李 杰

（杭州市地鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司，浙江杭州 310017）

1 概述

為適應(yīng)城市發(fā)展的新需求并為?2022?年亞運(yùn)會(huì)期間提供強(qiáng)有力的交通保障，杭州將迎來城市軌道交通建設(shè)高峰期，近期規(guī)劃線網(wǎng)由?11?條線路組成，總里程達(dá)到?491??km。截至?2018?年?6?月，杭州地鐵已開通運(yùn)營115.8??km，配車?121?列，均為?4?動(dòng)?2?拖?B2?型車，新建線路還將配屬?A?型車與?B?型加寬車，在短短?5?年時(shí)間內(nèi)配車數(shù)將超過?500?列?/?3??000?輛?？梢?，在既有列車主要技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，統(tǒng)籌考慮新建線路列車的配置方案十分必要，并且會(huì)對(duì)列車后期的運(yùn)營使用、維護(hù)管理起到至關(guān)重要的作用。

2 新技術(shù)方案研究

2.1 受電弓

受電弓系統(tǒng)是列車獲得持續(xù)穩(wěn)定動(dòng)力供給的唯一途徑，良好的受電弓狀態(tài)是列車安全運(yùn)營的重要保障。目前主要有?3?種形式的受電弓：電動(dòng)弓（圖?1）、氣缸弓（圖?2）和氣囊弓（圖?3）。3?種受電弓各主要項(xiàng)點(diǎn)的對(duì)比分析見表?1。

綜上可知，氣缸弓與其他?2?種相比不具備優(yōu)勢(shì)，被排除。對(duì)于最高速度?80??km/h?的地鐵列車而言，電動(dòng)弓和氣囊弓各有利弊，可視情況選擇。速度高于?80??km/h的列車應(yīng)選用氣囊弓。

圖1 電動(dòng)弓

圖2 氣缸弓

圖3 氣囊弓

3?種受電弓中氣囊形式出現(xiàn)最晚、技術(shù)最新，在杭州地鐵?2?號(hào)、4?號(hào)線列車上使用效果較好。后續(xù)速度100??km/h?的?6?號(hào)、7?號(hào)、8?號(hào)線列車與速度?120??km/h?的機(jī)場(chǎng)快線列車，應(yīng)選用氣囊弓。9?號(hào)線因與?1?號(hào)線共享同一大架修基地，因此應(yīng)與現(xiàn)有?1?號(hào)線列車一致，使用電動(dòng)弓。

表1 3種受電弓對(duì)比分析

2.2 變頻智慧空調(diào)

變頻智慧空調(diào)是一種新型空調(diào)機(jī)組（圖?4），通過在空調(diào)內(nèi)部增加傳感器，檢測(cè)溫度、濕度、風(fēng)量和風(fēng)速等空調(diào)參數(shù)，以及檢測(cè)空調(diào)運(yùn)行的電壓、電流等參數(shù)。通過空調(diào)控制盤將各種參數(shù)匯總梳理，無線傳輸（或統(tǒng)一傳輸）至地面“云服務(wù)器”。

圖4 智慧空調(diào)示意圖

智慧空調(diào)可實(shí)現(xiàn)的功能包括：

（1）通過“云服務(wù)器”監(jiān)測(cè)、收集和記錄各種空調(diào)運(yùn)行參數(shù)，自動(dòng)生成維護(hù)預(yù)警信息并記錄故障信息等（圖?5）；

（2）維護(hù)人員可以通過地面工作臺(tái)或移動(dòng)端實(shí)時(shí)掌握空調(diào)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)取統(tǒng)計(jì)分析圖表，清晰掌握每臺(tái)機(jī)組記錄的信息，使檢修工作更加科學(xué)化（圖?6）；

（3）環(huán)境參數(shù)、列車參數(shù)及空調(diào)運(yùn)行參數(shù)等數(shù)據(jù)都可以被歸類保存，經(jīng)過一定的積累形成大數(shù)據(jù)，為空調(diào)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修提供重要依據(jù)。

圖5 云服務(wù)器工作原理圖

圖6 工作臺(tái)或移動(dòng)端查看空調(diào)機(jī)組信息

綜上，變頻智慧空調(diào)可能成為地鐵車輛空調(diào)發(fā)展的重要方向，所有空調(diào)數(shù)據(jù)都可以被系統(tǒng)化管理，關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，使得準(zhǔn)確掌握和改善空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況變得更加便捷。目前杭州地鐵列車還未使用變頻智慧空調(diào)技術(shù)，為全面提升空調(diào)能效、積累維護(hù)大數(shù)據(jù)、為乘客提供更舒適的乘車環(huán)境，新線列車可考慮采用變頻智慧空調(diào)方案。

2.3 牽引系統(tǒng)

2.3.1 集成化并網(wǎng)供電

杭州地鐵現(xiàn)有?B?型車采用的牽引、輔助供電方案如圖?7?上半部分所示，能耗記錄儀、高壓箱和濾波電抗器均為獨(dú)立箱體，DC1500V?高壓需要經(jīng)過?3?個(gè)箱體才能到達(dá)牽引逆變器。輔助系統(tǒng)采用擴(kuò)展供電，即在?C1?車設(shè)有?1?個(gè)擴(kuò)展供電箱。正常情況下，每個(gè)單元的輔助逆變器只給本單元的負(fù)載供電，擴(kuò)展供電箱內(nèi)部斷開，當(dāng)1?個(gè)輔助逆變器故障時(shí)，擴(kuò)展供電箱接通，另一個(gè)輔助逆變器給全列車負(fù)載供電。但此時(shí)部分負(fù)載需要減半，并且擴(kuò)展供電箱也存在故障的可能。

集成化并網(wǎng)方案如圖?7?下半部分所示，可以看出新方案將現(xiàn)有方案的能耗記錄儀、濾波電抗器全部集成到高壓箱內(nèi)，有利于車輛底架設(shè)備布置并減少設(shè)備維護(hù)，設(shè)備集成度更高，體積、重量減少，能耗減少，可謂一舉多得。輔助供電系統(tǒng)采用并網(wǎng)技術(shù)，取消了擴(kuò)展供電箱，輔助逆變器采用模塊化設(shè)計(jì)，在?A1、A2?車各設(shè)置?1臺(tái)輔助逆變器，各有?2?個(gè)逆變模塊。當(dāng)?1?個(gè)模塊故障時(shí)，另外?3?個(gè)模塊仍然可以滿足全車輔助供電。同時(shí)有2?個(gè)模塊故障時(shí)，列車才考慮部分減載。集成化并網(wǎng)供電方案冗余性強(qiáng)于擴(kuò)展供電，可靠性高，新線列車宜采用該方案。

圖7 新、舊牽引供電系統(tǒng)對(duì)比

2.3.2 永磁直驅(qū)

目前，由牽引逆變器控制三相感應(yīng)異步電機(jī)的交流傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，已成為城市軌道交通車輛牽引的主流，但要實(shí)現(xiàn)高效率和輕量化比較困難。隨著稀土永磁材料，特別是釹鐵硼（Nd-Fe-B）等性能的不斷完善以及價(jià)格的逐步降低，永磁電機(jī)取得了較快的發(fā)展。

永磁電機(jī)具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)。

（1）功率因數(shù)和效率高。與感應(yīng)電機(jī)相比，永磁電機(jī)不需要無功勵(lì)磁電流，減少了定子電流和定子電阻損耗，而且在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)沒有轉(zhuǎn)子電阻損耗，進(jìn)而可以減小風(fēng)機(jī)功率或去掉風(fēng)機(jī)，使永磁電機(jī)的效率比同規(guī)格的感應(yīng)電機(jī)提高了?2%～8%，功率因數(shù)可以達(dá)到0.90?以上。

（2）溫度低、體積小、重量輕。由于永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子無電阻損耗，定子繞組幾乎不存在無功電流，因此永磁電機(jī)溫升低。同體積、同容量情況下，永磁電機(jī)功率比感應(yīng)電機(jī)高?30%?左右，所用材料比感應(yīng)電機(jī)少?30%?左右。

（3）直接驅(qū)動(dòng)。長期以來，城軌車輛牽引電機(jī)都是通過聯(lián)軸節(jié)和一級(jí)甚至兩級(jí)齒輪箱（圖?8）與輪對(duì)耦合的。若采用永磁電機(jī)，功率密度將大幅增加，更容易實(shí)現(xiàn)多極低速大扭矩傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)無齒輪箱直接驅(qū)動(dòng)（圖?9）。直接驅(qū)動(dòng)將顯著提高車輛過小曲線半徑的能力，降低簧下重量，減少噪聲和能耗。

由于永磁直驅(qū)技術(shù)具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，杭州地鐵曾針對(duì)永磁直驅(qū)替代現(xiàn)有感應(yīng)電機(jī)方案進(jìn)行專題研究，發(fā)現(xiàn)如下問題。

（1）控制難度大。每個(gè)永磁電機(jī)定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)必須嚴(yán)格同步，所以每個(gè)永磁電機(jī)都需要?1?個(gè)高分辨率的位置傳感器，并采用1?臺(tái)逆變器向?1?臺(tái)永磁電機(jī)供電的獨(dú)立控制方式。這樣逆變器數(shù)量增多，控制難度加大。

圖8 感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)向架

圖9 永磁電機(jī)轉(zhuǎn)向架

（2）空載電壓控制問題。永磁電機(jī)的永磁鐵在外部不供電時(shí)能使定子線圈產(chǎn)生交鏈磁通，當(dāng)電機(jī)斷電空轉(zhuǎn)（惰行）時(shí)也能使定子線圈產(chǎn)生感應(yīng)電壓。這種空載電壓會(huì)導(dǎo)致：①若逆變器出現(xiàn)相間短路等故障，電機(jī)向故障點(diǎn)供電產(chǎn)生短路電流，會(huì)擴(kuò)大故障影響；②空載感應(yīng)電壓峰值超過逆變器元件耐壓值時(shí)，會(huì)損壞元件。

（3）永磁電機(jī)對(duì)材料要求高，制造工藝相對(duì)復(fù)雜，現(xiàn)有制造技術(shù)還不夠成熟。

基于以上問題，杭州地鐵最終沒有選用永磁直驅(qū)方案。但隨著永磁技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)階段遇到的技術(shù)問題也將迎刃而解，屆時(shí)轉(zhuǎn)彎半徑極小并有可能環(huán)西湖的地鐵?10?號(hào)線列車可以考慮采用永磁直驅(qū)方案。

2.4 可編程邏輯控制單元（LCU）

車輛控制電路是整個(gè)列車上最為復(fù)雜且重要的電氣系統(tǒng)，該系統(tǒng)承擔(dān)著列車的駕駛、制動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)、車門等子系統(tǒng)的控制功能。目前，這些控制電路需要使用大量的繼電器，繼電器通過自身觸點(diǎn)的閉合與斷開實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳遞、邏輯控制。同時(shí)，繼電器受溫度、粉塵等環(huán)境因素影響較大。正線運(yùn)營列車由于故障造成的晚點(diǎn)、清客甚至救援等情況，大部分與繼電器有關(guān)。可編程邏輯控制單元（LCU）利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)和微計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)成無觸點(diǎn)控制電路，取代列車上原有的各類繼電器和大量迂回電路。

2.4.1 LCU 機(jī)箱

LCU?采用?3U?標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱，外形如圖?10?所示，分為兩端頭車的Ⅰ型與中間車的Ⅱ型?2?種，具有控制方式靈活、編程方便、布線直觀、檢修條理清晰等特點(diǎn)。同時(shí)，采用無觸點(diǎn)輸出控制方式解決列車原有系統(tǒng)在強(qiáng)振環(huán)境下的不可靠問題。

圖10 LCU 機(jī)箱外形（單位：mm）

2.4.2 LCU 的網(wǎng)絡(luò)拓補(bǔ)

應(yīng)用?LCU?的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（圖?11）實(shí)現(xiàn)了板級(jí)冗余，各類板卡相互冗余，當(dāng)某個(gè)板卡故障時(shí)，自動(dòng)切除并投入相應(yīng)的備份板卡，其他板卡工作不受影響，故障后仍可冗余切換。

圖11 LCU 網(wǎng)絡(luò)拓補(bǔ)圖

2.4.3 LCU 的主要性能指標(biāo)

LCU??的主要性能指標(biāo)如表?2?所示。

2.4.4 LCU 系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

（1）圖形化編程：LCU?控制邏輯開發(fā)環(huán)境采用符合?IEC?61131?標(biāo)準(zhǔn)的?ControlBuild，生成的軟件代碼滿足?SIL2?級(jí)安全標(biāo)準(zhǔn)。

（2）DI?冗余采集：DI?板卡采用光電隔離的開關(guān)量信號(hào)輸入，具有通道自檢功能，可預(yù)防接觸器觸電氧化，延長接觸器壽命。

（3）DO?冗余輸出控制：DO?板卡采用光電隔離的MOSFET?作為開關(guān)量信號(hào)輸出，所有輸出通道采用干接點(diǎn)設(shè)計(jì)，各通道可獨(dú)立增加斷路器控制，每路輸出具有單獨(dú)的電子開關(guān)，可在通道失控時(shí)強(qiáng)行斷開。

表2 LCU 主要性能指標(biāo)

（4）系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)：LCU?采用完全獨(dú)立的雙冗余設(shè)計(jì)，具備自動(dòng)冗余切換功能。當(dāng)某一組板卡發(fā)生供電、通信、輸出短路或斷路等故障時(shí)，另一組可自動(dòng)切換，且切換時(shí)不影響列車運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)?“熱切換”功能。

（5）熱備冗余功能：任意單點(diǎn)故障后可實(shí)現(xiàn)單板的無縫切換，切換響應(yīng)時(shí)間小于?16??ms。

（6）通信功能：目前支持?MVB?及?ETH?網(wǎng)絡(luò)，可根據(jù)不同網(wǎng)絡(luò)需求適配不同網(wǎng)卡，支持?CAN、CANOPEN、HDLC、RS485?等網(wǎng)絡(luò)。

（7）事件記錄功能：數(shù)據(jù)記錄空間為?2GByte，按照?64?個(gè)?DI?通道和?40?個(gè)?DO?通道計(jì)算，循環(huán)覆蓋時(shí)長為?24??h。

（8）智能檢修：LCU?兼容列車不同網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能檢修。

（9）壽命較長：LCU?全壽命成本低，使用壽命至少可達(dá)?10?年以上，遠(yuǎn)高于繼電器。

現(xiàn)階段，繼電器仍然在杭州地鐵車輛中廣泛使用，地鐵?5?號(hào)線列車已應(yīng)用?LCU?實(shí)現(xiàn)部分車輛的控制功能，為全面提高運(yùn)營可靠性，后續(xù)新線列車應(yīng)擴(kuò)大使用范圍。

3 結(jié)語

城軌車輛是直接運(yùn)送乘客的載體，是城市軌道交通系統(tǒng)中的核心裝備。在杭州地鐵建設(shè)高峰期時(shí)，科學(xué)統(tǒng)籌考慮新建線路列車的主要技術(shù)方案，不僅能使車輛各主要系統(tǒng)都發(fā)揮出良好的運(yùn)行性能，還會(huì)對(duì)線網(wǎng)安全及高效、舒適的運(yùn)營服務(wù)起到積極而深遠(yuǎn)的影響。