地鐵牽引系統(tǒng)產(chǎn)品的模塊化設(shè)計

萬偉偉 秦建輝 焦畢 鄧京

摘 要：介紹了模塊化設(shè)計的概念，并以新加坡工程維護車為例介紹了模塊化設(shè)計在產(chǎn)品設(shè)計過程中的應(yīng)用，說明了模塊化設(shè)計的可行性和重要性。

關(guān)鍵詞：模塊化設(shè)計；牽引系統(tǒng)；逆變器；IGBT；高壓電器箱

隨著我國城市化進程的不斷加快，日益嚴重的交通問題嚴重影響著城市的經(jīng)濟建設(shè)和運轉(zhuǎn)效率，給人們的工作和生活帶來了種種不便與損害。當前，我國城市特別是大城市，傳統(tǒng)的道路交通設(shè)施已經(jīng)不能適應(yīng)快速發(fā)展的現(xiàn)代社會的需要，成為制約城市經(jīng)濟發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展的主要瓶頸。地鐵作為城市軌道交通的一種交通工具，因其具有運量大、速度快、乘坐方便、對環(huán)境污染少、占地面積小等優(yōu)點受到越來越多城市的青睞。

然而，面對當前異常激烈的市場競爭環(huán)境，為最大限度地滿足客戶需求，降低開發(fā)、生產(chǎn)及采購成本，提高自己產(chǎn)品的市場占有率，就要求我們地鐵產(chǎn)品設(shè)計周期更短、可靠性更高，因此，采用通用化、系列化的模塊化設(shè)計方法是一有效途徑。本文將闡明模塊化設(shè)計的概念，并結(jié)合新加坡工程維護車牽引系統(tǒng)介紹模塊化設(shè)計的思路。

1 模塊化設(shè)計的概念

1.1 模塊、模塊化

模塊是可組合成系統(tǒng)的、具有某種確定功能和接口結(jié)構(gòu)的、典型的通用獨立單元。

模塊包含電子模塊、結(jié)構(gòu)模塊、軟件模塊，是模塊化設(shè)計的基礎(chǔ)。模塊可以是多級模塊，也可以分為部件模塊和單元模塊。

模塊化是以產(chǎn)品（系統(tǒng)）總功能為對象，以功能分析為基礎(chǔ)，經(jīng)層層分解建立模塊體系，并通過選用模塊組合成不同產(chǎn)品（系統(tǒng)）的全過程。

產(chǎn)品的模塊化是為了取得最佳效益，從功能、結(jié)構(gòu)等角度對系統(tǒng)進行分解和組合，建立模塊系統(tǒng)和對象系統(tǒng)，并運用模塊組合成產(chǎn)品，大大縮短了產(chǎn)品設(shè)計周期，提高了工作效率。

1.2 采用模塊化設(shè)計應(yīng)注意的問題

用模塊化設(shè)計方法進行產(chǎn)品設(shè)計時，對產(chǎn)品應(yīng)有總體考慮，充分考慮模塊的互換性、通用性、兼容性，模塊設(shè)計時應(yīng)為今后功能的擴展留有余地。

模塊化設(shè)計應(yīng)最大限度采用標準件、通用件，采用已有成熟技術(shù)和借用已有模塊，并加強接口的互換性，這不僅可減少工作量，還可提高開發(fā)的成功率，大大縮短開發(fā)周期。對比較重要的或沒有把握的模塊一定要進行模塊驗證試驗，是否達到設(shè)計要求，有缺陷及時修改，少走彎路。

2 地鐵牽引系統(tǒng)產(chǎn)品模塊化設(shè)計介紹

2.1 新加坡工程維護車牽引系統(tǒng)主電路

新加坡工程維護車每臺車上分別裝有一臺牽引逆變器箱、一臺高壓電器箱、一臺制動電阻箱和一臺線路電抗器箱，主電路采用了二電平電壓型直-交逆變電路，主電路原理圖如圖1所示。

DC750V電壓經(jīng)過受流器AP、差分電流傳感器=11-B10、高速斷路器=11-Q01接入高壓電器箱，再經(jīng)過箱內(nèi)的隔離開關(guān)MQS，通過控制充電接觸器（KM12、KM22）使其閉合，從而使充電電阻（R11、R21）為支撐電容（C11、C21）充電。充電完成后，控制單元先控制短接接觸器（KM11、KM21）閉合，經(jīng)過一段時間后再控制充電接觸器（KM12、KM22）斷開，待以上步驟完成后，牽引逆變器就可以起逆變工作了。斬波相和三相逆變電路的功率器件均為IGBT元件。

本原理圖中共用到了11個傳感器。其中，VH1、VH12和VH22是電壓傳感器，VH1檢查直流網(wǎng)壓，VH12、VH22分別檢測牽引逆變器內(nèi)部的中間電壓。LH12、LH22、LH13、LH23、LH14、LH24、LH16和LH26是電流傳感器，LH12和LH22檢測直流輸入側(cè)電流，LH13、LH23、LH14和LH24檢測牽引逆變器輸出側(cè)的電流，LH16和LH26檢測電阻制動斬波電流。

通過對主電路的拓撲結(jié)構(gòu)和功能進行分析，把電路劃分為四塊更有利于模塊間的匹配和連接，形成產(chǎn)品系列。對于線路電抗器箱和制動電阻箱，由于每一電抗器單元和制動電阻單元的體積較大，而且制動電阻單元還需要強迫風冷散熱，所以，綜合考慮，將電抗器和制動電阻分別做成一個箱體更有利于產(chǎn)品部件標準化、通用化。

2.2 牽引逆變器箱的模塊化設(shè)計

按模塊化設(shè)計思路，新加坡工程維護車牽引逆變器總體結(jié)構(gòu)按功能劃分為2個IGBT變流器模塊、DCU傳動控制單元、骨架總成單元和輔助功能單元，如圖2所示。

其中，2個IGBT變流器模塊采用IBCM60G1型模塊，每個模塊集成了8個IGBT元件，作為三相逆變器的三相橋臂及過壓抑制斬波橋臂，并集成了熱管散熱器、溫度傳感器、復(fù)合低感母排、門控單元、門控電源、脈沖分配單元、支撐電容器等，具有走行風冷、無吸收電路、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小等特點，是一個結(jié)構(gòu)緊湊、功能相對獨立的模塊，其外形如圖3所示。每個模塊分別驅(qū)動同一車輛不同轉(zhuǎn)向架的1、2位和3、4位2臺并聯(lián)的異步電動機。當其中一個變流器模塊故障時，另一變流器模塊依然能正常工作，能進行1/2動力損失模式運行。

IBCM60G1型模塊的設(shè)計主要以三相逆變、斬波功能為主體，采用了組合設(shè)計方法，為實現(xiàn)主體功能劃分成不同的功能單元，有利于設(shè)計的簡化。為實現(xiàn)IGBT元件之間的連接和控制使用了復(fù)合低感母排、門控單元和門控電源；脈沖分配單元是模塊與DCU傳動控制單元之間的信息連接通道；熱管散熱器和溫度傳感器是為滿足IGBT元件的散熱和保護要求而設(shè)計的；由于支撐電容器體積大、結(jié)構(gòu)布局不好安排，且支撐電容與三相逆變、斬波電路也有電氣連接，故將支撐電容器集成到模塊中，使模塊結(jié)構(gòu)更加緊湊，更有利于牽引逆變器箱體的結(jié)構(gòu)布局。

IBCM60G1型模塊在設(shè)計之初已經(jīng)考慮了容量的通用問題，所以在DC750V直流輸入牽引系統(tǒng)中均可借用。模塊中使用的功能單元如復(fù)合低感母排、熱管散熱器、溫度傳感器和支撐電容器均可借用，門控單元、門控電源和脈沖分配單元可根據(jù)IGBT元件的型號、廠家不同而做不同的配置。

IBCM60G1型模塊分解為復(fù)合低感母排、門控單元、門控電源、脈沖分配單元和熱管散熱器等不同的功能單元后，使問題更加具體化，不同領(lǐng)域的開發(fā)人員可針對相關(guān)領(lǐng)域的具體問題進行設(shè)計，更有利于開發(fā)人員群體并行作戰(zhàn)，最大限度地縮短了開發(fā)周期，提高新產(chǎn)品開發(fā)成功率，降低開發(fā)風險和費用。

DCU傳動控制單元主要負責控制逆變器并與列車通訊，采用直接轉(zhuǎn)矩控制，其特點是動態(tài)響應(yīng)快、控制簡潔高效、牽引力變化平穩(wěn)。根據(jù)模塊化設(shè)計的思路，DCU機箱采用標準的6U插件箱，按功能不同配置不同插件，可分為開關(guān)電源、數(shù)字入出、系統(tǒng)管理與通信、脈沖轉(zhuǎn)換和電機控制等單元，實現(xiàn)軟硬件模塊功能相對獨立。輔助功能單元包含傳感器、固定放電電阻、濾波組件和電連接器，按照平臺的結(jié)構(gòu)布局，已合理地放置在相應(yīng)的位置。對應(yīng)直流輸入不同的牽引系統(tǒng)，傳感器和固定放電電阻的電器參數(shù)和型號不同、濾波組件和電連接器的型號相同，所有輔助功能單元器件的電氣、機械接口已經(jīng)做到了統(tǒng)一，大大縮短了結(jié)構(gòu)設(shè)計周期。骨架總成單元采用平臺產(chǎn)品結(jié)構(gòu)（上海地鐵一號線），各功能單元的布局與平臺產(chǎn)品相同，從而大大縮短了結(jié)構(gòu)設(shè)計的時間，牽引逆變器的布局結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.3 高壓電器箱的模塊化設(shè)計

新加坡工程維護車高壓電器箱內(nèi)裝有2套充電短接、放電、續(xù)流單元，分別為2個IGBT變流器模塊提供預(yù)充電回路、實現(xiàn)短接功能。同時，考慮到系統(tǒng)分配給箱體的設(shè)計空間、元器件尺寸、可維護性和功能等因素，我們將高壓電器箱主電路劃分為續(xù)流充電組件（M1、M2）、短接接觸器組件、隔離開關(guān)（MQS、MQS11、MQS21）、壓敏電阻（F1）4個部分，其中，續(xù)流充電組件和短接接觸器組件做成了模塊，主電路如圖5所示。

續(xù)流充電組件主要是根據(jù)功能來劃分的，將充電接觸器（KM12或KM22）、充電電阻（R11或R21）、阻尼電阻（R12或R22）、放電電阻（R13或R23）和續(xù)流二極管（V11或V21）集成在一塊安裝板上，合理布局，將大線和控制線盡量分開，避免干擾，使用了端子排和插拔方便、可靠的電連接器，使接線更加簡化，大大節(jié)約了制造、管理、維護的時間，其外形如圖6所示。

由于短接接觸器（KM11、KM21）體積大、比較重、一般采用母排連接，同時考慮到器件的對外接線，故將兩個短接接觸器安裝在一個飛機架上，作為一個組件，方便布線，有利于整個箱體的器件布局，其外形如圖7所示。

此外，高壓電器箱還將接觸器（KM11、KM21、KM12、KM22）的控制繼電器集成為一個模塊，在模塊上用上了插拔方便的電連接器，提高了箱體的可維護性。

通過采用模塊化設(shè)計，高壓電器箱內(nèi)的器件布局更加合理、空間利用率更高、維護更加方便，且此次設(shè)計的模塊可根據(jù)其他項目的實際情況借用或做少量修改重復(fù)使用，大大縮短了設(shè)計時間，減少了產(chǎn)品的生產(chǎn)管理成本，提高了產(chǎn)品在市場上的競爭力。

3 結(jié)論

隨著日益激烈的地鐵市場競爭，模塊化已成為企業(yè)競爭的必備技術(shù)。模塊化設(shè)計是解決企業(yè)產(chǎn)品標準化、通用化的可行方案，可大大縮短研發(fā)周期、降低生產(chǎn)管理成本。行業(yè)中的模塊化實際上就是行業(yè)的標準，誰在競爭中取得制訂行業(yè)標準的能力，誰就在競爭中占領(lǐng)了制高點！

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作者簡介：萬偉偉（1984-），男，工程師，現(xiàn)從事牽引變流裝置的研究開發(fā)工作。