(中車浦鎮(zhèn)龐巴迪運(yùn)輸系統(tǒng)有限公司,210031,南京∥工程師)

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地鐵車輛空氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)換供電電路設(shè)計(jì)方案改進(jìn)胡亞軍

(中車浦鎮(zhèn)龐巴迪運(yùn)輸系統(tǒng)有限公司,210031,南京∥工程師)

結(jié)合實(shí)際地鐵項(xiàng)目,對(duì)空氣壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)換供電控制電路進(jìn)行了介紹,針對(duì)原型電路存在的安全隱患,提出了3個(gè)改進(jìn)方案。對(duì)各改進(jìn)方案的電路及控制邏輯做了分析和比較,最終確定了遠(yuǎn)程輸入輸出模塊(RIOM)常閉型觸點(diǎn)串聯(lián)冗余改進(jìn)方案為最為安全、可靠的空壓機(jī)轉(zhuǎn)換供電電路方案。

地鐵; 空氣壓縮機(jī); 轉(zhuǎn)換供電; 故障分析

Author′s address CRRC Puzhen Bombardier Transportation Systems Limited,210031,Nanjing,China

空氣壓縮機(jī)(以下簡(jiǎn)為“空壓機(jī)”)作為地鐵車輛的一項(xiàng)關(guān)鍵系統(tǒng)部件,是空氣制動(dòng)、受電弓等設(shè)備唯一的壓縮空氣來源。目前，空壓機(jī)大多采用AC 380 V中壓交流供電。一般情況下整列列車共配置2臺(tái)空壓機(jī),根據(jù)具體項(xiàng)目列車交流供電方案的不同,空壓機(jī)的供電方式也不盡相同。如全車僅有1條中壓交流供電母線,則空壓機(jī)均接入該母線;如全車有2條或以上中壓交流供電母線,則空壓機(jī)接入不同母線。本文從南京地鐵1號(hào)線南延線、南京地鐵10號(hào)線、蘇州地鐵2號(hào)線、南京地鐵1號(hào)線增購(gòu)等地鐵項(xiàng)目出發(fā),分析了空壓機(jī)轉(zhuǎn)換供電控制原型電路及改進(jìn)電路的不同形式,探討了每種電路和控制邏輯的主要特點(diǎn),并確定了最為安全、可靠的電路方案。

1 空壓機(jī)供電方案

在南京地鐵1號(hào)線南延段、南京地鐵10號(hào)線、蘇州地鐵2號(hào)線、南京地鐵1號(hào)線增購(gòu)車輛項(xiàng)目中,列車編組形式為TC-MP-M-M-MP-TC(TC為帶司機(jī)室的拖車,MP為帶受電弓的動(dòng)車,M為不帶受電弓的動(dòng)車)。全車中壓交流供電采用交叉供電方式,每輛TC車配置1臺(tái)輔助逆變器(SIV),每臺(tái)輔助逆變器輸出1路AC 380 V三相交流母線。全車總共通過2路獨(dú)立的三相交流母線向整車所有交流負(fù)載供電,且全車的交流負(fù)載均勻地分布在兩路中壓交流母線上,并實(shí)現(xiàn)重要交流負(fù)載的轉(zhuǎn)換供電,如空壓機(jī)(每輛Tc車各1臺(tái))。列車交流供電原理如圖1所示。圖1中僅畫出空壓機(jī)的供電,省略了車輛上其它交流負(fù)載。

在圖1的電路中,當(dāng)本端輔助逆變器交流輸出正常且其交流供電母線無短路異常時(shí),CSK1(轉(zhuǎn)換供電接觸器1)觸點(diǎn)閉合,本端空壓機(jī)由本端輔助逆變器供電;當(dāng)本端輔助逆變器交流輸出故障或其交流供電母線發(fā)生短路異常時(shí),CSK2(轉(zhuǎn)換供電接觸器2)觸點(diǎn)閉合,本端空壓機(jī)改由遠(yuǎn)端輔助逆變器供電,實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)的轉(zhuǎn)換供電。對(duì)于該電路而言,對(duì)空壓機(jī)轉(zhuǎn)換供電的控制最終又落在了對(duì)CSK1和CSK2這兩個(gè)接觸器的控制上面。下面將對(duì)轉(zhuǎn)換供電的控制電路原型及各改進(jìn)電路進(jìn)行逐一分析。

2 空壓機(jī)轉(zhuǎn)換供電控制電路原型

在空壓機(jī)轉(zhuǎn)換供電控制電路設(shè)計(jì)之初,使用了圖2所示的空壓轉(zhuǎn)換供電電路方案。該電路中,當(dāng)本端SIV檢測(cè)到交流輸出正常時(shí)端口X2輸出信號(hào)使得CSR(轉(zhuǎn)換供電繼電器)激活,從而控制CSK1激活、CSK2失電,因而本端空壓機(jī)由本端輔助逆變器供電。當(dāng)本端SIV檢測(cè)到交流輸出故障時(shí),SIV輔助逆變器端口X2無信號(hào)輸出,CSR失電。從而控制CSK1失電、CSK2激活,因而本端空壓機(jī)改由遠(yuǎn)端輔助逆變器供電,最終實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)的轉(zhuǎn)換供電控制(見圖1)。在本方案中,CSK1和CSK2之間存在一種電氣互鎖關(guān)系；為增強(qiáng)安全性和可靠性,CSK1和CSK2之間同時(shí)設(shè)置了機(jī)械互鎖裝置,以保證CSK1和CSK2在任何時(shí)刻均不會(huì)同時(shí)激活。

圖2 空壓機(jī)轉(zhuǎn)換供電電路原型

該電路原型曾經(jīng)在南京地鐵1號(hào)線南延段、蘇州地鐵2號(hào)線等項(xiàng)目中采用,但在列車實(shí)際運(yùn)營(yíng)過程中發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的安全隱患。如果當(dāng)本端空壓機(jī)內(nèi)部發(fā)生供電短路故障時(shí),本端SIV一旦檢測(cè)到交流輸出故障則采取保護(hù)措施,切斷本端交流母線的輸出；同時(shí)電路中SIV端口X2無信號(hào)輸出,使得CSK1失電，CSK2激活。于是本端存在短路故障的空壓機(jī)轉(zhuǎn)換為由遠(yuǎn)端SIV供電,從而空壓機(jī)短路故障轉(zhuǎn)移到遠(yuǎn)端交流母線；遠(yuǎn)端SIV同樣檢測(cè)到交流輸出故障后采取保護(hù)措施,切斷遠(yuǎn)端交流母線的輸出。因此，造成全車的交流供電母線癱瘓。如果該故障在正線運(yùn)營(yíng)時(shí)發(fā)生,則會(huì)導(dǎo)致清客或列車救援。

為了解決這一問題,對(duì)空壓機(jī)轉(zhuǎn)換供電原型電路進(jìn)行了一系列的改進(jìn)。

3 空壓機(jī)轉(zhuǎn)換供電控制電路改進(jìn)

通過對(duì)原型電路的分析,需要將TCMS(列車控制與管理系統(tǒng))引入到空壓機(jī)轉(zhuǎn)換供電控制電路。TCMS既能夠通過列車通信網(wǎng)絡(luò)與SIV等各車載設(shè)備傳輸數(shù)據(jù),又能夠通過RIOM(遠(yuǎn)程輸入/輸出模塊)設(shè)備的I/O(輸入/輸出)接口與硬線電路之間傳遞信號(hào)。據(jù)此,設(shè)計(jì)出幾種改進(jìn)電路方案。

3.1 方案一

方案一為RIOM常開型觸點(diǎn)并聯(lián)冗余方案(見圖3)。該方案在圖2原型電路的基礎(chǔ)上增加1條與SIV的X1、X2端口所在支路1并聯(lián)的支路2。支路2由RIOM1和RIOM2常開型觸點(diǎn)并聯(lián)后,再與CSR常開觸點(diǎn)23、24串聯(lián)組成。RIOM 設(shè)備內(nèi)部為單刀雙擲觸點(diǎn)(COM為公共端,NC為常閉觸點(diǎn),NO為常開觸點(diǎn)),TCMS通過控制 RIOM 內(nèi)部觸點(diǎn)的動(dòng)作控制與外部電路的接通與斷開。方案一中TCMS的控制邏輯如圖4所示。

圖3 空壓機(jī)轉(zhuǎn)換供電改進(jìn)電路方案一

圖4 方案一轉(zhuǎn)換供電TCMS控制邏輯

該控制邏輯中,當(dāng)且僅當(dāng)SIV檢測(cè)到交流供電母線發(fā)生短路故障時(shí),SIV向TCMS發(fā)出禁止轉(zhuǎn)換供電信號(hào)。如圖3所示,當(dāng)TCMS判斷認(rèn)為應(yīng)禁止轉(zhuǎn)換供電時(shí),控制RIOM1和RIOM2觸點(diǎn)動(dòng)作(即COM端和NO端接通)。由于SIV在檢測(cè)到交流供電母線短路故障之前,X2端口一直有輸出,從而使得繼電器CSR激活,則與RIOM串聯(lián)的CSR常開觸點(diǎn)<23、24>接通；因此,即使本端SIV檢測(cè)到交流供電母線發(fā)生短路，從而導(dǎo)致支路1斷開,支路2也仍然處于導(dǎo)通狀態(tài),則CSR保持在激活狀態(tài)不會(huì)失電,CSK1保持激活狀態(tài),CSK2保持失電狀態(tài),本端空壓機(jī)供電不會(huì)轉(zhuǎn)換為由遠(yuǎn)端SIV供電。如果本端空壓機(jī)發(fā)生供電短路故障,該故障不會(huì)轉(zhuǎn)移至遠(yuǎn)端SIV的交流供電母線,則不會(huì)造成全車的交流供電母線癱瘓,從而避免了原型電路存在的安全隱患。

為了實(shí)現(xiàn)冗余控制,改進(jìn)方案一中采用了RIOM1和RIOM2的常開觸點(diǎn)并聯(lián)形式。即使其中1個(gè)RIOM故障,與之并聯(lián)的另外1個(gè)RIOM也仍然能夠工作,對(duì)轉(zhuǎn)換供電的控制不會(huì)造成影響。最極端的情況是2個(gè)RIOM均故障。此時(shí)，支路2斷開,TCMS不會(huì)禁止空壓機(jī)轉(zhuǎn)換供電。這在一定程度上保證了空壓機(jī)的可用性。從理論上來講,2個(gè)RIOM均已故障的情況下，如果空壓機(jī)再發(fā)生短路故障,則空壓機(jī)短路故障會(huì)轉(zhuǎn)移至遠(yuǎn)端交流供電母線。但這種情況已屬于多重故障,屬于小概率事件,實(shí)際上幾乎不可能發(fā)生。

圖3中,支路2使用了CSR常開觸點(diǎn)23、24與RIOM串聯(lián)。CSR常開觸點(diǎn)的意義是,只有當(dāng)支路1導(dǎo)通使得繼電器CSR激活時(shí),此處TCMS的轉(zhuǎn)換供電控制功能才能夠發(fā)揮作用。當(dāng)SIV正常工作時(shí),繼電器CSR始終保持激活狀態(tài),CSR常開觸點(diǎn)23、24閉合;當(dāng)SIV無法提供交流電時(shí)支路1斷開,由TCMS根據(jù)SIV無法提供交流電的原因判斷是否需要進(jìn)行空壓機(jī)轉(zhuǎn)換供電,從而進(jìn)行相應(yīng)的控制。

該改進(jìn)電路及控制方案已在南京地鐵1號(hào)線南延線電路整改時(shí)采用,并在南京地鐵10號(hào)線項(xiàng)目中采用。

3.2 方案二

方案二為RIOM常閉型觸點(diǎn)串聯(lián)冗余方案。將方案一電路中支路2的RIOM1和RIOM2常開觸點(diǎn)并聯(lián)方式改為RIOM1和RIOM2常閉觸點(diǎn)串聯(lián)方式,電路其它部分不變。該方案電路如圖5所示。方案二中TCMS的控制邏輯如圖6所示。

3.3 方案一與方案二比較

比較圖4和圖6后可以看出,方案一和方案二中轉(zhuǎn)換供電TCMS控制邏輯的區(qū)別如下:

(1) 方案一中，RIOM觸點(diǎn)動(dòng)作時(shí)電路接通,表示TCMS禁止轉(zhuǎn)換供電;RIOM觸點(diǎn)不動(dòng)作時(shí)電路斷開,表示TCMS允許轉(zhuǎn)換供電。

(2) 方案二中，RIOM觸點(diǎn)動(dòng)作時(shí)電路斷開,表示TCMS允許轉(zhuǎn)換供電;RIOM觸點(diǎn)不動(dòng)作時(shí)電路接通,表示TCMS禁止轉(zhuǎn)換供電。

圖5 空壓機(jī)轉(zhuǎn)換供電改進(jìn)電路方案二

圖6 方案二的轉(zhuǎn)換供電TCMS控制邏輯

由此可見,因?yàn)镽IOM觸點(diǎn)動(dòng)作邏輯是由電路形式?jīng)Q定的。因此，雖然2種方案中RIOM觸點(diǎn)動(dòng)作邏輯相反,但電路的控制邏輯卻一致(電路接通表示TCMS禁止轉(zhuǎn)換供電,斷開表示TCMS允許轉(zhuǎn)換供電)。方案二電路與方案一電路的主要區(qū)別見表1。

從表1可以看出,方案一電路和方案二電路最本質(zhì)的區(qū)別在于兩個(gè)RIOM均故障情況時(shí)的控制差異。當(dāng)兩個(gè)RIOM均故障、并且空壓機(jī)再發(fā)生短路故障時(shí),方案一中TCMS允許轉(zhuǎn)換供電,則空壓機(jī)短路故障會(huì)轉(zhuǎn)移至遠(yuǎn)端交流供電母線,屬于多重故障,其發(fā)生概率極低;方案二中TCMS禁止轉(zhuǎn)換供電,則空壓機(jī)短路故障不會(huì)轉(zhuǎn)移至遠(yuǎn)端交流供電母線。因此,方案二具有更高的安全性和可靠性,最大限度地降低了原型電路中存在的列車安全隱患。

還存在另外一個(gè)問題。由于2個(gè)TC車SIV每次上電啟動(dòng)的先后順序不盡相同,如果本端SIV晚于遠(yuǎn)端SIV完成啟動(dòng),則方案二中遠(yuǎn)端SIV的X2端口比本端SIV更早輸出,使得遠(yuǎn)端CSR比本端CSR更先激活,于是造成兩端SIV啟動(dòng)時(shí)間差內(nèi)這段時(shí)間的本端CSK1失電、CSK2激活,本端空壓機(jī)由遠(yuǎn)端SIV的交流母線供電;當(dāng)本端SIV啟動(dòng)后X2端口輸出使得本端CSK1激活、CSK2失電,本端空壓機(jī)重新恢復(fù)由本端SIV的交流母線供電。因此,兩端SIV啟動(dòng)過程中CSK1和CSK2都存在一次瞬間的通-斷跳變過程。由于SIV每次啟動(dòng)時(shí)CSK1和CSK2均存在一次瞬間跳變的風(fēng)險(xiǎn),從長(zhǎng)遠(yuǎn)來說這會(huì)對(duì)接觸器的使用壽命產(chǎn)生一定的影響。為了解決這一問題,我們對(duì)方案二電路進(jìn)行改動(dòng),取消方案二支路2中的CSR常開觸點(diǎn)23、24,得到方案三。

3.4 方案三及方案比較

方案三電路如圖7所示。可見，方案三取消了方案二電路里面支路2中的CSR常開觸點(diǎn)23、24,同時(shí)在轉(zhuǎn)換供電TCMS控制邏輯中增加了“當(dāng)SIV在啟動(dòng)過程中時(shí),TCMS禁止轉(zhuǎn)換供電”這一邏輯。因此，在SIV啟動(dòng)過程中,本端CSR激活、CSK1激活、CSK2失電,本端空壓機(jī)由本端SIV的交流母線供電,從而成功避免了方案二中CSK1和CSK2瞬間跳變的風(fēng)險(xiǎn)。

圖7 空壓機(jī)轉(zhuǎn)換供電改進(jìn)電路方案三

綜上所述,方案三既避免了原型電路存在的空壓機(jī)短路引起全車交流供電母線癱瘓的安全隱患,又解決了接觸器CSK1和CSK2瞬間跳變的問題,并且最大限度地保證了列車交流供電母線的安全性和可靠性,其方案優(yōu)勢(shì)最為明顯。目前方案三已經(jīng)在南京地鐵1號(hào)線增購(gòu)項(xiàng)目中采用。

最后,將RIOM常開型觸點(diǎn)并聯(lián)冗余方案(方案一)、RIOM常閉型觸點(diǎn)串聯(lián)冗余方案(方案二和方案三)的主要技術(shù)特性進(jìn)行對(duì)比,對(duì)比結(jié)果如表2所示。

4 結(jié)語

空壓機(jī)作為地鐵車輛的關(guān)鍵系統(tǒng)部件,對(duì)列車運(yùn)行及行車安全來說意義極其重大,本文結(jié)合多個(gè)地鐵項(xiàng)目空壓機(jī)轉(zhuǎn)換供電設(shè)計(jì)電路,并結(jié)合列車運(yùn)營(yíng)時(shí)出現(xiàn)的實(shí)際問題,指出了原型電路設(shè)計(jì)存在的空壓機(jī)短路引起全車交流供電母線癱瘓這一安全隱患,并提出一系列改進(jìn)電路方案,對(duì)每種改進(jìn)電路方案及其TCMS控制邏輯做了分析和對(duì)比,并最終確定了一種綜合優(yōu)勢(shì)最為明顯,最為安全、可靠的空壓機(jī)轉(zhuǎn)換供電電路方案,將其成功運(yùn)用于實(shí)際項(xiàng)目。

表2 方案三與方案一、方案二比較

[1] 姜敏.新型西門子地鐵列車空氣壓縮機(jī)的控制分析[J].淮北職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2013,12(6):141.

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[5] 陶艷.列車網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)原理與應(yīng)用[M].北京:中國(guó)電力出版社,2010.

更正

《城市軌道交通研究》2016年第8期《城市軌道交通與鐵路直通運(yùn)營(yíng)模式下站臺(tái)客流組織》一文第一作者李明高的工作單位，更正為“北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司交通研究中心”。

Improvement of Air Compressor Converting Power Supply Circuit on Metro VehicleHU Yajun

Based on actual metro projects, the converting power supply circuit of air compressor is introduced. According to the hidden problems existed in the prototype circuit, 3 improved solutions are put forward, their circuits and control logics are analyzed and compared. In the end, the most reliable and safe solution that adopts the air compressor converting power supply circuit is confirmed.

metro; air compressor; converting power supply; fault analysis

TH 45

10.16037/j.1007-869x.2016.09.028

2014-11-28)