Translohr ste3型列車牽引制動系統(tǒng)研究

摘?要：天津經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)新交通導(dǎo)軌電車線路，是中國首條投入商業(yè)化運營的現(xiàn)代電車線路，是位于天津經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)內(nèi)的一條南北走向的膠輪導(dǎo)向電車，下文將對該車的牽引及制動系統(tǒng)進行介紹。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)軌電車;牽引制動;弱電控制

1 線路基本情況介紹

新交通線路途經(jīng)生活區(qū)、工業(yè)區(qū)、學(xué)院區(qū)，全長7.86公里，設(shè)有14座站臺，客源主要以洞庭路沿線居民、上班族、學(xué)院區(qū)學(xué)生流為主。隨著人們對該系統(tǒng)的熟悉和認可，自2007年5月開通運營后快速吸引了大量乘客乘坐，并逐漸形成了穩(wěn)定的客流源。

2 選用車型

線路選用的車型為法國LOHR公司開發(fā)的TRANSLOHR STE3型膠輪+導(dǎo)軌制式電車。該車車長25米，寬2.22米，高2.95米，采用電力牽引，自身帶有牽引電池包滿足無網(wǎng)區(qū)運行;100%低地板，地板面距地面260mm;轉(zhuǎn)彎半徑小，最小轉(zhuǎn)彎半徑僅為10.5米;爬坡能力強，最大爬坡能力達到13%;三節(jié)編組車輛額定載客167人，最大載客212人。

3 車輛牽引供電系統(tǒng)

TransLohr ste3型導(dǎo)軌電車的牽引供電系統(tǒng)由意大利阿爾斯通廠進行設(shè)計制造，包括車輛的牽引電機、電能分配裝置、逆變裝置及中央控制器（TCU）組成，由勞爾公司集成安裝于車輛頂部，并與車上其他控制單元通過實線或CAN網(wǎng)總線模式進行數(shù)據(jù)信息傳遞和交換，以達到整體協(xié)調(diào)。

3.1 牽引逆變器

車輛的牽引逆變器內(nèi)部采用IGBT（雙絕緣柵晶體管）半導(dǎo)體元件，通過高頻率交替通斷的移相操作，得到一個可控的交變PWM電壓，以供牽引電機使用，并且在傳輸過程中采用線性濾波器進一步降低電流中的諧波，防止其干擾線路附近的信號傳輸。雖然高頻化操作可以大大降低內(nèi)部電感電容等部件的體積，節(jié)約空間及成本，但也會產(chǎn)生更多的損耗及發(fā)熱，為有效對部件進行冷卻，IGBT半導(dǎo)體被安裝在突出鋁模塊上，模塊內(nèi)的冷卻液采用水與乙二醇的混合物，工作溫度的范圍在-35°C 到 110°C內(nèi)，具有良好的防腐蝕特性及物理穩(wěn)定性，通過不斷的冷卻循環(huán)來降低IGBT模塊的溫度。其他的冷卻循環(huán)泵、風(fēng)機及熱交換器等循環(huán)散熱設(shè)備被安裝在一個獨立的通風(fēng)箱體內(nèi)，這樣就保證了即使出現(xiàn)液體泄漏也不會接觸其他用電模塊而導(dǎo)致短路的情況出現(xiàn)。

3.2 牽引控制器（TCU）

TCU為車輛牽引供電系統(tǒng)的中心控制系統(tǒng)，分為CPU和DSP兩個控制系統(tǒng)。CPU為邏輯動作控制處理器，可接收牽引指示值、車輛運行方向、電機轉(zhuǎn)速、CAN網(wǎng)絡(luò)的選擇以及在緊急制動狀態(tài)下的禁止牽引等多種指令，內(nèi)部進行分析處理后，輸出控制電能分配、故障隔離、牽引啟停等信號，并與車上勞爾控制系統(tǒng)交換CAN網(wǎng)數(shù)據(jù)，顯示車速、關(guān)鍵部件溫度、電流電壓等信息。DSP處理器模塊主要負責(zé)對收集的信號進行計算，并檢查和管理傳給IGBT的控制信號從而實現(xiàn)對牽引電機轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的控制，當收到制動指令時抑制牽引。

3.3 牽引系統(tǒng)的設(shè)計及使用

該系統(tǒng)被設(shè)計為雙套冗余式結(jié)構(gòu)，即車輛兩邊各有一套包含TCU、逆變器和牽引電機的設(shè)計。正常使用條件下，由位于車輛兩端的電機同時負責(zé)牽引車輛，電機由對應(yīng)的逆變器控制，每個逆變器又由牽引控制單元（TCU）控制，兩個TCU接入車輛的控制網(wǎng)絡(luò)，與CAN網(wǎng)進行信息交換。正常啟動車輛選定駕駛方向后，司機通過加速踏板將牽引指示值傳送給兩個TCU，來控制逆變器，這個值正比于踏板的行程，在踏板的最大位置，加速度限制為1.3m/s2。通過CAN網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳遞，車輛速度可以實時地顯示在中央控制臺的BMA顯示器上，此時如將加速踏板完全放開，牽引將被切斷，車輛向前惰行。當一側(cè)牽引系統(tǒng)（TCU、逆變器或電機）發(fā)生故障時，系統(tǒng)將會自動進行降級操作，包括將故障信息顯示在BMA上，自動隔離故障一側(cè)的牽引功能，車輛整體的最大加速度也被限定在0.5m/s2以內(nèi)。

4 車輛制動系統(tǒng)

電車的制動方式包括：電制動、空氣制動和機械制動三類。下面詳細闡述一下這三種制動的原理及使用環(huán)境：

4.1 電制動組成

包括牽引電機，牽引逆變器和命令控制系統(tǒng)（TCU）等。當車輛進行電制動時牽引電機和逆變器設(shè)計用做發(fā)電機。由牽引逆變器上的“變阻斬波器”控制此損耗。當接觸網(wǎng)電壓低于900V時，可產(chǎn)生再生制動。如果接觸網(wǎng)電壓高于900V，能量將被安裝于車頂?shù)暮纳㈦娮杷鶕p耗。由于牽引逆變器的雙向結(jié)構(gòu)，車輛的能量在電制動時能夠盡快恢復(fù)。

4.2 氣制動組成包括

空壓機、各類空氣閥門、氣缸、制動踏板和UCD等。車輛的兩端各有一個空壓機，每個空壓機依據(jù)日期的單雙而交替工作，輸出壓強為10bar。當空氣環(huán)路的氣壓值低于7.5bar時，空壓機會自行啟動;當環(huán)路氣壓值超過8.5bar時停止工作。壓縮機以額定功率工作時，它的運轉(zhuǎn)率是30%。當設(shè)備故障時環(huán)路中的安全閥會確保氣壓處于安全范圍。環(huán)路中的壓縮空氣被儲存于多個氣缸內(nèi)，以備需要時使用，用于制動系統(tǒng)的氣能儲存于F缸，用于空氣彈簧或車門等其他服務(wù)功能的由S缸儲存。

4.3 電制動和氣制動的控制系統(tǒng)

車輛的電制動和氣制動都由剎車踏板控制.踏板有兩個檔位，分別進行電制動和氣制動的控制：在移動的第一個階段，由兩個冗余的角度位置傳感器監(jiān)測踏板的角度位置，以此來確定電制動信號值（減速度值）并發(fā)送給司機室內(nèi)的UCD處理器，電制動的制動力只受自動化電子裝置控制，與負載，坡度和其它條件狀態(tài)無關(guān)。在該階段，不會產(chǎn)生任何氣制動;在移動的第二個階段，氣制動的制動力與踏板的壓縮距離成正比。氣體通過兩個雙繼動閥分別控制兩套單獨的氣控制動環(huán)路對車輛進行制動。當制動踏板踩到最下面極限的位置時，電制動和氣制動均達到最大，司機信息屏幕上會出現(xiàn)顯示，此時車輛將以最大的減速度進行制動。

綜上所述，本文主要圍繞新交通線路所選用的TransLohr STE3型導(dǎo)軌電車的牽引和制動系統(tǒng)進行介紹，雖然為10年前引入技術(shù)，但該車若干的設(shè)計理念仍然值得國內(nèi)有軌電車行業(yè)借鑒學(xué)習(xí)。

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作者簡介：王玉，中級工程師，車輛電氣工程師。