深圳市地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)總部車輛中心安全技術(shù)部 胡 科
地鐵列車緊急啟動(dòng)單元改造
深圳市地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)總部車輛中心安全技術(shù)部 胡 科
本文分析地鐵列車緊急啟動(dòng)單元的可靠性和使用維護(hù)成本;研究新的啟動(dòng)單元,在保證使用可靠性的前提下,降低運(yùn)營(yíng)成本。
地鐵列車緊急啟動(dòng);蓄電池;緊急啟動(dòng)單元;電氣絕緣
緊急啟動(dòng)單元是地鐵列車蓄電池充電機(jī)模塊內(nèi)一個(gè)重要部件,它能保證在列車主蓄電池組嚴(yán)重饋電時(shí),列車的正常啟動(dòng);深圳地鐵1號(hào)線和2號(hào)線龐巴迪牽引系統(tǒng)車型上使用鉛酸蓄電池組作為列車緊急啟動(dòng)單元,該蓄電池組壽命周期約為5年,拆裝復(fù)雜,維護(hù)工作量大,使用成本高;若采用集成電路形式的緊急啟動(dòng)模塊,僅需結(jié)合列車大修進(jìn)行維護(hù),可有效降低該部件的全壽命使用成本。
充電機(jī)通過斷路器20F17用對(duì)緊急蓄電池進(jìn)行充電,緊急蓄電池通過斷路器20F18對(duì)外圍電路進(jìn)行供電,當(dāng)蓄電池電量低的時(shí)候,緊急啟動(dòng)蓄電池將幫助啟動(dòng)充電機(jī)模塊。按下司機(jī)室電源柜中緊急啟動(dòng)電源按鈕2SB01,緊急蓄電池2GB03將通過斷路器 20F18對(duì)繼電器2KA02線圈進(jìn)行供電,進(jìn)而通過2KA02的觸點(diǎn)對(duì)充電機(jī)的控制板件進(jìn)行供電。充電機(jī)開始工作,對(duì)全車的DC110V負(fù)載進(jìn)行供電,并同時(shí)對(duì)蓄電池以及緊急啟動(dòng)蓄電池進(jìn)行充電。當(dāng)充電機(jī)開始工作后,緊急蓄電池在延時(shí)繼電器2KT03計(jì)時(shí)到15分鐘后被切斷。
通過獨(dú)立的接線端子1和2可以輸入由接觸網(wǎng)得到的1500V。當(dāng)緊急啟動(dòng)模塊從3pin端口的管腳5檢測(cè)到外部的直流110V電路電壓過低,即原緊急蓄電池充電回路的電壓過低時(shí),緊急啟動(dòng)模塊從待機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)為工作,從3pin端口的管腳3和4輸出110V,
待司機(jī)室的操作人員按下緊急啟動(dòng)按鈕2SB01后,由緊急啟動(dòng)模塊提供的110V通過斷路器 20F18對(duì)繼電器2KA02線圈進(jìn)行供電,進(jìn)而通過2KA02的觸點(diǎn)對(duì)充電機(jī)的控制板件進(jìn)行供電。充電機(jī)開始工作,對(duì)全車的DC110V負(fù)載進(jìn)行供電,并同時(shí)對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。
緊急啟動(dòng)模塊在端口5檢測(cè)到通過2R02充電機(jī)對(duì)原緊急啟動(dòng)蓄電池開始充電的電壓恢復(fù)到110V后將由工作狀態(tài)轉(zhuǎn)為待機(jī)狀態(tài),也就是說在繼電器2KT03計(jì)時(shí)到15分鐘切斷緊急啟動(dòng)模塊輸出之前,緊急啟動(dòng)模塊已經(jīng)視充電機(jī)的工作情況先行由工作狀態(tài)轉(zhuǎn)為待機(jī)狀態(tài)了。
緊急啟動(dòng)模塊采用雙管串聯(lián)反激拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)1500V至110V的降壓功能,原理如下圖所示。
輸入電壓經(jīng)過濾波,輸入到反激變壓器輸入端。通過MOS管Q17導(dǎo)通,使得MOS管Q15的源極接地,GS間產(chǎn)生壓差,從而使MOS管Q15導(dǎo)通,由于輸入電壓較高,兩個(gè)管子幾乎是同時(shí)導(dǎo)通。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通,變壓器存儲(chǔ)能量,變壓器副邊的二極管承受反向電壓,處于截止?fàn)顟B(tài);當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷后,變壓器原邊存儲(chǔ)的能量釋放到副邊,副邊的二極管正向?qū)?,向輸出電容充電。通過PWM控制開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間,可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定輸出。
符號(hào)參數(shù)說明條件說明最小值典型值最大值單位UI輸入電壓范圍直流持續(xù)直流t≤20s 1000 900 1900 2100 V輸入電壓動(dòng)態(tài)范圍t≤20ms 2540 V UImin欠壓保護(hù)值900 V UImax過壓保護(hù)值2100 V輸入保護(hù)1個(gè)保險(xiǎn)管1.5kVdc輸入前極LC整機(jī)配置無
符號(hào)參數(shù)說明條件說明最小值典型值最大值單位POn額定輸出功率110 W短時(shí)輸出功率t≤2s每12分鐘允許輸出1S 200 W UO輸出電壓105 110115 V ΔUO輸出電壓穩(wěn)壓精度0A≤IO≤1A T=-40℃~+70℃10%UOV UOrms輸出電壓紋波額定負(fù)載,300KHz帶寬UOSS輸出電壓峰峰值20MHz帶寬6V 2.5 V tO電壓上升時(shí)間2 3 s 1000 V≤ UI≤ 1900 V 0 A ≤ IO≤ 1 A按下3腳和4腳開始計(jì)算輸出過壓關(guān)斷輸出短路電流(瞬時(shí))將輸出+UO和-UO短接150 V 10 A
應(yīng)對(duì)措施:在設(shè)計(jì)時(shí)就充分考慮模塊與箱體其他部件間的安全間距,并且在安裝模塊時(shí)用絕緣擋板以及絕緣紙將其他元器件與緊急啟動(dòng)模塊隔開。
應(yīng)對(duì)措施:設(shè)計(jì)中讓緊急啟動(dòng)模塊在平時(shí)待機(jī)不工作,在檢測(cè)到110V電網(wǎng)電壓過低時(shí)才啟動(dòng)工作,減少模塊的工作時(shí)間,在模塊輸入的前級(jí)接著電感后面,增加承受電壓波動(dòng)沖擊的能力。
應(yīng)對(duì)措施:在模塊的輸入端,做好1500的隔離,并且再此處加裝保險(xiǎn)絲,一旦1500V在擊穿元器件在模塊內(nèi)部短路就熔斷前級(jí)的保險(xiǎn)絲,保護(hù)模塊外的1500V電路。
緊急蓄電池組采用9個(gè)蓄電池單體串聯(lián)組成電池組,單體電壓12V容量 1.2Ah,單體采購成本約950元;蓄電池組在列車架修時(shí)更換,更換人工費(fèi)約240元,以地鐵列車30年壽命計(jì)算,須進(jìn)行5次維護(hù)。
緊急啟動(dòng)模塊采用集成電路,每套采購成本約15000元,模塊每10年進(jìn)行一次維護(hù),維護(hù)成本按采購成本30%計(jì)算,維護(hù)人工費(fèi)約120元,以地鐵列車30年壽命計(jì)算,須進(jìn)行2次維護(hù)。
按照以上計(jì)算方式,得出兩種設(shè)備全壽命維護(hù)成本,見表1,表2:
表1 緊急啟動(dòng)單元全壽命成本分析1
表2 緊急啟動(dòng)單元全壽命成本分析2
如采用緊急啟動(dòng)單元,按照列車30年壽命周期計(jì)算,深圳地鐵2號(hào)線35列車可節(jié)省運(yùn)營(yíng)成本¥134.19萬元。
深圳地鐵2號(hào)線已完成緊急啟動(dòng)單元的改造試驗(yàn),目前改造的緊急啟動(dòng)模塊功能穩(wěn)定,后續(xù)將在深圳地鐵1號(hào)線和2號(hào)線龐巴迪車型上結(jié)合列車架(大)修進(jìn)行改造;改造完成后,將在上述列車壽命周期內(nèi)為地鐵公司節(jié)約近¥200萬元的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。
胡科(1982—),男,四川內(nèi)江人,深圳地鐵集團(tuán)有限公司主管工程師,主要從事城市軌道交通車輛專業(yè)技術(shù)管理。