曹楠,杜東偉,劉斐然,魏志恒
(1.北京市地鐵運(yùn)營有限公司運(yùn)營四分公司,北京 100000;2.中國鐵道科學(xué)研究院城市軌道交通中心,北京 100081)
地鐵車輛對(duì)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的安全性、可靠性、穩(wěn)定性要求很高,若該系統(tǒng)發(fā)生故障,嚴(yán)重影響列車的正常運(yùn)營,對(duì)牽引類故障處理方法進(jìn)行歸納總結(jié)。目前,文獻(xiàn)對(duì)牽引典型故障案例進(jìn)行分析,文獻(xiàn)總結(jié)分析了列車牽引制動(dòng)指令沖突故障分析及改進(jìn)措施,文獻(xiàn)對(duì)各城市地鐵線路的牽引制動(dòng)故障進(jìn)行了總結(jié)分析。本文在不改變ATO駕駛的情況下,提出列車牽引制動(dòng)指令故障的處理方法,預(yù)防地鐵運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)。
北京地鐵某線DKZ32型列車沿用了北京10#線東洋電機(jī)的牽引及控制系統(tǒng)。
東洋電機(jī)主要由牽引、控制系統(tǒng)2部分組成,如圖1所示。
一是網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng),主要功能是接收司機(jī)控制手柄或自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的牽引、制動(dòng)指令,并將該指令通過profibus總線進(jìn)行傳遞。二是VVVF裝置(Variable Voltage Variable Frequency),主要功能是在接收到網(wǎng)絡(luò)控制命令后,對(duì)每節(jié)列車的4臺(tái)180kW三相交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行相應(yīng)控制,最終達(dá)到控制列車前進(jìn),減速、停車的目的。
北京地鐵某線DKZ32型列車牽引控制系統(tǒng)在ATO自動(dòng)駕駛及電制動(dòng)效果2方面,是運(yùn)用效果最好的城市軌道交通線路之一。
其電制動(dòng)裝置可以將車速下降到5km/h以下,全自動(dòng)駕駛停車誤差小于±1cm,保證了乘客的乘車舒適度及登乘需求,又因?yàn)楦咝У碾娭苿?dòng),大大減少了列車制動(dòng)閘瓦、閘片的消耗,每年可減少近百萬元的維護(hù)費(fèi)用。達(dá)到如此效果的其中一個(gè)原因就是VVVF牽引逆變器裝置控制采用了矢量控制方式,替代了以往做為主流的標(biāo)量控制方式,提高了牽引電機(jī)輸出扭矩的控制的反應(yīng)速度和精度。另外,對(duì)外部干擾因素的過渡反應(yīng)性和追從性的性能卓越,可充分發(fā)揮這些特性,實(shí)現(xiàn)高速、高精度的粘著控制。
列車牽引控制系統(tǒng)高壓部分是由第三軌上部供電方式供電,供電電壓DC750V,變動(dòng)范圍:DC500V~DC900V,經(jīng)VVVF中的IGBT逆變后給牽引電機(jī)供電。電機(jī)型號(hào)為TDK6175-C三相鼠籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī),主要參數(shù)為 180kW、550V、240A、77Hz、2255rpm/h。
主要工作路徑,直流750V電壓經(jīng)過:受流器、斷路器箱后向VVVF系統(tǒng)供電并通過IGBT逆變后傳送至電機(jī)使用。列車牽引控制系統(tǒng)高壓部分電路圖,如圖2所示。
列車牽引控制系統(tǒng)低壓部分是由DC110V供電,變動(dòng)范圍:DC77V~DC121V。經(jīng)司控器手柄變化后轉(zhuǎn)變的PWM信號(hào)傳輸至IO/IF單元,再經(jīng)IO/IF單元將運(yùn)行指令傳輸至VVVF箱內(nèi),VVVF箱內(nèi)的控制放大器在接收到指令后控制IGBT,最終控制牽引電機(jī)動(dòng)作。
主要工作路徑,(1)司控器手柄變化后,(2)PMW會(huì)向,(3)IO/IF單元輸出控制指令,IO/IF單元隨后會(huì)將信號(hào)傳送至,(4)VVVF控制箱中,最后通過控制IGBT使?fàn)恳姍C(jī)達(dá)到想要的工況。列車牽引控制系統(tǒng)低壓部分電路圖,如圖3所示。
(1)有關(guān)牽引和制動(dòng)指令的傳。DKZ32行列車牽引和制動(dòng)指令的整個(gè)傳輸過程中主要有3個(gè)步驟:①列車牽引力和制動(dòng)力的控制,分為列車自動(dòng)駕駛(ATO)模式和手動(dòng)駕駛(ATP)模式;②編碼器電流范圍4~20mA,電壓范圍0~10V,轉(zhuǎn)換成PWM指令傳輸給列車制動(dòng)系統(tǒng)、牽引系統(tǒng);③車輛控制單元接收到指令后對(duì)PWM信號(hào)進(jìn)行解碼,車輛依據(jù)PWM實(shí)際值進(jìn)行制動(dòng)和牽引。
(2)制動(dòng)和牽引指令的產(chǎn)生。ATP駕駛模式時(shí)其指令主要由司控室的手柄和級(jí)位手柄發(fā)出,惰行位、牽引位、常用制動(dòng)位、快速制動(dòng)位等是主要級(jí)位,常用的是制動(dòng)位和牽引位2種級(jí)位。司控器傳輸?shù)骄幋a器的指令,信號(hào)可以通過0~10V的電壓來傳輸,或通過4~20mA的信號(hào)對(duì)其進(jìn)行傳輸,電壓實(shí)際信號(hào)容易實(shí)現(xiàn),但其容易受到干擾,對(duì)數(shù)據(jù)造成影響,所以電壓傳輸信號(hào)時(shí),對(duì)EMC的設(shè)計(jì)要注意耦合性干擾,要將編碼器安裝在司機(jī)可以控制的地方,或采用屏蔽性雙絞線接地,避免其受到干擾。
(3)有關(guān)制動(dòng)指令與牽引指令的變換。司控器將牽引指令傳輸給編碼器,編碼器在將指令傳給調(diào)制器,脈寬的實(shí)際輸入電流是4~20mA,電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成PWM信號(hào)后,其信號(hào)頻率只有幾百赫茲,幅值是幾十伏。
(4)制動(dòng)指令和牽引指令的接收。制動(dòng)和牽引指令轉(zhuǎn)換為PMW信號(hào)時(shí),也會(huì)將電流傳遞出來,電流傳遞時(shí)會(huì)受電纜長度、輔助逆變器、VVVF等設(shè)備的影響,造成PWM信號(hào)會(huì)耦合噪聲電壓。
(5)PWM信號(hào)的傳輸線。傳輸線耦合電壓后唯一可以改變的是信號(hào)的幅度,不能改變信號(hào)的寬度,提高信號(hào)抗干擾能力的方法是,通過接收端將電路整形,消除電路內(nèi)的噪聲。
某線YZ012列車5#車發(fā)生牽引制動(dòng)指令同時(shí)施加故障,導(dǎo)致列車無法動(dòng)車、清客救援,造成正線晚點(diǎn),降低運(yùn)營服務(wù)質(zhì)量。從故障發(fā)生時(shí)的事件記錄儀的數(shù)據(jù)及VVVF記錄的故障記錄來看,判斷為下列狀態(tài)時(shí)發(fā)生了FAIL中PBF故障。
故障時(shí)間段記錄儀數(shù)據(jù),如表1所示。
表1 故障時(shí)間段記錄儀數(shù)據(jù)
當(dāng)某一車輛的VVVF上發(fā)生異常時(shí),調(diào)查方法是檢查低壓接線箱-控制放大器之間的“前進(jìn)/倒車”“牽引/制動(dòng)”配線上有無錯(cuò)誤配線或混合接觸。控制裝置故障調(diào)查方法,如表2所示。
表2 控制裝置故障調(diào)查方法
(1)故障查找。首先,技術(shù)人員按照要求,對(duì)相應(yīng)所有接線進(jìn)行了仔細(xì)排查。在確認(rèn)接線狀態(tài)良好,且多車陸續(xù)出現(xiàn)問題后,技術(shù)人員將接線及插頭的可能性排除。主要檢查點(diǎn),如圖4所示。
隨后,開始比對(duì)所有故障車的時(shí)間記錄后發(fā)現(xiàn),所有車的故障地理位置完全統(tǒng)一。宋家莊出站后720m,此時(shí)為R=350m的大彎道。亦莊火車站為下行出站后180m,此時(shí)為下行至上行的道岔。宋家莊站故障點(diǎn)和亦莊火車站故障點(diǎn),如圖5所示。
為了驗(yàn)證是否為軟硬件設(shè)計(jì)缺陷問題導(dǎo)致,開始逐一分析各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)、軟件邏輯、硬件設(shè)計(jì)等因素。在調(diào)取電機(jī)故障時(shí)故障參數(shù)時(shí),發(fā)現(xiàn)故障時(shí)R倒退方向存在制動(dòng)電流Iq[A]。故障時(shí)R方向存在制動(dòng)電流Iq[A]圖,如圖6所示。
(2)故障點(diǎn)確認(rèn)。從故障發(fā)生時(shí)的事件記錄儀的數(shù)據(jù)、VVVF記錄的故障記錄來看,判斷為下列狀態(tài)時(shí)發(fā)生的PBF。①在ATO自動(dòng)駕駛,牽引狀態(tài)時(shí);②ATO輸出的牽引量指令非常小(20%以下比手柄操作時(shí),牽引1級(jí)還?。?,當(dāng)①和②同時(shí)成立的狀態(tài)下,VVVF輸出扭矩電流(Iq)的值變?yōu)?0A以上(制動(dòng)方向),將造成列車PBF故障。
(1)輪徑問題。地鐵列車正常輪徑在770~840mm之間,某線DKZ32型列車每節(jié)列車的輪徑差沒有要求,而故障車的輪徑均在780~800mm之間,且臨近的兩節(jié)列車的輪徑均在830mm以上,各節(jié)車輪徑差超過30mm。而每節(jié)列車在接收到的牽引指令大小一樣的情況,電機(jī)實(shí)際的負(fù)載,工況存在差異。
(2)輪軌問題。在核對(duì)軌道線路圖后發(fā)現(xiàn),發(fā)生故障時(shí)列車正在通過道岔,或半徑較小彎道,輪軌配合條件較為惡劣,對(duì)電機(jī)會(huì)存在部分影響。
綜上所述,在輪徑差較大且列車通過道岔時(shí),若ATO輸出了一個(gè)較低的牽引指令時(shí),因車輪空轉(zhuǎn)或其它機(jī)械原因造成轉(zhuǎn)子速度大于定子速度,并隨之產(chǎn)生制動(dòng)電流,最終引發(fā)了此故障。
(1)軟件更改。針對(duì)上述情況,對(duì)牽引控制軟件進(jìn)行了修改更新,在牽引指令較低,制動(dòng)電流較小時(shí)不再認(rèn)為是故障情況。
(2)修改說明書。東洋對(duì)產(chǎn)品說明書,故障處理建議進(jìn)行修改,增加內(nèi)容如下:①前進(jìn)指令(4號(hào)線)和后退指令(5號(hào)線)同時(shí)得電時(shí);②牽引指令(12號(hào)線)和制動(dòng)指令(5號(hào)線))同時(shí)得電時(shí);③TMS牽引指令(M122號(hào)線)和TMS制動(dòng)指令(M123號(hào)線)同時(shí)得電時(shí);④在牽引狀態(tài)下,制動(dòng)方向的扭矩分電流(Iq)大于50A時(shí);⑤電制動(dòng)狀態(tài)下,牽引方向的扭矩分電流(Iq)大于50A時(shí)。
(3)鏇輪要求。列車鏇輪時(shí),避免各車之間的輪徑差大于30mm,確保各設(shè)備在最佳狀態(tài)下工作。
對(duì)于牽引、制動(dòng)指令同時(shí)存在的故障,本文在不改變ATO駕駛的情況下,提出了相應(yīng)的解決措施,結(jié)果表明措施有效并根除了類似故障,同時(shí)在故障查找時(shí)應(yīng)先明白電機(jī)原理,從底層數(shù)據(jù)和電路圖分析入手,深入了解各系統(tǒng)之間的配合關(guān)系,這樣才能有效清除故障,確保地鐵的安全運(yùn)營,提高運(yùn)營的服務(wù)質(zhì)量。