[摘 要] 文章以新加坡C151A項目地鐵為基礎(chǔ)，介紹了車輛牽引和制動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能及控制技術(shù)。

[關(guān)鍵詞] 新加坡地鐵；牽引系統(tǒng)；制動系統(tǒng)；控制技術(shù)

[作者簡介] 夏竟成， 南車青島四方機車車輛股份公司海外事業(yè)部工程師，研究方向：軌道車輛海外市場開發(fā)及國際合作，山東 青島，266011

[中圖分類號] U231 [文獻標識碼] A [文章編號] 1007-7723（2013）03-0021-0005

一、概 述

2009年 5月5日，南車青島四方機車車輛股份公司與日本KHI公司以聯(lián)合體方式與新加坡地鐵業(yè)主LTA正式簽署了C151A 地鐵項目中標通知書。新加坡C151A運行線路為南北/東西線（NS-EW 線），由SMRT地鐵有限公司（SMRT）運營。項目前期采購鋁合金A型地鐵車輛132輛，6輛編組，采用2單元四動兩拖編組方式。2011年11月30日，LTA向聯(lián)合體發(fā)出了增購 13 列車的接續(xù)訂單，增購車輛共計78輛。目前，前期22列車已全部交付業(yè)主并已投入運營。增購項目已啟動，并將于2013年10月起交付業(yè)主。同時，C151B項目也已中標。

新加坡地鐵列車的基本參數(shù)如下：車輛編組為4動2拖，即DT-M1-M2+ M2-M1-DT。車輛構(gòu)造速度為80km/h，最大設(shè)計速度90km/h，水平平直軌道初始加速度1.0m/s2，常用制動平均減速度0.8 m/s2，最大減速度1.0m/s2，緊急制動平均減速度≥1.3 m/s2，常用加/減速度變化率≤0.65 m/s3。

二、牽引系統(tǒng)

新加坡地鐵牽引系統(tǒng)采用VVVF 牽引逆變器-電機構(gòu)成的交流傳動系統(tǒng)。牽引逆變器系統(tǒng)優(yōu)先使用電制動，采用IGBT 功率器件，熱管散熱器自然冷卻，采用高性能AC牽引電機牽引力控制策略以獲得更優(yōu)的電機轉(zhuǎn)矩控制動態(tài)性能，能有效減小氣隙變化對電機牽引力發(fā)揮的影響，同時有效降低諧波指標和諧波損耗。

（一）牽引系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

牽引系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參見圖1。該系統(tǒng)包括VVVF逆變器、牽引電機、斷路器、濾波電抗器、制動變阻器和開關(guān)箱。

該系統(tǒng)具備高黏著性能、低噪聲、易于維修、故障檢修監(jiān)控功能和自診斷功能等特點。

（二）牽引系統(tǒng)裝置

新加坡地鐵車輛牽引系統(tǒng)裝置包括開關(guān)箱、斷路器、濾波電抗器、VVVF逆變器、制動電阻器和牽引電機。

1. 開關(guān)箱

開關(guān)箱包括主熔斷器（MF1）、輔助熔斷器（AF）和主開關(guān)（CHS）。主熔斷器負責切斷第三鐵軌和高速電路斷路器（HB）之間的電路短路電流，以避免變電站發(fā)生HB故障。主開關(guān)（CHS）為斷開開關(guān)，當設(shè)備不運行時，斷開設(shè)備與第三鐵軌的連接。

2. 斷路器

斷路器包括高速斷路器（HB）、接觸器（K）、接觸器（L1，L2）、充電電阻器（CHRe）和放電電阻器（DRe）。當任何一個逆變器出現(xiàn)故障，只有正常的逆變器運行情況下它才負責切斷故障電路，確保列車運行的高穩(wěn)定性。

3. 濾波電抗器（FL1，F(xiàn)L2）

濾波電抗器包括帶有濾波電容的LC濾波器，可削弱由逆變器產(chǎn)生的諧波電流。

4. VVVF逆變器

新加坡地鐵車輛電機傳動系統(tǒng)采用帶有GTO半導(dǎo)體閘流管的電壓PWM逆變器；同時VVVF逆變器采用高壓IGBT技術(shù)。該系統(tǒng)有效提高了列車性能，同時具有高安全性和可維修性。VVVF逆變器-感應(yīng)電機傳動系統(tǒng)主電路如圖2所示。

新加坡地鐵車輛每輛動車包括兩個VVVF逆變器，與每輛車的兩個感應(yīng)電機并聯(lián)，因此，一個VVVF逆變器可實現(xiàn)對兩個電機的控制。當任何一個逆變器失靈且無法重新啟動時，可切斷失靈的逆變器，并通過另外一個正常的逆變器維持車輛繼續(xù)運行。根據(jù)電源線路條件，制動斷路器可以同再生制動運行混合使用。

5. 制動電阻器

制動電阻器負責吸收再生力。

6. 牽引電機

牽引電機采用感應(yīng)電機。兩個牽引電機連接在一個逆變器上，由VVVF逆變器通過矢量控制運行。圖3為矢量控制方法的控制框圖。

圖3中，ATO提供檔位信號功率。標準信號發(fā)生器（RFG）的輸入信號為檔位和列車速度信號。標準扭矩發(fā)生器（RTG）的輸入信號為檔位、列車速度和重量信號。定子通量角速度的標準值w1 通過轉(zhuǎn)子速度w2 、滑動角速度ws 的標準值和補償成分K·ed 計算得出。通量角度標準值θ通過求w1 的積分得出。根據(jù)DC數(shù)值測得的定子電流d軸組件id 和q軸組件iq 可以由定子電流iu和與θ相關(guān)的iw通過矢量轉(zhuǎn)子得出。感應(yīng)電壓計算機通過標準輸出電壓Vd 和Vq以及定子電流id 和iq估算d軸組件ed 和q軸組件eq。d軸組件ed代表感應(yīng)電機的二次側(cè)電阻變量。該控制系統(tǒng)通過將ed反饋給定子通量角速度標準值w1對其變量進行補償。

（三）主電路結(jié)構(gòu)

新加坡地鐵列車牽引系統(tǒng)主電路采用兩電平電壓型直-交逆變電路。經(jīng)受流器接觸受流輸入的DC750V直流電由牽引逆變器變換成頻率、電壓均可調(diào)的三相交流電，向牽引電機供電。牽引逆變器由兩個逆變模塊單元組成，每個逆變器模塊驅(qū)動兩臺電機，過電壓抑制單元與逆變模塊單元集成在一起。當電網(wǎng)電壓發(fā)生變化時，主電路能保證正常工作，并實現(xiàn)牽引-制動的無接點轉(zhuǎn)換，滿足列車的牽引及制動特性的要求。列車每三輛車一個單元，全列車共兩個單元，每個單元的主電路型式、結(jié)構(gòu)相同，主電路圖見圖4所示。

（四）列車牽引特性

根據(jù)列車動力性能要求，考慮現(xiàn)場運行的實際情況，列車牽引特性如下：

列車在半磨耗輪徑、定員載荷AW2及接觸網(wǎng)壓DC750V條件下，實現(xiàn)0～35km/h起動平均加速度≥1.0m/s2，由此列車最大起動牽引力取349 kN。

在網(wǎng)壓Us≥DC750V時，特性不變；在網(wǎng)壓Us

牽引系統(tǒng)按列車載重量從空車AW0到定員載荷AW2范圍內(nèi)自動調(diào)整牽引力的大小，使列車在空車AW0至定員載荷AW2范圍內(nèi)保持起動加速度基本不變。超員載荷AW3條件下的牽引特性與定員載荷AW2一致。

列車牽引特性曲線見下圖5的列車牽引特性曲線所示。

三、制動系統(tǒng)

（一） 制動系統(tǒng)組成及特性

1. 制動控制器

制動控制器與牽引控制器共同構(gòu)成司機控制器，制動控制器為手動操作方式。制動控制器具有“0”位（緩解位）、“常用制動”位和“緊急制動”位，可進行常用和緊急制動控制。制動系統(tǒng)設(shè)有緊急制動開關(guān)，緊急制動開關(guān)為蘑菇頭的雙穩(wěn)態(tài)型按鈕開關(guān)。

2. 電-空制動裝置

電-空制動裝置包括電-空轉(zhuǎn)換閥、中繼閥、空重車調(diào)整閥、緊急電磁閥、制動微機控制單元（BECU）、總風壓力開關(guān)等。

3. 制動微機控制單元（BECU）

每輛車裝備兩個制動微機控制單元（BECU），其CPU為16位或以上等級。通過該制動微機控制單元進行制動控制與防滑保護。

4. 空氣壓力表

在每個司機臺顯示屏幕上提供總風缸壓力及每輛車的每個轉(zhuǎn)向架制動缸壓力顯示。司機室內(nèi)另設(shè)一個雙針壓力表顯示總風及制動缸壓力。

5. 緊急制動按鈕開關(guān)

每個駕駛室司機臺上設(shè)有緊急制動按鈕。緊急制動按鈕采用雙穩(wěn)態(tài)型。

6. 防滑控制閥

新加坡地鐵車輛每根車軸配備一個防滑控制閥。防滑控制閥工作時對沖擊率控制起作用。

制動控制裝置的防滑控制采用軸控方式，一軸的制動防滑功能失效后，只影響本軸的制動功能，不影響其他轉(zhuǎn)向架的制動。防滑控制集成在G閥或S閥內(nèi)，當出現(xiàn)速度傳感器等故障時，該軸的速度自動采用相鄰車軸的速度信號進行滑行控制。因此，防滑保護裝置故障，導(dǎo)致制動力損失嚴格限制在一個轉(zhuǎn)向架內(nèi)。

（二）制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖6為制動系統(tǒng)原理圖。

（三）制動模式

新加坡地鐵制動方式分為常用制動、緊急制動、停放制動和防滑行控制功能。常用制動中以電制動為主，制動力不足部分由空氣制動補充。制動優(yōu)先次序為再生制動、空氣制動。

1. 常用制動

常用制動指令系統(tǒng)包括：ATO指令、司機控制器給出的制動指令、ATP在列車超目標速度時的最大常用制動指令。制動裝置根據(jù)常用制動指令實施常用制動。系統(tǒng)常用空氣制動與電氣制動自動配合的電-空混合制動系統(tǒng)，電制動優(yōu)先，電-空制動方式相互轉(zhuǎn)換時，列車無沖動。常用制動是列車在正線運行中常用的制動方式，主要是為保證列車精準停車。常用制動具有防滑控制和防沖浪限制功能。

2. 緊急制動

緊急制動的電路系統(tǒng)為獨立的系統(tǒng)，在正常工作時，不允許常用制動、緊急制動同時施加。緊急制動是列車在緊急情況下實施的制動方式。緊急制動是純空氣的制動，且制動命令在停車之前不可恢復(fù)。緊急制動具有防滑控制功能，但不受沖動極限限制。

3. 停放制動

停放制動采用彈簧制動，充風緩解，可實現(xiàn)長時間停車。在列車牽引力大于保持制動力時緩解停放制動。新加坡地鐵車輛在每根軸的踏面單元制動裝置上設(shè)有彈簧制動和氣動緩解的停放制動。同時在司機臺上也設(shè)有控制停放制動單元的制動和緩解裝置。

4. 防滑行控制功能

當滑行發(fā)生時，為了適應(yīng)實際軌道粘著，通過控制防滑控制閥的動作減少制動力，按照減速度差值和速度與參考速度的差值來調(diào)整制動力，制動力的恢復(fù)滿足列車沖擊極限的要求。

（四）電力再生制動和空氣制動混合檢測控制原則

電力再生制動由VVVF實現(xiàn)，將能量反饋回電網(wǎng)，同時VVVF控制單元（DCU）連續(xù)監(jiān)控電網(wǎng)狀態(tài)，檢查能量的吸收狀況。

空氣制動用于補償電氣制動力、保持制動、緊急制動、電氣制動故障等。

圖7為電力再生制動特性曲線。速度從不小于70 km/h 開始到列車電力再生制動與空氣制動的轉(zhuǎn)換點時，僅靠電制動就能滿足列車最大常用制動力的要求。

當車輛速度低于4km/h時，電制動將逐步由空氣制動替代，此將進一步減少制動閘瓦的磨耗，最終調(diào)試時將盡量降低制動轉(zhuǎn)換點并保證轉(zhuǎn)換平滑無沖擊。電空氣制動和空氣制動混合轉(zhuǎn)換將平滑，無沖擊，轉(zhuǎn)換點在0～12km/h可調(diào)，列車經(jīng)最終調(diào)試完轉(zhuǎn)換點數(shù)據(jù)將固化，速度轉(zhuǎn)換點將小于6km/h。具體的電空轉(zhuǎn)換過程見圖8：

列車制動方式采用電力再生制動與空氣制動混合運算的控制方式。將優(yōu)先充分發(fā)揮電力再生制動的作用以減少閘瓦的磨耗和節(jié)省電能。當電力再生制動力不足或失效時，由空氣制動補足或替代，空氣制動補足時優(yōu)先使用拖車的空氣制動力。當電網(wǎng)的吸收能力恢復(fù)時，可恢復(fù)再生制動，此轉(zhuǎn)換過程平滑無沖撞。電力再生制動與空氣制動將隨時自動配合、平滑相互轉(zhuǎn)換，列車無沖動，且滿足ATO控車時的停車精度要求。

空氣制動用于補償給定制動力與實際電制動力的差值。當牽引控制給出滑行指示時不進行空氣制動補償，否則，在低粘著條件下將導(dǎo)致車輪鎖死增加車輪側(cè)向磨損的風險。在空氣制動補償前滑行指示允許一定時間（數(shù)秒）保證實際電制動力低于空氣制動控制系統(tǒng)提供的參考值。如果電制動故障（激活故障信號）空氣制動將立即補償。

（五）空轉(zhuǎn)/滑行控制

空轉(zhuǎn)/滑行控制具有空轉(zhuǎn)保護、滑行保護和速度校驗和輪徑校驗等功能。牽引系統(tǒng)空轉(zhuǎn)/滑行控制基于單車控制，其作為牽引逆變器控制的一部分控制了4臺牽引電機。與列車速度擁有最大速度差的車軸將用于空轉(zhuǎn)/滑行控制降低牽引電機組的轉(zhuǎn)矩。牽引系統(tǒng)空轉(zhuǎn)/滑行控制主要基于各動軸正常工作的速度傳感器?？諝庵苿酉到y(tǒng)滑行控制基于單軸控制。

（六）牽引/制動指令

牽引/制動指令值信號由司機控制器或車載ATC設(shè)備產(chǎn)生，經(jīng)信號轉(zhuǎn)換后送入列車中央控制單元CCU，再通過總線傳遞給牽引控制單元DCU和制動控制單元ECU。

車輛牽引/制動具有最小的響應(yīng)時間，當牽引/制動參考值有效時，DCU/M內(nèi)部最大響應(yīng)時間為25ms。參考值可能需施加沖擊極限限制，但在最大25ms內(nèi)將改變參考力。根據(jù)牽引系統(tǒng)實際速度范圍，對應(yīng)參考力變化的轉(zhuǎn)矩控制響應(yīng)時間在5-20ms范圍內(nèi)。DCU/M內(nèi)的邏輯命令（如：前進/后退和牽引/制動（如使用））擁有最大100ms的最大響應(yīng)時間。當改變方向時DCU/M內(nèi)部設(shè)有安全限制，通常只允許在停止或低速時改變方向。牽引力/制動力指令值（司機控制器或ATO產(chǎn)生）的傳輸采用PWM信號。通過PWM信號線與DCU2/M接口，正常模式和TCMS故障的備用模式下都可以接受無級牽引信號保證列車正常運行。其他牽引/制動命令將通過車輛MVB傳輸。

結(jié) 語

現(xiàn)階段國內(nèi)和國際軌道交通正處于關(guān)鍵發(fā)展時期，新加坡地鐵C151A項目車輛技術(shù)不僅為產(chǎn)品搭建了平臺，還帶來了經(jīng)濟效益；同時對于城軌車輛產(chǎn)品“走出去”具有深遠意義。