新加坡地鐵車輛牽引與制動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制技術(shù)

[摘 要] 文章以新加坡C151A項(xiàng)目地鐵為基礎(chǔ)，介紹了車輛牽引和制動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能及控制技術(shù)。

[關(guān)鍵詞] 新加坡地鐵；牽引系統(tǒng)；制動(dòng)系統(tǒng)；控制技術(shù)

[作者簡(jiǎn)介] 夏竟成， 南車青島四方機(jī)車車輛股份公司海外事業(yè)部工程師，研究方向：軌道車輛海外市場(chǎng)開(kāi)發(fā)及國(guó)際合作，山東 青島，266011

[中圖分類號(hào)] U231 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1007-7723（2013）03-0021-0005

一、概 述

2009年 5月5日，南車青島四方機(jī)車車輛股份公司與日本KHI公司以聯(lián)合體方式與新加坡地鐵業(yè)主LTA正式簽署了C151A 地鐵項(xiàng)目中標(biāo)通知書(shū)。新加坡C151A運(yùn)行線路為南北/東西線（NS-EW 線），由SMRT地鐵有限公司（SMRT）運(yùn)營(yíng)。項(xiàng)目前期采購(gòu)鋁合金A型地鐵車輛132輛，6輛編組，采用2單元四動(dòng)兩拖編組方式。2011年11月30日，LTA向聯(lián)合體發(fā)出了增購(gòu) 13 列車的接續(xù)訂單，增購(gòu)車輛共計(jì)78輛。目前，前期22列車已全部交付業(yè)主并已投入運(yùn)營(yíng)。增購(gòu)項(xiàng)目已啟動(dòng)，并將于2013年10月起交付業(yè)主。同時(shí)，C151B項(xiàng)目也已中標(biāo)。

新加坡地鐵列車的基本參數(shù)如下：車輛編組為4動(dòng)2拖，即DT-M1-M2+ M2-M1-DT。車輛構(gòu)造速度為80km/h，最大設(shè)計(jì)速度90km/h，水平平直軌道初始加速度1.0m/s2，常用制動(dòng)平均減速度0.8 m/s2，最大減速度1.0m/s2，緊急制動(dòng)平均減速度≥1.3 m/s2，常用加/減速度變化率≤0.65 m/s3。

二、牽引系統(tǒng)

新加坡地鐵牽引系統(tǒng)采用VVVF 牽引逆變器-電機(jī)構(gòu)成的交流傳動(dòng)系統(tǒng)。牽引逆變器系統(tǒng)優(yōu)先使用電制動(dòng)，采用IGBT 功率器件，熱管散熱器自然冷卻，采用高性能AC牽引電機(jī)牽引力控制策略以獲得更優(yōu)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制動(dòng)態(tài)性能，能有效減小氣隙變化對(duì)電機(jī)牽引力發(fā)揮的影響，同時(shí)有效降低諧波指標(biāo)和諧波損耗。

（一）牽引系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

牽引系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖1。該系統(tǒng)包括VVVF逆變器、牽引電機(jī)、斷路器、濾波電抗器、制動(dòng)變阻器和開(kāi)關(guān)箱。

該系統(tǒng)具備高黏著性能、低噪聲、易于維修、故障檢修監(jiān)控功能和自診斷功能等特點(diǎn)。

（二）牽引系統(tǒng)裝置

新加坡地鐵車輛牽引系統(tǒng)裝置包括開(kāi)關(guān)箱、斷路器、濾波電抗器、VVVF逆變器、制動(dòng)電阻器和牽引電機(jī)。

1. 開(kāi)關(guān)箱

開(kāi)關(guān)箱包括主熔斷器（MF1）、輔助熔斷器（AF）和主開(kāi)關(guān)（CHS）。主熔斷器負(fù)責(zé)切斷第三鐵軌和高速電路斷路器（HB）之間的電路短路電流，以避免變電站發(fā)生HB故障。主開(kāi)關(guān)（CHS）為斷開(kāi)開(kāi)關(guān)，當(dāng)設(shè)備不運(yùn)行時(shí)，斷開(kāi)設(shè)備與第三鐵軌的連接。

2. 斷路器

斷路器包括高速斷路器（HB）、接觸器（K）、接觸器（L1，L2）、充電電阻器（CHRe）和放電電阻器（DRe）。當(dāng)任何一個(gè)逆變器出現(xiàn)故障，只有正常的逆變器運(yùn)行情況下它才負(fù)責(zé)切斷故障電路，確保列車運(yùn)行的高穩(wěn)定性。

3. 濾波電抗器（FL1，F(xiàn)L2）

濾波電抗器包括帶有濾波電容的LC濾波器，可削弱由逆變器產(chǎn)生的諧波電流。

4. VVVF逆變器

新加坡地鐵車輛電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)采用帶有GTO半導(dǎo)體閘流管的電壓PWM逆變器；同時(shí)VVVF逆變器采用高壓IGBT技術(shù)。該系統(tǒng)有效提高了列車性能，同時(shí)具有高安全性和可維修性。VVVF逆變器-感應(yīng)電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)主電路如圖2所示。

新加坡地鐵車輛每輛動(dòng)車包括兩個(gè)VVVF逆變器，與每輛車的兩個(gè)感應(yīng)電機(jī)并聯(lián)，因此，一個(gè)VVVF逆變器可實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)電機(jī)的控制。當(dāng)任何一個(gè)逆變器失靈且無(wú)法重新啟動(dòng)時(shí)，可切斷失靈的逆變器，并通過(guò)另外一個(gè)正常的逆變器維持車輛繼續(xù)運(yùn)行。根據(jù)電源線路條件，制動(dòng)斷路器可以同再生制動(dòng)運(yùn)行混合使用。

5. 制動(dòng)電阻器

制動(dòng)電阻器負(fù)責(zé)吸收再生力。

6. 牽引電機(jī)

牽引電機(jī)采用感應(yīng)電機(jī)。兩個(gè)牽引電機(jī)連接在一個(gè)逆變器上，由VVVF逆變器通過(guò)矢量控制運(yùn)行。圖3為矢量控制方法的控制框圖。

圖3中，ATO提供檔位信號(hào)功率。標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器（RFG）的輸入信號(hào)為檔位和列車速度信號(hào)。標(biāo)準(zhǔn)扭矩發(fā)生器（RTG）的輸入信號(hào)為檔位、列車速度和重量信號(hào)。定子通量角速度的標(biāo)準(zhǔn)值w1 通過(guò)轉(zhuǎn)子速度w2 、滑動(dòng)角速度ws 的標(biāo)準(zhǔn)值和補(bǔ)償成分K·ed 計(jì)算得出。通量角度標(biāo)準(zhǔn)值θ通過(guò)求w1 的積分得出。根據(jù)DC數(shù)值測(cè)得的定子電流d軸組件id 和q軸組件iq 可以由定子電流iu和與θ相關(guān)的iw通過(guò)矢量轉(zhuǎn)子得出。感應(yīng)電壓計(jì)算機(jī)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)輸出電壓Vd 和Vq以及定子電流id 和iq估算d軸組件ed 和q軸組件eq。d軸組件ed代表感應(yīng)電機(jī)的二次側(cè)電阻變量。該控制系統(tǒng)通過(guò)將ed反饋給定子通量角速度標(biāo)準(zhǔn)值w1對(duì)其變量進(jìn)行補(bǔ)償。

（三）主電路結(jié)構(gòu)

新加坡地鐵列車牽引系統(tǒng)主電路采用兩電平電壓型直-交逆變電路。經(jīng)受流器接觸受流輸入的DC750V直流電由牽引逆變器變換成頻率、電壓均可調(diào)的三相交流電，向牽引電機(jī)供電。牽引逆變器由兩個(gè)逆變模塊單元組成，每個(gè)逆變器模塊驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)電機(jī)，過(guò)電壓抑制單元與逆變模塊單元集成在一起。當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生變化時(shí)，主電路能保證正常工作，并實(shí)現(xiàn)牽引-制動(dòng)的無(wú)接點(diǎn)轉(zhuǎn)換，滿足列車的牽引及制動(dòng)特性的要求。列車每三輛車一個(gè)單元，全列車共兩個(gè)單元，每個(gè)單元的主電路型式、結(jié)構(gòu)相同，主電路圖見(jiàn)圖4所示。

（四）列車牽引特性

根據(jù)列車動(dòng)力性能要求，考慮現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的實(shí)際情況，列車牽引特性如下：

列車在半磨耗輪徑、定員載荷AW2及接觸網(wǎng)壓DC750V條件下，實(shí)現(xiàn)0～35km/h起動(dòng)平均加速度≥1.0m/s2，由此列車最大起動(dòng)牽引力取349 kN。

在網(wǎng)壓Us≥DC750V時(shí)，特性不變；在網(wǎng)壓Us

牽引系統(tǒng)按列車載重量從空車AW0到定員載荷AW2范圍內(nèi)自動(dòng)調(diào)整牽引力的大小，使列車在空車AW0至定員載荷AW2范圍內(nèi)保持起動(dòng)加速度基本不變。超員載荷AW3條件下的牽引特性與定員載荷AW2一致。

列車牽引特性曲線見(jiàn)下圖5的列車牽引特性曲線所示。

三、制動(dòng)系統(tǒng)

（一） 制動(dòng)系統(tǒng)組成及特性

1. 制動(dòng)控制器

制動(dòng)控制器與牽引控制器共同構(gòu)成司機(jī)控制器，制動(dòng)控制器為手動(dòng)操作方式。制動(dòng)控制器具有“0”位（緩解位）、“常用制動(dòng)”位和“緊急制動(dòng)”位，可進(jìn)行常用和緊急制動(dòng)控制。制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)有緊急制動(dòng)開(kāi)關(guān)，緊急制動(dòng)開(kāi)關(guān)為蘑菇頭的雙穩(wěn)態(tài)型按鈕開(kāi)關(guān)。

2. 電-空制動(dòng)裝置

電-空制動(dòng)裝置包括電-空轉(zhuǎn)換閥、中繼閥、空重車調(diào)整閥、緊急電磁閥、制動(dòng)微機(jī)控制單元（BECU）、總風(fēng)壓力開(kāi)關(guān)等。

3. 制動(dòng)微機(jī)控制單元（BECU）

每輛車裝備兩個(gè)制動(dòng)微機(jī)控制單元（BECU），其CPU為16位或以上等級(jí)。通過(guò)該制動(dòng)微機(jī)控制單元進(jìn)行制動(dòng)控制與防滑保護(hù)。

4. 空氣壓力表

在每個(gè)司機(jī)臺(tái)顯示屏幕上提供總風(fēng)缸壓力及每輛車的每個(gè)轉(zhuǎn)向架制動(dòng)缸壓力顯示。司機(jī)室內(nèi)另設(shè)一個(gè)雙針壓力表顯示總風(fēng)及制動(dòng)缸壓力。

5. 緊急制動(dòng)按鈕開(kāi)關(guān)

每個(gè)駕駛室司機(jī)臺(tái)上設(shè)有緊急制動(dòng)按鈕。緊急制動(dòng)按鈕采用雙穩(wěn)態(tài)型。

6. 防滑控制閥

新加坡地鐵車輛每根車軸配備一個(gè)防滑控制閥。防滑控制閥工作時(shí)對(duì)沖擊率控制起作用。

制動(dòng)控制裝置的防滑控制采用軸控方式，一軸的制動(dòng)防滑功能失效后，只影響本軸的制動(dòng)功能，不影響其他轉(zhuǎn)向架的制動(dòng)。防滑控制集成在G閥或S閥內(nèi)，當(dāng)出現(xiàn)速度傳感器等故障時(shí)，該軸的速度自動(dòng)采用相鄰車軸的速度信號(hào)進(jìn)行滑行控制。因此，防滑保護(hù)裝置故障，導(dǎo)致制動(dòng)力損失嚴(yán)格限制在一個(gè)轉(zhuǎn)向架內(nèi)。

（二）制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖6為制動(dòng)系統(tǒng)原理圖。

（三）制動(dòng)模式

新加坡地鐵制動(dòng)方式分為常用制動(dòng)、緊急制動(dòng)、停放制動(dòng)和防滑行控制功能。常用制動(dòng)中以電制動(dòng)為主，制動(dòng)力不足部分由空氣制動(dòng)補(bǔ)充。制動(dòng)優(yōu)先次序?yàn)樵偕苿?dòng)、空氣制動(dòng)。

1. 常用制動(dòng)

常用制動(dòng)指令系統(tǒng)包括：ATO指令、司機(jī)控制器給出的制動(dòng)指令、ATP在列車超目標(biāo)速度時(shí)的最大常用制動(dòng)指令。制動(dòng)裝置根據(jù)常用制動(dòng)指令實(shí)施常用制動(dòng)。系統(tǒng)常用空氣制動(dòng)與電氣制動(dòng)自動(dòng)配合的電-空混合制動(dòng)系統(tǒng)，電制動(dòng)優(yōu)先，電-空制動(dòng)方式相互轉(zhuǎn)換時(shí)，列車無(wú)沖動(dòng)。常用制動(dòng)是列車在正線運(yùn)行中常用的制動(dòng)方式，主要是為保證列車精準(zhǔn)停車。常用制動(dòng)具有防滑控制和防沖浪限制功能。

2. 緊急制動(dòng)

緊急制動(dòng)的電路系統(tǒng)為獨(dú)立的系統(tǒng)，在正常工作時(shí)，不允許常用制動(dòng)、緊急制動(dòng)同時(shí)施加。緊急制動(dòng)是列車在緊急情況下實(shí)施的制動(dòng)方式。緊急制動(dòng)是純空氣的制動(dòng)，且制動(dòng)命令在停車之前不可恢復(fù)。緊急制動(dòng)具有防滑控制功能，但不受沖動(dòng)極限限制。

3. 停放制動(dòng)

停放制動(dòng)采用彈簧制動(dòng)，充風(fēng)緩解，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間停車。在列車牽引力大于保持制動(dòng)力時(shí)緩解停放制動(dòng)。新加坡地鐵車輛在每根軸的踏面單元制動(dòng)裝置上設(shè)有彈簧制動(dòng)和氣動(dòng)緩解的停放制動(dòng)。同時(shí)在司機(jī)臺(tái)上也設(shè)有控制停放制動(dòng)單元的制動(dòng)和緩解裝置。

4. 防滑行控制功能

當(dāng)滑行發(fā)生時(shí)，為了適應(yīng)實(shí)際軌道粘著，通過(guò)控制防滑控制閥的動(dòng)作減少制動(dòng)力，按照減速度差值和速度與參考速度的差值來(lái)調(diào)整制動(dòng)力，制動(dòng)力的恢復(fù)滿足列車沖擊極限的要求。

（四）電力再生制動(dòng)和空氣制動(dòng)混合檢測(cè)控制原則

電力再生制動(dòng)由VVVF實(shí)現(xiàn)，將能量反饋回電網(wǎng)，同時(shí)VVVF控制單元（DCU）連續(xù)監(jiān)控電網(wǎng)狀態(tài)，檢查能量的吸收狀況。

空氣制動(dòng)用于補(bǔ)償電氣制動(dòng)力、保持制動(dòng)、緊急制動(dòng)、電氣制動(dòng)故障等。

圖7為電力再生制動(dòng)特性曲線。速度從不小于70 km/h 開(kāi)始到列車電力再生制動(dòng)與空氣制動(dòng)的轉(zhuǎn)換點(diǎn)時(shí)，僅靠電制動(dòng)就能滿足列車最大常用制動(dòng)力的要求。

當(dāng)車輛速度低于4km/h時(shí)，電制動(dòng)將逐步由空氣制動(dòng)替代，此將進(jìn)一步減少制動(dòng)閘瓦的磨耗，最終調(diào)試時(shí)將盡量降低制動(dòng)轉(zhuǎn)換點(diǎn)并保證轉(zhuǎn)換平滑無(wú)沖擊。電空氣制動(dòng)和空氣制動(dòng)混合轉(zhuǎn)換將平滑，無(wú)沖擊，轉(zhuǎn)換點(diǎn)在0～12km/h可調(diào)，列車經(jīng)最終調(diào)試完轉(zhuǎn)換點(diǎn)數(shù)據(jù)將固化，速度轉(zhuǎn)換點(diǎn)將小于6km/h。具體的電空轉(zhuǎn)換過(guò)程見(jiàn)圖8：

列車制動(dòng)方式采用電力再生制動(dòng)與空氣制動(dòng)混合運(yùn)算的控制方式。將優(yōu)先充分發(fā)揮電力再生制動(dòng)的作用以減少閘瓦的磨耗和節(jié)省電能。當(dāng)電力再生制動(dòng)力不足或失效時(shí)，由空氣制動(dòng)補(bǔ)足或替代，空氣制動(dòng)補(bǔ)足時(shí)優(yōu)先使用拖車的空氣制動(dòng)力。當(dāng)電網(wǎng)的吸收能力恢復(fù)時(shí)，可恢復(fù)再生制動(dòng)，此轉(zhuǎn)換過(guò)程平滑無(wú)沖撞。電力再生制動(dòng)與空氣制動(dòng)將隨時(shí)自動(dòng)配合、平滑相互轉(zhuǎn)換，列車無(wú)沖動(dòng)，且滿足ATO控車時(shí)的停車精度要求。

空氣制動(dòng)用于補(bǔ)償給定制動(dòng)力與實(shí)際電制動(dòng)力的差值。當(dāng)牽引控制給出滑行指示時(shí)不進(jìn)行空氣制動(dòng)補(bǔ)償，否則，在低粘著條件下將導(dǎo)致車輪鎖死增加車輪側(cè)向磨損的風(fēng)險(xiǎn)。在空氣制動(dòng)補(bǔ)償前滑行指示允許一定時(shí)間（數(shù)秒）保證實(shí)際電制動(dòng)力低于空氣制動(dòng)控制系統(tǒng)提供的參考值。如果電制動(dòng)故障（激活故障信號(hào)）空氣制動(dòng)將立即補(bǔ)償。

（五）空轉(zhuǎn)/滑行控制

空轉(zhuǎn)/滑行控制具有空轉(zhuǎn)保護(hù)、滑行保護(hù)和速度校驗(yàn)和輪徑校驗(yàn)等功能。牽引系統(tǒng)空轉(zhuǎn)/滑行控制基于單車控制，其作為牽引逆變器控制的一部分控制了4臺(tái)牽引電機(jī)。與列車速度擁有最大速度差的車軸將用于空轉(zhuǎn)/滑行控制降低牽引電機(jī)組的轉(zhuǎn)矩。牽引系統(tǒng)空轉(zhuǎn)/滑行控制主要基于各動(dòng)軸正常工作的速度傳感器?？諝庵苿?dòng)系統(tǒng)滑行控制基于單軸控制。

（六）牽引/制動(dòng)指令

牽引/制動(dòng)指令值信號(hào)由司機(jī)控制器或車載ATC設(shè)備產(chǎn)生，經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換后送入列車中央控制單元CCU，再通過(guò)總線傳遞給牽引控制單元DCU和制動(dòng)控制單元ECU。

車輛牽引/制動(dòng)具有最小的響應(yīng)時(shí)間，當(dāng)牽引/制動(dòng)參考值有效時(shí)，DCU/M內(nèi)部最大響應(yīng)時(shí)間為25ms。參考值可能需施加沖擊極限限制，但在最大25ms內(nèi)將改變參考力。根據(jù)牽引系統(tǒng)實(shí)際速度范圍，對(duì)應(yīng)參考力變化的轉(zhuǎn)矩控制響應(yīng)時(shí)間在5-20ms范圍內(nèi)。DCU/M內(nèi)的邏輯命令（如：前進(jìn)/后退和牽引/制動(dòng)（如使用））擁有最大100ms的最大響應(yīng)時(shí)間。當(dāng)改變方向時(shí)DCU/M內(nèi)部設(shè)有安全限制，通常只允許在停止或低速時(shí)改變方向。牽引力/制動(dòng)力指令值（司機(jī)控制器或ATO產(chǎn)生）的傳輸采用PWM信號(hào)。通過(guò)PWM信號(hào)線與DCU2/M接口，正常模式和TCMS故障的備用模式下都可以接受無(wú)級(jí)牽引信號(hào)保證列車正常運(yùn)行。其他牽引/制動(dòng)命令將通過(guò)車輛MVB傳輸。

結(jié) 語(yǔ)

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)和國(guó)際軌道交通正處于關(guān)鍵發(fā)展時(shí)期，新加坡地鐵C151A項(xiàng)目車輛技術(shù)不僅為產(chǎn)品搭建了平臺(tái)，還帶來(lái)了經(jīng)濟(jì)效益；同時(shí)對(duì)于城軌車輛產(chǎn)品“走出去”具有深遠(yuǎn)意義。