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        地鐵列車牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機供電回路的改造研究

        2014-03-17 00:53:00顧耀君
        城市軌道交通研究 2014年6期
        關(guān)鍵詞:動力車功能塊風(fēng)機

        顧耀君

        (上海地鐵維護保障有限公司車輛分公司,200233,上?!喂こ處?

        地鐵列車的牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機是保證列車牽引系統(tǒng)在允許溫度范圍內(nèi)正常工作的重要部件。因此,保證牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機工作的可靠性,成為車輛設(shè)計和檢修單位的重要任務(wù)。目前,上海地鐵AC01型電動列車牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機由2個Tc車(帶司機室的拖車)輔助逆變器輸出AC 380 V交叉供電,供電回路互為冗余。盡管如此,當(dāng)2個Tc車輔助逆變器同時發(fā)生故障時,牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機將無法工作,使列車無法牽引,從而導(dǎo)致救援事故。

        為避免2個Tc車輔助逆變器同時故障對列車運營造成的嚴(yán)重影響,可以考慮故障時由動力車Mp(有受電弓的動力車)/M(無受電弓的動力車)輔助逆變器為牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機供電。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),只需對牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機供電回路進行改造即可實現(xiàn)該供電方案。

        1 列車牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機的供電方式

        目前,為了實現(xiàn)地鐵列車牽引系統(tǒng)的可靠性,牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機電源由輔助系統(tǒng)提供,基本采用交叉供電或并網(wǎng)供電方式。其中,并網(wǎng)供電方式的可靠性最高,理論上多節(jié)編組的列車只要有1臺輔助逆變器處于工作狀態(tài)即可保證整列車的牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機供電正常。但是,并網(wǎng)供電技術(shù)的最早應(yīng)用,是在2008年應(yīng)用于上海軌道交通1號線增能擴編項目列車上,而之前項目的列車仍采用傳統(tǒng)的交叉供電方式。

        交叉供電方式由2臺輔助逆變器分別為一半的牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機供電,當(dāng)其中1臺輔助逆變器發(fā)生故障時,電源自動切換至另1臺輔助逆變器,從而提高牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機工作的可靠性。與并網(wǎng)供電方式相比,交叉供電方式可靠性較低。上海軌道交通1號線AC01型電動列車是牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機采用交叉供電方式的典型車型。從AC01型電動列車近年的運營經(jīng)驗來看,在運營中由于2臺輔助逆變器故障,引起列車牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機失電,并最終導(dǎo)致列車救援的事故時有發(fā)生。因此,有必要對AC01型電動列車進行相應(yīng)改造,從而有效保證列車的正常牽引功能。

        2 列車牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機交叉供電原理

        AC01型電動列車牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機(FANS)包括牽引箱冷卻風(fēng)機與制動電阻箱冷卻風(fēng)機,采用強迫風(fēng)冷的方式保證牽引設(shè)備在允許溫度范圍內(nèi)正常工作。其供電方式采用交叉供電方式,由Tc車輔助逆變器(AI_1)輸出AC 380 V供電(如圖1)。2個Tc車輔助逆變器分別為一半的動力車(Mp車或M車)牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機供電。當(dāng)一個Tc車輔助逆變器無法工作時,該逆變器供電的冷卻風(fēng)機將自動切換至另一個Tc車的輔助逆變器;當(dāng)2個Tc車輔助逆變器都無法工作時,列車牽引系統(tǒng)將因失去通風(fēng)冷卻功能而無法工作,最終導(dǎo)致列車救援事故。由于AC01型電動列車的Tc車輔助逆變器自身故障率較高及冷卻風(fēng)機短路時有發(fā)生等原因,使正線運營列車存在較大的救援風(fēng)險,故有必要采取有效措施以杜絕此類事故的發(fā)生。

        圖1 列車牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機交叉供電原理圖

        3 改造方案的設(shè)計

        由于上海地鐵AC01型電動列車每節(jié)車都有一個輔助逆變器,且動力車(Mp/M)的輔助逆變器(AI_2)均輸出AC 380 V為客室空調(diào)供電,其電源形式與牽引箱冷卻風(fēng)機及制動電阻箱冷卻風(fēng)機所需電源相同。因此,可以通過供電回路的改造,實現(xiàn)在Tc車輔助逆變器故障時,牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機電源自動轉(zhuǎn)換至Mp車或M車的輔助逆變器,即動力車的牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機可由本車輔助逆變器供電(見圖2)。這樣,既可以在Tc車輔助逆變器故障時為牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機提供備用電源,又可以將牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機電源分散至每節(jié)動力車輔助逆變器,從而降低了輔助供電系統(tǒng)故障對列車牽引功能的影響。

        圖2 AC01型電動列車牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機供電電路改造示意圖

        3.1 動力車輔助逆變器的功率核算

        為實現(xiàn)上述設(shè)計,必須在動力車輔助逆變器原有空調(diào)負(fù)載的基礎(chǔ)上增加牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機負(fù)載,因此必須核算動力車輔助逆變器功率是否滿足改造要求。

        動力車輔助逆變器的額定功率為AC 90 kV,功率因數(shù)為0.85,故其有功功率為76.5 kW。

        3.2 空調(diào)負(fù)載功率的計算

        動力車輔助逆變器負(fù)載為空調(diào)機組,每臺動力車輔助逆變器負(fù)載為3臺空調(diào)機組。每臺空調(diào)機組總成的額定功率為24.22 kW,則每臺動力車輔助逆變器的負(fù)載功率為72.66 kW。

        通過對空調(diào)負(fù)載實測數(shù)據(jù)的分析可以發(fā)現(xiàn),在滿負(fù)荷工作時,每臺空調(diào)機組的實際功率均小于22 kW,其負(fù)載總功率不超過66 kW。

        3.3 牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機負(fù)載功率的計算

        改造后,故障情況下動力車的牽引箱及制動電阻箱冷卻風(fēng)機將轉(zhuǎn)換至由本車輔助逆變器供電,因此動力車輔助逆變器將增加牽引箱冷卻風(fēng)機(1.1 kW)和制動電阻箱冷卻風(fēng)機(2.2 kW)的負(fù)載功率。按空調(diào)機組實際功率22 kW計算,動力車輔助逆變器負(fù)載功率將增至69.3 kW,小于動力車輔助逆變器的有功功率76.5 kW,滿足改造所需的功率要求。

        4 改造方案

        4.1 牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機供電回路改造方案

        經(jīng)過功率核算可知,動力車輔助逆變器完全符合改造要求。因此,可以通過將原來牽引箱冷卻風(fēng)機及制動電阻箱冷卻風(fēng)機電源在2個Tc車輔助逆變器之間自動切換,改為在一個Tc車與本車(Mp車或M車)輔助逆變器之間自動切換,從而提高牽引系統(tǒng)工作的可靠性。

        實際改造中,只需將M車或Mp車牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機的三相電源線接至本車輔助逆變器的三相輸出端,同時更改原供電控制電路中的相關(guān)繼電器接線即可。

        這樣,在一個Tc車輔助逆變器故障時,可實現(xiàn)一半動力車的牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機由本車的輔助逆變器分別供電,不增加另一個正常Tc車輔助逆變器的負(fù)載;同時可將原來集中于故障Tc車的冷卻風(fēng)機負(fù)載分散至各個動力車逆變器,不影響列車的正常牽引功能。更重要的是,當(dāng)2個Tc車輔助逆變器同時故障時,所有動力車的牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機均會自動切換至本車輔助逆變器,可繼續(xù)為牽引設(shè)備進行通風(fēng)冷卻,以保證列車的牽引功能。

        4.2 列車中央控制單元軟件修改

        如上所述,牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機的供電回路經(jīng)過改造后,完全可以在2個Tc車輔助逆變器故障的情況下由動力車輔助逆變器繼續(xù)為牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機提供電源。但是,由于列車中央控制單元(CCU)軟件中有關(guān)Tc車輔助逆變器狀態(tài)對牽引系統(tǒng)影響的相關(guān)控制(如圖3),僅實現(xiàn)硬件電路改造,仍無法到達預(yù)期目標(biāo)。因此,必須對 CCU軟件進行相應(yīng)修改。

        圖3 CCU軟件邏輯圖

        圖3中的功能塊LOADEN1為一個選擇功能塊,它的變量之間的邏輯關(guān)系如表1所示。

        表1 功能塊LOADEN1真值表

        若CCU總線正常,功能塊輸出為變量HBI,該值取決于牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機電源狀態(tài)(Blower Control),即Tc車輔助逆變器工作狀態(tài)。當(dāng)至少有1個Tc車輔助逆變器正常工作時,HBI=1;當(dāng)2個Tc車輔助逆變器都不工作時,HBI=0。

        若CCU總線故障,功能塊輸出為變量EMV。該變量恒為1。

        因此,當(dāng)CCU總線正常,2個Tc車輔助逆變器同時不工作時,HBI=0,即變量S|HBUEIN=0。當(dāng)S|HBUEIN=0,則CCU將該變量發(fā)送給所有牽引控制單元(TCU),產(chǎn)生相應(yīng)的故障代碼并封鎖TCU,則列車牽引系統(tǒng)停止工作。

        為了實現(xiàn)牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機電源切換到動力車輔助逆變器后,列車能夠繼續(xù)實現(xiàn)牽引功能,必須設(shè)法讓CCU變量S|HBUEIN=1,屏蔽相關(guān)故障。

        通過修改CCU軟件(如圖4),可以將功能塊LOADEN2中的變量 EMV(恒為0)插入功能塊LOADEN1中替換 SEL變量。根據(jù)表 1可知,LOADEN1的輸出變量S|HBUEIN≡1,則CCU始終認(rèn)為“至少有一個Tc車輔助逆變器正?!?,即列車在2個Tc車輔助逆變器故障的情況下不封鎖TCU,允許列車牽引。由于LOADEN2為備用功能塊,不參與CCU程序中的任何控制,因此調(diào)用其中的EMV變量不會對列車的其它功能產(chǎn)生影響。

        圖4 CCU邏輯圖修改

        5 蓄電池運營能力試驗

        由于Tc車輔助逆變器除為牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機提供電源外,還負(fù)責(zé)對主蓄電池進行充電及提供低壓直流負(fù)載電源。因此,即使實現(xiàn)了硬件電路改造和控制軟件修改,還必須考慮失去蓄電池充電器供電的情況下主蓄電池對低壓直流負(fù)載的供電能力。

        正線模擬運營試驗表明,在2個Tc車輔助逆變器切除(僅主蓄電池供電)狀態(tài)下,打開全列車低壓直流負(fù)載,列車可以在上海軌道交通1號線正線運營31 km里程,蓄電池電壓從101 V下降 至93.5 V,距離蓄電池欠壓保護值84 V仍有較大的安全范圍。目前,上海軌道交通1號線運營線路總里程36.8 km,相鄰的兩條存車線之間的最大距離為15 km。因此,實施本改造后,AC01型電動列車完全具備自行牽引進入最近存車線的能力,可徹底杜絕因2個Tc車輔助逆變器故障引起的正線救援事故。

        6 結(jié)語

        通過以上分析研究和試驗可知,上海地鐵AC01型電動列車可以通過對牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機的交叉供電回路改造,配合相關(guān)控制軟件修改后,杜絕牽引系統(tǒng)因Tc車輔助逆變器故障引起失效進而導(dǎo)致的救援事故。同時,在Tc車輔助逆變器故障時,可以將動力車牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機電源切換至動力車輔助逆變器,降低輔助系統(tǒng)故障對牽引功能的影響,以保證列車運營質(zhì)量。

        目前,上海軌道交通1號線所有AC01型電動列車均完成改造,并在運營過程中避免了多次此類故障引起的救援事故,產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟效益和社會效益。

        [1]李軼斌.中壓交流并網(wǎng)供電技術(shù)在地鐵列車上的應(yīng)用[J].城市軌道交通研究,2012(6):121.

        [2]楊斌,寧新軍.上海地鐵1號線增能擴編(6改8)項目列車[J].機車電傳動,2009(4):44.

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