廣州地鐵八號線車輛牽引系統的控制原理

筆者簡介朱健富，男，2002年9月畢業于廣州市機電中等專業學校機電專業，后陸續進修與從事工作相關專業知識的大專、本科課程，并取得相關畢業證書，現擔任廣州地鐵運營事業總部運營三中心車輛維保三部生產技術室安全管理助理，曾擔任檢修二分部輪值工班長，在五年輪值工班長工作崗位上主要負責車輛牽引系統、列車控制、列車制動等檢修及故障處理工作。廣州地鐵八號線運營列車為龐巴迪公司制造，但部分列車也在一號線混跑。廣州地鐵八號線列車已經運營將近十年的時間，車輛早已經正常投入使用了。本文旨在對廣州地鐵八號線龐巴迪造列車的電力牽引控制系統作一個簡要介紹和分析，并提出一些個人的見解，與大家共勉。

【摘要】本文介紹了廣州地鐵八號線龐巴迪造車輛電傳動控制系統的組成部件、基本原理

【關鍵詞】剛性、逆變器、矢量控制、參考值、載荷

一.系統概況

廣州地鐵八號線車輛采用了與一號線車輛相同的編組方式，由一節拖車（A車帶司機室）、兩節動車（B、C車）組成一個單元車，再由兩個單元車通過半自動車鉤連接成一列完整的擁有6節車編組的列車。

廣州地鐵八號線龐巴迪造車輛采用了國內首次使用的剛性接觸網。一、二、八號線的供電方式都是采用“直—交—交”的方式，兩者都是通過1500V直流供電，經VVVF逆變器轉變成變頻變壓的三相交流電，供給三相鼠籠式異步電機進行牽引。龐巴迪造車輛的大部分牽引設備位于B車和C車，車下的VVVF逆變器主要分布在B車的PH箱和C車PA箱中。PH箱除了VVVF逆變器以外，還有高速斷路器HSCB、接地保護開關、車間電源接觸器等高壓設備。而PA箱除了VVVF逆變器以外，還有輔助逆變器等輔助設備。牽引逆變器模塊（MCM）都是通過安裝再PH箱和PA箱中間部分的外部風扇進行冷卻。另外，每個逆變器VVVF部分都裝有一個改善內部氣流，避免溫度局部過高的內部小風扇。牽引系統主要供電回路如圖1所示：

1、（Motor Converter Module）牽引電機逆變器模塊MCM：每一節動車上都安裝有一個MCM模塊，四個牽引電機的三相變頻變壓電源。它是車輛牽引電力的核心部分，均安裝在動車的PH箱和PA箱中。C車除了MCM模塊外，還有一個ACM（Auxiliary Converter Module，輔助逆變器模塊），也安裝在PA箱內，用以向車輛提供空調、空氣壓縮機、PA/PH箱以及車廂設備柜的AC220V等系統所需的三相交流電。

1500V直流電經接地保護接觸器、高速斷路器、線路電感、充電電路、接地檢測器到達MCM模塊。每個MCM模塊，由模塊內部的牽引控制單元（DCU）對電流、溫度、速度、指令等進行全面監控，通過門控單元（GDU）驅動三相逆變器中的IGBT模塊，把1500V直流電轉換成變頻變壓的三相交流電，從而驅動本節車的四臺自通風4極3相制鼠籠式異步旋轉電機。

在電氣上，MCM模塊由三個主要的子系統組成，即三相逆變器、充電電容和過壓斬波器。三個系統由MCM內部計算機監控。充電電容相當于一個能量緩沖裝置，用于穩定直流輸入電壓，從而保證電機電流的調制。過壓斬波器通過將能量消耗在MCM外部的過壓保護電阻上來抑制瞬間過壓，保護逆變器。圖2是簡化的MCM原理電路圖。

在機械上，MCM模塊包括：包含充電電容的充電單元，集成的門控單元（GDU）和包含IGBT模塊的斬波相單元。集成化的電子箱安裝在MCM模塊的前部，包含有DCU（Drive Control Unit，牽引控制單元）板和單獨供電單元。整個MCM的外觀如圖3所示。

1. 光纜輸出到GDU（14x） 2. 螺絲刀導孔

3. 牽引控制計算機（DCU） 4. 電子箱蓋的連接螺栓 （10x）

5. S2，跳線器，用于開閉蓄電池 6. X3，連接，用于安裝軟件

7. 連接螺栓，用于DCU （5x） 8. 蓄電池

2、DCU在牽引逆變器MCM和輔助逆變器ACM中，各由一塊本地計算機控制板來控制逆變器的工作，即為上述提到的DCU。在牽引逆變器MCM中稱為DCU/M，在輔助逆變器ACM中稱為DCU/A。它們擁有相同的硬件結構，只是采用的應用軟件不同。逆變器控制板DCU/M控制動車的牽引供電，DCU/A則控制輔助交流供電。DCU板外觀如圖4所示。DCU/M、DCU/A和I/O單元通過MVB（多功能車輛總線）與VTCU（車輛&列車控制單元）進行通信。通過MVB，所有需要的信息在DCU和車輛控制系統的其他設備之間傳輸，包括了控制信號和狀態、故障信息。但是在DCU之間沒有直接的通訊，所有信息交換均通過VTCU在總線上完成，如圖5所示：

MVB

圖5 一個單元車的DCU板與VTCU的接口原理圖

3、供電模塊在DCU/M板的旁邊，還安裝有一塊單獨的供電模塊，用以給DCU/M板、門極控制單元（GDU）

和一些測量設備如溫度傳感器、速度傳感器等進行供電。

一、 牽引系統功能和特性

1、 牽引方向選擇

要求列車牽引的方向直接由VTCU來進行選擇并給出，被定義為與每個獨立的逆變器的安裝相關。即如果逆變器的安裝與牽引端方向一致，則此時逆變器的向前牽引方向與列車的向前牽引方向一致。

如果VTCU沒有選擇牽引方向，則牽引力矩參考值輸出被設定為0，列車不會顯示故障。運行過程中，當VTCU沒有發出牽引/制動力請求或者列車速度很低（<7km/h）時，可以改變牽引方向。但在DCU中，牽引方向必須被設定好，當既沒有向前又沒有向后方向被設定時，逆變器會停止工作。若逆變器中同時設定了兩個相反的方向，則也會停止工作并且列車顯示屏將會顯示“錯誤的牽引方向”的事件信息。

2、 牽引/制動力參考限制

牽引/制動力值由VTCU按比例給出和限制。其值為正表示牽引力，負值則表示制動力。其轉矩控制原理如圖7所示。

列車在牽引過程中，電流從高壓直流回路經VVVF逆變器接到電動機上，在列車進行電制動過程中，電流方向則相反，牽引電機轉變為發電機狀態，將動能經VVVF逆變器返送到高壓直流回路，當網壓高于1800V時，牽引電機產生的電能被送到制動電阻消耗掉。使用IGBT（DCU/M）電機逆變器的控制來控制MCM，因此可以獲得要求轉矩，控制使切換頻率得到最完善的使用，并且使MCM 產生的電流諧波最小，這樣，在牽引電機中能量損失和轉矩波動會達到最小。所有電機逆變器轉矩參考都由VTCU計算，它也是列車速度、列車負載、反射率限制和需要的牽引力的一個功能。VTCU傳來的轉矩參考由每個DCU/M修改，并且根據DC鏈接電容器電壓、牽引電機中和逆變器的溫度、MCM輸出電流、車軸過速和空轉/滑動控制來調節。

3.充電和激活

每個電機逆變器使用一個高速斷路器和一個充電電路來連接和斷開逆變器的直流供電。充電電路由一個充電電阻、一個充電接觸器和一個線路接觸器組成。系統通過VCU發送到DCU/M的指令來激活直流充電。在當前沒有故障并且牽引逆變器沒有封鎖時，逆變器可能出于以下幾種狀態之一：逆變器放電、逆變器充電或逆變器運行，具體所處的狀態取決于VTCU發給DCU/M的“逆變器充電使能”和“逆變器啟動使能”兩個信號的值。當發生嚴重故障時，DCU內部的脫扣開關會分斷，從而斷開高速斷路器及其后繼電路與直流高壓的連接。

轉矩控制相關參數的得出：

·制動力參考值

制動模式下，制動力參考值的設定類同于牽引力參考值的設定，是與速度相關并根據實地試驗得出的車輛特性數據來進行設定的。

·牽引力參考值

在牽引模式下，牽引力參考值與最大有效牽引力時的速度有關，0-100%的參考值與0-100%的有效牽引力一致，是列車速度的函數。這些參數都是根據實地試驗得出的車輛特性數據來進行設定的。

·列車載荷校正

牽引/制動力參考值根據0-100%的載荷校正因子來劃分，100%的校正因子對應于列車達到最大牽引/制動力時（根據相關標準稱為AW2狀態）的列車重量。

·牽引力/制動力極限

考慮到接觸網功率限制、電機溫度、逆變器溫度、較大的輪徑值差異、無效的輪徑值、電機最大速度、冷卻風扇的三相供電等因素，可以制定出牽引/制動力的極限值。另外，在制定制動力極限時，還考慮了制動電阻的溫度及其冷卻故障的影響。當VTCU檢測不到冷卻系統的有效供電時，牽引力極限被設定為最大50%，制動力極限為0%。電制動力最大有效值會反饋回VTCU，從而單獨控制制動系統中氣制動力的預調節。

·牽引/制動力實際值

牽引/制動力實際值是計算好的輸出到電機控制的牽引/制動力值，其中包含了空轉/滑行保護。牽引/制動力設定值是不包括空轉/滑行極限保護的輸出到電機控制的牽引/制動力值。當列車滑行時，將會在調節函數中使用設定值代替實際值，從而避免在列車已經滑行時在施加額外的氣制動。

·牽引力/制動力變化率

為了牽引力/制動力的變化曲線平滑，并通過限制牽引/制動功率變化從而減少電磁干擾和對接觸網的影響，對牽引力/制動力變化率進行了限制。力的參考值在增加和減少時采用了不同的極限限制，它們與由列車速度決定的力的最大有效值相一致。在需要快速地施加制動時，例如在自動駕駛模式或者緊急制動時（廣州地鐵二號線在緊急制動時電制動不參與），可以通過VTCU發出“快速增加制動能量”的命令來獲得更快的降低速率。

廣州地鐵八號線龐巴迪造車輛的動車組是使用三相異步電動機矢量控制系統，將接觸網上的1500V直流電，逆變為頻率、電壓都可調的三相交流電，平行地供給車輛上的四臺三相異步電動機，實現列車的啟動，運行和制動的全過程控制，是一種大功率，高電壓的變頻調速裝置，列車運行平穩，升降速度迅速，且振動和沖擊力小，系統性能穩定，圖7是該系統中的轉矩控制原理框圖，它是由輸入給定，脈沖發生，電機驅動，能量反饋，信號反饋，故障監測等各個環節組成，主要單元的作用和功能分述如后。

1、轉矩磁通控制器：它接收給定信號，故障監控信號和逆度器輸出反饋信號。反饋信號包括有三相電流、電壓信號、電機轉速信號以及通過磁場觀測器所形成磁通大小和相位信號。轉矩磁通控制器根據所有信號進行綜合分析比較形成兩路控制信號， 電壓信號uj和uk，轉矩控制器具有構筑數學模形的功能。

2、坐標變換：兩路控制電壓uj和uk經過坐標變換形成ua、ub、uc三相調制電壓輸出。

3、脈寬調制環節：三相調制電壓ua、ub、uc和載波信號，磁通相位一起確定了六路觸發脈沖送往隔離驅動器。

上述1、2、3環節的全過程都是在牽引控制器DCU中完成的，脈寬調制輸出至隔離驅動器之間，采用光纖傳送，既保證與主回路間很高的絕緣隔離，又有很好的防干擾性能。

4、隔離驅動器：除了輸出六個橋臂開關信號外，還接受網壓監測信號，逆變器輸出的電壓，電流反饋信號，每個IGBT器件的短路監測信號，并對這些反饋信號進行判斷和快速反應，特別是IGBT的短路信號。

5、逆變器主回路為三相橋式電路，使用耐高壓，大電流的IGBT器件，自身具有防反壓和瞬時短路的保護功能。與GTO器件相比較，開關損耗大大降低。此外主回路還有風壓監控，過熱保護等功能。

6、標準信號轉換模塊可將電量和非電量（溫度）轉換成統一的電流信號提供給系統的各個控制器。

7、轉子磁通觀測器是一個組合型的磁通運算器，低速時利用定子電流和轉子轉速來觀測轉子磁通，在高速時利用定子電流和電壓觀測轉子磁通。以提高精度，觀測結果送往轉矩磁通控制器。磁通觀測信號是矢量控制系統的最主要的反饋信號，它的觀測精度直接影響系統的控制精度。

為了保證逆變器輸出電壓波形的對稱性，該系統采用了分段同步調制的方式。控制調制比fSW/fs的比值基本是3的倍數，這樣能有效地減少諧波和脈動噪聲。

三、廣州地鐵八號線龐巴迪造車輛列車牽引控制系統與一號線西門子列車相比，有以下幾個優缺點：

· 采用了可控性能更好，工作更加穩定，功率更大的IGBT絕緣柵雙極晶體管，一號線西門子列車則采用門極可關斷開關 （GTO） ；

· 牽引控制單元（DCU）的集成化更高，將一號線西門子列車的DCU和UNAS融為一體，由原來的24塊電子板，集成為由微機處理板（計算機板）、光纖接口板、擴展板三部分組成的一塊DCU板，體積為原來的十分之一。

· VVVF逆變器的模塊化設計，將DCU和VVVF逆變器都合成在一個模塊上，體積僅為一號線西門子列車VVVF逆變器的四分之一。這樣既節省原材料，降低成本，又減少故障的發生。一號線西門子列車的DCU和VVVF逆變器是分開安裝，DCU在客室，VVVF逆變器在車底；由于列車運行過程中，DCU和VVVF逆變器之間是不斷地進行信息的發送和反饋，線路過長，容易引起信號的出錯和丟失，導致系統工作的不穩定，這也是一號線西門子列車DCU故障常有出現的一個原因。

· 在軟件方面更為優越，使用更加方便。一個是在分析軟件上，采用了EXCEL表格的形式，更為直觀，容易被檢修員工使用；同時，還可以進行現場的故障和信號的測試，對故障的判斷和處理，帶來極大的方便。

· 從維修角度來看，由于采用了模塊化的設計，一旦出現逆變器模塊當中的某些小問題，如溫度傳感器故障，就不能直接進行更換處理，需要將模塊拆下后才能更換。筆者認為這些地方可采用其他方式，如將溫度傳感器采用嵌入的方式，安裝到用手可直接拆裝，同時不影響溫度傳感器的工作的地方，一旦出現溫度傳感器故障，就可輕松地將溫度傳感器更換掉，減少拆卸逆變器模塊的工作量。

· 由于龐巴迪造車輛的VVVF逆變器是模塊化設計，在故障的判斷和處理上比一號線西門子列車的相對容易，但是這樣的設計，使得各元器件相對集中，在散熱上會帶來一些問題，特別在大電流和常時間運營時，容易出現故障。就目前得散熱情況來看，我認為是不能滿足要求的，盡管目前的故障表現得并不頻繁，但我還是建議在箱體多增加一個110V的內部風扇，以更好地改善VVVF逆變器的工作環境溫度。

四、結束語

從整體來說，廣州地鐵八號線龐巴迪造車輛牽引控制系統技術是非常先進的，性能也很穩定。與一號線西門子同類車輛相比，具有更好的調速性能，硬件的集成化、模塊化，軟件功能更為強大和完善，更便于故障的判斷和處理，這對提高列車的運輸能力和節約成本上都具有重要的現實意義。