顧耀君

(上海地鐵維護保障有限公司車輛分公司，200233，上?！喂こ處?

地鐵列車的牽引設備冷卻風機是保證列車牽引系統(tǒng)在允許溫度范圍內(nèi)正常工作的重要部件。因此，保證牽引設備冷卻風機工作的可靠性，成為車輛設計和檢修單位的重要任務。目前，上海地鐵AC01型電動列車牽引設備冷卻風機由2個Tc車(帶司機室的拖車)輔助逆變器輸出AC 380 V交叉供電，供電回路互為冗余。盡管如此，當2個Tc車輔助逆變器同時發(fā)生故障時，牽引設備冷卻風機將無法工作，使列車無法牽引，從而導致救援事故。

為避免2個Tc車輔助逆變器同時故障對列車運營造成的嚴重影響，可以考慮故障時由動力車Mp(有受電弓的動力車)/M(無受電弓的動力車)輔助逆變器為牽引設備冷卻風機供電。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，只需對牽引設備冷卻風機供電回路進行改造即可實現(xiàn)該供電方案。

1 列車牽引設備冷卻風機的供電方式

目前，為了實現(xiàn)地鐵列車牽引系統(tǒng)的可靠性，牽引設備冷卻風機電源由輔助系統(tǒng)提供，基本采用交叉供電或并網(wǎng)供電方式。其中，并網(wǎng)供電方式的可靠性最高，理論上多節(jié)編組的列車只要有1臺輔助逆變器處于工作狀態(tài)即可保證整列車的牽引設備冷卻風機供電正常。但是，并網(wǎng)供電技術(shù)的最早應用，是在2008年應用于上海軌道交通1號線增能擴編項目列車上，而之前項目的列車仍采用傳統(tǒng)的交叉供電方式。

交叉供電方式由2臺輔助逆變器分別為一半的牽引設備冷卻風機供電，當其中1臺輔助逆變器發(fā)生故障時，電源自動切換至另1臺輔助逆變器，從而提高牽引設備冷卻風機工作的可靠性。與并網(wǎng)供電方式相比，交叉供電方式可靠性較低。上海軌道交通1號線AC01型電動列車是牽引設備冷卻風機采用交叉供電方式的典型車型。從AC01型電動列車近年的運營經(jīng)驗來看，在運營中由于2臺輔助逆變器故障，引起列車牽引設備冷卻風機失電，并最終導致列車救援的事故時有發(fā)生。因此，有必要對AC01型電動列車進行相應改造，從而有效保證列車的正常牽引功能。

2 列車牽引設備冷卻風機交叉供電原理

AC01型電動列車牽引設備冷卻風機(FANS)包括牽引箱冷卻風機與制動電阻箱冷卻風機，采用強迫風冷的方式保證牽引設備在允許溫度范圍內(nèi)正常工作。其供電方式采用交叉供電方式，由Tc車輔助逆變器(AI_1)輸出AC 380 V供電(如圖1)。2個Tc車輔助逆變器分別為一半的動力車(Mp車或M車)牽引設備冷卻風機供電。當一個Tc車輔助逆變器無法工作時，該逆變器供電的冷卻風機將自動切換至另一個Tc車的輔助逆變器;當2個Tc車輔助逆變器都無法工作時，列車牽引系統(tǒng)將因失去通風冷卻功能而無法工作，最終導致列車救援事故。由于AC01型電動列車的Tc車輔助逆變器自身故障率較高及冷卻風機短路時有發(fā)生等原因，使正線運營列車存在較大的救援風險，故有必要采取有效措施以杜絕此類事故的發(fā)生。

圖1 列車牽引設備冷卻風機交叉供電原理圖

3 改造方案的設計

由于上海地鐵AC01型電動列車每節(jié)車都有一個輔助逆變器，且動力車(Mp/M)的輔助逆變器(AI_2)均輸出AC 380 V為客室空調(diào)供電，其電源形式與牽引箱冷卻風機及制動電阻箱冷卻風機所需電源相同。因此，可以通過供電回路的改造，實現(xiàn)在Tc車輔助逆變器故障時，牽引設備冷卻風機電源自動轉(zhuǎn)換至Mp車或M車的輔助逆變器，即動力車的牽引設備冷卻風機可由本車輔助逆變器供電(見圖2)。這樣，既可以在Tc車輔助逆變器故障時為牽引設備冷卻風機提供備用電源，又可以將牽引設備冷卻風機電源分散至每節(jié)動力車輔助逆變器，從而降低了輔助供電系統(tǒng)故障對列車牽引功能的影響。

圖2 AC01型電動列車牽引設備冷卻風機供電電路改造示意圖

3.1 動力車輔助逆變器的功率核算

為實現(xiàn)上述設計，必須在動力車輔助逆變器原有空調(diào)負載的基礎上增加牽引設備冷卻風機負載，因此必須核算動力車輔助逆變器功率是否滿足改造要求。

動力車輔助逆變器的額定功率為AC 90 kV，功率因數(shù)為0.85，故其有功功率為76.5 kW。

3.2 空調(diào)負載功率的計算

動力車輔助逆變器負載為空調(diào)機組，每臺動力車輔助逆變器負載為3臺空調(diào)機組。每臺空調(diào)機組總成的額定功率為24.22 kW，則每臺動力車輔助逆變器的負載功率為72.66 kW。

通過對空調(diào)負載實測數(shù)據(jù)的分析可以發(fā)現(xiàn)，在滿負荷工作時，每臺空調(diào)機組的實際功率均小于22 kW，其負載總功率不超過66 kW。

3.3 牽引設備冷卻風機負載功率的計算

改造后，故障情況下動力車的牽引箱及制動電阻箱冷卻風機將轉(zhuǎn)換至由本車輔助逆變器供電，因此動力車輔助逆變器將增加牽引箱冷卻風機(1.1 kW)和制動電阻箱冷卻風機(2.2 kW)的負載功率。按空調(diào)機組實際功率22 kW計算，動力車輔助逆變器負載功率將增至69.3 kW，小于動力車輔助逆變器的有功功率76.5 kW，滿足改造所需的功率要求。

4 改造方案

4.1 牽引設備冷卻風機供電回路改造方案

經(jīng)過功率核算可知，動力車輔助逆變器完全符合改造要求。因此，可以通過將原來牽引箱冷卻風機及制動電阻箱冷卻風機電源在2個Tc車輔助逆變器之間自動切換，改為在一個Tc車與本車(Mp車或M車)輔助逆變器之間自動切換，從而提高牽引系統(tǒng)工作的可靠性。

實際改造中，只需將M車或Mp車牽引設備冷卻風機的三相電源線接至本車輔助逆變器的三相輸出端，同時更改原供電控制電路中的相關(guān)繼電器接線即可。

這樣，在一個Tc車輔助逆變器故障時，可實現(xiàn)一半動力車的牽引設備冷卻風機由本車的輔助逆變器分別供電，不增加另一個正常Tc車輔助逆變器的負載;同時可將原來集中于故障Tc車的冷卻風機負載分散至各個動力車逆變器，不影響列車的正常牽引功能。更重要的是，當2個Tc車輔助逆變器同時故障時，所有動力車的牽引設備冷卻風機均會自動切換至本車輔助逆變器，可繼續(xù)為牽引設備進行通風冷卻，以保證列車的牽引功能。

4.2 列車中央控制單元軟件修改

如上所述，牽引設備冷卻風機的供電回路經(jīng)過改造后，完全可以在2個Tc車輔助逆變器故障的情況下由動力車輔助逆變器繼續(xù)為牽引設備冷卻風機提供電源。但是，由于列車中央控制單元(CCU)軟件中有關(guān)Tc車輔助逆變器狀態(tài)對牽引系統(tǒng)影響的相關(guān)控制(如圖3)，僅實現(xiàn)硬件電路改造，仍無法到達預期目標。因此，必須對 CCU軟件進行相應修改。

圖3 CCU軟件邏輯圖

圖3中的功能塊LOADEN1為一個選擇功能塊，它的變量之間的邏輯關(guān)系如表1所示。

表1 功能塊LOADEN1真值表

若CCU總線正常，功能塊輸出為變量HBI，該值取決于牽引設備冷卻風機電源狀態(tài)(Blower Control)，即Tc車輔助逆變器工作狀態(tài)。當至少有1個Tc車輔助逆變器正常工作時，HBI=1;當2個Tc車輔助逆變器都不工作時，HBI=0。

若CCU總線故障，功能塊輸出為變量EMV。該變量恒為1。

因此，當CCU總線正常，2個Tc車輔助逆變器同時不工作時，HBI=0，即變量S|HBUEIN=0。當S|HBUEIN=0，則CCU將該變量發(fā)送給所有牽引控制單元(TCU)，產(chǎn)生相應的故障代碼并封鎖TCU，則列車牽引系統(tǒng)停止工作。

為了實現(xiàn)牽引設備冷卻風機電源切換到動力車輔助逆變器后，列車能夠繼續(xù)實現(xiàn)牽引功能，必須設法讓CCU變量S|HBUEIN=1，屏蔽相關(guān)故障。

通過修改CCU軟件(如圖4)，可以將功能塊LOADEN2中的變量 EMV(恒為0)插入功能塊LOADEN1中替換 SEL變量。根據(jù)表 1可知，LOADEN1的輸出變量S|HBUEIN≡1，則CCU始終認為“至少有一個Tc車輔助逆變器正?！?，即列車在2個Tc車輔助逆變器故障的情況下不封鎖TCU，允許列車牽引。由于LOADEN2為備用功能塊，不參與CCU程序中的任何控制，因此調(diào)用其中的EMV變量不會對列車的其它功能產(chǎn)生影響。

圖4 CCU邏輯圖修改

5 蓄電池運營能力試驗

由于Tc車輔助逆變器除為牽引設備冷卻風機提供電源外，還負責對主蓄電池進行充電及提供低壓直流負載電源。因此，即使實現(xiàn)了硬件電路改造和控制軟件修改，還必須考慮失去蓄電池充電器供電的情況下主蓄電池對低壓直流負載的供電能力。

正線模擬運營試驗表明，在2個Tc車輔助逆變器切除(僅主蓄電池供電)狀態(tài)下，打開全列車低壓直流負載，列車可以在上海軌道交通1號線正線運營31 km里程，蓄電池電壓從101 V下降 至93.5 V，距離蓄電池欠壓保護值84 V仍有較大的安全范圍。目前，上海軌道交通1號線運營線路總里程36.8 km，相鄰的兩條存車線之間的最大距離為15 km。因此，實施本改造后，AC01型電動列車完全具備自行牽引進入最近存車線的能力，可徹底杜絕因2個Tc車輔助逆變器故障引起的正線救援事故。

6 結(jié)語

通過以上分析研究和試驗可知，上海地鐵AC01型電動列車可以通過對牽引設備冷卻風機的交叉供電回路改造，配合相關(guān)控制軟件修改后，杜絕牽引系統(tǒng)因Tc車輔助逆變器故障引起失效進而導致的救援事故。同時，在Tc車輔助逆變器故障時，可以將動力車牽引設備冷卻風機電源切換至動力車輔助逆變器，降低輔助系統(tǒng)故障對牽引功能的影響，以保證列車運營質(zhì)量。

目前，上海軌道交通1號線所有AC01型電動列車均完成改造，并在運營過程中避免了多次此類故障引起的救援事故，產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟效益和社會效益。

［1］李軼斌.中壓交流并網(wǎng)供電技術(shù)在地鐵列車上的應用［J］.城市軌道交通研究，2012(6):121.

［2］楊斌，寧新軍.上海地鐵1號線增能擴編(6改8)項目列車［J］.機車電傳動，2009(4):44.