Translohr膠輪導(dǎo)向電車電氣系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)研究

錢廣民

（天津?yàn)I海快速交通發(fā)展有限公司，300457，天津∥工程師）

Translohr膠輪導(dǎo)向電車電氣系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)研究

錢廣民

（天津?yàn)I?？焖俳煌òl(fā)展有限公司，300457，天津∥工程師）

介紹了天津開發(fā)區(qū)新交通試驗(yàn)線所采用的Translohr型100%低地板膠輪導(dǎo)向電車的主要技術(shù)特征和電氣系統(tǒng)的主要構(gòu)成，分析了該型電車的高壓系統(tǒng)、牽引控制單元、低壓系統(tǒng)、電車車載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及CAN（控制器局域網(wǎng)）現(xiàn)場(chǎng)總線等主要技術(shù)特點(diǎn)，為國內(nèi)有軌電車的設(shè)計(jì)提供參考。

Translohr膠輪導(dǎo)向電車；牽引控制單元；電氣系統(tǒng)

Author’s addressTianjin Binhai Mass Transit Development Co.，Ltd.，300457，Tianjin，China

2007年天津建成了我國第1條現(xiàn)代有軌電車線路——開發(fā)區(qū)洞庭路新交通試驗(yàn)線。該試驗(yàn)線南起津?yàn)I輕軌泰達(dá)站，北至十三大街學(xué)院區(qū)北站，全長7.86 km，共設(shè)14座車站，途經(jīng)生活區(qū)、工業(yè)區(qū)、學(xué)院區(qū)，是1條縱貫開發(fā)區(qū)南、北方向的軌道交通線，也是亞洲首條采用Translohr膠輪導(dǎo)向電車的商業(yè)運(yùn)行線路。

本文對(duì)該線路配屬的Translohr型電車電氣系統(tǒng)技術(shù)特征加以分析。

1 Translohr膠輪導(dǎo)向車電車簡(jiǎn)介

Translohr型電車是法國勞爾公司歷經(jīng)10年開發(fā)的100%的低地板膠輪導(dǎo)向電車。具有環(huán)保、低噪聲、轉(zhuǎn)彎半徑小、爬坡能力強(qiáng)、自重輕、行車限界小的特點(diǎn)。新交通試驗(yàn)線采用Translohr STE3型電車，全長25 m，采用3模塊編組方式。車輛由2節(jié)司機(jī)室（ME）模塊、2節(jié)聯(lián)接（MI）模塊、3節(jié)乘客（MP）模塊組成，如圖1所示［1］。

圖1 Translohr STE3電車編組方式

Translohr STE3型電車的電氣部件如高壓盒、牽引控制單元、制動(dòng)電阻、牽引電池包等均采用模塊化設(shè)計(jì)，布置于車頂。兩車頭驅(qū)動(dòng)橋內(nèi)各布置1臺(tái)鼠籠式異步電機(jī)。車下部分主要是電車導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)備。其總體技術(shù)參數(shù)如下：

車體長度25 000 mm，車體寬度2 200 mm，地板高度260 mm，車門數(shù)量6個(gè)（每側(cè)3個(gè)）；定員載客量167人，最大載客量212人，空車質(zhì)量23 600 kg；最高運(yùn)行速度70 km/h；線路最大坡度13%，最小轉(zhuǎn)彎半徑10.5 m；供電電壓DC 750（500~900）V；最大加速度1.3 m/s2，緊急減速度5 m/s2；制動(dòng)類型為再生制動(dòng)/電阻制動(dòng)/空氣制動(dòng)/盤式制動(dòng)；供電方式為DC 750 V架空接觸網(wǎng)及自帶牽引電池包（最大滿足運(yùn)行500 m）；車速60 km/h時(shí)，車內(nèi)噪聲為69 dB，車外7.5 m處噪聲為80 dB。

2 電車電氣系統(tǒng)

Translohr電車電氣系統(tǒng)主要分為供電系統(tǒng)、牽引制動(dòng)系統(tǒng)和命令控制系統(tǒng)3部分。

2.1 供電系統(tǒng)

Translohr電車通過DC 750 V接觸網(wǎng)的電源供電維持設(shè)備的正常運(yùn)行。電車的供電系統(tǒng)由750 V直流高壓網(wǎng)絡(luò)、400 V交流中壓網(wǎng)絡(luò)和24 V直流低壓網(wǎng)絡(luò)等3套級(jí)別不同的供電網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。

2.1.1 直流高壓網(wǎng)絡(luò)（750 V）

750 V直流高壓網(wǎng)絡(luò)為主供電電路，主要為乘客模塊的取暖設(shè)備、牽引逆變器和輔助逆變器供電。750 V直流高壓網(wǎng)絡(luò)設(shè)備安裝在電車的乘客模塊（MP模塊）的頂部。構(gòu)成電能生成回路的主要設(shè)備包含受電弓、高速斷路器及其控制電路、避雷器、高壓盒、牽引逆變器接地回流裝置等。如圖2所示。

圖2 Translohr STE3電車供電示意圖

電車有2組牽引單元。電車通過安裝在MP3模塊的受電弓，從DC 750V架空接觸網(wǎng)上受流；高壓母線通過中間模塊的高速斷路器，分別送到ME1模塊和ME2模塊上的牽引逆變器及輔助逆變器上。牽引系統(tǒng)采用1個(gè)牽引逆變器帶1個(gè)牽引電機(jī)的“1拖1”的方式.牽引逆變器在牽引控制單元（TCU）的智能控制下變頻、變壓供電至牽引電機(jī)。

高壓側(cè)的高壓盒內(nèi)分別有2組不同的差異繼電器，用于檢測(cè)進(jìn)入電車的電流和經(jīng)過集電靴回流到變電所的電流之間的差異。如果差異大于90 A，電車報(bào)警，降弓，并瞬間將高壓盒終端帶閉合，此時(shí)，DC 750 V供電電流在車內(nèi)直接流通，回流至集電靴，排放至鋼軌上，防止乘客在車內(nèi)觸電。

2.1.2 交流中壓網(wǎng)絡(luò)（400 V）

400 V交流中壓網(wǎng)絡(luò)電路系統(tǒng)主要用于牽引逆變器水冷系統(tǒng)供電、牽引蓄電池充電，以及乘客和駕駛室模塊空調(diào)（A/C）設(shè)備、空壓機(jī)、駕駛模塊加熱設(shè)備等的供電。

400 V交流中壓網(wǎng)絡(luò)供電系統(tǒng)由2個(gè)輔助逆變器提供。這2個(gè)輔助逆變器為設(shè)備提供冗余性電源，維持機(jī)車的運(yùn)營。如果2個(gè)輔助逆變器中有1個(gè)發(fā)生故障，可通過高壓盒內(nèi)的電流接觸器閉合，用于AC 400 V輔助線路的擴(kuò)展供電。即由非故障端的輔助逆變器向電車兩端（ME1和ME2）中壓網(wǎng)絡(luò)各負(fù)載提供AC 400 V電源。

2.1.3 直流低壓網(wǎng)絡(luò)（24 V）

24 V直流低壓網(wǎng)絡(luò)電路系統(tǒng)主要用于車輛駕駛操作和車輛監(jiān)控功能，為車載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（CAOS）、無線電通訊系統(tǒng)（PCC）、車輛運(yùn)行輔助系統(tǒng)、內(nèi)部照明設(shè)備等供電。

24 V直流低壓網(wǎng)絡(luò)電路系統(tǒng)由AC 400 V× 3、50 Hz輔助電路系統(tǒng)中的2個(gè)24 V整流器和1組備用的24 V鉛酸電池包組成。2個(gè)整流器可保證電車弱電設(shè)備的正常供電。如果2個(gè)變流器都發(fā)生了故障，備用電池仍能供電30 min。

2.2 牽引制動(dòng)系統(tǒng)

2.2.1 車輛牽引及控制

正常操作情況下，位于車輛兩端的電機(jī)負(fù)責(zé)牽引車輛。每個(gè)電機(jī)由牽引逆變器控制。逆變器由高壓回路供電。每個(gè)逆變器由TCU控制。2個(gè)TCU接入車輛有線串行網(wǎng)絡(luò)。車輛最大加速度限制為1.3 m/s2，且不考慮車輛載荷和線路條件。

在牽引系統(tǒng)（逆變器或電機(jī)）發(fā)生故障時(shí)，司機(jī)通過中央信息控制臺(tái)得到故障報(bào)警。故障系統(tǒng)被自動(dòng)隔離，即逆變器前的觸點(diǎn)斷開，最大加速度被限定在0.5 m/s2以內(nèi)。

2臺(tái)牽引電機(jī)為3相4極自冷式異步電機(jī)。電機(jī)的主要性能參數(shù)為：最大轉(zhuǎn)矩2 200 Nm，平均轉(zhuǎn)矩1 000 Nm，最大功率220 kW，最大轉(zhuǎn)速4 200 r/min，平均功率166 kW時(shí)其對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，絕緣電壓為3 800 V（持續(xù)1 min），冷卻方式為自冷卻。

牽引逆變器為兩極電壓逆變器，內(nèi)部采用IGBT（絕緣柵晶體管）功率半導(dǎo)體組件，安裝在乘客模塊的車頂。逆變器箱由通風(fēng)管道、密封部分組成。密封部分包括所有的IGBT模塊、DC 750 V輸入的電容、AC 400 V輸出濾波器、線性接觸器和命令控制系統(tǒng)支架。通風(fēng)管道包含水/氣熱交換器、水冷卻循環(huán)的部件、冷卻風(fēng)扇、濾波器線圈和輔助逆變器的輸出變壓器。逆變單元采用水和乙二醇的水循環(huán)冷卻系統(tǒng)制冷。

TCU控制著2個(gè)牽引逆變器，具有以下功能：

（1）通過邏輯電路接收信息，包括牽引扭矩大小、司機(jī)室模式操作請(qǐng)求、運(yùn)行方向、CAN（控制器局域網(wǎng)）的選擇、電機(jī)轉(zhuǎn)速、在安全制動(dòng)狀態(tài)下禁止的牽引命令等。

（2）接收來自CAN的信息，包括要求降低電機(jī)轉(zhuǎn)速、要求限制電機(jī)轉(zhuǎn)速、要求切斷電機(jī)牽引、要求關(guān)斷輔助負(fù)載，以及確保備用電池充電等信息。

（3）具有局部診斷功能，并且向CAN發(fā)送數(shù)據(jù)，包括車輛速度、電機(jī)轉(zhuǎn)速、牽引信號(hào)、制動(dòng)信號(hào)、倒車信號(hào)、零速信號(hào)、備用電池充電狀態(tài)、接觸器和電路制動(dòng)狀態(tài)（牽引、制動(dòng)、惰性）、備用電池充電、備用電池溫度、電機(jī)溫度、線圈溫度、變壓器溫度、制動(dòng)電阻溫度、冷卻溫度、牽引力值和接觸網(wǎng)電壓等。

（4）檢查和管理傳給IGBT的控制信號(hào)，由獨(dú)立的多處理器DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）模塊執(zhí)行該功能。對(duì)收集的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，并據(jù)此控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。當(dāng)收到制動(dòng)指令時(shí)，可抑制牽引。

（5）接收來自傳感器的信息，這些傳感器包括：1個(gè)位于電機(jī)上的速度傳感器（傳輸與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比的各種頻率脈沖），7個(gè)探熱儀（電機(jī)定子、備用電池、線圈、變壓器、制動(dòng)電阻、冷卻裝置），2個(gè)電機(jī)相電流傳感器，4個(gè)備用電池電流傳感器，2個(gè)750 V直流電壓傳感器，1個(gè)24 V直流電壓傳感器。

2.2.2 車輛制動(dòng)及控制

電車的制動(dòng)由減速控制單元（DCU）控制。DCU根據(jù)剎車踏板的角度調(diào)節(jié)制動(dòng)力，可觸發(fā)電制動(dòng)和氣制動(dòng)2種制動(dòng)方式。電制動(dòng)是指牽引電機(jī)的電動(dòng)制動(dòng)。電制動(dòng)環(huán)路由電機(jī)、逆變器、TCU組成。電制動(dòng)啟動(dòng)后，牽引電機(jī)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)，產(chǎn)生的電能通過TCU檢測(cè)：如果電壓低于900 V，則返回電網(wǎng)；如果電壓高于900 V，則由1個(gè)直流變直流的“變阻斬波器”控制，通過損耗電阻將電能消耗掉。氣制動(dòng)是指DCU對(duì)每個(gè)軸上成比例的氣繼動(dòng)閥（EVP）進(jìn)行電控的氣壓制動(dòng)。

電車的制動(dòng)指令通過制動(dòng)踏板來傳遞，在踏板的第1行程，電制動(dòng)啟動(dòng)，僅在電制動(dòng)不足時(shí)，DCU觸發(fā)氣制動(dòng)；在踏板的第2行程，氣制動(dòng)被啟動(dòng)，該踏程應(yīng)對(duì)于緊急制動(dòng)。Translohr STE3型電車的電制動(dòng)及氣制動(dòng)示意圖如圖3所示。

圖3 Translohr STE3電車電制動(dòng)及氣制動(dòng)示意圖

制動(dòng)系統(tǒng)有以下工況：

（1）常用制動(dòng)：當(dāng)制動(dòng)踏板處于第1行程時(shí)，啟動(dòng)常用制動(dòng)。其制動(dòng)方式屬于電制動(dòng)。常用制動(dòng)可確保司機(jī)安全可靠地控制車輛速度，常用制動(dòng)參數(shù)的設(shè)定要考慮到滿足乘客舒適性的要求。

（2）緊急制動(dòng)：當(dāng)制動(dòng)踏板處于第2行程時(shí)，啟用緊急制動(dòng)。其制動(dòng)方式屬于氣制動(dòng)。緊急制動(dòng)是常用制動(dòng)的最大等級(jí)，主要是為了保障乘客、司機(jī)的安全。該級(jí)最大減速度可達(dá)5 m/s2。

（3）安全制動(dòng)：當(dāng)車輛出現(xiàn)紅色故障、安全環(huán)路斷開時(shí)，或者按下司機(jī)室內(nèi)的緊急按鈕后，安全制動(dòng)被啟動(dòng)。

（4）保持制動(dòng)：當(dāng)車輛停止時(shí)，保持制動(dòng)被DCU自動(dòng)啟動(dòng)，從而有效防止車輛溜車現(xiàn)象發(fā)生。

（5）停放制動(dòng)：當(dāng)車輛停止，且當(dāng)駕駛模式?jīng)]有被選擇時(shí)，停放制動(dòng)被激活，處于工作狀態(tài)。其制動(dòng)方式為彈簧施加制動(dòng)力。

（6）最終制動(dòng)：由司機(jī)座椅下的手柄啟動(dòng)，即使沒有氣能也可將車輛停止，為最終制動(dòng)措施。

3 電車命令控制系統(tǒng)

Translohr電車命令控制系統(tǒng)采用2種制式的控制系統(tǒng)，一種是基于CAN的車載控制系統(tǒng)，用于傳送非安全命令信號(hào)；另一種是基于SIL-3標(biāo)準(zhǔn)的安全板卡類監(jiān)視系統(tǒng)，用于監(jiān)視檢測(cè)所有的危險(xiǎn)狀態(tài)，傳送安全命令信號(hào)。

3.1 基于CAN的車載控制系統(tǒng)

車載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是車輛命令控制系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)電車幾乎所有數(shù)據(jù)的分析和處理工作，實(shí)現(xiàn)電車設(shè)備監(jiān)控、診斷功能，并提供接口，通過接口可下載電車運(yùn)行數(shù)據(jù)及故障信息。該系統(tǒng)單元放置在司機(jī)室操作板下的空間內(nèi)，采用屏蔽電纜連接。電纜在車頂封閉布放，用于隔離AC 400 V和DC 750 V電源信號(hào)，防止電磁干擾。

車載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要由CAN（互為冗余的CAN A和CAN B）、網(wǎng)絡(luò)主機(jī)、I/O模塊、輔助CAN（CAN C）等組成，如圖4所示。

圖4 Translohr STE3電車車載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

CAN由2條串行協(xié)議傳輸線組成，用來傳送非安全命令信號(hào)。網(wǎng)絡(luò)連接系統(tǒng)命令單元。網(wǎng)絡(luò)和接口均為冗余配置，司機(jī)可選擇CAN和網(wǎng)絡(luò)主機(jī)。

網(wǎng)絡(luò)主機(jī)置于司機(jī)室端模塊的機(jī)架內(nèi)。每臺(tái)車有2個(gè)主機(jī)，每個(gè)主機(jī)專用1個(gè)網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)主機(jī)是命令系統(tǒng)的中央單元，主要負(fù)責(zé)：①和兩個(gè)牽引系統(tǒng)通信；②接收控制面板的指令并回復(fù)要求的結(jié)果；③保證整車CPU I/O卡執(zhí)行相關(guān)指令；④檢驗(yàn)車輛前后輸入一致性并按要求顯示錯(cuò)誤幀；⑤主板卡自診斷內(nèi)部故障并在CAN上指示故障。

I/O模塊內(nèi)有微處理器設(shè)備直接與串行線路連接，每個(gè)車輛模塊內(nèi)有1個(gè)I/O機(jī)架，用來固定I/O模塊和CPU I/O卡。

CAN C主要為CAN提供如下連接：監(jiān)視輪胎的胎壓檢測(cè)接收器、DCU、牽引電池管理模塊和CAN A或CAN B的快速切換功能。

3.2 基于SIL—3標(biāo)準(zhǔn)的安全板卡類監(jiān)視系統(tǒng)

Translohr電車中涉及電車安全性的信息由安全卡來監(jiān)控，因此，安全板卡也是監(jiān)視系統(tǒng)中的核心組成部分。

安全板卡分為TYPE-123型和TYPE-4型2種，每個(gè)電車MP3模塊有1個(gè)TYPE-123型卡和2個(gè)TYPE-4型卡。TYPE-123型監(jiān)視卡監(jiān)控內(nèi)容包括車門、導(dǎo)向裝置故障、接地控制故障、乘客報(bào)警、剎車氣壓監(jiān)測(cè)等信息。TYPE-4型監(jiān)視卡監(jiān)控內(nèi)容包括車速信號(hào)、警惕按鈕、差異繼電器、高壓盒、緊急轉(zhuǎn)速表、受電弓等的信息。每個(gè)安全板卡控制多個(gè)安全繼電器，這些繼電器串聯(lián)起來組成1個(gè)安全環(huán)路。電車一側(cè)發(fā)送1個(gè)電壓值到環(huán)路，另一端按命令激活剎車單元、受電弓，牽引命令中斷。如果安全環(huán)路斷開，安全制動(dòng)立即施加。電車出現(xiàn)故障后，司機(jī)可用輔助控制面板上的旁路按鈕來旁路相應(yīng)故障，以便于車輛整個(gè)系統(tǒng)被破壞前，能自主排空回車輛基地進(jìn)行維修（見圖5）。

圖5 Translohr STE3電車安全板卡類監(jiān)視系統(tǒng)連接圖

4 結(jié)語

天津新交通試驗(yàn)線8輛Translohr STE3型電車自投入運(yùn)行至今，運(yùn)行總里程近150萬km。幾年來的運(yùn)營實(shí)踐表明，該型電車的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、穩(wěn)定。目前，該電車電氣系統(tǒng)已由電氣故障頻發(fā)的磨合期逐步轉(zhuǎn)入穩(wěn)定期，電氣故障保持在較低的水平。同時(shí)，該電車能借助車載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的快速診斷和維修。該型電車以其鮮明的模塊設(shè)計(jì)、牽引逆變單元的智能控制、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制及現(xiàn)場(chǎng)總線等技術(shù)的集成應(yīng)用，為國內(nèi)有軌電車的設(shè)計(jì)提供了借鑒和參考。

［1］ 高江寧.Translohr有軌電車軌道結(jié)構(gòu)［J］.城市軌道交通研究，2012（4）：98.

［2］ 薛美根，楊立峰，程杰.現(xiàn)代有軌電車主要技術(shù)特征及國內(nèi)外發(fā)展研究［J］.城市交通，2008，6（6）：88.

［3］ 楊丹燕.長春70%低地板輕軌車輛電氣系統(tǒng)［J］.電力機(jī)車與城軌車輛，2008，31（6）：8.

［4］ Lohr Industrie.D00004306-Translohr STE3 Technical Specifications［G］.天津：天津?yàn)I海快速交通發(fā)展有限公司，2006.

［5］ Lohr Industrie.D00006530-Translohr Electrical and Pneumatic Energies［G］.天津：天津?yàn)I海快速交通發(fā)展有限公司，2006.

上海松江有軌電車將于今年10月動(dòng)工

松江有軌電車共規(guī)劃6條線路，總長90 km，設(shè)站118座，可與上海軌道交通9號(hào)線、12號(hào)線、22號(hào)線（金山鐵路）換乘。按規(guī)劃2016年6月示范線將投入試運(yùn)營，2017年1月示范線正式運(yùn)營。

（摘自2014年3月17日《上海市綜合交通規(guī)劃研究所網(wǎng)》）

Technical Characteristics of Electrical System of Rubber-tired Translohr Modern Trams

Qian Guangmin

The main technical characteristics of Translohr 100%integral low floor rubber-tired modern trams and the electrical structure for the New Transit Demonstration Line in Tianjin Development Zone are introduced.The technical characteristics of the new trams，including high voltage system，TCU，low voltage system，computer-aided operation system（CAOS）and CAN network bus on Translohr are analyzed in detail，to provide references for the design of Chinese modern trams.

rubber-tired Translohr trams；traction control unit；electrical system

U 482.103

2012-08-24）