淺談軌道交通車輛電氣柜特點

任文

關(guān)鍵詞：模塊化；輕量化；集中控制

1、概述

車輛電氣柜柜專門為城市軌道交通車輛設(shè)計，是城市軌道機(jī)車必不可少的供電/信號控制設(shè)備，它通過模塊化設(shè)計將各種設(shè)備集成在電氣柜中，通過電路傳輸轉(zhuǎn)換將低壓電壓提供給各級負(fù)載供電，電氣柜為地鐵車輛必要的控制、制動、照明提供電源以及信號控制，保證車輛能正常制動、車輛信號系統(tǒng)能正常工作、能正常使用。

軌道交通發(fā)展越來越快，客戶針對地鐵車輛所使用的電氣柜也有更高的要求，材質(zhì)可靠、輕量化、功能全面、信號集成設(shè)計、維護(hù)簡單更會得到客戶的認(rèn)可，車輛電氣柜材質(zhì)應(yīng)城軌要求選擇符合城軌發(fā)展的高強(qiáng)度材質(zhì)，通過EN15085標(biāo)準(zhǔn)焊接形式或鉚接形式進(jìn)行制造；參考IEC60077標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行器件布置優(yōu)化，目的是使電氣柜小型化，目前城軌使用的電氣柜已能做到將各種器件合理布置，通過同系列器件、系統(tǒng)相通、邏輯類似原則進(jìn)行模塊化布置，可避免空間的浪費、避免線路重復(fù)，體積得到控制；為了車輛運(yùn)行的穩(wěn)定性，以及車輛發(fā)生任何情況下的應(yīng)急處理，車輛要求電氣柜包含的功能必須全面，目前電氣柜功能除了正常的供電轉(zhuǎn)換外，還有針對車輛的制動系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、信號系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、煙火系統(tǒng)等等進(jìn)行集中控制，在任何情況下，車輛運(yùn)行都能保持穩(wěn)定性；為了車輛的穩(wěn)定性，電氣柜采用模塊化集成設(shè)計，通過PLC控制組件或者車控制器的控制設(shè)備統(tǒng)一處理所有的I/O信號，統(tǒng)一進(jìn)行信號的傳輸、轉(zhuǎn)換、跟蹤，也正因為這樣的集成設(shè)計模式，使得車輛維護(hù)變得簡單化，提高了車輛運(yùn)行的效率；所以專用的車輛電氣制柜是城市軌道交通車輛必備且不可或缺的裝置，也是保障列車行駛安全至關(guān)重要的設(shè)備。

2、技術(shù)要求

新型車輛電氣柜采用芯片作為核心控制的電路，來實現(xiàn)各種邏輯信號控制，首先通過控制設(shè)備中的網(wǎng)絡(luò)板Network端口進(jìn)行信號傳輸、轉(zhuǎn)換、跟蹤、上報，設(shè)備收到要求指令后，進(jìn)入工作狀態(tài)，同時CPU芯片跟蹤設(shè)備狀態(tài)，因控制設(shè)備采用的開關(guān)管都是由損耗較小的器件組成，工作時產(chǎn)生的熱量較小，系統(tǒng)能更穩(wěn)定的工作，且內(nèi)置的電源轉(zhuǎn)換模塊為DC/DC隔離電源，后級電源不受前級影響，能給電路提供一個穩(wěn)定、平滑的高質(zhì)量直流電壓，提高了電源的品質(zhì)，提高了系統(tǒng)工作效率；而相對于傳統(tǒng)的電氣柜由器件之間進(jìn)行傳輸、轉(zhuǎn)換信號，器件數(shù)量更多占用更大的空間，控制設(shè)備有更大的優(yōu)勢，能減少電氣柜的尺寸，降低整個電氣柜的重量。

新型車輛電氣柜采用48路同樣的I/O控制電路，前級信號輸入端采用下圖的K1微型繼電器進(jìn)行控制，通過后級觸點的開關(guān)動作進(jìn)行控制信號O1輸出，繼電器正常工作后功耗較小，可大大減小了每路I/O的功率和電流，可選用尺寸規(guī)格更小型化的、損耗較小的繼電器，易于批量生產(chǎn)和采購，降低硬件的成本；通過I/O模塊之間的散熱帶，將熱量平均分?jǐn)偟絀/O電路里，降低了單位電路的熱量損耗，提高了設(shè)備整體的散熱面積，這樣可以幫助I/O模塊更快速散熱，改善了設(shè)備內(nèi)部所有元器件的工作環(huán)境，從而提高了整個產(chǎn)品的工作壽命。

新型車輛電氣柜采用變頻控制的電路，通過可控的頻率變化技術(shù)，可以使車輛電氣柜輸出交流電控制在25HZ～60HZ上，通過不同的工況來調(diào)節(jié)設(shè)備的輸出電壓給空調(diào)機(jī)組供電，避免設(shè)備長時間工作在最大電壓下，目的是控制車輛的用電量的功耗；同時可用電能表RS485端口進(jìn)行傳輸至控制設(shè)備的CPU芯片實時進(jìn)行跟蹤控制，從而降低整車的用電量損耗，把控整個車輛的用電情況。

具體設(shè)計原理示例：輸出電壓給空調(diào)機(jī)組風(fēng)機(jī)供電分正常供電和旁路供電兩種方式，正常供電由SIV輸出交流電源經(jīng)過（KM11）接觸器、熔斷器接至變頻電源的輸入端，由變頻電源在25HZ～60HZ頻率可調(diào)，控制輸出交流電壓，達(dá)到控制空調(diào)風(fēng)機(jī)風(fēng)量，降低整車的用電量損耗，旁路供電的前提是變頻電源損壞導(dǎo)致無輸出，（KM40）接觸器吸合，將SIV輸出交流電直接供給空調(diào)風(fēng)機(jī)。

變頻電源可與車輛電氣柜通過RS485端口進(jìn)行通訊，系統(tǒng)故障時，系統(tǒng)會將故障信息進(jìn)行存儲，存儲容量64K，可以最多存儲6000條故障信息。

變頻控制電路如下：

主控板包括CPU板、IO板、通訊板等；主要用于控制回路的檢測，功能有XS3輸入電壓的檢測，XS7輸出電壓的檢測與穩(wěn)壓、XS1輸出電流的檢測與限流、XS4接觸器的驅(qū)動與反饋檢測、各種故障的保護(hù)以及信息傳輸和存儲。另外，主控板可以通過XS8端口與車輛電氣柜進(jìn)行RS485通訊，根據(jù)車輛電氣柜提供的車廂溫度、載客量來調(diào)節(jié)輸出電壓和頻率。

3、與同類產(chǎn)品的競爭優(yōu)勢

重量方面：同類產(chǎn)品體積較大，器件數(shù)量較多，未采用集成化設(shè)計，維護(hù)不能簡單化，因此整車維護(hù)效率低；而本電氣柜采用集成化設(shè)計可減少柜子尺寸；相對于傳統(tǒng)的電氣柜由多種器件之間進(jìn)行傳輸、轉(zhuǎn)換信號，器件數(shù)量更多占用更大的空間，集成化組件有更大的優(yōu)勢，能減少電氣柜的尺寸，降低整個電氣柜的重量。

技術(shù)方面：同類產(chǎn)品后級電源易受前級影響，達(dá)不到對供電電源的高品質(zhì)要求，且器件平時工作功耗大；而本控制柜采用DC/DC隔離電源，后級電源不受前級影響，能給電路提供一個穩(wěn)定、平滑的高質(zhì)量直流電壓，提高了電源的品質(zhì)，提高了系統(tǒng)工作效率；采用微型繼電器進(jìn)行I/O控制，通過后級觸點的開關(guān)動作進(jìn)行控制信號輸出，繼電器正常工作后功耗較小，可大大減小了每路I/O的功率和電流；通過I/O模塊之間的散熱帶，將熱量平均分?jǐn)偟絀/O電路里，降低了單位電路的熱量損耗，提高了設(shè)備整體的散熱面積，這樣可以幫助I/O模塊更快速散熱，改善了設(shè)備內(nèi)部所有元器件的工作環(huán)境，從而提高了整個產(chǎn)品的工作壽命。

其他方面：同類產(chǎn)品沒有對應(yīng)的變頻控制技術(shù)，電壓仍按照最大電壓工作，做不到對用電量的跟蹤控制；而新型車輛電氣柜通過可控的頻率變化技術(shù)，通過不同的工況來調(diào)節(jié)設(shè)備的輸出電壓，避免設(shè)備長時間工作在最大電壓下，目的是控制車輛的用電量的功耗；同時可用電能表RS485端口進(jìn)行傳輸至控制設(shè)備CPU芯片實時進(jìn)行跟蹤控制，從而降低整車的用電量損耗，把控整個車輛的用電情況。

4、成功案例

2015年為長春軌道客車股份有限公司生產(chǎn)的南昌地鐵2號線配裝的車輛電氣柜；

2016年為浦鎮(zhèn)車輛有限公司生產(chǎn)的合肥地鐵2號線配裝的車輛空調(diào)控制盤；

2017年為青島四方機(jī)車車輛股份有限公司生產(chǎn)的廈門地鐵2號線配裝的車輛電氣柜；

（作者單位：南京志卓電子科技有限公司）