論標準動車組牽引系統與制動系統配合運行的關系

張超 趙巖 高源

摘要：本文針對CR400AF型中國標準動車組，系統介紹了牽引系統與制動系統的結構及配置，并深入分析了兩大系統的電氣原理、網絡控制技術以及配合運行的關系，對動車組的設計改進與故障診斷具有重要意義。

關鍵詞：標準動車組;牽引系統;制動系統;網絡控制技術

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0 引言

CR400AF型中國標準動車組，是高速鐵路復興號的車型之一，由中國鐵路總公司組織中國中車自主研發，在中國鐵路客運專線及高速鐵路上運營。CR400AF為動力分散式電動車組，最高持續營運速度為350km/h。動車組的車體為薄壁中空承載結構，主要采用鋁合金材料，經過鍛造、擠壓、以及焊接等工藝制造而成。

CR400AF型動車組采用8編組形式，由2個基本動力單元組成，動力配置為“Tc+M+Tp+M+M+Tp+M+Tc”，其中Tc為帶駕駛室的拖車，Tp為帶受電弓的拖車，M為向動車組提供牽引力的動車。在動車組動力單元的參數配置與網絡控制方式一定的情況下，只需改變牽引電機的工作特性即可得到不同的動車組運行速度目標值。另外，不同的動力單元還可以靈活地進行編組連掛，可以滿足不同的客流量需求。

1 牽引系統

1.1 系統結構

全列車分為2個動力單元：M02+TP03+MH04，MB05+TP06+M07，每3節車廂作為一個動力單元。每個動力單元車中均配備一臺牽引變壓器、兩臺牽引變流器及八臺牽引電機，其中，牽引變流器主要包括整流器、逆變器和輔助逆變器等部分。牽引主回路的設備配置如圖1-1所示。

圖1-1 ?牽引主回路設備配置圖

1.2 工作原理分析

25kV/50Hz單向交流特高壓電源通過3號車或6號車的受電弓從接觸網受電，經由特高壓接頭、主斷路器VCB與牽引變壓器1次側繞組連接。

牽引變壓器2次側由4個牽引繞組構成，其中2個牽引繞組與2號車、4號車的牽引變流器連接，另外2個牽引繞組與5號車、7號車的牽引變流器連接。牽引變壓器2次側的牽引繞組分別在1次側繞組的勵磁作用下感應出1900V的電壓，并輸入到牽引變流器的整流器部分。

牽引變流器的主電路包括兩個四象限模塊、兩個VVVF逆變器模塊和一個輔助逆變器模塊。其中，每個VVVF逆變器模塊集成三相橋臂及斬波相橋臂，驅動兩臺異步牽引電機。牽引變流器在列車運行時向牽引電機提供電能，在列車制動時將產生的再生電能反饋回供電網中。另外，牽引變流器對動車組還具有保護功能。

在牽引工況下，受電弓從接觸網吸收電能，通過逆變器變頻變壓給牽引電機供電，牽引電機將電能轉換成機械能，通過聯軸器和齒輪箱，傳遞到車輪，驅動車輛前進。

1.3 網絡控制技術

TCU通過機車MVB網絡接收司機指令，實現機車的牽引控制，并把牽引系統的工況反饋給網絡。在網絡故障時，TCU通過硬線獲得司機的各種指令，完成列車緊急牽引。對動車組的牽引控制主要包括動車組的牽引特性控制、制動特性控制、運行邏輯控制、設備故障保護、牽引變流器與交流異步牽引電機的實時控制、粘著利用控制等多種控制策略，能夠保證動車組運行時的實時動力控制與故障監測。

在司機室內可以通過動車組網絡系統將相應的控制命令發送至TCU，結合牽引變流器的工作狀態與運行故障保護命令，以實現主斷路器與充電短接接觸器的時序控制，變流器啟、停時序控制，牽引制動最大包絡線控制，過無電區邏輯，隔離保護邏輯等。另外還能實現TCU系統自檢，系統初始狀態設置等功能。

2 制動系統

CR400AF型動車組的制動系統采用微機控制的直通式電空制動系統，即再生制動與盤型制動的復合制動方式，M車、T車均采用氣壓盤式基礎制動裝置，其中T車采用軸裝制動盤，M車采用輪裝制動盤。制動系統具備常用制動、緊急制動EB、緊急制動UB、保持制動、停放制動、清潔制動等制動模式。制動系統主要由制動控制系統、壓縮空氣供給系統及基礎制動系統三大部分以及其他附件組成。其中，制動控制裝置是制動控制系統的核心設備，具有模塊化、集成化的設計特點。制動控制裝置主要包括空氣制動控制單元（PBCU）和電子制動控制單元（EBCU）兩個功能模塊，負責制動指令的接收、處理以及制動設備狀態的監測與故障診斷。

2.1 電氣連接

標準動車組的制動系統與其他設備之間的電氣連接形式主要分為硬線接口與網絡接口，如圖2-1所示。

制動系統與司控器、ATP、列車線、安全環路、TCU等之間采用硬線接口，與列車網絡系統、TCU之間采用MVB網絡接口。其中，制動系統與TCU之間采用硬線接口與MVB網絡接口兩種形式，提高了列車制動的高效性與可靠性。另外，制動系統與空壓機、防滑排風閥、速度傳感器、截斷塞門等其他子部件之間也采用硬線接口。

2.2 網絡控制技術

CR400AF型動車組的制動系統采用空氣制動與電制動兩種制動方式，制動控制單元（BCU）負責控制空氣制動的實施，牽引控制單元（TCU）負責控制電制動的實施。8編組的標準動車組分為2個牽引單元，每個牽引單元由4個BCU和2個TCU組成。制動系統共用列車TCN網絡，車輛級數據總線MVB用于實現每個牽引單元內部的通信，列車級數據總線WTB用于實現每個牽引單元之間的通信。制動系統的網絡控制框圖如圖2-2所示。

圖2-2 ?制動系統的網絡控制框圖

制動控制系統分為列車級管理單元（TBM）、網段級管理單元（SBM）、本地制動控制管理單元（LBCU）三個級別，不同的管理單元之間能夠實現全列車的制動力管理、分配和計算，主控功能均滿足冗余要求。

列車正常運行時，司控器、CCU等通過硬線和MVB網絡，發出制動指令（除緊急制動UB外）至TBM;TBM通過網關接收來自其他牽引單元SBM的相關數據，計算制動控制相關指令，通過網關傳遞至SBM;SBM將TBM發送的制動控制相關指令通過MVB網絡發送至各BCU和TCU。當網絡異常或緊急牽引時，各BCU根據貫穿全列的硬線制動指令進行制動控制。

網絡控制系統（TCMS）參與列車的電空混合制動控制，制動力的計算和分配由制動系統完成。具體控制指令傳輸過程如下：

1、司控器執行不同的制動控制操作，TCMS產生相應的控制指令，并將控制指令通過MVB網絡發送給制動系統。

2、制動系統根據接收到的制動指令，綜合制動級位與制動載荷，計算動車組總制動力的需求值。按照在無故障的情況下優先使用電制動的原則，將動車組總制動力的需求值分配成電制動力的需求值，再經過TCMS發送到各車的牽引系統。

3、牽引系統根據電制動力的需求值施加再生制動，并將電制動力的實際值反饋到TCMS。

4、TCMS將各車牽引系統電制動力的實際值反饋給制動系統。

5、制動系統根據反饋的電制動力的實際值判斷電制動力是否滿足動車組的制動力需求，若不滿足，則通過氣制動力來進行補充制動。

3 結論

復興號CR400AF型動車組是完全具有自主知識產權的中國標準動車組列車，這標志著我國的高速動車組設計技術達到了世界先進水平，相比于CRH系列動車組，CR400AF型動車組的技術標準化程度更高、運行噪聲更小、車上設備配置更完善，整體的運行性能得到了很大的改進與提升。動車組的牽引系統與制動系統相互協調、配合運行，同時還具有多種保護機制，提高了動車組運行的安全性與平穩性。

參考文獻

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