地鐵列車牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機(jī)供電回路的改造研究

顧耀君

(上海地鐵維護(hù)保障有限公司車輛分公司，200233，上?！喂こ處?

地鐵列車的牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機(jī)是保證列車牽引系統(tǒng)在允許溫度范圍內(nèi)正常工作的重要部件。因此，保證牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機(jī)工作的可靠性，成為車輛設(shè)計(jì)和檢修單位的重要任務(wù)。目前，上海地鐵AC01型電動(dòng)列車牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機(jī)由2個(gè)Tc車(帶司機(jī)室的拖車)輔助逆變器輸出AC 380 V交叉供電，供電回路互為冗余。盡管如此，當(dāng)2個(gè)Tc車輔助逆變器同時(shí)發(fā)生故障時(shí)，牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機(jī)將無法工作，使列車無法牽引，從而導(dǎo)致救援事故。

為避免2個(gè)Tc車輔助逆變器同時(shí)故障對(duì)列車運(yùn)營(yíng)造成的嚴(yán)重影響，可以考慮故障時(shí)由動(dòng)力車Mp(有受電弓的動(dòng)力車)/M(無受電弓的動(dòng)力車)輔助逆變器為牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機(jī)供電。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，只需對(duì)牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機(jī)供電回路進(jìn)行改造即可實(shí)現(xiàn)該供電方案。

1 列車牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機(jī)的供電方式

目前，為了實(shí)現(xiàn)地鐵列車牽引系統(tǒng)的可靠性，牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機(jī)電源由輔助系統(tǒng)提供，基本采用交叉供電或并網(wǎng)供電方式。其中，并網(wǎng)供電方式的可靠性最高，理論上多節(jié)編組的列車只要有1臺(tái)輔助逆變器處于工作狀態(tài)即可保證整列車的牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機(jī)供電正常。但是，并網(wǎng)供電技術(shù)的最早應(yīng)用，是在2008年應(yīng)用于上海軌道交通1號(hào)線增能擴(kuò)編項(xiàng)目列車上，而之前項(xiàng)目的列車仍采用傳統(tǒng)的交叉供電方式。

交叉供電方式由2臺(tái)輔助逆變器分別為一半的牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機(jī)供電，當(dāng)其中1臺(tái)輔助逆變器發(fā)生故障時(shí)，電源自動(dòng)切換至另1臺(tái)輔助逆變器，從而提高牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機(jī)工作的可靠性。與并網(wǎng)供電方式相比，交叉供電方式可靠性較低。上海軌道交通1號(hào)線AC01型電動(dòng)列車是牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機(jī)采用交叉供電方式的典型車型。從AC01型電動(dòng)列車近年的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)來看，在運(yùn)營(yíng)中由于2臺(tái)輔助逆變器故障，引起列車牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機(jī)失電，并最終導(dǎo)致列車救援的事故時(shí)有發(fā)生。因此，有必要對(duì)AC01型電動(dòng)列車進(jìn)行相應(yīng)改造，從而有效保證列車的正常牽引功能。

2 列車牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機(jī)交叉供電原理

AC01型電動(dòng)列車牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機(jī)(FANS)包括牽引箱冷卻風(fēng)機(jī)與制動(dòng)電阻箱冷卻風(fēng)機(jī)，采用強(qiáng)迫風(fēng)冷的方式保證牽引設(shè)備在允許溫度范圍內(nèi)正常工作。其供電方式采用交叉供電方式，由Tc車輔助逆變器(AI_1)輸出AC 380 V供電(如圖1)。2個(gè)Tc車輔助逆變器分別為一半的動(dòng)力車(Mp車或M車)牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機(jī)供電。當(dāng)一個(gè)Tc車輔助逆變器無法工作時(shí)，該逆變器供電的冷卻風(fēng)機(jī)將自動(dòng)切換至另一個(gè)Tc車的輔助逆變器;當(dāng)2個(gè)Tc車輔助逆變器都無法工作時(shí)，列車牽引系統(tǒng)將因失去通風(fēng)冷卻功能而無法工作，最終導(dǎo)致列車救援事故。由于AC01型電動(dòng)列車的Tc車輔助逆變器自身故障率較高及冷卻風(fēng)機(jī)短路時(shí)有發(fā)生等原因，使正線運(yùn)營(yíng)列車存在較大的救援風(fēng)險(xiǎn)，故有必要采取有效措施以杜絕此類事故的發(fā)生。

圖1 列車牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機(jī)交叉供電原理圖

3 改造方案的設(shè)計(jì)

由于上海地鐵AC01型電動(dòng)列車每節(jié)車都有一個(gè)輔助逆變器，且動(dòng)力車(Mp/M)的輔助逆變器(AI_2)均輸出AC 380 V為客室空調(diào)供電，其電源形式與牽引箱冷卻風(fēng)機(jī)及制動(dòng)電阻箱冷卻風(fēng)機(jī)所需電源相同。因此，可以通過供電回路的改造，實(shí)現(xiàn)在Tc車輔助逆變器故障時(shí)，牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機(jī)電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換至Mp車或M車的輔助逆變器，即動(dòng)力車的牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機(jī)可由本車輔助逆變器供電(見圖2)。這樣，既可以在Tc車輔助逆變器故障時(shí)為牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機(jī)提供備用電源，又可以將牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機(jī)電源分散至每節(jié)動(dòng)力車輔助逆變器，從而降低了輔助供電系統(tǒng)故障對(duì)列車牽引功能的影響。

圖2 AC01型電動(dòng)列車牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機(jī)供電電路改造示意圖

3.1 動(dòng)力車輔助逆變器的功率核算

為實(shí)現(xiàn)上述設(shè)計(jì)，必須在動(dòng)力車輔助逆變器原有空調(diào)負(fù)載的基礎(chǔ)上增加牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機(jī)負(fù)載，因此必須核算動(dòng)力車輔助逆變器功率是否滿足改造要求。

動(dòng)力車輔助逆變器的額定功率為AC 90 kV，功率因數(shù)為0.85，故其有功功率為76.5 kW。

3.2 空調(diào)負(fù)載功率的計(jì)算

動(dòng)力車輔助逆變器負(fù)載為空調(diào)機(jī)組，每臺(tái)動(dòng)力車輔助逆變器負(fù)載為3臺(tái)空調(diào)機(jī)組。每臺(tái)空調(diào)機(jī)組總成的額定功率為24.22 kW，則每臺(tái)動(dòng)力車輔助逆變器的負(fù)載功率為72.66 kW。

通過對(duì)空調(diào)負(fù)載實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析可以發(fā)現(xiàn)，在滿負(fù)荷工作時(shí)，每臺(tái)空調(diào)機(jī)組的實(shí)際功率均小于22 kW，其負(fù)載總功率不超過66 kW。

3.3 牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機(jī)負(fù)載功率的計(jì)算

改造后，故障情況下動(dòng)力車的牽引箱及制動(dòng)電阻箱冷卻風(fēng)機(jī)將轉(zhuǎn)換至由本車輔助逆變器供電，因此動(dòng)力車輔助逆變器將增加牽引箱冷卻風(fēng)機(jī)(1.1 kW)和制動(dòng)電阻箱冷卻風(fēng)機(jī)(2.2 kW)的負(fù)載功率。按空調(diào)機(jī)組實(shí)際功率22 kW計(jì)算，動(dòng)力車輔助逆變器負(fù)載功率將增至69.3 kW，小于動(dòng)力車輔助逆變器的有功功率76.5 kW，滿足改造所需的功率要求。

4 改造方案

4.1 牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機(jī)供電回路改造方案

經(jīng)過功率核算可知，動(dòng)力車輔助逆變器完全符合改造要求。因此，可以通過將原來牽引箱冷卻風(fēng)機(jī)及制動(dòng)電阻箱冷卻風(fēng)機(jī)電源在2個(gè)Tc車輔助逆變器之間自動(dòng)切換，改為在一個(gè)Tc車與本車(Mp車或M車)輔助逆變器之間自動(dòng)切換，從而提高牽引系統(tǒng)工作的可靠性。

實(shí)際改造中，只需將M車或Mp車牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機(jī)的三相電源線接至本車輔助逆變器的三相輸出端，同時(shí)更改原供電控制電路中的相關(guān)繼電器接線即可。

這樣，在一個(gè)Tc車輔助逆變器故障時(shí)，可實(shí)現(xiàn)一半動(dòng)力車的牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機(jī)由本車的輔助逆變器分別供電，不增加另一個(gè)正常Tc車輔助逆變器的負(fù)載;同時(shí)可將原來集中于故障Tc車的冷卻風(fēng)機(jī)負(fù)載分散至各個(gè)動(dòng)力車逆變器，不影響列車的正常牽引功能。更重要的是，當(dāng)2個(gè)Tc車輔助逆變器同時(shí)故障時(shí)，所有動(dòng)力車的牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機(jī)均會(huì)自動(dòng)切換至本車輔助逆變器，可繼續(xù)為牽引設(shè)備進(jìn)行通風(fēng)冷卻，以保證列車的牽引功能。

4.2 列車中央控制單元軟件修改

如上所述，牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機(jī)的供電回路經(jīng)過改造后，完全可以在2個(gè)Tc車輔助逆變器故障的情況下由動(dòng)力車輔助逆變器繼續(xù)為牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機(jī)提供電源。但是，由于列車中央控制單元(CCU)軟件中有關(guān)Tc車輔助逆變器狀態(tài)對(duì)牽引系統(tǒng)影響的相關(guān)控制(如圖3)，僅實(shí)現(xiàn)硬件電路改造，仍無法到達(dá)預(yù)期目標(biāo)。因此，必須對(duì) CCU軟件進(jìn)行相應(yīng)修改。

圖3 CCU軟件邏輯圖

圖3中的功能塊LOADEN1為一個(gè)選擇功能塊，它的變量之間的邏輯關(guān)系如表1所示。

表1 功能塊LOADEN1真值表

若CCU總線正常，功能塊輸出為變量HBI，該值取決于牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機(jī)電源狀態(tài)(Blower Control)，即Tc車輔助逆變器工作狀態(tài)。當(dāng)至少有1個(gè)Tc車輔助逆變器正常工作時(shí)，HBI=1;當(dāng)2個(gè)Tc車輔助逆變器都不工作時(shí)，HBI=0。

若CCU總線故障，功能塊輸出為變量EMV。該變量恒為1。

因此，當(dāng)CCU總線正常，2個(gè)Tc車輔助逆變器同時(shí)不工作時(shí)，HBI=0，即變量S|HBUEIN=0。當(dāng)S|HBUEIN=0，則CCU將該變量發(fā)送給所有牽引控制單元(TCU)，產(chǎn)生相應(yīng)的故障代碼并封鎖TCU，則列車牽引系統(tǒng)停止工作。

為了實(shí)現(xiàn)牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機(jī)電源切換到動(dòng)力車輔助逆變器后，列車能夠繼續(xù)實(shí)現(xiàn)牽引功能，必須設(shè)法讓CCU變量S|HBUEIN=1，屏蔽相關(guān)故障。

通過修改CCU軟件(如圖4)，可以將功能塊LOADEN2中的變量 EMV(恒為0)插入功能塊LOADEN1中替換 SEL變量。根據(jù)表 1可知，LOADEN1的輸出變量S|HBUEIN≡1，則CCU始終認(rèn)為“至少有一個(gè)Tc車輔助逆變器正?！保戳熊囋?個(gè)Tc車輔助逆變器故障的情況下不封鎖TCU，允許列車牽引。由于LOADEN2為備用功能塊，不參與CCU程序中的任何控制，因此調(diào)用其中的EMV變量不會(huì)對(duì)列車的其它功能產(chǎn)生影響。

圖4 CCU邏輯圖修改

5 蓄電池運(yùn)營(yíng)能力試驗(yàn)

由于Tc車輔助逆變器除為牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機(jī)提供電源外，還負(fù)責(zé)對(duì)主蓄電池進(jìn)行充電及提供低壓直流負(fù)載電源。因此，即使實(shí)現(xiàn)了硬件電路改造和控制軟件修改，還必須考慮失去蓄電池充電器供電的情況下主蓄電池對(duì)低壓直流負(fù)載的供電能力。

正線模擬運(yùn)營(yíng)試驗(yàn)表明，在2個(gè)Tc車輔助逆變器切除(僅主蓄電池供電)狀態(tài)下，打開全列車低壓直流負(fù)載，列車可以在上海軌道交通1號(hào)線正線運(yùn)營(yíng)31 km里程，蓄電池電壓從101 V下降 至93.5 V，距離蓄電池欠壓保護(hù)值84 V仍有較大的安全范圍。目前，上海軌道交通1號(hào)線運(yùn)營(yíng)線路總里程36.8 km，相鄰的兩條存車線之間的最大距離為15 km。因此，實(shí)施本改造后，AC01型電動(dòng)列車完全具備自行牽引進(jìn)入最近存車線的能力，可徹底杜絕因2個(gè)Tc車輔助逆變器故障引起的正線救援事故。

6 結(jié)語

通過以上分析研究和試驗(yàn)可知，上海地鐵AC01型電動(dòng)列車可以通過對(duì)牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機(jī)的交叉供電回路改造，配合相關(guān)控制軟件修改后，杜絕牽引系統(tǒng)因Tc車輔助逆變器故障引起失效進(jìn)而導(dǎo)致的救援事故。同時(shí)，在Tc車輔助逆變器故障時(shí)，可以將動(dòng)力車牽引設(shè)備冷卻風(fēng)機(jī)電源切換至動(dòng)力車輔助逆變器，降低輔助系統(tǒng)故障對(duì)牽引功能的影響，以保證列車運(yùn)營(yíng)質(zhì)量。

目前，上海軌道交通1號(hào)線所有AC01型電動(dòng)列車均完成改造，并在運(yùn)營(yíng)過程中避免了多次此類故障引起的救援事故，產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

［1］李軼斌.中壓交流并網(wǎng)供電技術(shù)在地鐵列車上的應(yīng)用［J］.城市軌道交通研究，2012(6):121.

［2］楊斌，寧新軍.上海地鐵1號(hào)線增能擴(kuò)編(6改8)項(xiàng)目列車［J］.機(jī)車電傳動(dòng)，2009(4):44.