電客車牽引制動(dòng)架控與車控研究

青島地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營分公司 岳遠(yuǎn)洋 杜廣林

隨著我國地鐵行業(yè)的蓬勃發(fā)展，為緩解交通壓力，地鐵成為最關(guān)鍵的交通工具。而地鐵的運(yùn)行安全與車輛性能密不可分，因此地鐵車輛的可靠性越來越引起人們的重視。在地鐵牽引系統(tǒng)控制方式的實(shí)際選擇中，通常要考慮地鐵列車編組、線路條件、技術(shù)性能和成本等因素。本文通過介紹青島地鐵1號(hào)線、青島地鐵13號(hào)線地鐵電客車車控與架控在牽引系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、車下設(shè)備、故障影響等方面，從而對(duì)比地鐵車輛架控與車控的區(qū)別。

青島地鐵車輛牽引系統(tǒng)主要由牽引電機(jī)、VVVF牽引逆變器箱、制動(dòng)電阻箱、濾波電阻器箱及斷路器箱等組成。牽引系統(tǒng)高壓回路電器主要集成在斷路器箱和VVVF牽引逆變器箱，主要有主隔離開關(guān)、高速斷路器、線路接觸器、濾波電抗器和牽引變流裝置等元件或部件。牽引母線電器主要集成在母線高斷箱，主要由母線接觸器和母線高速斷路器等組成。

制動(dòng)系統(tǒng)采用微機(jī)控制的直通式電空制動(dòng)系統(tǒng)，可以使用司機(jī)控制器，對(duì)地鐵列車進(jìn)行制動(dòng)與緩解。車輛制動(dòng)系統(tǒng)包括：防滑控制裝置、制動(dòng)控制裝置、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置、空氣彈簧裝置等組成。

1 牽引系統(tǒng)車控、架控簡介

1.1 車控

如1號(hào)線電客車為6輛編組設(shè)置，頭車兩TC車為拖車，中間四輛M車為動(dòng)車（如圖1所示）。每輛動(dòng)車的轉(zhuǎn)向架設(shè)置兩根動(dòng)軸，每根動(dòng)軸有一臺(tái)牽引電機(jī)。每臺(tái)VVVF牽引逆變器控制一輛車兩臺(tái)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架上的四臺(tái)牽引電機(jī)（如圖2所示），此為牽引系統(tǒng)的車控式。

圖1 車控圖

圖2 車控原理

1.2 架控

如13號(hào)線電客車為4輛編組設(shè)置，頭車兩TMC車為動(dòng)拖車，中間2輛M車為動(dòng)車（如圖3所示）。每臺(tái)動(dòng)車的轉(zhuǎn)向架設(shè)置2根動(dòng)軸，每根動(dòng)軸有1臺(tái)牽引電機(jī)，每臺(tái)VVVF牽引逆變器控制1臺(tái)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架上的2臺(tái)電機(jī)（如圖4所示），此為牽引系統(tǒng)的架控式。

圖3 架控圖

圖4 架控原理

2 牽引制動(dòng)配合邏輯

（1）列車制動(dòng)時(shí)，EP2002制動(dòng)系統(tǒng)中兩個(gè)CAN總線單元內(nèi)的主網(wǎng)關(guān)閥接收網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)闹苿?dòng)狀態(tài)指令和制動(dòng)大小指令，根據(jù)其他EP2002閥傳入的各個(gè)轉(zhuǎn)向架載荷情況，計(jì)算整列車需求的制動(dòng)力大小；通過網(wǎng)絡(luò)給牽引系統(tǒng)發(fā)出電制動(dòng)請(qǐng)求，主網(wǎng)關(guān)閥根據(jù)DCU返回的實(shí)際電制動(dòng)力大小進(jìn)行計(jì)算，從而決定是否需要補(bǔ)充空氣制動(dòng)及補(bǔ)充空氣制動(dòng)的大小。

（2）牽引控制單元DCU接收到電制動(dòng)指令后將開始進(jìn)行電制動(dòng)，按照0.75m/s3的速率進(jìn)行上升，并將實(shí)際發(fā)揮電制動(dòng)力反饋給EBCU；在制動(dòng)起始時(shí)刻，DCU通過TCMS發(fā)送1.5s的電制動(dòng)可用數(shù)值給制動(dòng)系統(tǒng)，制動(dòng)系統(tǒng)在1.5S按照實(shí)際的電制動(dòng)力進(jìn)行計(jì)算。

3 不同控制方式與不同制動(dòng)的配合

3.1 牽引為架控+制動(dòng)為車控

當(dāng)轉(zhuǎn)向架電制動(dòng)力失效，使用空氣制動(dòng)時(shí)，避免因制動(dòng)力過度疊加而導(dǎo)致車輪抱死。在某些情況下，需要切斷故障車輛另一個(gè)轉(zhuǎn)向架的電制動(dòng)力，造成電制動(dòng)力的浪費(fèi)，增加了機(jī)械制動(dòng)的磨損。因此這種方法很少采用。

3.2 牽引為車控或架控+制動(dòng)為架控

VVVF牽引逆變器故障不會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)向架上制動(dòng)力的疊加，電空制動(dòng)的匹配性能好。

3.3 牽引為車控+制動(dòng)為車控

單節(jié)車VVVF牽引逆變器故障，制動(dòng)力全部為空氣制動(dòng)，制動(dòng)力不會(huì)疊加。

4 列車車下的比較

通過對(duì)車下設(shè)備的比較，得出車控式列車中每節(jié)動(dòng)車只使用了一臺(tái)VVVF牽引逆變器，車底剩余空間較大，設(shè)備布局更合理；而架控所使用的VVVF牽引逆變器數(shù)量多于車控，車底的空間比較緊密。

圖5 車控式制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)力損失示意圖

圖6 架控式式制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)力損失示意圖

5 故障影響及冗余性

5.1 車控式

每輛車有一套制動(dòng)控制單元，對(duì)于小編組車輛來說，安全性影響比較大。如圖5所示，其動(dòng)拖比為2:1，若其中一套制動(dòng)系統(tǒng)故障，則列車會(huì)損失整車25%的制動(dòng)力，其制動(dòng)距離也會(huì)延長，此時(shí)列車需要限速，清客，回庫檢修。

如果列車牽引采用車控方式，部件故障使得整輛列車故障的幾率較小。如一列青島地鐵1號(hào)線列車在AW3工況下，以100 km/h的速度行駛，其最大牽引力為180kN，行駛過程中一臺(tái)VVVF牽引逆變器故障，列車剩余135kN的動(dòng)力。

5.2 架控式

每輛車有2套制動(dòng)控制單元，對(duì)于小編組列車，一套制動(dòng)系統(tǒng)故障，列車僅失去單個(gè)轉(zhuǎn)向架的制動(dòng)力。如圖6所示，其動(dòng)拖比為1:1，若其中一套制動(dòng)系統(tǒng)故障，則列車會(huì)損失整車16.6%的制動(dòng)力，對(duì)制動(dòng)距離的影響較小。

如果列車牽引采用架控方式，相對(duì)車控每節(jié)動(dòng)車增加了一臺(tái)VVVF牽引逆變器，將會(huì)增加整車發(fā)生故障的幾率。當(dāng)一臺(tái)VVVF牽引逆變器發(fā)生故障時(shí)，該節(jié)車只喪失了16.6%的動(dòng)力。如一列青島地鐵13號(hào)線列車在AW3工況下，以120km/h的速度行駛，其最大牽引力為180kN，行駛過程中一臺(tái)VVVF牽引逆變器故障，列車剩余150kN的動(dòng)力。

總結(jié)：架控列車因單節(jié)動(dòng)車要增加一臺(tái)VVVF牽引逆變器，采購和維護(hù)成本增加，車下空間緊張，但牽引性能強(qiáng)，且故障時(shí)能保存較多動(dòng)力。車控列車車下VVVF逆變器較少，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)損失動(dòng)力較多，但維護(hù)故障點(diǎn)相對(duì)較少。車控列車相比較而言維護(hù)成本低，且車下可擴(kuò)展性較強(qiáng)。對(duì)于制動(dòng)系統(tǒng)來說，車控的制動(dòng)系統(tǒng)較優(yōu)于架控制動(dòng)系統(tǒng)，但架控制動(dòng)系統(tǒng)的控制精度高于車控的制動(dòng)系統(tǒng)，在控制原理上有更強(qiáng)的安全性和可靠性。