錢廣民

（天津濱?？焖俳煌òl(fā)展有限公司，300457，天津∥工程師）

Translohr膠輪導向電車電氣系統(tǒng)技術特點研究

錢廣民

（天津濱?？焖俳煌òl(fā)展有限公司，300457，天津∥工程師）

介紹了天津開發(fā)區(qū)新交通試驗線所采用的Translohr型100%低地板膠輪導向電車的主要技術特征和電氣系統(tǒng)的主要構成，分析了該型電車的高壓系統(tǒng)、牽引控制單元、低壓系統(tǒng)、電車車載計算機系統(tǒng)及CAN（控制器局域網）現(xiàn)場總線等主要技術特點，為國內有軌電車的設計提供參考。

Translohr膠輪導向電車；牽引控制單元；電氣系統(tǒng)

Author’s addressTianjin Binhai Mass Transit Development Co.，Ltd.，300457，Tianjin，China

2007年天津建成了我國第1條現(xiàn)代有軌電車線路——開發(fā)區(qū)洞庭路新交通試驗線。該試驗線南起津濱輕軌泰達站，北至十三大街學院區(qū)北站，全長7.86 km，共設14座車站，途經生活區(qū)、工業(yè)區(qū)、學院區(qū)，是1條縱貫開發(fā)區(qū)南、北方向的軌道交通線，也是亞洲首條采用Translohr膠輪導向電車的商業(yè)運行線路。

本文對該線路配屬的Translohr型電車電氣系統(tǒng)技術特征加以分析。

1 Translohr膠輪導向車電車簡介

Translohr型電車是法國勞爾公司歷經10年開發(fā)的100%的低地板膠輪導向電車。具有環(huán)保、低噪聲、轉彎半徑小、爬坡能力強、自重輕、行車限界小的特點。新交通試驗線采用Translohr STE3型電車，全長25 m，采用3模塊編組方式。車輛由2節(jié)司機室（ME）模塊、2節(jié)聯(lián)接（MI）模塊、3節(jié)乘客（MP）模塊組成，如圖1所示［1］。

圖1 Translohr STE3電車編組方式

Translohr STE3型電車的電氣部件如高壓盒、牽引控制單元、制動電阻、牽引電池包等均采用模塊化設計，布置于車頂。兩車頭驅動橋內各布置1臺鼠籠式異步電機。車下部分主要是電車導向機構設備。其總體技術參數(shù)如下：

車體長度25 000 mm，車體寬度2 200 mm，地板高度260 mm，車門數(shù)量6個（每側3個）；定員載客量167人，最大載客量212人，空車質量23 600 kg；最高運行速度70 km/h；線路最大坡度13%，最小轉彎半徑10.5 m；供電電壓DC 750（500~900）V；最大加速度1.3 m/s2，緊急減速度5 m/s2；制動類型為再生制動/電阻制動/空氣制動/盤式制動；供電方式為DC 750 V架空接觸網及自帶牽引電池包（最大滿足運行500 m）；車速60 km/h時，車內噪聲為69 dB，車外7.5 m處噪聲為80 dB。

2 電車電氣系統(tǒng)

Translohr電車電氣系統(tǒng)主要分為供電系統(tǒng)、牽引制動系統(tǒng)和命令控制系統(tǒng)3部分。

2.1 供電系統(tǒng)

Translohr電車通過DC 750 V接觸網的電源供電維持設備的正常運行。電車的供電系統(tǒng)由750 V直流高壓網絡、400 V交流中壓網絡和24 V直流低壓網絡等3套級別不同的供電網絡構成。

2.1.1 直流高壓網絡（750 V）

750 V直流高壓網絡為主供電電路，主要為乘客模塊的取暖設備、牽引逆變器和輔助逆變器供電。750 V直流高壓網絡設備安裝在電車的乘客模塊（MP模塊）的頂部。構成電能生成回路的主要設備包含受電弓、高速斷路器及其控制電路、避雷器、高壓盒、牽引逆變器接地回流裝置等。如圖2所示。

圖2 Translohr STE3電車供電示意圖

電車有2組牽引單元。電車通過安裝在MP3模塊的受電弓，從DC 750V架空接觸網上受流；高壓母線通過中間模塊的高速斷路器，分別送到ME1模塊和ME2模塊上的牽引逆變器及輔助逆變器上。牽引系統(tǒng)采用1個牽引逆變器帶1個牽引電機的“1拖1”的方式.牽引逆變器在牽引控制單元（TCU）的智能控制下變頻、變壓供電至牽引電機。

高壓側的高壓盒內分別有2組不同的差異繼電器，用于檢測進入電車的電流和經過集電靴回流到變電所的電流之間的差異。如果差異大于90 A，電車報警，降弓，并瞬間將高壓盒終端帶閉合，此時，DC 750 V供電電流在車內直接流通，回流至集電靴，排放至鋼軌上，防止乘客在車內觸電。

2.1.2 交流中壓網絡（400 V）

400 V交流中壓網絡電路系統(tǒng)主要用于牽引逆變器水冷系統(tǒng)供電、牽引蓄電池充電，以及乘客和駕駛室模塊空調（A/C）設備、空壓機、駕駛模塊加熱設備等的供電。

400 V交流中壓網絡供電系統(tǒng)由2個輔助逆變器提供。這2個輔助逆變器為設備提供冗余性電源，維持機車的運營。如果2個輔助逆變器中有1個發(fā)生故障，可通過高壓盒內的電流接觸器閉合，用于AC 400 V輔助線路的擴展供電。即由非故障端的輔助逆變器向電車兩端（ME1和ME2）中壓網絡各負載提供AC 400 V電源。

2.1.3 直流低壓網絡（24 V）

24 V直流低壓網絡電路系統(tǒng)主要用于車輛駕駛操作和車輛監(jiān)控功能，為車載計算機系統(tǒng)（CAOS）、無線電通訊系統(tǒng)（PCC）、車輛運行輔助系統(tǒng)、內部照明設備等供電。

24 V直流低壓網絡電路系統(tǒng)由AC 400 V× 3、50 Hz輔助電路系統(tǒng)中的2個24 V整流器和1組備用的24 V鉛酸電池包組成。2個整流器可保證電車弱電設備的正常供電。如果2個變流器都發(fā)生了故障，備用電池仍能供電30 min。

2.2 牽引制動系統(tǒng)

2.2.1 車輛牽引及控制

正常操作情況下，位于車輛兩端的電機負責牽引車輛。每個電機由牽引逆變器控制。逆變器由高壓回路供電。每個逆變器由TCU控制。2個TCU接入車輛有線串行網絡。車輛最大加速度限制為1.3 m/s2，且不考慮車輛載荷和線路條件。

在牽引系統(tǒng)（逆變器或電機）發(fā)生故障時，司機通過中央信息控制臺得到故障報警。故障系統(tǒng)被自動隔離，即逆變器前的觸點斷開，最大加速度被限定在0.5 m/s2以內。

2臺牽引電機為3相4極自冷式異步電機。電機的主要性能參數(shù)為：最大轉矩2 200 Nm，平均轉矩1 000 Nm，最大功率220 kW，最大轉速4 200 r/min，平均功率166 kW時其對應的轉速為1 500 r/min，絕緣電壓為3 800 V（持續(xù)1 min），冷卻方式為自冷卻。

牽引逆變器為兩極電壓逆變器，內部采用IGBT（絕緣柵晶體管）功率半導體組件，安裝在乘客模塊的車頂。逆變器箱由通風管道、密封部分組成。密封部分包括所有的IGBT模塊、DC 750 V輸入的電容、AC 400 V輸出濾波器、線性接觸器和命令控制系統(tǒng)支架。通風管道包含水/氣熱交換器、水冷卻循環(huán)的部件、冷卻風扇、濾波器線圈和輔助逆變器的輸出變壓器。逆變單元采用水和乙二醇的水循環(huán)冷卻系統(tǒng)制冷。

TCU控制著2個牽引逆變器，具有以下功能：

（1）通過邏輯電路接收信息，包括牽引扭矩大小、司機室模式操作請求、運行方向、CAN（控制器局域網）的選擇、電機轉速、在安全制動狀態(tài)下禁止的牽引命令等。

（2）接收來自CAN的信息，包括要求降低電機轉速、要求限制電機轉速、要求切斷電機牽引、要求關斷輔助負載，以及確保備用電池充電等信息。

（3）具有局部診斷功能，并且向CAN發(fā)送數(shù)據，包括車輛速度、電機轉速、牽引信號、制動信號、倒車信號、零速信號、備用電池充電狀態(tài)、接觸器和電路制動狀態(tài)（牽引、制動、惰性）、備用電池充電、備用電池溫度、電機溫度、線圈溫度、變壓器溫度、制動電阻溫度、冷卻溫度、牽引力值和接觸網電壓等。

（4）檢查和管理傳給IGBT的控制信號，由獨立的多處理器DSP（數(shù)字信號處理器）模塊執(zhí)行該功能。對收集的信號進行計算，并據此控制電機轉矩和轉速。當收到制動指令時，可抑制牽引。

（5）接收來自傳感器的信息，這些傳感器包括：1個位于電機上的速度傳感器（傳輸與電機轉速成正比的各種頻率脈沖），7個探熱儀（電機定子、備用電池、線圈、變壓器、制動電阻、冷卻裝置），2個電機相電流傳感器，4個備用電池電流傳感器，2個750 V直流電壓傳感器，1個24 V直流電壓傳感器。

2.2.2 車輛制動及控制

電車的制動由減速控制單元（DCU）控制。DCU根據剎車踏板的角度調節(jié)制動力，可觸發(fā)電制動和氣制動2種制動方式。電制動是指牽引電機的電動制動。電制動環(huán)路由電機、逆變器、TCU組成。電制動啟動后，牽引電機變?yōu)榘l(fā)電機，產生的電能通過TCU檢測：如果電壓低于900 V，則返回電網；如果電壓高于900 V，則由1個直流變直流的“變阻斬波器”控制，通過損耗電阻將電能消耗掉。氣制動是指DCU對每個軸上成比例的氣繼動閥（EVP）進行電控的氣壓制動。

電車的制動指令通過制動踏板來傳遞，在踏板的第1行程，電制動啟動，僅在電制動不足時，DCU觸發(fā)氣制動；在踏板的第2行程，氣制動被啟動，該踏程應對于緊急制動。Translohr STE3型電車的電制動及氣制動示意圖如圖3所示。

圖3 Translohr STE3電車電制動及氣制動示意圖

制動系統(tǒng)有以下工況：

（1）常用制動：當制動踏板處于第1行程時，啟動常用制動。其制動方式屬于電制動。常用制動可確保司機安全可靠地控制車輛速度，常用制動參數(shù)的設定要考慮到滿足乘客舒適性的要求。

（2）緊急制動：當制動踏板處于第2行程時，啟用緊急制動。其制動方式屬于氣制動。緊急制動是常用制動的最大等級，主要是為了保障乘客、司機的安全。該級最大減速度可達5 m/s2。

（3）安全制動：當車輛出現(xiàn)紅色故障、安全環(huán)路斷開時，或者按下司機室內的緊急按鈕后，安全制動被啟動。

（4）保持制動：當車輛停止時，保持制動被DCU自動啟動，從而有效防止車輛溜車現(xiàn)象發(fā)生。

（5）停放制動：當車輛停止，且當駕駛模式沒有被選擇時，停放制動被激活，處于工作狀態(tài)。其制動方式為彈簧施加制動力。

（6）最終制動：由司機座椅下的手柄啟動，即使沒有氣能也可將車輛停止，為最終制動措施。

3 電車命令控制系統(tǒng)

Translohr電車命令控制系統(tǒng)采用2種制式的控制系統(tǒng)，一種是基于CAN的車載控制系統(tǒng)，用于傳送非安全命令信號；另一種是基于SIL-3標準的安全板卡類監(jiān)視系統(tǒng)，用于監(jiān)視檢測所有的危險狀態(tài)，傳送安全命令信號。

3.1 基于CAN的車載控制系統(tǒng)

車載計算機系統(tǒng)是車輛命令控制系統(tǒng)的核心，負責電車幾乎所有數(shù)據的分析和處理工作，實現(xiàn)電車設備監(jiān)控、診斷功能，并提供接口，通過接口可下載電車運行數(shù)據及故障信息。該系統(tǒng)單元放置在司機室操作板下的空間內，采用屏蔽電纜連接。電纜在車頂封閉布放，用于隔離AC 400 V和DC 750 V電源信號，防止電磁干擾。

車載計算機系統(tǒng)主要由CAN（互為冗余的CAN A和CAN B）、網絡主機、I/O模塊、輔助CAN（CAN C）等組成，如圖4所示。

圖4 Translohr STE3電車車載計算機系統(tǒng)網絡拓撲圖

CAN由2條串行協(xié)議傳輸線組成，用來傳送非安全命令信號。網絡連接系統(tǒng)命令單元。網絡和接口均為冗余配置，司機可選擇CAN和網絡主機。

網絡主機置于司機室端模塊的機架內。每臺車有2個主機，每個主機專用1個網絡。網絡主機是命令系統(tǒng)的中央單元，主要負責：①和兩個牽引系統(tǒng)通信；②接收控制面板的指令并回復要求的結果；③保證整車CPU I/O卡執(zhí)行相關指令；④檢驗車輛前后輸入一致性并按要求顯示錯誤幀；⑤主板卡自診斷內部故障并在CAN上指示故障。

I/O模塊內有微處理器設備直接與串行線路連接，每個車輛模塊內有1個I/O機架，用來固定I/O模塊和CPU I/O卡。

CAN C主要為CAN提供如下連接：監(jiān)視輪胎的胎壓檢測接收器、DCU、牽引電池管理模塊和CAN A或CAN B的快速切換功能。

3.2 基于SIL—3標準的安全板卡類監(jiān)視系統(tǒng)

Translohr電車中涉及電車安全性的信息由安全卡來監(jiān)控，因此，安全板卡也是監(jiān)視系統(tǒng)中的核心組成部分。

安全板卡分為TYPE-123型和TYPE-4型2種，每個電車MP3模塊有1個TYPE-123型卡和2個TYPE-4型卡。TYPE-123型監(jiān)視卡監(jiān)控內容包括車門、導向裝置故障、接地控制故障、乘客報警、剎車氣壓監(jiān)測等信息。TYPE-4型監(jiān)視卡監(jiān)控內容包括車速信號、警惕按鈕、差異繼電器、高壓盒、緊急轉速表、受電弓等的信息。每個安全板卡控制多個安全繼電器，這些繼電器串聯(lián)起來組成1個安全環(huán)路。電車一側發(fā)送1個電壓值到環(huán)路，另一端按命令激活剎車單元、受電弓，牽引命令中斷。如果安全環(huán)路斷開，安全制動立即施加。電車出現(xiàn)故障后，司機可用輔助控制面板上的旁路按鈕來旁路相應故障，以便于車輛整個系統(tǒng)被破壞前，能自主排空回車輛基地進行維修（見圖5）。

圖5 Translohr STE3電車安全板卡類監(jiān)視系統(tǒng)連接圖

4 結語

天津新交通試驗線8輛Translohr STE3型電車自投入運行至今，運行總里程近150萬km。幾年來的運營實踐表明，該型電車的電氣系統(tǒng)設計合理、穩(wěn)定。目前，該電車電氣系統(tǒng)已由電氣故障頻發(fā)的磨合期逐步轉入穩(wěn)定期，電氣故障保持在較低的水平。同時，該電車能借助車載計算機系統(tǒng)實現(xiàn)對故障的快速診斷和維修。該型電車以其鮮明的模塊設計、牽引逆變單元的智能控制、計算機網絡控制及現(xiàn)場總線等技術的集成應用，為國內有軌電車的設計提供了借鑒和參考。

［1］ 高江寧.Translohr有軌電車軌道結構［J］.城市軌道交通研究，2012（4）：98.

［2］ 薛美根，楊立峰，程杰.現(xiàn)代有軌電車主要技術特征及國內外發(fā)展研究［J］.城市交通，2008，6（6）：88.

［3］ 楊丹燕.長春70%低地板輕軌車輛電氣系統(tǒng)［J］.電力機車與城軌車輛，2008，31（6）：8.

［4］ Lohr Industrie.D00004306-Translohr STE3 Technical Specifications［G］.天津：天津濱?？焖俳煌òl(fā)展有限公司，2006.

［5］ Lohr Industrie.D00006530-Translohr Electrical and Pneumatic Energies［G］.天津：天津濱海快速交通發(fā)展有限公司，2006.

上海松江有軌電車將于今年10月動工

松江有軌電車共規(guī)劃6條線路，總長90 km，設站118座，可與上海軌道交通9號線、12號線、22號線（金山鐵路）換乘。按規(guī)劃2016年6月示范線將投入試運營，2017年1月示范線正式運營。

（摘自2014年3月17日《上海市綜合交通規(guī)劃研究所網》）

Technical Characteristics of Electrical System of Rubber-tired Translohr Modern Trams

Qian Guangmin

The main technical characteristics of Translohr 100%integral low floor rubber-tired modern trams and the electrical structure for the New Transit Demonstration Line in Tianjin Development Zone are introduced.The technical characteristics of the new trams，including high voltage system，TCU，low voltage system，computer-aided operation system（CAOS）and CAN network bus on Translohr are analyzed in detail，to provide references for the design of Chinese modern trams.

rubber-tired Translohr trams；traction control unit；electrical system

U 482.103

2012-08-24）