脉冲速度传感器，其中一种用于测速，另一种用于测量旋转方向。

8. 接地开关箱：装有主电路接地开关 GS1、用于检测主电流值的分流器 SH 和其他各种低压电路接地开关。

控制系统

DKZ4型的VVVF控制系统基本框图如下所示，其中的大部分功能依靠由3个 CPU 构成多微处理器结构实现，不同的 CPU 各有分工。

• 核心 CPU：产生 GTO 元件的门极驱动脉冲；读取电流、电压等A/D转换数据；检测过电流、过电压信号并输出保护动作。

• 系统 CPU：根据牵引指令、制动指令、车载载荷信号、滤波电容器电压等条件产生电流指令和V/f模式指令，并启动控制逻辑和监控系统接口的处理环节。

• 速度检测 CPU：处理4个驱动轴的速度检测、空转和滑行检测等信号。

整个控制回路中，处理A/D转换、光电转换等外部信号的传输之外的大部分处理程序（包括 PWM 计算）都依靠软件实现，使得控制部分实现了小型化、轻量化，提高了系统的可靠性。

控制系统的大致工作流程为：

1. 牵引电机转速、逆变器输出电流、滤波电容器电压、车辆载荷等信号送入控制系统后，系统按照列车指令的要求进行综合计算，生成变压指令和频率指令。

2. 对变压指令和频率指令进行 PWM 运算，生成各个触发脉冲，并且经过逻辑控制和光电转换后送入各GTO模块。

3. GTO元件接收到被放大的触发脉冲后，使逆变器输出相应电压和频率的交流电，实现牵引电机的速度控制。

以下介绍DKZ4型的几种典型控制情形。

坡道启动控制

列车在坡道上启动时，在制动缓解到开始前进的这段时间内，存在着某种程度的后退现象，如下图所示。此时需要控制逆变器的输出频率，使其随着列车后退速度的增加而降低，同时还要控制转差频率为定值，保证列车在后退时也能获得向前的牵引力。

空转和滑行的再粘着控制

动车4台牵引电机的转速信号传送到电子控制装置，由速度检测 CPU 计算每个速度的变化率，如果其中任何一个速度变化率信号超过设定值 DH（牵引时为 5.5 Hz/s，制动时为 7.5 Hz/s）并持续 0.1 s，电子控制装置输出空转/滑行信号 SLD1，被控制 CPU 接收后，转差频率控制指令以一定的斜率下降，使牵引电机的输出转矩减小，以便恢复再粘着，如下图所示。

当空转或滑行轴恢复再粘着后，速度变化率信号低于 DH，经过 0.1 s 后，SLD1 信号变为 OFF，同向电流设定值则以 100 A/s 的速率缓慢上升。如果粘着条件恶劣，实施再粘着反而会使空转和滑行加剧时，在某一轴的速度变化率超过 10 Hz/s 且持续超过 1 s 的前提下，控制装置发出指令，将主电路的高速断路器断开（如果是处于制动工况，还将实施空气制动）。粘着恢复后，如果主控制器的级位不变，则主电路可以自动恢复到牵引或电制动的状态。

电流软启动控制

在启动和再生制动开始时，为了使转矩的变化趋于平滑，需要进行电流软启动控制；变换缓位以及进行空转/滑行的再粘着控制也是这种类型。在牵引/制动工况转为零位时，主电流首先迅速扼流，然后才断开主电路，如下图所示。

脉冲模式转换

逆变器输出频率较低时，为减少牵引电机的转矩脉动和电磁噪声，改善低频区段的工作特性，应当尽可能提高 GTO 元件的斩波频率，此时受到 GTO 元件允许最高斩波频率的限制，必须转换脉冲模式，降低载波频率比，而载波频率比连续降低，则又势必会使逆变器输出电压的波形和相位都发生变化，难以保证三相输出之间的对称关系，造成牵引电机工作的不平稳。

有鉴于此，对于DKZ4型，采取载波频率比随着逆变器输出频率的升高而分阶段降低的控制方法。在确定载波频率比时，要考虑 GTO 元件的开关速度、开关损耗、GTO 关断时的输出峰值电流、抑制偶次谐波等因素。载波频率比的确定及转换如下图所示。

结语

作为北京地铁 VVVF 车辆的开山之作，DKZ4 在表现出优异性能的同时，也为后续的国产化牵引系统研究提供了可靠参照。以上介绍的是 DKZ4 在 ATO 改造前的控制系统，至于 ATO 改造后的情况，目前能掌握到的信息并不是很多，还有许多要点需要进一步展开研究。