一种基于轨道车辆的牵引系统及校验方法与流程

1.本发明涉及轨道车辆技术领域，尤其是涉及一种基于轨道车辆的牵引系统及校验方法。


背景技术：

2.轨道交通是指运营车辆需要在特定轨道上行驶的一类交通工具或运输系统。最典型的轨道交通就是由传统火车和标准铁路所组成的铁路系统。随着火车和铁路技术的多元化发展，轨道交通呈现出越来越多的类型，不仅遍布于长距离的陆地运输，也广泛运用于中短距离的城市公共交通中。
3.牵引系统是轨道车辆的核心部件，是列车动力的来源，根据需要为列车提供牵引力和制动力，完成列车的牵引和制动。
4.在轨道车辆运行的过程中，牵引系统一般包括直线电机和逆变器，通过逆变器转换后的电源控制直线电机工作，在电机的驱动下带动轨道车辆牵引或者制动，而每种牵引系统所包含的电机数量不同，其组合方式和设定方式也决定了牵引或者制动的效果。
5.针对上述相关技术，发明人认为目前的直线电机的组合方式，逆变器输出电流的平衡性较差，难以满足轨道车辆的牵引及制动特性的要求。


技术实现要素：

6.为了增强逆变器输出电流的平衡性，从而满足轨道车辆的牵引及制动特性的要求，本技术提供一种基于轨道车辆的牵引系统及校验方法。
7.第一方面，本技术提供的一种基于轨道车辆的牵引系统，采用如下的技术方案：一种基于轨道车辆的牵引系统，包括供电模块、逆变模块和电机模块；所述供电模块与所述逆变模块电连接，用于提供直流电源给所述逆变模块；所述逆变模块用于将直流电源转换为适用于所述电机模块的交流电源；所述电机模块包括两组并联连接的直线电机，每组所述直线电机的数量均为三个，所述电机模块用于为轨道车辆提供牵引功能或制动功能。
8.通过采用上述技术方案，电机模块的三相绕组从逆变模块接受频率、电压均可调的三相对称交流电，产生行波磁场，与固定在导磁钢轨上的电机模块次级相互作用产生电磁推力推动车辆前进，逆变模块驱动6台直线电机，逆变模块集成有过电压抑制单元，当电网电压在500v~900v之间变化时，过电压抑制单元能控制主电路正常工作，并方便地实现牵引和制动的无接点转换，从而增强逆变器输出电流的平衡性，满足列车的牵引及制动特性的要求。
9.可选的，所述供电模块与所述逆变模块之间电连接有分线模块，所述分线模块电连接有备用电源模块；所述备用电源模块包括电连接的充电机和蓄电池；所述充电机与所述分线模块电连接，用于将所述供电模块提供的直流电源的电压
等级进行调整，并且通过调整电压等级后的直流电源为所述蓄电池供电；所述蓄电池，用于为所述电机模块提供备用电源。
10.通过采用上述技术方案，供电模块在给电机模块供电的同时，通过分线模块，能将供电模块提供的电源分成多路，一路供给电机模块，另一路给备用电源供电，通过充电机给蓄电池供电，从而能在供电模块受到影响时为电机模块提供电力源，从而保证牵引系统能够正常运行。
11.可选的，该系统还包括控制模块和监控模块，所述控制模块分别与所述备用电源模块和所述逆变模块电连接；所述控制模块用于在轨道车辆启动时，发送牵引指令给所述电机模块，控制所述电机模块实现对轨道车辆的牵引功能；还用于在轨道车辆的车速超过车速阈值时，发送限速指令给所述电机模块，控制所述电机模块实现对轨道车辆的减速功能；所述监控模块用于获取所述电机模块和逆变模块的各项电气参数值是否位于阈值范围内，所述各项电气参数包括中间直流回路电压、接地电流、变流器冷却时间和电机模块冷却时间。
12.通过采用上述技术方案，设置控制模块，能发送牵引指令控制电机模块动作，牵引轨道车辆在上坡路段移动，同时在遇到一些下坡路段时，为了防止轨道车辆速度过快，需要限制轨道车辆的车速，然后发送限速指令控制电机模块对轨道车辆减速；然后在轨道车辆运行的过程中，需要利用监控模块监控中间直流回路电压、接地电流、变流器冷却时间和电机模块冷却时间这些参数值，在牵引系统工作的过程中，能起到监测的作用，从而减小一定的风险。
13.可选的，所述逆变模块采用igbt元件，包括集成的三相逆变单元和制动斩波单元。
14.通过采用上述技术方案，igbt元件既具有mosfet器件驱动功率小和开关速度快的优点，又具有双极型器件饱和压降低而容量大的优点，三相逆变单元和制动斩波单元能实现快速开通和关断通路的效果。
15.可选的，该系统还包括牵引测速模块，所述牵引测速模块与所述控制模块通讯连接，用于接收所述控制模块发送的测速指令，对轨道车辆进行测速；所述牵引测速模块包括至少一个涡流感应传感器，所述涡流感应传感器用于基于轨道车辆的移动产生涡流感应电流并输出检测脉冲信号给所述控制模块；所述牵引测速模块还包括处理器，所述处理器用于基于所述检测脉冲信号，获取脉冲上升沿的时间差，并且基于轨道车辆的移动距离，输出轨道车辆的运行速度。
16.通过采用上述技术方案，通过牵引测速模块，在轨道车辆运行的过程中，能测定轨道车辆的速度，在测定速度的同时，采用涡流感应传感器扫描轨枕的方式来产生速度，当金属目标物接近时，传感器与金属目标物之间产生一个感应电流（涡电流），随着金属目标物越接近，传感器感应电流越增强，引起振荡电路中的负载加大，然后振荡减弱直至停止。传感器利用振幅检测到振荡状态的变化，并输出检测脉冲信号。处理器将采样电路滤波的信号进行读入后，对脉冲上升沿的时间差，根据速度等于距离除以时间，就能得出列车实际的运行速度；采用这种方式能实时获取轨道车辆的移动速度，从而使获得的移动速度更加准确。
17.第二方面，本技术提供的一种基于轨道车辆的牵引校验方法，采用如下的技术方案：一种基于轨道车辆的牵引校验方法，应用于上述的基于轨道车辆的牵引系统，包括：获取轨道车辆的自身重量；基于所述自身重量，获取轨道车辆在惯性条件下的车辆换算重量；获取轨道车辆的基本阻力和附加阻力；基于所述电机模块的电气特性，获取轨道车辆的牵引力；基于所述轨道车辆的车辆换算重量、牵引力、基本阻力和附加阻力，获取轨道车辆的加速度；若所述轨道车辆的加速度达到加速度阈值，则轨道车辆的牵引系统校验合格。
18.通过采用上述技术方案，在需要校验牵引系统的有效性时，需要判断轨道车辆在受到牵引的加速值是否达到要求，而加速度值受轨道车辆本身的牵引力、基本阻力和附加阻力这些参数值的影响，在获取牵引力、基本阻力和附加阻力时，再获取加速度值，然后再进行阈值比较，判断该牵引系统是否达到标准，从而得出牵引系统的有效性。
19.可选的，所述获取轨道车辆的基本阻力的步骤包括：分别获取轨道车辆当前所处环境的空气阻力和电磁阻力：空气阻力的获取满足以下公式：式中，wa表示空气阻力，单位n；cd表示阻力系数，取决于列车的形状；ρ表示空气密度，单位kg/m3，标准情况下为1.293kg/m3；v表示静风状态下取车辆运行速度，单位m/s；va表示逆风风速，单位m/s；s为列车的最大迎风截面积，单位m2；电磁阻力的获取满足以下公式：式中，wm表示电磁阻力，单位n；m表示车辆换算重量，单位t；k，a，b表示常数；v表示车辆运行速度，单位m/s；vm表示转折速度，单位m/s。
20.通过采用上述技术方案，在获取轨道车辆的基本阻力时，需要获取当前环境的空气阻力和电磁阻力，空气阻力包括静风条件下的阻力以及逆风条件下的阻力，然后根据阻力系数和空气密度算出空气阻力；而在计算电磁阻力时，需要取决于车辆换算重量，同时车辆运行速度的大小也决定了电磁阻力大小，根据不同的速度区间范围决定电磁阻力的计算方式，从而有利于提高计算电磁阻力的准确性。
21.可选的，所述获取轨道车辆的附加阻力的步骤包括：所述轨道车辆的附加阻力的获取满足以下公式：wi=m*9.81*c，其中，m表示列车质量，c表示坡道指数；m表示车辆换算重量，单位t。
22.通过采用上述技术方案，当坡道的角度出现变化时，其对应的坡道指数也会发生变化，然后车辆换算重量也不同，根据此公式能算出不同重量、坡道条件下的附加阻力，具有适用性。
23.可选的，所述获取轨道车辆的加速度的步骤包括：所述轨道车辆的加速度的获取满足以下公式：a=（f
牵-f
基本-c*wi）/m，其中f
牵
为牵引
力，f
基本
为基本阻力，wi为附加阻力，c表示坡道指数；m表示车辆换算重量，单位t。
24.通过采用上述技术方案，在获取轨道交通车辆的加速度时，需要将轨道车辆的牵引力减去基本阻力和附加阻力，算出的值与车辆换算重量的比值即为轨道车辆的加速度。
25.综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：1.电机模块的三相绕组从逆变模块接受频率、电压均可调的三相对称交流电，产生行波磁场，与固定在导磁钢轨上的电机模块次级相互作用产生电磁推力推动车辆前进，逆变模块驱动6台直线电机，逆变模块集成有过电压抑制单元，当电网电压在一定范围变化时，过电压抑制单元能控制主电路正常工作，并方便地实现牵引和制动的无接点转换，从而增强逆变器输出电流的平衡性，满足列车的牵引及制动特性的要求；2.然后在轨道车辆运行的过程中，需要利用监控模块监控中间直流回路电压、接地电流、变流器冷却时间和电机模块冷却时间这些参数值，在牵引系统工作的过程中，能起到监测的作用，从而减小一定的风险。
附图说明
26.图1是本技术实施例的一种基于轨道车辆的牵引系统的硬件架构示意图。
27.图2是图1中电机模块的接线图。
28.图3是图1中牵引测速系统的原理图。
29.图4是本技术实施例的一种基于轨道车辆的牵引校验方法的流程图。
30.图5是本技术实施例的定员载荷（aw2）和超员载荷（aw3）基本阻力曲线-速度曲线关系图。
31.图6是图5中s400所提到的dc750v牵引力-速度曲线关系图。
具体实施方式
32.以下结合附图1-6对本技术作进一步详细说明。
33.参照图1，本技术实施例公开一种基于轨道车辆的牵引系统，包括供电模块、逆变模块、分线模块、备用电源模块、电机模块、控制模块、监控模块和牵引测速模块。
34.供电模块，可以为超级电容，超级电容负责给整列车供电dc750v，高压分线箱接收750v电压分别为110v备用电源模块、逆变模块供电。
35.逆变模块，包括逆变器单元和逆变器箱，逆变器单元集成在vvvf逆变器箱中。逆变器单元采用igbt元件，为两电平逆变电路，集成三相逆变器的三相桥臂（三相逆变单元）及制动相桥臂（制动斩波单元），驱动电机模块工作。逆变器模块采用强迫风冷方式。
36.逆变模块还包括控制装置（dcu），主要完成对igbt元件和电机模块的实时控制、过压斩波控制，同时具备完整的牵引变流系统故障保护功能、模块级的故障自诊断功能和一定程度的故障自复位功能以及部分车辆级控制功能，dcu是组成列车通讯网络的一部分，与mvb接口进行通信。dcu集成在vvvf逆变器箱中。
37.逆变模块技术参数如下：1.额定输入电压：dc750v；2.额定容量：670kva；3.额定输出电流：750a（有效）；
4.开关频率：750hz；5.额定工作点的效率：0.98；6.冷却方式：热管强迫风冷；7.箱体主体尺寸：1400mm*900mm*565mm；8.重量：＜370kg；9.ip等级：ip55；10.材质：铝合金；11.绝缘耐压（主电路对地）：ac4500v，1min；12.防护等级：ip55。
38.分线模块，具体为高压分线箱，高压分线箱将整个轨道车辆的高压供电跨车连接，高压分线箱的主要参数如下：1.额定输入电压：dc750v；2.输入电压范围：dc500v~dc900v；3.防护等级：ip55；4.外形尺寸：440mm*740mm*380mm（长*宽*高）。
39.备用电源模块，与高压分线箱电连接，包括110v充电机和蓄电池，110v充电机将dc750v电源转换成dc110v电源给蓄电池和其它车载负载供电。
40.电机模块，包括6台直线电机，直线电机三相绕组从牵引逆变器接受频率、电压均可调的三相对称交流电，产生行波磁场，与固定在导磁钢轨上的直线电机次级相互作用产生电磁推力推动车辆前进或后退。一台牵引逆变器为6台直线电机（2串3并：即包括两组并联连接的直线电机，每组直线电机的数量均为三个）供电。直线电机的接线如图2所示，包括按序号标出的1、2、3、4、5和6号直线电机，图中的牵引逆变器即为逆变模块，通过两个分线箱将三组并联连接的直线电机进行连接，以尽可能消除牵引逆变器输出电流的不平衡。
41.直线电机参数如下：1.额定线电压：ac257v；2.启动电流：535a；3.极数：12极；4.绝缘等级：h级；5.机械气隙：13mm。
42.控制模块，由预存操作程序的中央处理器构成，采用符合iec61375标准的tcn网络。列车控制级总线由mvb车辆总线组成，mvb总线通过双线进行冗余。用于在轨道车辆启动时，发送牵引指令给电机模块，控制电机模块实现对轨道车辆的牵引功能；还用于在轨道车辆的车速超过车速阈值（例如300km/h）时，发送限速指令给所述电机模块，控制所述电机模块实现对轨道车辆的减速功能。还用于对直线电机的牵引进行连锁以及对电网电压和电网功率进行限制。
43.监控模块，用于获取电机模块和逆变模块的各项电气参数值是否位于阈值范围内，各项电气参数包括中间直流回路电压、接地电流、变流器冷却时间和电机模块冷却时间。
44.牵引测速模块，包括处理器和至少一个涡流感应传感器，小磁浮车辆采用涡流感
应传感器扫描轨枕的方式来产生速度，供牵引系统使用。感应传感器的工作原理为：当轨道车辆的金属目标物接近时，感应传感器与金属目标物之间产生一个感应电流（涡电流），随着金属目标物越接近，感应传感器的感应电流越增强，引起振荡电路中的负载加大，然后振荡减弱直至停止。传感器利用振幅检测到振荡状态的变化，并输出检测脉冲信号。处理器将采样电路滤波的信号进行读入后，对脉冲上升沿的时间差，根据速度等于距离除以时间，就能得出列车实际的运行速度；原理图如图3所示，图3中的两个涡流感应传感器通过两个安装板安装在磁浮轨道上，图3中的tcms即为控制模块，图中的dcu即为牵引逆变器自身的控制装置，dcu是组成列车通讯网络的一部分，与mvb接口进行通信。
45.a.测速系统主要参数：输入电源范围：110v（-30%~ 25%），1a；环境温度：-25℃~ 45℃；工作温度：-25℃~ 70℃；储存温度：-40℃~ 75℃；储存和短时间的使用温度：-25℃~ 75℃；最大相对湿度：≤100%（该月月平均最低温度不低于25℃）。
46.b.测速系统对轨枕要求：轨枕上表面为金属材料；轨枕中心之间的中心距离、轨枕的宽度、无轨枕路段具体技术要求在设计联络阶段确定。
47.c.测速系统技术要求：为车辆牵引、制动系统提供速度信号；在轨道车辆子系统上用于同一目的的测速控制装置及测速传感器可以完全互换；采用非接触轨枕计量速度测试技术，采用脉冲计数方法来测速；具有自测试功能。
48.本技术实施例一种基于轨道车辆的牵引系统的实施原理为：在牵引系统工作时，供电模块负责给整列车供电dc750v，高压分线箱接收750v电压分别为110v备用电源模块、逆变模块供电，直线电机将带动轨道车辆牵引或者制动；备用电源模块为直线电机提供备用电源；监控模块随时监控电机模块和逆变模块的各项电气参数值是否位于阈值范围内；牵引测速模块用于接收控制模块发送的测速指令，对轨道车辆进行测速。
49.基于上述硬件架构，参照图4，本技术实施例还公开一种基于轨道车辆的牵引校验方法，包括步骤s100~s600：步骤s100：获取轨道车辆的自身重量。
50.例如，列车在不同载荷状态下的重量如附表所示：附表：列车在不同载荷状态下的重量
步骤s200：基于所述自身重量，获取轨道车辆在惯性条件下的车辆换算重量。
51.列车惯性的换算质量满足公式：m=（mc1 mc2）*β1 t*β2，β1和β2均为惯性系数。
52.举例来说，β1取值0.8，β2取值0.9，则m（aw2）=19.5*2*0.8 19*0.9=48.3t。
53.步骤s300：获取轨道车辆的基本阻力和附加阻力。
54.小型磁浮列车不存在启动摩擦力，其他因素产生阻力较小，因此不需要单独计算启动阻力。
55.（1）基本阻力与线路条件无关，主要由空气阻力、电磁阻力、随机扰动阻力组成，其中随机扰动阻力无法计算且数值较小，计算中忽略。
56.分别获取轨道车辆当前所处环境的空气阻力和电磁阻力：空气阻力wa随着小型磁浮列车速度增加而增大，为速度的二次函数，在高速运行时为列车的主要阻力。其大小由阻力系数、空气密度、运行速度、列车最大横截面积决定：空气阻力wa的获取满足以下公式：式中，wa表示空气阻力，单位n；cd表示阻力系数，取决于列车的形状；ρ表示空气密度，单位kg/m3，标准情况下为1.293kg/m3；v表示静风状态下取车辆运行速度，单位m/s；va表示逆风风速，单位m/s；s为列车的最大迎风截面积，单位m2。
57.小型磁浮列车的空气阻力为：式中，wa单位为牛顿；n表示车辆数；v的单位为m/s。
58.电磁阻力的获取满足以下公式：式中，wm表示电磁阻力，单位n；m表示车辆换算重量，单位t；k，a，b表示常数；v表示车辆运行速度，单位m/s；vm表示转折速度，单位m/s。
59.所述获取轨道车辆的附加阻力的步骤包括：所述轨道车辆的附加阻力的获取满足以下公式：wi=m*9.81*c，其中，m表示车辆换算重量，c表示坡道指数；m表示车辆换算重量，单位t。
60.列车在定员载荷（aw2）、和超员载荷（aw3）下的基本阻力曲线-速度的关系如图5所示，二者还是出现一些误差，总的来说，超员载荷的情况下的阻力更大。
61.（2）附加阻力与线路条件有关，主要由坡道附加阻力、曲线附加阻力组成。其中小型磁浮列车悬浮导向电磁铁只允许在其平衡位置作极微小的动态调整，所以直线电机定子与反应板的横向偏离也很小，对磁阻力的影响就小，故小型磁浮列车的曲线附加阻力可以
忽略。
62.轨道车辆的附加阻力的获取满足以下公式：wi=m*9.81*c，其中，m表示车辆换算重量，c表示坡道指数；m表示车辆换算重量，单位t。
63.最大坡道为36
‰
时的附加阻力为：(aw0)：wi0=m0*9.81*36
‰
=16.4kn；(aw2)：wi2=m2*9.81*36
‰
=21.3kn；(aw3)：wi3=m3*9.81*36
‰
=22.7kn。
64.步骤s400：基于所述电机模块的电气特性，获取轨道车辆的牵引力。
65.基于电机模块的电气特性（两串三并），如图6所示：获得dc750v牵引力-速度曲线关系图，可见，在牵引力方面，超员载荷和定员载荷的牵引力相同，并且在0-40km/h的范围内一直维持在57kn左右，在速度超过45km/h之后，牵引力出现下降的趋势。
66.aw2、aw3载荷下，总牵引力为57kn，共12台电机，每台电机对应的最大牵引力约为4.75kn。
67.步骤s500：基于所述轨道车辆的车辆换算重量、牵引力、基本阻力和附加阻力，获取轨道车辆的加速度。
68.所述获取轨道车辆的加速度的步骤包括：所述轨道车辆的加速度的获取满足以下公式：a=（f
牵-f
基本-c*wi）/m，其中f
牵
为牵引力，f
基本
为基本阻力，wi为附加阻力，c表示坡道指数；m表示车辆换算重量，单位t。
69.举例来说，c取值36
‰
，f
牵
为57kn，f
基本
为51.384kn，wi为44kn，m为48t，则加速度a为0.084m/s2。
70.步骤s600：若所述轨道车辆的加速度达到加速度阈值，则轨道车辆的牵引系统校验合格。
71.举例来说，加速度阈值为0.083m/s2，则满足要求。
72.以上均为本技术的较佳实施例，并非依此限制本技术的保护范围，故：凡依本技术的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本技术的保护范围之内。