廣州地鐵八號(hào)線(xiàn)車(chē)輛牽引系統(tǒng)的控制原理

筆者簡(jiǎn)介朱健富，男，2002年9月畢業(yè)于廣州市機(jī)電中等專(zhuān)業(yè)學(xué)校機(jī)電專(zhuān)業(yè)，后陸續(xù)進(jìn)修與從事工作相關(guān)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的大專(zhuān)、本科課程，并取得相關(guān)畢業(yè)證書(shū)，現(xiàn)擔(dān)任廣州地鐵運(yùn)營(yíng)事業(yè)總部運(yùn)營(yíng)三中心車(chē)輛維保三部生產(chǎn)技術(shù)室安全管理助理，曾擔(dān)任檢修二分部輪值工班長(zhǎng)，在五年輪值工班長(zhǎng)工作崗位上主要負(fù)責(zé)車(chē)輛牽引系統(tǒng)、列車(chē)控制、列車(chē)制動(dòng)等檢修及故障處理工作。廣州地鐵八號(hào)線(xiàn)運(yùn)營(yíng)列車(chē)為龐巴迪公司制造，但部分列車(chē)也在一號(hào)線(xiàn)混跑。廣州地鐵八號(hào)線(xiàn)列車(chē)已經(jīng)運(yùn)營(yíng)將近十年的時(shí)間，車(chē)輛早已經(jīng)正常投入使用了。本文旨在對(duì)廣州地鐵八號(hào)線(xiàn)龐巴迪造列車(chē)的電力牽引控制系統(tǒng)作一個(gè)簡(jiǎn)要介紹和分析，并提出一些個(gè)人的見(jiàn)解，與大家共勉。

【摘要】本文介紹了廣州地鐵八號(hào)線(xiàn)龐巴迪造車(chē)輛電傳動(dòng)控制系統(tǒng)的組成部件、基本原理

【關(guān)鍵詞】剛性、逆變器、矢量控制、參考值、載荷

一.系統(tǒng)概況

廣州地鐵八號(hào)線(xiàn)車(chē)輛采用了與一號(hào)線(xiàn)車(chē)輛相同的編組方式，由一節(jié)拖車(chē)（A車(chē)帶司機(jī)室）、兩節(jié)動(dòng)車(chē)（B、C車(chē)）組成一個(gè)單元車(chē)，再由兩個(gè)單元車(chē)通過(guò)半自動(dòng)車(chē)鉤連接成一列完整的擁有6節(jié)車(chē)編組的列車(chē)。

廣州地鐵八號(hào)線(xiàn)龐巴迪造車(chē)輛采用了國(guó)內(nèi)首次使用的剛性接觸網(wǎng)。一、二、八號(hào)線(xiàn)的供電方式都是采用“直—交—交”的方式，兩者都是通過(guò)1500V直流供電，經(jīng)VVVF逆變器轉(zhuǎn)變成變頻變壓的三相交流電，供給三相鼠籠式異步電機(jī)進(jìn)行牽引。龐巴迪造車(chē)輛的大部分牽引設(shè)備位于B車(chē)和C車(chē)，車(chē)下的VVVF逆變器主要分布在B車(chē)的PH箱和C車(chē)PA箱中。PH箱除了VVVF逆變器以外，還有高速斷路器HSCB、接地保護(hù)開(kāi)關(guān)、車(chē)間電源接觸器等高壓設(shè)備。而PA箱除了VVVF逆變器以外，還有輔助逆變器等輔助設(shè)備。牽引逆變器模塊（MCM）都是通過(guò)安裝再PH箱和PA箱中間部分的外部風(fēng)扇進(jìn)行冷卻。另外，每個(gè)逆變器VVVF部分都裝有一個(gè)改善內(nèi)部氣流，避免溫度局部過(guò)高的內(nèi)部小風(fēng)扇。牽引系統(tǒng)主要供電回路如圖1所示：

1、（Motor Converter Module）牽引電機(jī)逆變器模塊MCM：每一節(jié)動(dòng)車(chē)上都安裝有一個(gè)MCM模塊，四個(gè)牽引電機(jī)的三相變頻變壓電源。它是車(chē)輛牽引電力的核心部分，均安裝在動(dòng)車(chē)的PH箱和PA箱中。C車(chē)除了MCM模塊外，還有一個(gè)ACM（Auxiliary Converter Module，輔助逆變器模塊），也安裝在PA箱內(nèi)，用以向車(chē)輛提供空調(diào)、空氣壓縮機(jī)、PA/PH箱以及車(chē)廂設(shè)備柜的AC220V等系統(tǒng)所需的三相交流電。

1500V直流電經(jīng)接地保護(hù)接觸器、高速斷路器、線(xiàn)路電感、充電電路、接地檢測(cè)器到達(dá)MCM模塊。每個(gè)MCM模塊，由模塊內(nèi)部的牽引控制單元（DCU）對(duì)電流、溫度、速度、指令等進(jìn)行全面監(jiān)控，通過(guò)門(mén)控單元（GDU）驅(qū)動(dòng)三相逆變器中的IGBT模塊，把1500V直流電轉(zhuǎn)換成變頻變壓的三相交流電，從而驅(qū)動(dòng)本節(jié)車(chē)的四臺(tái)自通風(fēng)4極3相制鼠籠式異步旋轉(zhuǎn)電機(jī)。

在電氣上，MCM模塊由三個(gè)主要的子系統(tǒng)組成，即三相逆變器、充電電容和過(guò)壓斬波器。三個(gè)系統(tǒng)由MCM內(nèi)部計(jì)算機(jī)監(jiān)控。充電電容相當(dāng)于一個(gè)能量緩沖裝置，用于穩(wěn)定直流輸入電壓，從而保證電機(jī)電流的調(diào)制。過(guò)壓斬波器通過(guò)將能量消耗在MCM外部的過(guò)壓保護(hù)電阻上來(lái)抑制瞬間過(guò)壓，保護(hù)逆變器。圖2是簡(jiǎn)化的MCM原理電路圖。

在機(jī)械上，MCM模塊包括：包含充電電容的充電單元，集成的門(mén)控單元（GDU）和包含IGBT模塊的斬波相單元。集成化的電子箱安裝在MCM模塊的前部，包含有DCU（Drive Control Unit，牽引控制單元）板和單獨(dú)供電單元。整個(gè)MCM的外觀如圖3所示。

1. 光纜輸出到GDU（14x） 2. 螺絲刀導(dǎo)孔

3. 牽引控制計(jì)算機(jī)（DCU） 4. 電子箱蓋的連接螺栓 （10x）

5. S2，跳線(xiàn)器，用于開(kāi)閉蓄電池 6. X3，連接，用于安裝軟件

7. 連接螺栓，用于DCU （5x） 8. 蓄電池

2、DCU在牽引逆變器MCM和輔助逆變器ACM中，各由一塊本地計(jì)算機(jī)控制板來(lái)控制逆變器的工作，即為上述提到的DCU。在牽引逆變器MCM中稱(chēng)為DCU/M，在輔助逆變器ACM中稱(chēng)為DCU/A。它們擁有相同的硬件結(jié)構(gòu)，只是采用的應(yīng)用軟件不同。逆變器控制板DCU/M控制動(dòng)車(chē)的牽引供電，DCU/A則控制輔助交流供電。DCU板外觀如圖4所示。DCU/M、DCU/A和I/O單元通過(guò)MVB（多功能車(chē)輛總線(xiàn)）與VTCU（車(chē)輛&列車(chē)控制單元）進(jìn)行通信。通過(guò)MVB，所有需要的信息在DCU和車(chē)輛控制系統(tǒng)的其他設(shè)備之間傳輸，包括了控制信號(hào)和狀態(tài)、故障信息。但是在DCU之間沒(méi)有直接的通訊，所有信息交換均通過(guò)VTCU在總線(xiàn)上完成，如圖5所示：

MVB

圖5 一個(gè)單元車(chē)的DCU板與VTCU的接口原理圖

3、供電模塊在DCU/M板的旁邊，還安裝有一塊單獨(dú)的供電模塊，用以給DCU/M板、門(mén)極控制單元（GDU）

和一些測(cè)量設(shè)備如溫度傳感器、速度傳感器等進(jìn)行供電。

一、 牽引系統(tǒng)功能和特性

1、 牽引方向選擇

要求列車(chē)牽引的方向直接由VTCU來(lái)進(jìn)行選擇并給出，被定義為與每個(gè)獨(dú)立的逆變器的安裝相關(guān)。即如果逆變器的安裝與牽引端方向一致，則此時(shí)逆變器的向前牽引方向與列車(chē)的向前牽引方向一致。

如果VTCU沒(méi)有選擇牽引方向，則牽引力矩參考值輸出被設(shè)定為0，列車(chē)不會(huì)顯示故障。運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)VTCU沒(méi)有發(fā)出牽引/制動(dòng)力請(qǐng)求或者列車(chē)速度很低（<7km/h）時(shí)，可以改變牽引方向。但在DCU中，牽引方向必須被設(shè)定好，當(dāng)既沒(méi)有向前又沒(méi)有向后方向被設(shè)定時(shí)，逆變器會(huì)停止工作。若逆變器中同時(shí)設(shè)定了兩個(gè)相反的方向，則也會(huì)停止工作并且列車(chē)顯示屏將會(huì)顯示“錯(cuò)誤的牽引方向”的事件信息。

2、 牽引/制動(dòng)力參考限制

牽引/制動(dòng)力值由VTCU按比例給出和限制。其值為正表示牽引力，負(fù)值則表示制動(dòng)力。其轉(zhuǎn)矩控制原理如圖7所示。

列車(chē)在牽引過(guò)程中，電流從高壓直流回路經(jīng)VVVF逆變器接到電動(dòng)機(jī)上，在列車(chē)進(jìn)行電制動(dòng)過(guò)程中，電流方向則相反，牽引電機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)狀態(tài)，將動(dòng)能經(jīng)VVVF逆變器返送到高壓直流回路，當(dāng)網(wǎng)壓高于1800V時(shí)，牽引電機(jī)產(chǎn)生的電能被送到制動(dòng)電阻消耗掉。使用IGBT（DCU/M）電機(jī)逆變器的控制來(lái)控制MCM，因此可以獲得要求轉(zhuǎn)矩，控制使切換頻率得到最完善的使用，并且使MCM 產(chǎn)生的電流諧波最小，這樣，在牽引電機(jī)中能量損失和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)會(huì)達(dá)到最小。所有電機(jī)逆變器轉(zhuǎn)矩參考都由VTCU計(jì)算，它也是列車(chē)速度、列車(chē)負(fù)載、反射率限制和需要的牽引力的一個(gè)功能。VTCU傳來(lái)的轉(zhuǎn)矩參考由每個(gè)DCU/M修改，并且根據(jù)DC鏈接電容器電壓、牽引電機(jī)中和逆變器的溫度、MCM輸出電流、車(chē)軸過(guò)速和空轉(zhuǎn)/滑動(dòng)控制來(lái)調(diào)節(jié)。

3.充電和激活

每個(gè)電機(jī)逆變器使用一個(gè)高速斷路器和一個(gè)充電電路來(lái)連接和斷開(kāi)逆變器的直流供電。充電電路由一個(gè)充電電阻、一個(gè)充電接觸器和一個(gè)線(xiàn)路接觸器組成。系統(tǒng)通過(guò)VCU發(fā)送到DCU/M的指令來(lái)激活直流充電。在當(dāng)前沒(méi)有故障并且牽引逆變器沒(méi)有封鎖時(shí)，逆變器可能出于以下幾種狀態(tài)之一：逆變器放電、逆變器充電或逆變器運(yùn)行，具體所處的狀態(tài)取決于VTCU發(fā)給DCU/M的“逆變器充電使能”和“逆變器啟動(dòng)使能”兩個(gè)信號(hào)的值。當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)，DCU內(nèi)部的脫扣開(kāi)關(guān)會(huì)分?jǐn)?，從而斷開(kāi)高速斷路器及其后繼電路與直流高壓的連接。

轉(zhuǎn)矩控制相關(guān)參數(shù)的得出：

·制動(dòng)力參考值

制動(dòng)模式下，制動(dòng)力參考值的設(shè)定類(lèi)同于牽引力參考值的設(shè)定，是與速度相關(guān)并根據(jù)實(shí)地試驗(yàn)得出的車(chē)輛特性數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行設(shè)定的。

·牽引力參考值

在牽引模式下，牽引力參考值與最大有效牽引力時(shí)的速度有關(guān)，0-100%的參考值與0-100%的有效牽引力一致，是列車(chē)速度的函數(shù)。這些參數(shù)都是根據(jù)實(shí)地試驗(yàn)得出的車(chē)輛特性數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行設(shè)定的。

·列車(chē)載荷校正

牽引/制動(dòng)力參考值根據(jù)0-100%的載荷校正因子來(lái)劃分，100%的校正因子對(duì)應(yīng)于列車(chē)達(dá)到最大牽引/制動(dòng)力時(shí)（根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)稱(chēng)為AW2狀態(tài)）的列車(chē)重量。

·牽引力/制動(dòng)力極限

考慮到接觸網(wǎng)功率限制、電機(jī)溫度、逆變器溫度、較大的輪徑值差異、無(wú)效的輪徑值、電機(jī)最大速度、冷卻風(fēng)扇的三相供電等因素，可以制定出牽引/制動(dòng)力的極限值。另外，在制定制動(dòng)力極限時(shí)，還考慮了制動(dòng)電阻的溫度及其冷卻故障的影響。當(dāng)VTCU檢測(cè)不到冷卻系統(tǒng)的有效供電時(shí)，牽引力極限被設(shè)定為最大50%，制動(dòng)力極限為0%。電制動(dòng)力最大有效值會(huì)反饋回VTCU，從而單獨(dú)控制制動(dòng)系統(tǒng)中氣制動(dòng)力的預(yù)調(diào)節(jié)。

·牽引/制動(dòng)力實(shí)際值

牽引/制動(dòng)力實(shí)際值是計(jì)算好的輸出到電機(jī)控制的牽引/制動(dòng)力值，其中包含了空轉(zhuǎn)/滑行保護(hù)。牽引/制動(dòng)力設(shè)定值是不包括空轉(zhuǎn)/滑行極限保護(hù)的輸出到電機(jī)控制的牽引/制動(dòng)力值。當(dāng)列車(chē)滑行時(shí)，將會(huì)在調(diào)節(jié)函數(shù)中使用設(shè)定值代替實(shí)際值，從而避免在列車(chē)已經(jīng)滑行時(shí)在施加額外的氣制動(dòng)。

·牽引力/制動(dòng)力變化率

為了牽引力/制動(dòng)力的變化曲線(xiàn)平滑，并通過(guò)限制牽引/制動(dòng)功率變化從而減少電磁干擾和對(duì)接觸網(wǎng)的影響，對(duì)牽引力/制動(dòng)力變化率進(jìn)行了限制。力的參考值在增加和減少時(shí)采用了不同的極限限制，它們與由列車(chē)速度決定的力的最大有效值相一致。在需要快速地施加制動(dòng)時(shí)，例如在自動(dòng)駕駛模式或者緊急制動(dòng)時(shí)（廣州地鐵二號(hào)線(xiàn)在緊急制動(dòng)時(shí)電制動(dòng)不參與），可以通過(guò)VTCU發(fā)出“快速增加制動(dòng)能量”的命令來(lái)獲得更快的降低速率。

廣州地鐵八號(hào)線(xiàn)龐巴迪造車(chē)輛的動(dòng)車(chē)組是使用三相異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)，將接觸網(wǎng)上的1500V直流電，逆變?yōu)轭l率、電壓都可調(diào)的三相交流電，平行地供給車(chē)輛上的四臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)列車(chē)的啟動(dòng)，運(yùn)行和制動(dòng)的全過(guò)程控制，是一種大功率，高電壓的變頻調(diào)速裝置，列車(chē)運(yùn)行平穩(wěn)，升降速度迅速，且振動(dòng)和沖擊力小，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，圖7是該系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)矩控制原理框圖，它是由輸入給定，脈沖發(fā)生，電機(jī)驅(qū)動(dòng)，能量反饋，信號(hào)反饋，故障監(jiān)測(cè)等各個(gè)環(huán)節(jié)組成，主要單元的作用和功能分述如后。

1、轉(zhuǎn)矩磁通控制器：它接收給定信號(hào)，故障監(jiān)控信號(hào)和逆度器輸出反饋信號(hào)。反饋信號(hào)包括有三相電流、電壓信號(hào)、電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)以及通過(guò)磁場(chǎng)觀測(cè)器所形成磁通大小和相位信號(hào)。轉(zhuǎn)矩磁通控制器根據(jù)所有信號(hào)進(jìn)行綜合分析比較形成兩路控制信號(hào)， 電壓信號(hào)uj和uk，轉(zhuǎn)矩控制器具有構(gòu)筑數(shù)學(xué)模形的功能。

2、坐標(biāo)變換：兩路控制電壓uj和uk經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換形成ua、ub、uc三相調(diào)制電壓輸出。

3、脈寬調(diào)制環(huán)節(jié)：三相調(diào)制電壓ua、ub、uc和載波信號(hào)，磁通相位一起確定了六路觸發(fā)脈沖送往隔離驅(qū)動(dòng)器。

上述1、2、3環(huán)節(jié)的全過(guò)程都是在牽引控制器DCU中完成的，脈寬調(diào)制輸出至隔離驅(qū)動(dòng)器之間，采用光纖傳送，既保證與主回路間很高的絕緣隔離，又有很好的防干擾性能。

4、隔離驅(qū)動(dòng)器：除了輸出六個(gè)橋臂開(kāi)關(guān)信號(hào)外，還接受網(wǎng)壓監(jiān)測(cè)信號(hào)，逆變器輸出的電壓，電流反饋信號(hào)，每個(gè)IGBT器件的短路監(jiān)測(cè)信號(hào)，并對(duì)這些反饋信號(hào)進(jìn)行判斷和快速反應(yīng)，特別是IGBT的短路信號(hào)。

5、逆變器主回路為三相橋式電路，使用耐高壓，大電流的IGBT器件，自身具有防反壓和瞬時(shí)短路的保護(hù)功能。與GTO器件相比較，開(kāi)關(guān)損耗大大降低。此外主回路還有風(fēng)壓監(jiān)控，過(guò)熱保護(hù)等功能。

6、標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊可將電量和非電量（溫度）轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的電流信號(hào)提供給系統(tǒng)的各個(gè)控制器。

7、轉(zhuǎn)子磁通觀測(cè)器是一個(gè)組合型的磁通運(yùn)算器，低速時(shí)利用定子電流和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速來(lái)觀測(cè)轉(zhuǎn)子磁通，在高速時(shí)利用定子電流和電壓觀測(cè)轉(zhuǎn)子磁通。以提高精度，觀測(cè)結(jié)果送往轉(zhuǎn)矩磁通控制器。磁通觀測(cè)信號(hào)是矢量控制系統(tǒng)的最主要的反饋信號(hào)，它的觀測(cè)精度直接影響系統(tǒng)的控制精度。

為了保證逆變器輸出電壓波形的對(duì)稱(chēng)性，該系統(tǒng)采用了分段同步調(diào)制的方式?？刂普{(diào)制比f(wàn)SW/fs的比值基本是3的倍數(shù)，這樣能有效地減少諧波和脈動(dòng)噪聲。

三、廣州地鐵八號(hào)線(xiàn)龐巴迪造車(chē)輛列車(chē)牽引控制系統(tǒng)與一號(hào)線(xiàn)西門(mén)子列車(chē)相比，有以下幾個(gè)優(yōu)缺點(diǎn)：

· 采用了可控性能更好，工作更加穩(wěn)定，功率更大的IGBT絕緣柵雙極晶體管，一號(hào)線(xiàn)西門(mén)子列車(chē)則采用門(mén)極可關(guān)斷開(kāi)關(guān) （GTO） ；

· 牽引控制單元（DCU）的集成化更高，將一號(hào)線(xiàn)西門(mén)子列車(chē)的DCU和UNAS融為一體，由原來(lái)的24塊電子板，集成為由微機(jī)處理板（計(jì)算機(jī)板）、光纖接口板、擴(kuò)展板三部分組成的一塊DCU板，體積為原來(lái)的十分之一。

· VVVF逆變器的模塊化設(shè)計(jì)，將DCU和VVVF逆變器都合成在一個(gè)模塊上，體積僅為一號(hào)線(xiàn)西門(mén)子列車(chē)VVVF逆變器的四分之一。這樣既節(jié)省原材料，降低成本，又減少故障的發(fā)生。一號(hào)線(xiàn)西門(mén)子列車(chē)的DCU和VVVF逆變器是分開(kāi)安裝，DCU在客室，VVVF逆變器在車(chē)底；由于列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，DCU和VVVF逆變器之間是不斷地進(jìn)行信息的發(fā)送和反饋，線(xiàn)路過(guò)長(zhǎng)，容易引起信號(hào)的出錯(cuò)和丟失，導(dǎo)致系統(tǒng)工作的不穩(wěn)定，這也是一號(hào)線(xiàn)西門(mén)子列車(chē)DCU故障常有出現(xiàn)的一個(gè)原因。

· 在軟件方面更為優(yōu)越，使用更加方便。一個(gè)是在分析軟件上，采用了EXCEL表格的形式，更為直觀，容易被檢修員工使用；同時(shí)，還可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的故障和信號(hào)的測(cè)試，對(duì)故障的判斷和處理，帶來(lái)極大的方便。

· 從維修角度來(lái)看，由于采用了模塊化的設(shè)計(jì)，一旦出現(xiàn)逆變器模塊當(dāng)中的某些小問(wèn)題，如溫度傳感器故障，就不能直接進(jìn)行更換處理，需要將模塊拆下后才能更換。筆者認(rèn)為這些地方可采用其他方式，如將溫度傳感器采用嵌入的方式，安裝到用手可直接拆裝，同時(shí)不影響溫度傳感器的工作的地方，一旦出現(xiàn)溫度傳感器故障，就可輕松地將溫度傳感器更換掉，減少拆卸逆變器模塊的工作量。

· 由于龐巴迪造車(chē)輛的VVVF逆變器是模塊化設(shè)計(jì)，在故障的判斷和處理上比一號(hào)線(xiàn)西門(mén)子列車(chē)的相對(duì)容易，但是這樣的設(shè)計(jì)，使得各元器件相對(duì)集中，在散熱上會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題，特別在大電流和常時(shí)間運(yùn)營(yíng)時(shí)，容易出現(xiàn)故障。就目前得散熱情況來(lái)看，我認(rèn)為是不能滿(mǎn)足要求的，盡管目前的故障表現(xiàn)得并不頻繁，但我還是建議在箱體多增加一個(gè)110V的內(nèi)部風(fēng)扇，以更好地改善VVVF逆變器的工作環(huán)境溫度。

四、結(jié)束語(yǔ)

從整體來(lái)說(shuō)，廣州地鐵八號(hào)線(xiàn)龐巴迪造車(chē)輛牽引控制系統(tǒng)技術(shù)是非常先進(jìn)的，性能也很穩(wěn)定。與一號(hào)線(xiàn)西門(mén)子同類(lèi)車(chē)輛相比，具有更好的調(diào)速性能，硬件的集成化、模塊化，軟件功能更為強(qiáng)大和完善，更便于故障的判斷和處理，這對(duì)提高列車(chē)的運(yùn)輸能力和節(jié)約成本上都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。