曾東亮

(成都地鐵運(yùn)營有限公司， 成都 610051)

成都地鐵17、18號(hào)線是成都地鐵線網(wǎng)中首次建設(shè)的兩條市域快線，車輛采用A+型車，6動(dòng)兩拖(6M2T)8輛編組，如圖1。列車采用交流25 kV供電制式，電氣牽引系統(tǒng)采用交-直-交供電方式和變頻變壓(VVVF)的變流器控制技術(shù)，具有良好的空轉(zhuǎn)/滑行控制功能，采用電制動(dòng)優(yōu)先、空氣制動(dòng)補(bǔ)足的電空混合制動(dòng)方式。與普通地鐵車輛直-交的供電方式相比，該系統(tǒng)的特點(diǎn)主要表現(xiàn)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、高壓系統(tǒng)設(shè)備及牽引控制等方面。

圖1 車輛編制圖

車輛主要技術(shù)參數(shù)：

在額定載員情況下，在平直干燥軌道上，車輪為半磨耗狀態(tài)，額定供電電壓時(shí)，平均加速度為：

(1)列車從0加速到50 km/h： ≥1.0 m/s2

(2)列車從0加速到140 km/h： ≥0.5 m/s2

在額定載員情況下，在平直干燥軌道上，車輪半磨耗狀態(tài)，列車在最高運(yùn)行速度140 km/h時(shí)，從給制動(dòng)指令到停車，平均減速度為：

(1)最大常用制動(dòng)： ≥1.0 m/s2

(2)緊急制動(dòng)： ≥1.2 m/s2[1]

AW3工況下列車牽引、制動(dòng)曲線圖如圖2：

1 市域快線電氣牽引系統(tǒng)差異性特點(diǎn)

與普通地鐵直-交供電方式相比，成都市域快線的牽引系統(tǒng)主要有以下差異性特點(diǎn)：

圖2 AW0牽引、制動(dòng)特性曲線

(1)采用交-直-交的供電方式將AC 25 kV單相交流電通過降壓、整流、逆變等方式轉(zhuǎn)換為變頻調(diào)壓的電源或穩(wěn)定的AC 380 V電源；

(2)交流供電方式?jīng)Q定了運(yùn)行時(shí)只能單弓受流；

(3)新增了用于降壓的牽引變壓器及控制箱，用于整流的網(wǎng)側(cè)變流器以及適用于高壓的電壓、電流互感器等高壓設(shè)備；

(4)取消原設(shè)置于每節(jié)車的高壓斷路器，每個(gè)單元增加了主斷路器和高壓隔離開關(guān)，分別用于向列車高壓供電和在有故障的條件下激活冗余設(shè)備；

(5)采用車控方式，每套牽引變流器單元給一輛動(dòng)車上的4臺(tái)牽引電機(jī)供電；

(6)增強(qiáng)了冷卻方式，牽引變流器首次采用水冷與風(fēng)冷的混合冷卻方式確保變流器工作在穩(wěn)定的溫度環(huán)境中。

2 市域快線電氣牽引系統(tǒng)構(gòu)成

市域快線列車AC 25 kV的供電制式是其牽引系統(tǒng)相比于普通地鐵車輛牽引系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì)變化的主要原因，因此本線路除車輛的機(jī)械驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)與普通地鐵車輛相似外，其高壓系統(tǒng)、牽引輔助系統(tǒng)、控制系統(tǒng)與普通地鐵車輛相比差異性特點(diǎn)明顯。

該牽引系統(tǒng)由兩個(gè)基本動(dòng)力單元組成，單元內(nèi)的電氣設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，可通過高壓隔離開關(guān)隔離一個(gè)單元，減少故障對(duì)整列車的影響。圖3是一個(gè)牽引系統(tǒng)的基本單元。

市域快線牽引系統(tǒng)的電能轉(zhuǎn)換過程如下：

①來自接觸網(wǎng)的AC 25 kV交流電壓經(jīng)受電弓、高壓回路、牽引變壓器輸入到各變流器，其中牽引變流器為牽引電機(jī)提供變頻變壓的交流電源；

②每個(gè)牽引變流器配置一個(gè)牽引控制單元，牽引控制單元將列車控制變量和控制指令轉(zhuǎn)換成牽引變流器的控制信號(hào)，對(duì)牽引變流器和牽引電機(jī)進(jìn)行控制(列車速度調(diào)節(jié)、保護(hù)、變流器脈沖模式的產(chǎn)生等)。

圖3 牽引系統(tǒng)(半列)電氣原理圖

2.1 高壓系統(tǒng)

市域快線車輛高壓系統(tǒng)設(shè)備與普通地鐵車輛相比，設(shè)備耐壓等級(jí)高、設(shè)備種類多。除受電弓、避雷器外，新增了電流互感器、電壓互感器、主斷路器、高壓隔離開關(guān)等設(shè)備，替代普通地鐵車輛的熔斷器設(shè)備，增強(qiáng)設(shè)備的過壓過流保護(hù)性能。如圖4是其中一個(gè)單元的高壓系統(tǒng)，其主要特點(diǎn)及功能如下：

(1)受電弓單弓受流，另一臺(tái)備用。

(2)主斷路器對(duì)高壓側(cè)主回路進(jìn)行開關(guān)和隔離保護(hù)。

(3)電壓互感器和電流互感器分別監(jiān)測網(wǎng)側(cè)的電壓和電流，主要為主斷路器和高壓隔離開關(guān)的控制提供監(jiān)測信號(hào)。

(4)25 kV母線設(shè)置高壓隔離開關(guān)，當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí)，用于隔離故障。

(5)在每臺(tái)牽引變壓器前設(shè)置瞬態(tài)電感器，利用其阻礙電流變化的特性，用于避免主斷路器在關(guān)閉瞬間的涌流對(duì)牽引變壓器等后端設(shè)備的影響。

(6)在兩輛Tp車設(shè)置車載自動(dòng)過分相裝置及車載感應(yīng)器。當(dāng)車輛通過分相區(qū)時(shí)，過分相裝置根據(jù)地面磁鋼位置自動(dòng)發(fā)出過分相信號(hào)，封鎖牽引指令、隨后自動(dòng)分?jǐn)嘀鲾嗦菲?，通過分相區(qū)后，自動(dòng)閉合主斷路器、啟動(dòng)牽引，從而自動(dòng)實(shí)現(xiàn)車輛通過分相區(qū)。

圖4 半列車的高壓系統(tǒng)

2.2 牽引系統(tǒng)

市域快線的牽引系統(tǒng)在普通地鐵車輛原有的牽引變流器、輔助變流器基礎(chǔ)上，增加了牽引變壓器、網(wǎng)側(cè)變流器及變壓器控制箱。

2.2.1牽引變壓器

牽引變壓器將AC 25 kV高壓降為適合網(wǎng)側(cè)變流器的輸入電壓(AC 950 V)，同時(shí)變壓器也作為車輛高壓系統(tǒng)和牽引系統(tǒng)之間的電隔離。牽引變壓器主要由1個(gè)原邊繞組和6個(gè)牽引繞組構(gòu)成(如圖5)。變壓器采用油冷卻方式，冷卻設(shè)備由油泵、熱交換器和風(fēng)機(jī)組成。變壓器控制箱(TCB)通過數(shù)字/模擬輸入輸出單元(DX/AX)控制牽引變壓器冷卻設(shè)備(泵、風(fēng)扇)和高壓設(shè)備(主斷路器、高壓隔離開關(guān))，并通過輸入輸出單元向列車TCMS及牽引控制系統(tǒng)提供監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

圖5 牽引變壓器繞組示意圖

2.2.2變流器單元

市域快線列車的牽引變流器單元高度集成在一個(gè)牽引箱體內(nèi)，主要分為網(wǎng)側(cè)變流器模塊、牽引變流器模塊、輔助變流器模塊及冷卻單元。

(1) 網(wǎng)側(cè)變流器

網(wǎng)側(cè)變流器(LCM)將牽引變壓器降壓后的單相50 Hz交流電壓整流為直流電壓，在牽引和再生制動(dòng)期間將直流母線電壓控制在直流1 500～1 800 V之間。網(wǎng)側(cè)變流器由并聯(lián)連接的兩個(gè)自換向IGBT模塊橋組成，每個(gè)橋連接到6繞組牽引變壓器上的1個(gè)繞組，如主電路圖6所示。

圖6 LCM整流原理圖

(2)牽引變流器模塊

牽引變流器(MCM)采用六脈沖三相逆變器原理把中間直流電壓變?yōu)榭勺冾l調(diào)壓的三相輸出電壓(VVVF)，為三相異步電動(dòng)機(jī)供電。

牽引變流器的電源轉(zhuǎn)換采用基于微處理器控制邏輯的IGBT，變流器控制器以一定的順序控制IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷，通過PWM斬波改變IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，即改變IGBT的占空比，得到不同的輸出頻率和電壓，使輸出端獲得三相交流電壓[2]，如圖7。

圖7 牽引變流器(MCM)逆變?cè)韴D

(3)輔助變流器模塊

輔助變流器(ACM)從網(wǎng)側(cè)變流器(LCM)中間直流回路取電，經(jīng)過逆變、降壓和濾波后輸出三相AC 380 V 50 Hz，為空調(diào)系統(tǒng)、主空壓機(jī)、牽引系統(tǒng)冷卻風(fēng)機(jī)等設(shè)備供電。充電機(jī)從輔助變流器輸出的三相AC 380 V取電，經(jīng)過整流、降壓和濾波后輸出DC 110 V，為控制系統(tǒng)、照明、影視廣播等設(shè)備供電；24 V電源模塊將DC 110 V轉(zhuǎn)化為DC 24 V為24 V設(shè)備供電；單相AC 220 V從三相中某一相與中線之間取電，為插座等設(shè)備供電。

市域快線車輛采用4臺(tái)輔助變流器并網(wǎng)供電的方式，正常情況下4臺(tái)輔助變流器并聯(lián)在三相四線AC 380 V母線上，向全列負(fù)載供電；當(dāng)1臺(tái)輔助變流器發(fā)生故障時(shí)，通過切斷故障輔助變流器的輸出接觸器將其隔離，其余3臺(tái)正常供電，所有用電設(shè)備均可正常工作；當(dāng)2臺(tái)輔助變流器故障時(shí)，通過切斷故障輔助變流器的輸出接觸器將其隔離，其余2臺(tái)正常供電，空調(diào)系統(tǒng)按輔助變流器能力損失情況進(jìn)行減載，其他負(fù)載正常工作。

(4)冷卻系統(tǒng)

由于變流器高度集成在一個(gè)箱體內(nèi)，發(fā)熱量較大，因此本線路車輛牽引系統(tǒng)首次采用了水冷+風(fēng)冷的混合冷卻系統(tǒng)。冷卻模塊位于牽引箱冷卻前段裝置中，由風(fēng)機(jī)、水泵、熱交換器器和膨脹容器組成，其中熱交換器為空氣-水熱交換器。風(fēng)冷和水冷同時(shí)對(duì)箱體內(nèi)設(shè)備進(jìn)行混合冷卻，對(duì)于箱體內(nèi)發(fā)熱量較大的LCM、MCM及ACM主要為水冷，其余設(shè)備為強(qiáng)迫風(fēng)冷。

3 牽引控制系統(tǒng)

3.1 控制系統(tǒng)構(gòu)成

牽引控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)側(cè)變流器、牽引/輔助變流器、變壓器控制箱的控制及高壓部件(受電弓、主斷路器、高壓隔離開關(guān))的協(xié)調(diào)控制(其中受電弓、高壓隔離開關(guān)、主斷路器的控制還屬于列車TCMS控制的一部分)?？刂葡到y(tǒng)由牽引控制單元(PCU)、網(wǎng)側(cè)變流器驅(qū)動(dòng)單元(DCU/L)、牽引變流器驅(qū)動(dòng)控制單元(DCU /M)、輔助變流器驅(qū)動(dòng)控制單元(DCU/A)、模擬輸入輸出單元(AX)、數(shù)字輸入輸出單元(DX)以及用于診斷存儲(chǔ)的中央診斷單元(CCU-D)組成，其中網(wǎng)側(cè)變流器驅(qū)動(dòng)單元(DCU/L)中集成了牽引控制單元(PCU)。各單元使用標(biāo)準(zhǔn)化的MVB(多功能車輛總線)與車輛TCMS系統(tǒng)通信。

圖8為半列車的牽引控制架構(gòu)：

3.2 控制特點(diǎn)

市域快線的牽引控制系統(tǒng)采用分級(jí)控制的分布式控制方式，如圖8所示，PCU接受來自列車TCMS網(wǎng)絡(luò)的指令后，經(jīng)過內(nèi)部運(yùn)算和控制量的分配，實(shí)現(xiàn)對(duì)各DCU及牽引變壓器控制箱(TCB)的控制。全列車6個(gè)PCU中參與TCB的4個(gè)PCU互為冗余，在任意時(shí)刻通過列車主控端及單雙日啟動(dòng)確定唯一的主PCU。

其中DCU/L控制網(wǎng)側(cè)變流器，將其從牽引變壓器饋送的AC電流轉(zhuǎn)換為牽引變流器使用的穩(wěn)定直流鏈電壓；DCU/M以一定的順序控制牽引變流器(MCM)中IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷，使輸出端獲得三相變頻變壓的電壓；DCU/A以一定的順序控制牽引變流器(MCM)中IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷，使輸出端獲得穩(wěn)定的三相380 V電壓；變壓器控制箱(TCB)通過數(shù)字/模擬輸入輸出單元(DX/AX)控制牽引變壓器冷卻設(shè)備(泵、風(fēng)扇)和高壓設(shè)備(主斷路器、高壓隔離開關(guān))，并通過輸入輸出單元向列車TCMS及牽引控制系統(tǒng)提供監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

圖8 半列車的牽引控制系統(tǒng)

3.3 系統(tǒng)診斷功能

各DCU還兼有對(duì)各自控制模塊的故障診斷功能，可將診斷信息作為過程數(shù)據(jù)發(fā)送到TCMS網(wǎng)絡(luò)上。為了提高牽引和輔助供電系統(tǒng)的診斷能力，牽引系統(tǒng)設(shè)置兩個(gè)互為冗余的牽引輔助故障診斷單元(CCU-D)，并直接連接在列車級(jí)MVB上，用于記錄和儲(chǔ)存各DCU的實(shí)時(shí)診斷數(shù)據(jù)。

3.4 防滑防空轉(zhuǎn)控制

防滑—防空轉(zhuǎn)控制的目的是當(dāng)軌道和車輪之間的黏著系數(shù)達(dá)不到所要求的牽引力時(shí)，在減少牽引/制動(dòng)力盡快恢復(fù)黏著的同時(shí)，獲得盡可能高的牽引力/制動(dòng)力[3]。

防滑—防空轉(zhuǎn)控制主要通過DCU/M來控制牽引電機(jī)的扭矩，在牽引模式下改變牽引力，在制動(dòng)模式下改變電制動(dòng)力。防滑防空轉(zhuǎn)控制檢測動(dòng)軸的速度，當(dāng)探測到車輪在牽引模式下的空轉(zhuǎn)和動(dòng)態(tài)制動(dòng)模式下的滑行時(shí)，減小牽引變流控制中的牽引力參考值直到空轉(zhuǎn)或滑行停止。

如圖9所示，成都地鐵市域快線的防滑-防空轉(zhuǎn)控制采用PID控制技術(shù)，牽引系統(tǒng)在DCU/M中預(yù)設(shè)防滑-防空轉(zhuǎn)速度臨界值及空轉(zhuǎn)加速度臨界值，通過速度傳感器檢測車輪速度及加速度，并向DCU/M反饋以調(diào)整電機(jī)扭矩。

圖9 滑行、空轉(zhuǎn)控制原理

3.5 電、空制動(dòng)力混合控制

本線路列車的電、空混合控制采用等磨耗控制策略。列車運(yùn)行時(shí)，優(yōu)先使用電制動(dòng)，當(dāng)電制動(dòng)功率不足時(shí)，制動(dòng)控制單元計(jì)算需要空氣制動(dòng)補(bǔ)償以達(dá)到需要的制動(dòng)力[4]。TCMS系統(tǒng)計(jì)算總的制動(dòng)力需求，將制動(dòng)力需求計(jì)算后根據(jù)電制動(dòng)狀態(tài)分配給牽引系統(tǒng)，牽引變流器驅(qū)動(dòng)控制單元(DCU/M)把實(shí)際發(fā)揮的電制動(dòng)力反饋給TCMS，TCMS計(jì)算總的實(shí)際發(fā)揮電制動(dòng)力；TCMS把總制動(dòng)力需求與實(shí)際發(fā)揮的電制動(dòng)力的差值發(fā)送給制動(dòng)系統(tǒng)，由空氣制動(dòng)系統(tǒng)平均分配到每個(gè)轉(zhuǎn)向架，如圖10。

圖10 電、空轉(zhuǎn)換控制原理

4 結(jié)束語

目前，成都軌道交通17/18號(hào)線市域車輛已完成了各項(xiàng)調(diào)試和試驗(yàn)，調(diào)試中驗(yàn)證了牽引系統(tǒng)控制邏輯和方案合理，試驗(yàn)結(jié)果顯示其各項(xiàng)功能及性能指標(biāo)滿足合同要求；正常情況下主斷路器(LCB)閉合需要同時(shí)滿足的條件共有11條，需重點(diǎn)驗(yàn)證LCB在故障場景下的可用性及可靠性；對(duì)于首次采用的變壓器油冷、變流器水冷冷卻方式，需重點(diǎn)關(guān)注油冷和水冷系統(tǒng)的可靠性和密封性。