城市軌道交通車輛應(yīng)急啟動(dòng)電路改進(jìn)及控制方法優(yōu)化方案

邸 峰 張 坤 曾凡飛 王 博 馬升潘

(1.中車青島四方車輛研究所有限公司，266111，青島；2.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，266111，青島∥第一作者，工程師)

城市軌道交通列車啟動(dòng)分為正常啟動(dòng)和應(yīng)急啟動(dòng)[1]。當(dāng)蓄電池發(fā)生故障或嚴(yán)重虧電，列車無(wú)法依賴蓄電池進(jìn)行正常激活時(shí)，可通過(guò)應(yīng)急啟動(dòng)電源為充電機(jī)提供控制電路所需的DC 110 V電源，使充電機(jī)完成啟動(dòng)；待直流母線電壓能滿足車輛負(fù)載供電要求時(shí)，應(yīng)急啟動(dòng)電源即可退出工作，列車完成激活。目前，新建城軌項(xiàng)目通常要求充電機(jī)在應(yīng)急啟動(dòng)模式下不僅需為列車虧電的蓄電池充電，還需為列車DC 110 V負(fù)載供電。蓄電池牽引應(yīng)用的加入，使列車應(yīng)急啟動(dòng)功能的使用概率大幅提高，也對(duì)其操作的便利性和可靠性要求相應(yīng)提高。因此，有必要針對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化研究。

1 應(yīng)急啟動(dòng)模式工作原理及問(wèn)題

1.1 應(yīng)急啟動(dòng)工作原理

應(yīng)急啟動(dòng)模式工作原理框圖如圖1所示，當(dāng)列車蓄電池欠壓時(shí)，因蓄電池箱內(nèi)欠壓繼電器QC1保護(hù)，蓄電池?zé)o法投入，列車不能正常激活，充電機(jī)也不能正常啟動(dòng)。此時(shí)，需要通過(guò)應(yīng)急啟動(dòng)電源為充電機(jī)提供控制電源。該電源能夠?qū)⒏邏?DC 1 500 V或DC 750 V)供電轉(zhuǎn)換為DC 110 V供電，并可通過(guò)采樣檢測(cè)蓄電池電壓實(shí)現(xiàn)滯環(huán)控制應(yīng)急啟動(dòng)電源啟停。本文以應(yīng)急啟動(dòng)電源檢測(cè)到蓄電池電壓小于88 V時(shí)設(shè)備啟動(dòng)，大于96 V時(shí)設(shè)備停機(jī)為例進(jìn)行說(shuō)明。

圖1 應(yīng)急啟動(dòng)模式工作原理框圖

在列車高壓供電正常后，應(yīng)急啟動(dòng)電源如檢測(cè)到蓄電池欠壓，則自動(dòng)啟動(dòng)，同時(shí)司機(jī)室內(nèi)應(yīng)急啟動(dòng)電源提示燈點(diǎn)亮。當(dāng)提示燈點(diǎn)亮后，司機(jī)按下應(yīng)急電源輸出按鈕，即可為本車充電機(jī)控制器提供DC110V控制用電，進(jìn)而保證充電機(jī)正常啟動(dòng)輸出以激活列車，并為蓄電池充電。應(yīng)急啟動(dòng)電源在檢測(cè)到蓄電池電壓高于96 V后自動(dòng)停機(jī)。

1.2 目前應(yīng)急啟動(dòng)存在的問(wèn)題

近年來(lái)，在新建項(xiàng)目中已普遍應(yīng)用的城市軌道交通車輛應(yīng)急啟動(dòng)功能逐步暴露出一些問(wèn)題。

1) 電壓尖峰問(wèn)題。按照方案設(shè)計(jì)，應(yīng)急啟動(dòng)電源在檢測(cè)到蓄電池電壓大于96 V后將自動(dòng)停機(jī)，列車負(fù)載轉(zhuǎn)為由充電機(jī)供電。在實(shí)際應(yīng)用中，充電機(jī)輸出電壓尖峰峰值雖已達(dá)96 V，并使應(yīng)急啟動(dòng)電源停機(jī)，但此時(shí)充電機(jī)輸出仍未完全穩(wěn)定，因控制器供電丟失則充電機(jī)啟動(dòng)失敗。相應(yīng)實(shí)景圖如圖2所示。

圖2 應(yīng)急啟動(dòng)模式下輸出電壓尖峰沖擊工況實(shí)景圖

2) 負(fù)載沖擊問(wèn)題。目前，在城市軌道交通車輛中，除空調(diào)及空壓機(jī)等大功率設(shè)備采用AC 380 V供電外，照明、LCD(液晶顯示器)屏幕、電子地圖及各系統(tǒng)控制器等設(shè)備均采用DC 110 V供電?？梢?， DC 110 V負(fù)載多為容性負(fù)載。容性負(fù)載因其自身的物理特性，在啟動(dòng)時(shí)會(huì)給供電端帶來(lái)遠(yuǎn)大于自身功率的沖擊電流。在正常啟動(dòng)工況下，該沖擊電流由蓄電池承擔(dān)；而在應(yīng)急啟動(dòng)工況下，設(shè)備在得電瞬間所受沖擊電流較大，易觸發(fā)充電機(jī)短路保護(hù)，導(dǎo)致充電機(jī)停機(jī)，啟動(dòng)失敗。以濟(jì)南市軌道交通R2線車輛為例，其應(yīng)急啟動(dòng)瞬間沖擊電流高達(dá)608 A，如圖3所示。目前，主要通過(guò)在啟動(dòng)前切除列車大功率負(fù)載等更改應(yīng)急啟動(dòng)操作的方法來(lái)解決應(yīng)急啟動(dòng)瞬間大沖擊電流的問(wèn)題，操作方法如下：首先，切除列車大功率負(fù)載，然后應(yīng)急啟動(dòng)列車充電機(jī)為蓄電池預(yù)充電；待蓄電池電壓滿足正常啟動(dòng)要求后，退出應(yīng)急啟動(dòng)模式，之后再正常激活列車[2]；充電機(jī)工作穩(wěn)定后，再逐步投入列車負(fù)載。該操作過(guò)程需斷合數(shù)十個(gè)斷路器，較為繁瑣，操作的復(fù)雜性高，不適于應(yīng)急應(yīng)用。

圖3 應(yīng)急啟動(dòng)模式下負(fù)載沖擊波形實(shí)景圖

2 優(yōu)化方案

針對(duì)應(yīng)急啟動(dòng)模式存在的問(wèn)題，本文結(jié)合應(yīng)急啟動(dòng)電路與控制方法進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 應(yīng)急啟動(dòng)電源的啟停邏輯優(yōu)化

針對(duì)電壓尖峰問(wèn)題，可在電源啟停控制邏輯中增加延時(shí)控制功能，以實(shí)現(xiàn)對(duì)啟停控制的濾波。優(yōu)化后的控制邏輯框圖如圖4所示。圖4中，在電源啟停條件中均加入10 s延時(shí)控制，可有效避免電源的誤啟動(dòng)及誤停機(jī)。此外，在控制算法中，將應(yīng)急啟動(dòng)模式的充電機(jī)最高輸出電壓限制為95 V，且該限制持續(xù)80 s。該優(yōu)化方法從算法層面對(duì)充電機(jī)輸出電壓進(jìn)行優(yōu)化控制，減少電壓尖峰的出現(xiàn)。

圖4 應(yīng)急啟動(dòng)電源啟停邏輯

2.2 應(yīng)急啟動(dòng)控制電路優(yōu)化

針對(duì)負(fù)載沖擊問(wèn)題，可優(yōu)化列車應(yīng)急啟動(dòng)控制電路。在優(yōu)化電路中，將充電機(jī)輸出電壓作為應(yīng)急啟動(dòng)工況下列車DC 110 V負(fù)載投入的控制信號(hào)。當(dāng)充電機(jī)輸出電壓能滿足負(fù)載投入接觸器線圈的吸合電壓時(shí)，負(fù)載投入。該優(yōu)化措施避免了充電機(jī)在啟動(dòng)初期帶載啟動(dòng)造成的充電機(jī)啟動(dòng)失敗。但在負(fù)載投入時(shí)，充電機(jī)仍會(huì)受到較大電流的沖擊，需要結(jié)合后續(xù)控制方法進(jìn)行調(diào)節(jié)。

列車兩端分別為Tc(帶司機(jī)室的拖車)1車和Tc2車，其應(yīng)急啟動(dòng)信號(hào)的列車布置如圖5所示。在充電機(jī)輸出回路正線處，引出接線通過(guò)連接器X14.17連接到整車回路，傳輸應(yīng)急啟動(dòng)工況列車負(fù)載投入使能信號(hào)，并將應(yīng)急啟動(dòng)電源輸出端接到蓄電池箱欠壓繼電器(即圖6中繼電器KVGB1，其欠壓保護(hù)設(shè)置值為82 V)前端。

圖5 應(yīng)急啟動(dòng)信號(hào)列車布置示意圖

列車在蓄電池虧電時(shí)發(fā)出應(yīng)急啟動(dòng)命令，隨后，應(yīng)急啟動(dòng)工況下蓄電池箱欠壓繼電器強(qiáng)制投入，建立負(fù)載投入接觸器線圈的控制回路。其中，應(yīng)急啟動(dòng)電源輸出信號(hào)由列車貫通線傳送，故任一車應(yīng)急啟動(dòng)電源的對(duì)外輸出均可供全車蓄電池充電機(jī)控制用電，并給出全車蓄電池箱中欠壓繼電器欠壓狀態(tài)的旁路信號(hào)。負(fù)載投入使能信號(hào)則僅連接至本車蓄電池箱中負(fù)載投入控制回路。司機(jī)發(fā)出應(yīng)急啟動(dòng)信號(hào)后，全車充電機(jī)控制器得電，蓄電池箱欠壓繼電器復(fù)位，待充電機(jī)啟動(dòng)輸出且各充電機(jī)負(fù)載投入使能信號(hào)給出后，相應(yīng)蓄電池箱負(fù)載投入接觸器閉合。此時(shí)，不需司機(jī)或操作人員再去進(jìn)行任何操作即可實(shí)現(xiàn)全列車充電機(jī)與負(fù)載的激活，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)應(yīng)急啟動(dòng)功能的一鍵啟動(dòng)，具有高效便捷性。此外，按照該優(yōu)化方案執(zhí)行應(yīng)急啟動(dòng)時(shí)，列車2臺(tái)充電機(jī)同時(shí)啟動(dòng)，整車負(fù)載沖擊由2臺(tái)充電機(jī)共同承擔(dān)，也可進(jìn)一步降低應(yīng)急啟動(dòng)工況下，充電機(jī)啟動(dòng)瞬間，負(fù)載帶來(lái)的瞬時(shí)沖擊。

優(yōu)化的列車應(yīng)急啟動(dòng)控制電路如圖6所示。其中：QAGB為蓄電池箱輸出隔離開關(guān)，處于常閉狀態(tài)；QFGB為負(fù)載投入信號(hào)保護(hù)斷路器，也處于常閉狀態(tài)。當(dāng)列車蓄電池虧電，需執(zhí)行應(yīng)急啟動(dòng)功能時(shí)，列車通過(guò)腳踏升弓或車間電源等方式接入高壓供電；待應(yīng)急啟動(dòng)電源得到高壓供電，且檢測(cè)到蓄電池欠壓?jiǎn)?dòng)輸出DC 110 V電壓后，列車應(yīng)急啟動(dòng)功能指示燈亮起；此時(shí)，司機(jī)按下應(yīng)急啟動(dòng)按鈕，欠壓繼電器KVGB1線圈得電動(dòng)作，時(shí)間繼電器KTGB(斷電延時(shí)30 s)線圈控制回路建立；待充電機(jī)輸出電壓滿足線圈吸合電壓后，繼電器KTGB動(dòng)作，KTGB常開觸點(diǎn)閉合，負(fù)載接觸器KMGB2的線圈控制回路建立，接觸器KMGB2閉合，列車負(fù)載投入，由充電機(jī)供電。

圖6 優(yōu)化的列車應(yīng)急啟動(dòng)控制電路

2.3 應(yīng)急啟動(dòng)控制方法優(yōu)化

優(yōu)化后的應(yīng)急啟動(dòng)控制電路，同樣會(huì)面臨負(fù)載沖擊問(wèn)題。因此，需基于優(yōu)化后的控制電路對(duì)應(yīng)急啟動(dòng)控制方法進(jìn)行優(yōu)化。

在采用優(yōu)化后電路進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于軌道交通用繼電器驅(qū)動(dòng)電壓范圍較廣(以110 V繼電器為例)，故當(dāng)充電機(jī)輸出電壓達(dá)到67 V時(shí)，負(fù)載投入繼電器動(dòng)作，整車負(fù)載接入到列車DC 110 V母線。此時(shí)，由于容性負(fù)載突加，在充電機(jī)輸出端會(huì)有較大的沖擊電流，易導(dǎo)致充電機(jī)瞬間觸發(fā)短路保護(hù)，應(yīng)急啟動(dòng)失敗。因此，在應(yīng)急啟動(dòng)時(shí)需設(shè)置控制器對(duì)輸出電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。當(dāng)輸出電流大于限流值時(shí)，控制器迅速降低輸出電壓給定值，減小IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比輸出，避免電流繼續(xù)升高；在避開大電流沖擊后，控制器繼續(xù)升高輸出電壓。該控制過(guò)程類似于充電機(jī)為列車DC 110 V容性負(fù)載進(jìn)行了一次預(yù)充電。

經(jīng)過(guò)首次充電后，容性負(fù)載有初始存儲(chǔ)電壓U0。受容性負(fù)載特性影響，啟動(dòng)瞬間的電流I如式(1)所示。

(1)

式中：

U——目前施加在容性器件上的電壓；

U0——容性器件的初始電壓；

Req——電路等效阻抗；

t——工作時(shí)間，啟動(dòng)瞬間t=0；

C——容性器件等效容值。

對(duì)于同一設(shè)備來(lái)說(shuō)，C和Req為定值。經(jīng)過(guò)模擬預(yù)充電后，容性負(fù)載再次接受充電機(jī)輸出的電壓時(shí)將不會(huì)有較大電流沖擊，可以保證充電機(jī)正常啟動(dòng)。啟動(dòng)后，充電機(jī)輸出電壓逐漸升高；待充電機(jī)輸出電壓達(dá)到95 V后(該電壓值可按需調(diào)整)，限制充電機(jī)輸出最高電壓為95 V，且限制持續(xù)80 s，以確保應(yīng)急啟動(dòng)電源不會(huì)因檢測(cè)到瞬間較高電壓而停止輸出；之后，充電機(jī)恢復(fù)正常模式工作。優(yōu)化后的應(yīng)急啟動(dòng)控制方法流程如圖7所示。

圖7 優(yōu)化后的應(yīng)急啟動(dòng)控制方法流程圖

2.4 優(yōu)化效果驗(yàn)證

基于優(yōu)化后的應(yīng)急啟動(dòng)電路及控制方法，在濟(jì)南市軌道交通R2線對(duì)車輛進(jìn)行試驗(yàn)，其工作效果良好，試驗(yàn)波形如圖8所示。由圖8可以看出：在列車負(fù)載投入后，優(yōu)化后的控制方法可有效減小容性負(fù)載瞬間充電導(dǎo)致的電流尖峰；經(jīng)過(guò)短暫的電壓調(diào)整，充電機(jī)即可恢復(fù)正常輸出，完成充電機(jī)應(yīng)急啟動(dòng)，使列車激活成功。

圖8 充電機(jī)輸出電壓、輸出電流試驗(yàn)波形圖

優(yōu)化后應(yīng)急啟動(dòng)控制過(guò)程的電壓及電流如圖9所示。

圖9 優(yōu)化后應(yīng)急啟動(dòng)控制過(guò)程圖

由圖9可以看出：充電機(jī)輸出電壓升至95 V后，維持運(yùn)行約80 s，而后恢復(fù)正常模式運(yùn)行；整個(gè)過(guò)程運(yùn)行穩(wěn)定平滑，符合預(yù)期設(shè)定工況。重復(fù)進(jìn)行多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用優(yōu)化后的應(yīng)急啟動(dòng)電路及控制方法后，試驗(yàn)結(jié)果均滿足應(yīng)用要求。

利用優(yōu)化的應(yīng)急啟動(dòng)電路配合優(yōu)化的控制方法，不僅可以顯著降低容性負(fù)載投入對(duì)充電機(jī)造成的電流沖擊，而且保證了應(yīng)急啟動(dòng)操作的便利性，實(shí)現(xiàn)了一鍵啟動(dòng)，提高了應(yīng)急啟動(dòng)功能的可用性。

3 結(jié)語(yǔ)

分析了現(xiàn)有城市軌道交通車輛在應(yīng)急啟動(dòng)模式下存在的問(wèn)題，針對(duì)性提出優(yōu)化的應(yīng)急啟動(dòng)電路并對(duì)相應(yīng)控制方法進(jìn)行優(yōu)化，解決了列車在蓄電池虧電工況下直接帶載啟動(dòng)而造成的充電機(jī)過(guò)流停機(jī)問(wèn)題，對(duì)啟動(dòng)過(guò)程中存在應(yīng)急啟動(dòng)電源停機(jī)的問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)急啟動(dòng)的一鍵啟動(dòng)激活列車。

本文提出的應(yīng)急啟動(dòng)電路及控制方法已在濟(jì)南軌道交通R2線上進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)效果良好，驗(yàn)證了優(yōu)化應(yīng)急啟動(dòng)電路及優(yōu)化控制方法的可用性和有效性。