曹楠，杜東偉，劉斐然，魏志恒

（1.北京市地鐵運營有限公司運營四分公司，北京 100000；2.中國鐵道科學研究院城市軌道交通中心，北京 100081）

地鐵車輛對牽引傳動系統(tǒng)的安全性、可靠性、穩(wěn)定性要求很高，若該系統(tǒng)發(fā)生故障，嚴重影響列車的正常運營，對牽引類故障處理方法進行歸納總結。目前，文獻對牽引典型故障案例進行分析，文獻總結分析了列車牽引制動指令沖突故障分析及改進措施，文獻對各城市地鐵線路的牽引制動故障進行了總結分析。本文在不改變ATO駕駛的情況下，提出列車牽引制動指令故障的處理方法，預防地鐵運營風險。

1 牽引、控制系統(tǒng)組成及特點

1.1 牽引及控制系統(tǒng)組成

北京地鐵某線DKZ32型列車沿用了北京10#線東洋電機的牽引及控制系統(tǒng)。

東洋電機主要由牽引、控制系統(tǒng)2部分組成，如圖1所示。

一是網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，主要功能是接收司機控制手柄或自動駕駛系統(tǒng)的牽引、制動指令，并將該指令通過profibus總線進行傳遞。二是VVVF裝置（Variable Voltage Variable Frequency），主要功能是在接收到網(wǎng)絡控制命令后，對每節(jié)列車的4臺180kW三相交流電動機進行相應控制，最終達到控制列車前進，減速、停車的目的。

1.2 牽引及控制系統(tǒng)特點

北京地鐵某線DKZ32型列車牽引控制系統(tǒng)在ATO自動駕駛及電制動效果2方面，是運用效果最好的城市軌道交通線路之一。

其電制動裝置可以將車速下降到5km/h以下，全自動駕駛停車誤差小于±1cm，保證了乘客的乘車舒適度及登乘需求，又因為高效的電制動，大大減少了列車制動閘瓦、閘片的消耗，每年可減少近百萬元的維護費用。達到如此效果的其中一個原因就是VVVF牽引逆變器裝置控制采用了矢量控制方式，替代了以往做為主流的標量控制方式，提高了牽引電機輸出扭矩的控制的反應速度和精度。另外，對外部干擾因素的過渡反應性和追從性的性能卓越，可充分發(fā)揮這些特性，實現(xiàn)高速、高精度的粘著控制。

2 DKZ32型列車牽引控制系統(tǒng)

2.1 DKZ32型列車牽引控制系統(tǒng)高壓部分

列車牽引控制系統(tǒng)高壓部分是由第三軌上部供電方式供電，供電電壓DC750V，變動范圍：DC500V～DC900V，經(jīng)VVVF中的IGBT逆變后給牽引電機供電。電機型號為TDK6175-C三相鼠籠型感應電動機，主要參數(shù)為 180kW、550V、240A、77Hz、2255rpm/h。

主要工作路徑，直流750V電壓經(jīng)過：受流器、斷路器箱后向VVVF系統(tǒng)供電并通過IGBT逆變后傳送至電機使用。列車牽引控制系統(tǒng)高壓部分電路圖，如圖2所示。

2.2 DKZ32型列車牽引控制系統(tǒng)低壓部分

列車牽引控制系統(tǒng)低壓部分是由DC110V供電，變動范圍：DC77V～DC121V。經(jīng)司控器手柄變化后轉變的PWM信號傳輸至IO/IF單元，再經(jīng)IO/IF單元將運行指令傳輸至VVVF箱內(nèi)，VVVF箱內(nèi)的控制放大器在接收到指令后控制IGBT，最終控制牽引電機動作。

主要工作路徑，（1）司控器手柄變化后，（2）PMW會向，（3）IO/IF單元輸出控制指令，IO/IF單元隨后會將信號傳送至，（4）VVVF控制箱中，最后通過控制IGBT使牽引電機達到想要的工況。列車牽引控制系統(tǒng)低壓部分電路圖，如圖3所示。

2.3 牽引制動指令控制部分介紹

（1）有關牽引和制動指令的傳。DKZ32行列車牽引和制動指令的整個傳輸過程中主要有3個步驟：①列車牽引力和制動力的控制，分為列車自動駕駛（ATO）模式和手動駕駛（ATP）模式；②編碼器電流范圍4～20mA，電壓范圍0～10V，轉換成PWM指令傳輸給列車制動系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)；③車輛控制單元接收到指令后對PWM信號進行解碼，車輛依據(jù)PWM實際值進行制動和牽引。

（2）制動和牽引指令的產(chǎn)生。ATP駕駛模式時其指令主要由司控室的手柄和級位手柄發(fā)出，惰行位、牽引位、常用制動位、快速制動位等是主要級位，常用的是制動位和牽引位2種級位。司控器傳輸?shù)骄幋a器的指令，信號可以通過0～10V的電壓來傳輸，或通過4～20mA的信號對其進行傳輸，電壓實際信號容易實現(xiàn)，但其容易受到干擾，對數(shù)據(jù)造成影響，所以電壓傳輸信號時，對EMC的設計要注意耦合性干擾，要將編碼器安裝在司機可以控制的地方，或采用屏蔽性雙絞線接地，避免其受到干擾。

（3）有關制動指令與牽引指令的變換。司控器將牽引指令傳輸給編碼器，編碼器在將指令傳給調(diào)制器，脈寬的實際輸入電流是4～20mA，電流信號轉換成PWM信號后，其信號頻率只有幾百赫茲，幅值是幾十伏。

（4）制動指令和牽引指令的接收。制動和牽引指令轉換為PMW信號時，也會將電流傳遞出來，電流傳遞時會受電纜長度、輔助逆變器、VVVF等設備的影響，造成PWM信號會耦合噪聲電壓。

（5）PWM信號的傳輸線。傳輸線耦合電壓后唯一可以改變的是信號的幅度，不能改變信號的寬度，提高信號抗干擾能力的方法是，通過接收端將電路整形，消除電路內(nèi)的噪聲。

3 PBF故障分析

3.1 案例情況描述

某線YZ012列車5#車發(fā)生牽引制動指令同時施加故障，導致列車無法動車、清客救援，造成正線晚點，降低運營服務質(zhì)量。從故障發(fā)生時的事件記錄儀的數(shù)據(jù)及VVVF記錄的故障記錄來看，判斷為下列狀態(tài)時發(fā)生了FAIL中PBF故障。

故障時間段記錄儀數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 故障時間段記錄儀數(shù)據(jù)

當某一車輛的VVVF上發(fā)生異常時，調(diào)查方法是檢查低壓接線箱－控制放大器之間的“前進/倒車”“牽引/制動”配線上有無錯誤配線或混合接觸。控制裝置故障調(diào)查方法，如表2所示。

表2 控制裝置故障調(diào)查方法

3.2 故障查找與分析

（1）故障查找。首先，技術人員按照要求，對相應所有接線進行了仔細排查。在確認接線狀態(tài)良好，且多車陸續(xù)出現(xiàn)問題后，技術人員將接線及插頭的可能性排除。主要檢查點，如圖4所示。

隨后，開始比對所有故障車的時間記錄后發(fā)現(xiàn)，所有車的故障地理位置完全統(tǒng)一。宋家莊出站后720m，此時為R=350m的大彎道。亦莊火車站為下行出站后180m，此時為下行至上行的道岔。宋家莊站故障點和亦莊火車站故障點，如圖5所示。

為了驗證是否為軟硬件設計缺陷問題導致，開始逐一分析各項技術指標、軟件邏輯、硬件設計等因素。在調(diào)取電機故障時故障參數(shù)時，發(fā)現(xiàn)故障時R倒退方向存在制動電流Iq[A]。故障時R方向存在制動電流Iq[A]圖，如圖6所示。

（2）故障點確認。從故障發(fā)生時的事件記錄儀的數(shù)據(jù)、VVVF記錄的故障記錄來看，判斷為下列狀態(tài)時發(fā)生的PBF。①在ATO自動駕駛，牽引狀態(tài)時；②ATO輸出的牽引量指令非常?。?0%以下比手柄操作時，牽引1級還?。?，當①和②同時成立的狀態(tài)下，VVVF輸出扭矩電流（Iq）的值變?yōu)?0A以上（制動方向），將造成列車PBF故障。

3.3 問題分析

（1）輪徑問題。地鐵列車正常輪徑在770～840mm之間，某線DKZ32型列車每節(jié)列車的輪徑差沒有要求，而故障車的輪徑均在780～800mm之間，且臨近的兩節(jié)列車的輪徑均在830mm以上，各節(jié)車輪徑差超過30mm。而每節(jié)列車在接收到的牽引指令大小一樣的情況，電機實際的負載，工況存在差異。

（2）輪軌問題。在核對軌道線路圖后發(fā)現(xiàn)，發(fā)生故障時列車正在通過道岔，或半徑較小彎道，輪軌配合條件較為惡劣，對電機會存在部分影響。

綜上所述，在輪徑差較大且列車通過道岔時，若ATO輸出了一個較低的牽引指令時，因車輪空轉或其它機械原因造成轉子速度大于定子速度，并隨之產(chǎn)生制動電流，最終引發(fā)了此故障。

3.4 改進措施

（1）軟件更改。針對上述情況，對牽引控制軟件進行了修改更新，在牽引指令較低，制動電流較小時不再認為是故障情況。

（2）修改說明書。東洋對產(chǎn)品說明書，故障處理建議進行修改，增加內(nèi)容如下：①前進指令（4號線）和后退指令（5號線）同時得電時；②牽引指令（12號線）和制動指令（5號線)）同時得電時；③TMS牽引指令（M122號線）和TMS制動指令（M123號線）同時得電時；④在牽引狀態(tài)下，制動方向的扭矩分電流（Iq）大于50A時；⑤電制動狀態(tài)下，牽引方向的扭矩分電流（Iq）大于50A時。

（3）鏇輪要求。列車鏇輪時，避免各車之間的輪徑差大于30mm，確保各設備在最佳狀態(tài)下工作。

4 結語

對于牽引、制動指令同時存在的故障，本文在不改變ATO駕駛的情況下，提出了相應的解決措施，結果表明措施有效并根除了類似故障，同時在故障查找時應先明白電機原理，從底層數(shù)據(jù)和電路圖分析入手，深入了解各系統(tǒng)之間的配合關系，這樣才能有效清除故障，確保地鐵的安全運營，提高運營的服務質(zhì)量。