城轨车辆牵引与电制动

I 141 第八章 牵引和电制动 第一节 系统基本组成和工作原理 一 牵引 制动系统组成 广州地铁一号线车辆牵引和电制动系统由德国 ADtranz 公司提供 是国内首家采用交流传动和动 力分散型控制技术的地铁车辆项目 整个系统由受电弓 高速断路器 HSCB VVVF 牵引逆变器 DCU UNAS 牵引控制单元 牵引电机 制动电阻等组成 如图 1 所示 1 DCU 对 VVVF 逆变器的线路电容器充 放电控制 2 DCU UNAS 对 VVVF 逆变器及电机转矩控制 图 1 牵引系统组成示意图 列车受电弓从接触网受流 通过高速断路器后 将 1500VDC 送入 VVVF 牵引逆变器 VVVF 牵引逆 变器采用 PWM 脉宽调制模式 将 1500VDC 直流电逆变成频率 电压可调的三相交流电 平行供给车辆 四台交流鼠笼式异步牵引电机 对电机进行调速 实现列车的牵引 制动功能 其半导体变流元件采 用 4500V 3000A 的 GTO 最大斩波频率为 450 Hz VVV 输出电压的频率调节范围为 0 112 Hz 幅值 调节范围为 0 1147 VAC 二 牵引系统基本参数 牵引逆变器 VVVF 线电压 U N 1000 1800 VDC 输入线电流 I N 480 A 最大线电流 牵引 I NDMAX 692 A 最大线电流 制动 I NBMAX 1171 A 输出电流 I A 720 A 最大输出电流 I AMAX 1080 A 最大保护电流 I MAX 2900 A 输出电压 U N 0 1050 V 输出频率 f A 0 112 Hz GTO 最大开关频率 fP 450 Hz 制动斩波模块斩波频率 f B 250 Hz 模块冷却方式 强迫风冷 线路滤波 模块 逆变器模块 DCU UNAS HSCB 受电弓 1 2 VVVF 牵引 逆变器 列车输入 输出 控制信号 牵引电机 制动电阻 I 142 模块冷却片风速 V L 8 m s 牵引电机 1 TB 2010 0GA02 连续定额 小时定额 输出功率 P M 190 210 kW 额定电压 U N 1050 1050 V 额定电流 I N 132 1800 min 1 144 1800 min 1 A 额定转矩 M N 1008 1114 Nm 最大转速 n MAX 3510 3510 rpm 三 基本工作原理 整个控制系统由输入值设定 速度测量 电机控制 脉冲发生器 能量反馈各环节构成 DCU 通 过列车线接受来自控制系统的牵引 制动力绝对值 以百分比的形式 与此同时还接受司机发出牵 引或制动指令 来决定是施加牵引或制动力 在给定值进行实际电机控制前 必须经过以下条件的处 理 1 输入值设定 载荷校验 DCU 根据相应动车的载荷状况来调整实际牵引 制动力 这是由于采用了动力分散型控制 为了 保持车钩之间的相对运动最小 并且使整车达到相同的动态特性 冲击限制 不同的给定值大小的改变速率必须符合冲击限制的规定 但在防滑 防空转功能激活的时候则不受 此限制 速度限制 牵引时 广州地铁一号线规定了 3 个速度限制 速度控制的优先级高于电机控制 正常速度 80 km h 倒车速度 10 km h 慢行速度 3 km h 线电流限制 牵引时 在牵引工况时 线电流控制的优先级高于电机控制 出于功耗的考虑 该限制值为不超过每节动 车 720A 欠压保护 制动时 在制动时 网压一直受到检测 当网压降到 1500V 以下时 制动力矩随速度和网压相应的减少 这时不足的制动力由气制动补充 空转 滑行保护 空转 滑行保护通过比较拖车动车之间的速度差异来实现 通过适当减少力矩设定值 该保护能确 保输出最大所要求的牵引 制动力 当拖车速度检测失败时 该保护还可以通过仿真计算拖车速度来保 证正常功能 2 速度检测 每个牵引电机带一个速度传感器 输出两个通道 每个通道相差为 90 的方波 电机每转为 256 个脉冲 通过判断相差可以确定旋转的方向 每个牵引控制单元连接 3 个速度传感器 在正常情况 下 该数值直接送入 DCU 进行牵引控制 在进行速度测量的时候 如果出现各速度值不相等的情况 例如 空转 滑行时 甚至在极端情况下 只有一个电机的速度信息对于牵引控制来说都是足够 的 当 DCU 监控逻辑系统发现有一个速度传感器故障时 马上封锁该速度信号 以免对牵引控制造成 严重的影响 除了电机速度 在 DCU 中同样检测拖车的速度 在拖车一个轴上装有一个编码速度传感器 同 电机速度传感器不同 该传感器是单通道的 每周 110 个脉冲 在 DCU 中有两块电路板 A305 A306 中断处理与速度测量板 专门用来处理速度信号 速度值 通过计算脉冲数 然后与参考时钟周期计算得到 3 电机控制 I 143 采用空间矢量控制 电机的磁通大小和方向 空间矢量 通过逆变器输出线电压和相电流 电机 速度等参数近似得到 绕组中的电流和电机电压作为空间矢量与磁通量有关 该解耦过程使得可以单 独控制磁通和力矩 磁场定向控制 控制结构图如下 控制系统的输入力矩设定值 1 该力矩设定值是经过控制系统的其他参数的校核 如负载 线电流 速度 冲击限制 防滑 防空转保护 才输入控制系统 磁场设定值可以通过电机的参数 1a 计算得到 该值在整个正常速度范围内有效 电机力矩电流的产生决定于励磁磁场和转子磁场的交互作用 如果是异步电机 励磁磁场和转子磁场均 由定子电流产生 定子电流通过坐标变换为两部分 一部分 励磁电流 产生磁场 另一部分 负载电流 与励磁磁场积分再与励磁磁场一起形成力矩 为了清楚的表现各电流的关系 定义了一个旋转坐标系统 I m 该坐标系统与磁场矢量 同步 该变换的优点在于励磁电流部分和负载电流部分可以单独的进行 控制 与并励直流电机原理相同 I 144 为了获得理想的励磁磁场矢量 使用了磁场观测器 3 通过电机相电流 电机线电压和速度 2 磁场观测器在静止的坐标系统 a b 计算磁场 的绝对值和磁场矢量的角度位置 flux 该旋转 坐标系统可以通过该磁场矢量可以定义 通过坐标变换 将静止的电流矢量转变为旋转系统 在磁场坐标中 产生电流部分 xil wil 除了产生实际力矩 xmd 磁场观测器可以在当前电机的参数的基础上通过以下步骤计算系统的状态 实际和设定力矩的差值反馈给一个 PI 控制器 4 该控制器提供一个操作变量 该变量加上固定的预 控制初始值 4a 通过当前磁场值 可以计算负载电流设定值 wil 实际磁场和设定值的差异也反馈给一个 PI 控制器 6 该控制器产生一个操作变量 wim 该变量 加上固定的预控制初始值 6a 计算出励磁电流的的设定值 wim 预控制初始值与操作变量一起形成了 系统高性能的动态响应 电流的设定值输入电机的定子模型 7 获得定子电压 um ul 的矢量的两个分量 电流控制器 8 从属于矢量预控制 负载和励磁电流的设定值 实际值的差异单独的通过 P 控制器传递 该控制器构成 定子电压的动态部分 通过该方式产生的定子电压再通过坐标变换 从磁场导向的坐标系统转换回定子导向的坐标系统 9 在这个过程中产生电压矢量和它的角度位置 ustator 电压矢量的绝对值与电网电压的电流有一个偏 移 相控因数角度 为了确保逆变器的控制角度 将该偏移量传送到角度变换器 11 在旋转模型 10 中 滑差频率通过负载电流 wil 和实际磁场计算得到 定子频率 1 可以通过 滑差频率和实际速度相加得到 该频率也是通过脉冲模式发生器 11 传递 脉冲模式发生器从频率和相控因数计算合适的脉冲模式 同样 该发生器还决定电压矢量 用于下一个 采样步骤 的角度位置 pulse pattern 并将该值送入控制系统 磁场矢量的角度 flux 加上磁场坐标系统电压矢量的角度位置 Ustator 必须与电压矢量 pulse pattern 的电流角度位置相对应 在这些角度位置产生的任何差异将作为一个动态控制校正值 传到脉冲发生器 12 中 该发生器在定子电压曲线中产生一个相应的相位跳变 当在更高的速度时 电机达到控制的限制点 Amax 在方波操作的时候 Amax 100 在其他脉冲模式时限 制点还要低 电机过渡到弱磁模式 14 在该模式下 脉冲的控制优先于逆变器设定力矩的输入控制 通过实际的相控因数与控制模式限制值比较 再通过 PI 控制器的计算 13 该控制器产生一个变量 wim 加到固定的预控制初始值中 6a 4 脉冲模式发生器 脉冲模式发生器根据电机控制的三个输入变量 相控因数 定子频率 和校正角实时计算牵引逆变器中 的 GTO 触发脉冲 逆变器每相 GTO 按照以下的原则触发 在一个 GTO 导通期间 另一个关断 脉冲模式发生器于是为每相 提供了一个叫做潜在调整指令的指令 用于保护当逆变器应该关断而没有关断的时候 该指令迅速导通该相 两个 GTO 来保护逆变器 由于系统散热的原因 逆变器的工作频率 GTO 的开关频率 被限制在 450HZ 调制脉冲数在定子频率 在 30HZ 内保持不变 该模式叫异步模式 同步脉冲模式为在每半波周期内有不同的方波数 线电压 9 分频 7 分频 5 分频 3 分频 方波 在 3 分频转为方波的时候为了防止波形幅度变化剧烈有一个过渡过 程 由 3M 转为 3S 3M 指的是在半个波的周期内输出电压 方波 导通宽度小于 60 度 3S 指的是在半个波 的周期内输出中间电压 方波 导通宽度大于 90 度 该变换的目的主要是为了减少逆变器输出电压的谐波 干扰 当定子的频率低于 30HZ 时 逆变器工作在异步模式下 在 13 30HZ 的工作范围内调制波频率为 450HZ 低于 13HZ 时根据特性曲线载波频率为 200HZ 该过程主要是确保在启动时有足够小的电机电压 以 下是根据控制和定子频率的脉冲模式表 I 145 触发脉冲从脉冲发生器到逆变器保护单元 UNAS 通过逆变器设定的保护和禁止功能过滤 以光脉 冲信号的形式控制逆变器 为了同步电机控制与逆变器开关周期 脉冲模式发生器在下一个电机控制周期前输出一个同步脉冲 5 能量反馈 在电机的能量反馈中 能量反馈到电网中 如果在电制动的情况下 能量不能被电网完全吸收 多余的能量必 须转换为热能消耗在制动电阻上 否则电网电压将抬高到不能承受的水平 制动斩波器的存在确保大部分的能量能反馈回电网 同时又保护了电网上的其他设备 由于采用动车组 的编组型式 必须确保一节动车不能吸收另一节动车的制动能量 例如由于电压传感器误差的原因 这 时在制动的时候必须监测线电流的方向 如果电流流向列车 线电压传感器的误差通过一个比例积分器来调 节 在制动时 电网电压一直被检测 如果网压降到 1500V 以下 制动力矩随速度和网压相应受限制 不 足的电制动由气制动补充 如果网压降到回馈制动的保护值 1000V 时 电制动切除 列车制动完全由气制 动承担 第二节 牵引控制单元 DCU 及逆变器保护监控单元 UNAS 1 牵引控制单元结构 广州地铁一号线车辆牵引系统采用德国 ADtranz 公司开发的 GEATRAC 交流传动系统 主要由 VVVF 牵引逆变器 牵引控制单元 DCU UNAS 及制动电阻组成 I 146 牵引控制单元 DCU 和逆变器保护单元 UNAS 设计成一上下两层的机箱 共装有 25 块电子板 各 电子板为标准的 19 3U 印刷电路板 使用多层板技术 电子板上的元件采用表面封装 SMD 或插装 DIL DCU 的 A314 和 A315 板 UNAS 的 A329 和 A330 板的前面板上通过 Harting 接插件 48 针 与 外部电路联接 2 牵引控制单元 DCU 的基本功能 为 VVVF 提供脉宽调制信号 PWM 采用空间磁场矢量控制的转矩控制模式 为牵引电机提供矢量 控制 DCU 为双微机工作方式 其 CPU 采用 16 位中央处理器 80C166 工作频率 20MHz 主控制微机 A304 板 负责车辆控制和牵引 制动控制 处理所有的数字 模拟信号 产生相应的控制信号 另一 个微机 A303 板 接收主控制微机传送来的控制信号 计算产生 VVVF 逆变器的脉冲模式 经 UNAS 保护程序控制 GTO 的通 断状态 整个 DCU 系统的局部总线采用 ADtranz 设计的专用 GERTRAC 总线 连接主控制单元 A304 板 速度信号处理和中断控制模块 A305 A306 板 PDA 数据存储模块 A307 板 1 牵引系统的控制与调整 2 脉冲模式的产生与优化 3 VVVF 与牵引电机的控制与保护 4 对列车状态的监测与保护 HSCB 高速断路器 K 1 和 K3 和 K4 接触器及车门的状态 气制动缓解 牵引 制动 列车向前 向后及 慢行等 5 再生制动与电阻制动的控制与调节 6 电制动与气制动的自动转换及列车保压制动的实现 7 防滑 防空转保护及载荷调整 8 逆变器线路滤波电容器的充放电控制 9 列车速度的获取与处理及自动计算停车距离 10 列车牵引控制系统的故障诊断与存储 11 为其它控制系统提供列车状态信号 12 提供串行接口与 PTU 连接 进行监测与控制 13 提供 黑匣子 功能 0 470 s 记录 U I V 列车状态 走行距离 14 提供 看门狗 功能 3 DCU 的基本工作原理 DCU 主要负责牵引 制动控制 脉冲模式产生 逆变器保护 速度测量 牵引 制动指令参考值处 理 转矩控制 电压电流控制等 DCU 从列车线和外部控制系统 ATO 接收司机指令及 RVC 牵引 制动参考值转换器 的指令 参考值 接收本车的 3 个电机速度信号 拖车的一个转轴速度信号 各个模拟信号测量值 根据参考值 和实际检测值进行计算 脉冲模式发生器 A303 板产生脉冲模式指令信号 PMA PMB PMC PMBS 送入逆变器保护单元 UNAS 处理后再向 VVVF 的逆变模块和制动斩 波模块发出 为了故障和状态显示的需要 DCU 的 3 个等级的故障信号和 3 个列车模拟信号值 速度 网压 牵引力 输出到中央故障存储单元 CFSU 为了满足列车制动的需求 向电子制动单元 ECU 输 出 3 个电制动信号 电制动力矩 电制动正常 滑行保护作用 UNAS 向 DCU 提供牵引电机控制所 需的所有测量值 如电机电流 电容电压等 及 UNAS 的保护动作信息 VVVF 内的线路滤波电容 由 DCU 直接控制充放电 通过一个 V24 接口 可用 PTU 读取过程数据存储器 PDA 和 黑匣子 KWR 中的数据 DCU 的软件主要分为车辆控制软件 牵引 制动控制软件和故障诊断软件等 牵引 制动控制软件主要分为几个模块 线路电容 器充放电控制模块 牵引 制动指令参考值处 理模块 转矩矢量控制模块 电阻制动控制模块等 I 147 1 线路电容器充放电控制模块 控制充电接触器 K3 放电接触器 K4 和线路接触器 K1 的动作及电容器的充放电 该模块在软 件和硬件中均设有联锁 保证 K3 和 K4 不会同时闭合 以避免主电路短路 2 牵引 制动指令参考值处理模块 DCU 接收输入的牵引 制动指令 方向指令 限速指令及指令参考值等 在牵引 或制动工况下 对参考值进行转矩特性调整 使转矩参考值与车辆的牵引 制动转矩特性相适应 并经过冲击极限 最大速度限制 最大线电流 防滑 防空转粘着保护计算等 形成最终的牵引 制动转矩参考值 传 送到转矩矢量控制模块 3 转矩矢量控制模块 转矩控制采用矢量控制模式 基本思想是将交流电机等效为直流电机 按直流电机的控制理论 来实现对交流电机的控制 以获得与直流电机一样的良好动态特性 应用坐标变换方法 根据电机 的相电流 线电压和转速 通过磁场观测器 计算出电机转子的实际磁场矢量 实际转矩等 通过 矢量变换 实现对异步交流电机转速和磁场的完全解藕 控制电机的转子磁场 转矩矢量控制模块 是 DCU 控制软件中核心部分 4 电阻制动控制模块 列车制动时 一般优先进行再生制动 该模块检测电容电压 XUD 一旦超过设定值 1800 V 由再生制动转入电阻制动 并计算制动斩波器的开通占空比 输出斩波器通断指令信号 故障诊断软件对 DCU UNAS VVVF 及各种外围设备的故障进行诊断 将故障数据记录在处理 数据存储单元 PDA 中 4 UNAS 的基本功能 逆变器保护单元 UNAS 负责 VVVF 牵引逆变器的保护 与 DCU 一起组成车辆的牵引 制动控制系 统 UNAS 处理 DCU 的脉冲模式发生器 A303 板产生的脉冲模式指令信号和控制微机 A304 板发出的使 能信号 转化成各个 GTO 的通断指令 通过控制 GTO 的通断 在 VVVF 工作的过程中进行保护 软 保护 防止电过载和热过载 及实现相模块中 GTO 的联锁逻辑保护 UNAS 与 GTO 之间的开关指令 和通断状态反馈信号的传输采用光纤以防止电磁干扰 在有 GTO 通断故障时 实施与电源的隔离 向 DCU 发出线路接触器 K1 分断指令 UNAS 的诊断微处理器存储保护动作信息 可用 PTU 经 RS232 串 行接口读取存储的数据 另外 UNAS 通过 4 根故障信号线可向 DCU 发送 16 个故障信息代码 存入过 程数据存储器 PDA 中 在 UNAS 的中央处理诊断板 A325 面板上提供了与 PTU 通讯的串行接口 可对 VVVF 和 UNAS 进行监测 1 对 VVVF 逆变器进行监测与保护 电压电流保护 温度保护 分为 3 级 2 为 GTO 进行脉冲分配 3 电压电流的获取值处理 将 LEM 传感器输出的 0 20 mA 电流值转换成 10 10V 电压信号送入 DCU 4 对 VVVF 进行初始化 开钥匙后 UNAS 启动板向 GTO 发出 关断 导通 关断 导通 指令 800 ms 否则发 出 严重故障 信号 5 监测 GTO 开 关状态 6 VVVF 及 UNAS 本身的故障诊断及存储 5 DCU 的 PCB 插件板功能描述 6 1 DCU 的 PCB 板 1 A303 中央控制板 脉冲模式发生板 2 A304 中央处理板 控制 调整 监测板 3 A305 A306 速度信号处理和中断控制板 4 A307 PDA 数据存储板 I 148 5 A308 测量值调整板 6 A309 温度测量及 U I 转换板 7 A310 PWM 指令参考值处理板 8 A311 A312 输入信号调整板 9 A313 输出信号调整板 10 A314 A315 输入 输出接口板 DCU 工作方框图 6 2 A301 A302 A321 A322 电源板 6 2 1 A301 板 24V 50W A321 板 24V 50W 24 V 电源供给 LEM 电压电流传感器 压力开关 当无 24 V 电源时 DCU 本身能工作 6 2 2 A302 板 15V 60W 供给速度传感器 光纤插头转换器 6 2 3 A322 板 5V 80W 供给 DCU 的 CPU 板 6 3 A303 CE1 中央控制板 脉冲模式发生板 A304 CE1 中央处理板 控制 调整 监测板 6 3 1 A303 脉冲模式发生板 主要组成 80C166 控制微机 6 个脉宽调制通道 10 个 10 位 A D 模拟 数字 变换器 0 5V 8 个 8 位 D A 数字 模拟 变换器 0 10V GEATRAC M 总线接口 一个 10 Mb s 的快速串行通讯 link 适配模块 串行接口 用于模拟信号调整的 5V 和 10V 参考电压电源 32k SMD RAM 8k DIP EEPROM 128k LCC EPROM 存储器 LCA programmable logic component 可编程逻辑单元 6 个脉宽调制通道中的 4 个用作脉宽发生器 通过 transputer link 接口与 A304 板通讯 D A 和 A D 变换器未使用 LCA 集成逻辑块产生中断处理 GEATRAC M 控制信号 等待状态 面板上有个 9 针孔串行接口插座 6 个 LED 显示灯 其中一个为看门狗 闪动频率 1 6 s 6 3 2 A304 中央处理板 组成 与 303 板相同 A D 模拟 数字 变换器测量经过其它 PCB 板预处理的模拟信号 包括 XUN XUD XIN XLAST WEOEVE XISA XISB D A 数字 模拟 变换器将数字化的过程 模拟信号转换成模拟信号以供测量 通过 transputer link 接口与 A303 板通讯 串行接口可用于诊断 目的 面板上的 9 针孔串行接口插座 可用于诊断目的 6 个 LED 显示灯 其中一个为看门狗 闪动 频率 1 6 s 6 3 3 A303 板与 A304 板的工作通讯 GEATRAC 总线 速度 速度 信号 信号 指令值 模拟测量值 数字信号 数字信号 输入 模拟信号 110V 列车线 110V 列车线 输出 A303 A304 A305 A306 A307 A310 A313 A311 A312 A308 A309 I 149 DCU 启动时 A303 板和 A304 板内的 2 个 CE1 微机开始初始化和同步化 对系统进行自检 启动正常完成后 A307 板的 LED 显示器将显示 CHECK OK 在每一次时钟脉冲 50 ms 结束时 A304 板向 A303 板发送信息 逆变器相控因数 电机定子频率 角度调整 脉冲发生器使能 A303 板根据收到的信息 计算得出所需要的脉冲模式 向 A304 板反馈信息 现时采样间隔长度 当前的电压向量角度变化 下个采样点的电压向量角度位置 当前脉冲模式的数字代码 由于两个微机之间的通信速率很高 它们之间的通信通过一专门设计的通信模块进行 传输速 率达到 10 Mb s 实现对 VVVF 的实时控制 经 A310 板输入的牵引 制动指令参考值需经过以下的限制与调整 每 50 ms 调整一次 1 载荷调整 车辆的载荷由 ECU 通过装在空气弹簧内的压力传感器获取 并转送到 DCU 各个动车的 DCU 只接受本车 ECU 的载荷信号 当 V 0 km h DCU 接收到牵引指令时 将载荷信号值存入作为牵引 制动的校正值 如果未收 到 ECU 的载荷信号 DCU 牵引时用 AW2 的载荷值代替 制动时用 AW3 的载荷值代替 2 冲击极限 0 75 m s 3 空转 滑行保护时 或列车紧急制动时 冲击极限的限制不起作用 3 牵引 速度限制 3 km h 慢行限速 将最大力矩定为本身力矩的 75 10 km h 限速 80 km h 限速 切除牵引 进行惰行 3 种速度限制中 退行 10 km h 和慢行 3 km h 2 种限速指令来自列车线 80 km h 限速指令由 DCU 发出 4 牵引 线电流限制 每节动车 720 A 5 制动 电网电压不足 制动期间 如电网电压在 1500V 以下 根据速度和网压的不同具体值 电制动力矩可能不能满 足制动要求 需由气制动补充 如网压降到 1000V 以下 电制动完全由气制动代替 6 空转 滑行保护 空转 牵引力大于粘着力 发生空转的轮对转速大于列车速度 滑行 制动力大于粘着力 发生滑行的轮对转速小于列车速度 列车的实际速度由 A 车轮轴上速度传感器提供 与动车上的电机速度信号分别比较 判断轮对 是否发生空转 滑行 即使在无 A 车轮轴的速度信号时 DCU 仍可采用对 3 个电机速度信号的计算 值 作为列车的实际速度 由于一号线车辆是一节动车的一台 VVVF 逆变器并联向 4 台牵引电机供电 当 DCU 监测到任 一轮对出现电制动滑行时 会向 VVVF 发出降低电制动力的指令 使本车的 4 个轮对的制动力矩同 时下降 待滑行消除后再恢复 电制动严重滑行时 如果粘着力 1 A 时间超过 1 s U 4 向 DCU 发出 IDIFF1 信息 DCU 只是作为一个事件 event 存入 PDA 当差动电流 50 A 时间超过 20 ms U 4 向 DCU 发出 IDIFF2 信息 必要时将由继电器 U4 而 不是 DCU 直接触发反应行动 2 A312 板 BF 牵引指令 BB 制动指令 BSB 快速制动指令 来自司机 BNB 紧急制动指令 控制器 BF1 方向 1 指令 前行 BF2 方向 2 指令 后退 QNS K1 闭合信号 QVS K3 闭合信号 来自 VVVF QES K4 断开信号 QSS HSCB 闭合反馈信号 MBG 列车所有气制动缓解信号 不包括停车制动 FNS 线路接触器 K1 使能 信号 只有 FNS 为 1 时 线路接触器 K1 才能闭合 FNS 1 的条件 a 无紧急制动 b 车门关好 c 方向指令 BF1 或 BF2 为 1 MBG 信号发出的条件是 6 节车的全部气制动缓解 串联的每节车上一个的 2K54 继电器全部闭合 A 车 B 车 C 车 C 车 B 车 A 车 110 V 旁路开关 MBG B 车 C 车 C 车 B 车 DCU DCU DCU DCU 快速制动可以缓解 此时司机控制器的主手柄应先回到牵引位或惰行位 如果主手柄只是回到常用 制动位 则仍维持空气制动 直到停车 6 10 A313 输出信号调整板 通过微型继电器 将 DCU 的 5V 数字信号隔离转换成 110V 或 24V 输出到列车其它设备 共 12 个通道 通过面板上的 LED 指示灯显示通道状态 I 153 5V 110V 微型继电器 每个通道的输出微继电器都可由面板上的测试插孔控制 而实际的输入信号此时不发生作用 在 PCB 板无输入信号时 在测试插孔施加 5V 电压 可触发微继电器动作 在有输入信号时 测试 插孔施加 0 V 电压 微继电器不动作 ENS K1 闭合指令 EVS K3 闭合指令 VVVF AES K4 断开指令 BHL 保压制动缓解指令 MSEB 电制动故障信号 ECU MGS 空转 滑行信号 MEB 电制动好信号 CFSU MV 0 速度 0 信号 0 5 km h MF1 DCU 严重故障信号 MF2 DCU 中等故障信号 CFSU MF3 DCU 轻微故障信号 线路电容器充放电 DCU 发出 AES 指令的条件 a DCU 无故障 b FNS 1 c 高速断路器闭合 QSS 1 根据前面所列的 FNS 1 条件 列车在激活后启动时 为了安全起见 只有在车门关好 高速 断路器闭合 打司机控制器方向手柄后 K4 接触器才能得电常闭触头断开 线路电容器开始充电 充电过程 K4 AES t QES t t1 80 ms K3 EVS t t2 300 ms QVS t t3 80 ms K1 ENS I 154 t t4 400 ms QNS t t5 80 ms DCU 在发出 AES 指令后的 80 ms 内应能收到 QES 反馈信号 否则说明有放电接触器 K4 不能 断开的故障 自动封锁牵引 DCU 在发出 EVS 指令后的 80 ms 内应能收到 QVS 反馈信号 否则说明有预充电接触器 K3 不 能闭合的故障 同样地 DCU 在发出 ENS 指令后的 80ms 内应能收到 QNS 反馈信号 否则说明有线路接触器 K1 不能闭合的故障 DCU 在发出 EVS 指令信号 500 ms 后 电容电压 XUD 必须大于一定值 否则充电失败 经过 大约 10 s 后 DCU 重新发出 EVS 指令合上预充电接触器 再次开始充电 如失败将第 3 次充电 由于一定时间内不能多次充放电 若对线路电容器充电连续 3 次失败 DCU 将封锁 VVVF 逆变 器 并发出线路电容器充电次数太多的故障信息 放电过程 与充电过程相反 从线路接触器 K1 的闭合条件可看出 方向指令 BF1 和 BF2 为 0 车门打开 高速断路器断 开 QSS 0 等情况都会使 K1 断开 另外 若线路电容电压 XUD 降到 750 V 以下 或 XUD 降到 1000 V 以下超过 1 s 或 UNAS 因过电压而封锁逆变器 K1 也会断开 高速断路器 HSCB 跳断时 K1 将延时分断 如在列车紧急制动时 HSCB 由 UNAS 触发立即分 断 K1 由 DCU 触发分断 延时 100 ms K1 处于断开时 K3 也必须是断开的 不允许牵引电流或制动再生电流流过预充电电路 保护 预充电电路元件 列车停站时 车门打开 FNS 0 线路电容器放电 由于列车运营时频繁停站开关车门 为了 减小放电接触器 K4 的工作负荷 DCU 先发出指令 开通制动斩波器 通过制动电阻将电容电压 XUD 降到 600 V 以确保列车在开门状态下不能动车 此时放电接触器 K4 的主触头一直处于断开 状态 由于并联在线路电容器上的 100 K 永久放电电阻的放电作用 线路电容器上的电压开始慢慢 地下降 每秒约降 3V 车门关后好 DCU 发出 EVS 指令 K3 接触器闭合 在线路电容器剩余电 压的基础上开始充电 而 K4 接触器一直不动作 与列车激活后首次充电不同 保压制动 任何一个 DCU 发出 BHL 指令 整列车的保压制动缓解 BHL 信号 列车启动时 DCU 在接收到牵引指令 BF 1 后 开始建立启动力矩 同时给出保压制动缓 解指令 BHL 即 EHB 1 0 以防止列车退行 假如 DCU 检测到列车退行 则取消此指令 施 加保压制动 BHL 即 EHB 0 1 如在 5 s 之内未能建立启动力矩 或 DCU 未收到所有气制动缓解的信号 MBG 1 则启动 失败终止 DCU 给出 启动失败 信息 必须在取消牵引指令 牵引手柄回零位 后重新启动 列车制动停车时 DCU 在列车速度 12 8 km h 可调 时发出保压制动缓解指令 0 3 s 后 电制动力矩逐步下降 DCU 的滑行保护功能由 ECU 取代 同时气制动力矩建立逐步上升 直到完 全代替电制动力矩满足 V V 指令参考值的要求 如果在列车速度 12 km h 时开始制动 电制动 气制动转换的过程就从制动施加时的速度开 始 DCU DCU DCU DCU ECUECUECU ECUECUECU I 155 为了安全的目的 在列车速度 95 继电器的常闭 触头断开 MTNT 0 1 向 UNAS 发出故障信息 24 V 0 V MTND MTWA MTWB MTWC 以 A 相模块为例 每个相模块中有 4 个温度继电器 保护开关 串联 如有任何一个继电器的常闭触头断开 MTWA 0 1 向 UNAS 发出故障信息 B2 MTWA T1 B3 15 V T2 B1 A101 温度监控板 B4 0 V B2 B3 GTO V1 V2 管母排温度继电器 95 时继电器常闭触头断开 B1 B4 二极管 V3 V4 散热端温度继电器 85 时继电器常闭触头断开 B2 B3 直接安装在模块内高电压母排上 分别用隔离变压器 T1 T2 隔离降压后 变成低压信 号输入 UNAS MTBS MTBS 信号表示制动斩波模块或者制动电阻过热 在两个部件中共有 5 个继电器 保护开关 串联 如有任何一个继电器的常闭触头断开 MTBS 从 0 1 向 UNAS 发出故障信息 I 158 15 V B5 B6 B2 MTBS B1 A101 温度监控板 B4 0 V B2 斩波模块 GTO 母排温度继电器 B1 B4 斩波模块二极管 V3 V4 散热端温度继电器 B5 制动电阻强冷风道风压继电器 B6 红外线温度继电器 监测制动电阻片温度测量值模拟信号 XUN XUD XIN XISA XISB XISC XIBS XUAB XUBC XDIWA XDIWB XDIWC A B C 相电流上升率 XDIBS 斩波制动电流上升率 di dt 相电流上升率测量 如果某相电路出现短路时 相电流将急剧上升 UNAS 通过测量电流上升率 来检测是否有短路故 障发生 7 5 A324 联锁逻辑控制板 7 5 1 基本组成 4 个 LCA programmable logic component 即可编程逻辑单元 D16 D19 D22 D25 分别负责 VVVF 逆变器 A B C 相和斩波器的监测保护 一个 LCA D13 合成 4 个 LCA 的功能 负责整个逆变器的监测保护 6 个 6 个寄存器 registers GEATRAC M 总线接口 负责扫描当前的保护动作数据 7 5 2 主要功能 DCU 送入 UNAS 的指令信号 除了 MVK5 以外 进入 A324 板 主要执行 2 个功能 一是监测逆变器 VVVF 的状态 必要时封锁 GTO 触发脉冲指令 或发出高速断路器跳断指令 对 VVVF 进行保护 A324 板通过 GEATRAC M 总线接收到 A326 板寄存器中的信息 如有异常其 LCA 可编程逻 辑单元按照预设程序产生保护动作 A324 板接收的状态信息和保护动作信息存放在 6 个寄存器 registers 内 A325 板的 CE1 微机通过 GEATRAC M 总线访问 进行诊断后存入它的永久存储 器 header 并向 DCU 报告 二是负责 GTO 的脉冲分配及开关状态监测 桥臂联锁逻辑控制 将 DCU 发出的脉冲模式指令 信号附加上最小间隔时间限制后 转化成给 GTO 的开关指令信号 在 A324 X229 光电转换插头 电指令信号转化成光脉冲信号 通过光纤传送到 GTO 的驱动模块 GTO 的开关反馈信号传回 UNAS DCU UNAS 15V 脉冲指令电信号 光信号 电信号 光信号 GTO 门极驱动模块 以 A 相的 LCA 为例 D16 的主要功能是将 A 相的脉冲模式 PMA 加上最小时间限制后 转化 成 GTO 的控制指令 BWAV 对 GTO 的通断频率进行监测和限制 为了避免单相内部短路 对同相 的 2 个 GTO 相互联锁 监测还包括在允许的时间延迟后 GTO 对应于开关指令的通断状态 IA XDIWA I 159 A B C 相 GTO 的通断时间限制 最小开通时间 t ein 44 3 s 单相桥臂联锁时间 tver 60 3 s 最小关断时间 t aus 120 3 s 斩波器 GTO 的通断时间限制 最小通流时间 t ein 120 3 s 最小关断时间 t aus 120 3 s LCA D13 根据外部输入的信号 合成 4 个 LCA 的功能 执行对整个逆变器的监测保护 产生 外围设备的保护动作触发指令 7 5 3 从 DCU 输入信号 经 A323 板 FWR 逆变器使能信号 FBS 制动斩波器使能信号 PMA PMB PMC 逆变器 A B C 相的 GTO 脉冲模式 5V PMBS 制动斩波器的 GTO 脉冲模式 7 5 4 向 VVVF 发出指令 BWAV1 BWAV2 A 相 V1 V2 管开关指令 BWBV1 BWBV2 B 相 V1 V2 管开关指令 BWCV1 BWCV2 C 相 V1 V2 管开关指令 BBS 斩波器 GTO 开关指令 以 A 相为例 PMA 关 关 关 BWAV1 开 开 关 关 BWAV2 开 开 开 7 5 5 从 VVVF 输入信号 MLWAV1 MLWAV2 A 相 V1 V2 管开关反馈信号 MLWBV1 MLWBV2 B 相 V1 V2 管开关反馈信号 MLWCV1 MLWCV2 C 相 V1 V2 管开关反馈信号 MLBS 斩波器 GTO 开关反馈信号 保护开关动作信号 MSLUM MPCD MTND MTWA MTWB MTWC MTBS 7 5 6 向 DCU 输出信号 经 A323 板 MUB 逆变器准备好信号 MBSB 制动斩波器准备好信号 MSEW 逆变器保护激活信号 MSEBS 制动斩波器保护激活信号 BHSA HSCB 断开信息 BNSA 线路接触器 K1 断开指令 MDZ 逆变器贯通保护信息 MUK1 MUK2 MUK3 MUK4 UNAS 故障信息代码 MUB 逆变器准备好信号 MUB 信号表示在 VVVF 的有效工作范围内 UNAS 未发现重大关键故障 DCU 可进行牵引工 作 DCU 发出的指令被转换成 GTO 的触发指令 如果 UNAS 检测到逆变器 VVVF 处于严重的故障 状态 需要立即分断 在故障状态期间 MUB 信号转为 0 至少 50 ms MBSB 制动斩波器准备好信号 I 160 DCU 开机启动后 UNAS 检查制动斩波器的状态 如果斩波器准备好 UNAS 向 DCU 发送 MBSB 1 信息 MSEW 逆变器保护激活信号 如果 UNAS 因某个严重故障而对 VVVF 逆变器采取保护行动 向 DCU 发送 MSEW 1 信息 MSEBS 制动斩波器保护激活信号 当电容电压 XUD 2100 V UNAS 开通制动斩波器降低电压 同时向 DCU 发送 MSEBS 1 信 息 BHSA HSCB 断开信息 高速断路器在线电流 XIN 超过 1200 A 时跳断 BHSA 信号传送到 DCU 作为一个储存信息 BNSA 线路接触器 K1 断开指令 当高速断路器分断 线路接触器 K1 也将分断 BNSA 信号通知 DCU 分断 K1 MDZ 逆变器贯通保护指令 一般情况下 同相的 V1 V2 管不允许同时导通 但当 XUD 2300V 时 UNAS 发出 BDZ 贯 通保护指令 使 4 个相模块的全部 GTO 导通 降低电容电压 同时贯通指令信息传送至 DCU MUK1 MUK2 MUK3 MUK4 故障信息代码 UNAS 向 DCU 传送状态信息有 2 种方式 一种是以直接的信号线输出状态信号 计有 MUB MBSB MSEW MSEBS 4 个 另一种是以 MUK 代码组合的方式 通过 4 根信号线把 UNAS 的故障信息传送到 DCU No MUK4 MUK3 MUK2 MUK1 故障名称 故障定义 15 1 1 1 1 无 无故障 14 1 1 1 0 MLSPB 5V 或 15V 逻辑电源故障 13 1 1 0 1 MGSPB GTO 门极驱动电源故障 12 1 1 0 0 MWSPB 24V 传感器电源故障 11 1 0 1 1 MSKF PCB 插件板丢失 10 1 0 1 0 MFSS 三相电流不平衡 09 1 0 0 1 MSF 逆变器或制动电阻内保护继电器动作等 08 1 0 0 0 MUDG2 电容电压 2300 V 07 0 1 1 1 BDZ 逆变器贯通保护 06 0 1 1 0 MIS2 逆变器相电流 2900 A 05 0 1 0 1 MMKW GTO 相电路短路 04 0 1 0 0 MTW 相模块过热保护 03 0 0 1 1 MSVW GTO 通断故障 02 0 0 1 0 MFG GTO 通断频率过高 01 0 0 0 1 MFW 短时内故障多次重复 00 0 0 0 0 MHIF GTO 初始化故障 MSF MPCD MSW MTND MSLUM MIS2 MISA2 MISB2 MISC2 MMKW MMKWA MMKWB MMKWC MTW MTWA MTWB MTWC MSVW MSVWAV1 MSVWAV2 MSVWBV1 MSVWBV2 MSVWCV1 MSVWCV2 MFG MFG1WA MFG2WA MFG1WB MFG2WB MFG1WC MFG2WC MFW MFW1 MFW2 I 161 以 MSF 为例 等式后面的 4 项数字信号全部为 0 时 MSF 0 只要任何一项等于 1 即有 MSF 1 7 5 7 UNAS 生成的信号 UNAS 接收 DCU 的指令和信息信号 为 GTO 进行脉冲分配 同时接收 VVVF 传来的各种信息 包括各 GTO 的通断反馈信息 电压电流 LEM 传感器测量值 电流上升率测量值 各种保护开关动 作信号等 UNAS 按内部程序处理 生成新的信号 根据故障情况进行保护动作 封锁 VVVF 逆变 器的逆变模块或斩波模块 A324 联锁逻辑控制板生成的信号一部分反馈到 DCU 见 7 5 6 A325 诊断板诊断生成 UNAS 故障信号 以 MUK 故障信息代码的方式输出到 DCU 还有一些故障信息只 存储在 A325 板的 RAM 存储器中 见 UNAS 信号 表 7 6 A325 微处理单元 UNAS 诊断板 7 6 1 组成与作用 A325 板的 CE1 微机以事件中断的方式将 A324 板 6 个和 A326 板 5 个寄存器 registers 中的 内容通过 GEATRAC M 总线存入 RAM 存储器 备用电池支持的永久存储器 header 对由 A324 板送入的 VVVF 故障信号和保护动作指令进行故障 诊断 和存储 存储的数据可用 PTU 经 RS232 串行接口读取下载 另外 通过 4 根信号线 将 16 个故障代码传送到 DCU 面板上有 2 个 4 位 LED 显示器 2 个选码开关和 2 个功能键 7 6 2 PCB 板功能 UNAS 的当前状态取决于相关的数字信号 这些数字信号 即状态字节 暂时存放在 A326 测量值调整板和 A324 联锁逻辑控制板的 8 单元寄存器内 每个寄存器包含 8 个存储单元 可分配存 放 8 个数字信号的信号值 状态字节的任何改变会产生一个中断 在收到中断信号后 CE1 微机 逐个读取这些 8 单元寄存器内的 UNAS 状态字节 存入 RAM 存储器 并重置 reset 寄存器 另 外 CE1 微机对状态字节进行诊断处理后 产生相应的事件代码 存入永久存储器 header 由于状态字节信号可能以 1 2 ms 的间隔快速出现 为了能在前一个信号处理存储完成之前进 行下一个信号的处理 使用 RAM 存储器作为缓存区 可同时存 100 个信号 如果 RAM 的存储区间 被存满 CE1 给出一个 MCE1B 信息 MVK5 列车速度 5 km h 信号 当列车到达终点站换端时 DCU UNAS 失电 会产生电源故障信息 MLSPB 门控电源准备好 MGSPB 逻辑电源准备好 MWSPB 传感器电源准备好 此时 UNAS 的诊断忽略这些信息 以免存 储器被过多的 辅助电源电压过低 信息装满 这些故障信息只有在速度大于 5 km h 时才开始存储 7 7 A328 启动监测板 检测 5 V 和 15 V 电源 在 DCU 启动后 发出 800 ms 的 GTO 初始化命令 检测 GTO 的驱 动板 光纤导线等是否正常 开机后首先检测 15 V 电源 接着检测 5 V 电源 再进行 GTO 的初始化 如出现 GTO 初始化 故障 可能是以下原因造成 a GTO 故障 b 驱动板故障 c 指令信号传输故障 光纤导线 光电转换接头等 d 15 V 电源故障 e A328 板本身故障 7 8 A329 A330 接口板 除了通过光纤传输的脉冲指令信号和 GTO 通断反馈信息外 所有 UNAS 与外围设备的输入 输 出信号都经过 2 个 PCB 面板上的 48 针 Harting 接插件与外部联通 仅做连接过渡作用 7 9 UNAS 监测的信号及保护动作 7 9 1 相电流 XISA XISB XISC A327 面板上测试孔的测量换算值 m 400 A V 第一级保护门槛值 MISA1 MISB1 MISC1 2700 A 6 75 V 当 XISA XISB XISC 2700A UNAS 将封锁 VVVF 的 A B C 相触发脉冲 I 162 第二级保护门槛值 MISA2 MISB2 MISC3 2900 A 7 25 V 当 XISA XISB XISC 2900 A UNAS 将封锁 VVVF 所有三相的触发脉冲 50 ms 或直到 MISA2 MISB2 MISC3 信息消失 第三级保护门槛值 MISA3 MISB3 MISC3 3100 A 7 75 V 当 XISA XISB XISC 3100 A UNAS 将触发 VVVF 所有相 包括斩波器 的 GTO 1 s 贯通保护 断开 K1 线路接触器 1 s 然后封锁 VVVF 逆变器 9 s 7 9 2 电流上升率 DIWA DIWB DIWC DIBS A327 面板上测试孔的测量换算值 m 1500 A V 保护门槛值 MMKWA MMKWB MMKWC MMKBS 5000 A 3 33 V UNAS 分别检测三相电流上升率 di dt 当 DIWA DIWB DIWC DIBS 5000 A s UNAS 判断 VVVF 内有短路 将触发所有相 包括斩波器 的 GTO 贯通保护 至少封锁逆变器 10 s 7 9 3 制动斩波电流 XISBS A327 面板上测试孔的测量换算值 m 400 A V 电阻制动时 制动电流 XIBS 应在 400 1500 A 范围内 第一级保护门槛值 MIBS1 400 A 1 V 如果 XIBS 1500 A UNAS 封锁制动斩波器 10 s 或直到 MIBS2 信息消失 7 9 4 电容电压 XUD A327 面板上测试孔的测量换算值 m 250 V V 第一级保护门槛值 MUDK 990 V 3 96 V 当 XUD 2100 V UNAS 将开通制动斩波器 将 XUD 降到 2300 V UNAS 将封锁 VVVF 逆变器的触发脉冲 10 s 或直到 MUDG2 信息消失 线 路接触器分断 1 s 7 9 5 逆变器三相输出电流之和 a b c 0 如逆变器三相输出电流和 400 A MFSS 信号 UNAS 将封锁 VVVF 逆变器的触发脉冲至少 10 s 或直到 MFSS 信息消失 7 9 6 相电压 XUAB XUBC A327 面板上测试孔的测量换算值 m 250 V V 7 9 7 线电流 XIN A327 面板上测试孔的测量换算值 m 400 A V 如线电流超过 1200 A 或电流上升率过大 高速断路器自动跳断 DCU 接收到 BHSA 1 的信息 后 发出指令分断线路接触器 K1 并给线路电容器放电 7 9 8 线电压 XUN A327 面板上测试孔的测量换算值 m 250 V V 7 9 9 GTO 通断反应时间的限制 以 A 相 V1 管为例 BWAV1 指令发出后 应在 t 60 44 s 4 斩波器 GTO 通断时间限制 斩波模块只有一个 GTO 不需要桥臂联锁 只有最小开通时间和最小关断时间的限制 最小通流时间 tein 120 3 s 最小关断时间 taus 120 3 s 5 最大开关频率 由于 GTO 元件特性的原因 其开关频率不能超过一定值 因此 UNAS 对 GTO 的开关频率监测 并进行保护 以 A 相 V1 管为例 如果在 450 ms 内 GTO 的开关指令 BWAV1 的上升沿超过 256 次 该指令信号将被取消 使能 1 s 然后恢复 使能 同时 UNAS 给出故障信息 MFG1WA 如果在 5 ms 内 GTO 的开关指令 BWAV1 的上升沿超过 6 次 该指令信号将被取消 使能 5 ms 然后恢复 使能 同时 UNAS 给出故障信息 MFG2WA 6 贯通保护反应时间 进行贯通保护时 从 BDZ 指令发出到各相 GTO 接到触发指令 BWAV1 和 BWAV2 的时间应 95 散热片处 85 使温度继电器动作时 MTWA 或 MTWB 或 MTWC 信号 UNAS 将封锁 GTO 的触发脉冲至少 10 s 或直到故障信号消失 7 9 13 线路电抗器温度 线路电抗器的 2 个绕组内分开装有 2 个串联的温度继电器 当电抗器内温度 150 使温度继 电器动作时 MTND 信号 UNAS 将封锁 VVVF 逆变器至少 10 s 或直到故障信号消失 7 9 14 线路电容器压力 当电容器内压力过高 使压力继电器动作时 MPCD 信号 UNAS 将封锁 VVVF 逆变器至少 10 s 或直到故障信号消失 7 9 15 逆变器风扇压力 当逆变器的冷却风扇的风压过低 使风压继电器动作时 MSLUM 信号 UNAS 将封锁 VVVF 逆变器至少