杭州地鐵列車新技術方案研究

李 杰

（杭州市地鐵集團有限責任公司，浙江杭州 310017）

1 概述

為適應城市發(fā)展的新需求并為?2022?年亞運會期間提供強有力的交通保障，杭州將迎來城市軌道交通建設高峰期，近期規(guī)劃線網(wǎng)由?11?條線路組成，總里程達到?491??km。截至?2018?年?6?月，杭州地鐵已開通運營115.8??km，配車?121?列，均為?4?動?2?拖?B2?型車，新建線路還將配屬?A?型車與?B?型加寬車，在短短?5?年時間內(nèi)配車數(shù)將超過?500?列?/?3??000?輛?？梢?，在既有列車主要技術方案的基礎上，統(tǒng)籌考慮新建線路列車的配置方案十分必要，并且會對列車后期的運營使用、維護管理起到至關重要的作用。

2 新技術方案研究

2.1 受電弓

受電弓系統(tǒng)是列車獲得持續(xù)穩(wěn)定動力供給的唯一途徑，良好的受電弓狀態(tài)是列車安全運營的重要保障。目前主要有?3?種形式的受電弓：電動弓（圖?1）、氣缸弓（圖?2）和氣囊弓（圖?3）。3?種受電弓各主要項點的對比分析見表?1。

綜上可知，氣缸弓與其他?2?種相比不具備優(yōu)勢，被排除。對于最高速度?80??km/h?的地鐵列車而言，電動弓和氣囊弓各有利弊，可視情況選擇。速度高于?80??km/h的列車應選用氣囊弓。

圖1 電動弓

圖2 氣缸弓

圖3 氣囊弓

3?種受電弓中氣囊形式出現(xiàn)最晚、技術最新，在杭州地鐵?2?號、4?號線列車上使用效果較好。后續(xù)速度100??km/h?的?6?號、7?號、8?號線列車與速度?120??km/h?的機場快線列車，應選用氣囊弓。9?號線因與?1?號線共享同一大架修基地，因此應與現(xiàn)有?1?號線列車一致，使用電動弓。

表1 3種受電弓對比分析

2.2 變頻智慧空調(diào)

變頻智慧空調(diào)是一種新型空調(diào)機組（圖?4），通過在空調(diào)內(nèi)部增加傳感器，檢測溫度、濕度、風量和風速等空調(diào)參數(shù)，以及檢測空調(diào)運行的電壓、電流等參數(shù)。通過空調(diào)控制盤將各種參數(shù)匯總梳理，無線傳輸（或統(tǒng)一傳輸）至地面“云服務器”。

圖4 智慧空調(diào)示意圖

智慧空調(diào)可實現(xiàn)的功能包括：

（1）通過“云服務器”監(jiān)測、收集和記錄各種空調(diào)運行參數(shù)，自動生成維護預警信息并記錄故障信息等（圖?5）；

（2）維護人員可以通過地面工作臺或移動端實時掌握空調(diào)機組的運行狀態(tài)，調(diào)取統(tǒng)計分析圖表，清晰掌握每臺機組記錄的信息，使檢修工作更加科學化（圖?6）；

（3）環(huán)境參數(shù)、列車參數(shù)及空調(diào)運行參數(shù)等數(shù)據(jù)都可以被歸類保存，經(jīng)過一定的積累形成大數(shù)據(jù)，為空調(diào)實現(xiàn)狀態(tài)檢修提供重要依據(jù)。

圖5 云服務器工作原理圖

圖6 工作臺或移動端查看空調(diào)機組信息

綜上，變頻智慧空調(diào)可能成為地鐵車輛空調(diào)發(fā)展的重要方向，所有空調(diào)數(shù)據(jù)都可以被系統(tǒng)化管理，關聯(lián)性強，使得準確掌握和改善空調(diào)系統(tǒng)的實時運行狀況變得更加便捷。目前杭州地鐵列車還未使用變頻智慧空調(diào)技術，為全面提升空調(diào)能效、積累維護大數(shù)據(jù)、為乘客提供更舒適的乘車環(huán)境，新線列車可考慮采用變頻智慧空調(diào)方案。

2.3 牽引系統(tǒng)

2.3.1 集成化并網(wǎng)供電

杭州地鐵現(xiàn)有?B?型車采用的牽引、輔助供電方案如圖?7?上半部分所示，能耗記錄儀、高壓箱和濾波電抗器均為獨立箱體，DC1500V?高壓需要經(jīng)過?3?個箱體才能到達牽引逆變器。輔助系統(tǒng)采用擴展供電，即在?C1?車設有?1?個擴展供電箱。正常情況下，每個單元的輔助逆變器只給本單元的負載供電，擴展供電箱內(nèi)部斷開，當1?個輔助逆變器故障時，擴展供電箱接通，另一個輔助逆變器給全列車負載供電。但此時部分負載需要減半，并且擴展供電箱也存在故障的可能。

集成化并網(wǎng)方案如圖?7?下半部分所示，可以看出新方案將現(xiàn)有方案的能耗記錄儀、濾波電抗器全部集成到高壓箱內(nèi)，有利于車輛底架設備布置并減少設備維護，設備集成度更高，體積、重量減少，能耗減少，可謂一舉多得。輔助供電系統(tǒng)采用并網(wǎng)技術，取消了擴展供電箱，輔助逆變器采用模塊化設計，在?A1、A2?車各設置?1臺輔助逆變器，各有?2?個逆變模塊。當?1?個模塊故障時，另外?3?個模塊仍然可以滿足全車輔助供電。同時有2?個模塊故障時，列車才考慮部分減載。集成化并網(wǎng)供電方案冗余性強于擴展供電，可靠性高，新線列車宜采用該方案。

圖7 新、舊牽引供電系統(tǒng)對比

2.3.2 永磁直驅

目前，由牽引逆變器控制三相感應異步電機的交流傳動驅動系統(tǒng)，已成為城市軌道交通車輛牽引的主流，但要實現(xiàn)高效率和輕量化比較困難。隨著稀土永磁材料，特別是釹鐵硼（Nd-Fe-B）等性能的不斷完善以及價格的逐步降低，永磁電機取得了較快的發(fā)展。

永磁電機具有以下幾個方面的優(yōu)點。

（1）功率因數(shù)和效率高。與感應電機相比，永磁電機不需要無功勵磁電流，減少了定子電流和定子電阻損耗，而且在穩(wěn)定運行時沒有轉子電阻損耗，進而可以減小風機功率或去掉風機，使永磁電機的效率比同規(guī)格的感應電機提高了?2%～8%，功率因數(shù)可以達到0.90?以上。

（2）溫度低、體積小、重量輕。由于永磁電機轉子無電阻損耗，定子繞組幾乎不存在無功電流，因此永磁電機溫升低。同體積、同容量情況下，永磁電機功率比感應電機高?30%?左右，所用材料比感應電機少?30%?左右。

（3）直接驅動。長期以來，城軌車輛牽引電機都是通過聯(lián)軸節(jié)和一級甚至兩級齒輪箱（圖?8）與輪對耦合的。若采用永磁電機，功率密度將大幅增加，更容易實現(xiàn)多極低速大扭矩傳動，實現(xiàn)無齒輪箱直接驅動（圖?9）。直接驅動將顯著提高車輛過小曲線半徑的能力，降低簧下重量，減少噪聲和能耗。

由于永磁直驅技術具有多項優(yōu)勢，杭州地鐵曾針對永磁直驅替代現(xiàn)有感應電機方案進行專題研究，發(fā)現(xiàn)如下問題。

（1）控制難度大。每個永磁電機定子磁場與轉子旋轉必須嚴格同步，所以每個永磁電機都需要?1?個高分辨率的位置傳感器，并采用1?臺逆變器向?1?臺永磁電機供電的獨立控制方式。這樣逆變器數(shù)量增多，控制難度加大。

圖8 感應電機轉向架

圖9 永磁電機轉向架

（2）空載電壓控制問題。永磁電機的永磁鐵在外部不供電時能使定子線圈產(chǎn)生交鏈磁通，當電機斷電空轉（惰行）時也能使定子線圈產(chǎn)生感應電壓。這種空載電壓會導致：①若逆變器出現(xiàn)相間短路等故障，電機向故障點供電產(chǎn)生短路電流，會擴大故障影響；②空載感應電壓峰值超過逆變器元件耐壓值時，會損壞元件。

（3）永磁電機對材料要求高，制造工藝相對復雜，現(xiàn)有制造技術還不夠成熟。

基于以上問題，杭州地鐵最終沒有選用永磁直驅方案。但隨著永磁技術的不斷進步，現(xiàn)階段遇到的技術問題也將迎刃而解，屆時轉彎半徑極小并有可能環(huán)西湖的地鐵?10?號線列車可以考慮采用永磁直驅方案。

2.4 可編程邏輯控制單元（LCU）

車輛控制電路是整個列車上最為復雜且重要的電氣系統(tǒng)，該系統(tǒng)承擔著列車的駕駛、制動、網(wǎng)絡、車門等子系統(tǒng)的控制功能。目前，這些控制電路需要使用大量的繼電器，繼電器通過自身觸點的閉合與斷開實現(xiàn)信號傳遞、邏輯控制。同時，繼電器受溫度、粉塵等環(huán)境因素影響較大。正線運營列車由于故障造成的晚點、清客甚至救援等情況，大部分與繼電器有關。可編程邏輯控制單元（LCU）利用現(xiàn)代電力電子技術和微計算機技術構成無觸點控制電路，取代列車上原有的各類繼電器和大量迂回電路。

2.4.1 LCU 機箱

LCU?采用?3U?標準機箱，外形如圖?10?所示，分為兩端頭車的Ⅰ型與中間車的Ⅱ型?2?種，具有控制方式靈活、編程方便、布線直觀、檢修條理清晰等特點。同時，采用無觸點輸出控制方式解決列車原有系統(tǒng)在強振環(huán)境下的不可靠問題。

圖10 LCU 機箱外形（單位：mm）

2.4.2 LCU 的網(wǎng)絡拓補

應用?LCU?的網(wǎng)絡拓撲結構（圖?11）實現(xiàn)了板級冗余，各類板卡相互冗余，當某個板卡故障時，自動切除并投入相應的備份板卡，其他板卡工作不受影響，故障后仍可冗余切換。

圖11 LCU 網(wǎng)絡拓補圖

2.4.3 LCU 的主要性能指標

LCU??的主要性能指標如表?2?所示。

2.4.4 LCU 系統(tǒng)的優(yōu)勢

（1）圖形化編程：LCU?控制邏輯開發(fā)環(huán)境采用符合?IEC?61131?標準的?ControlBuild，生成的軟件代碼滿足?SIL2?級安全標準。

（2）DI?冗余采集：DI?板卡采用光電隔離的開關量信號輸入，具有通道自檢功能，可預防接觸器觸電氧化，延長接觸器壽命。

（3）DO?冗余輸出控制：DO?板卡采用光電隔離的MOSFET?作為開關量信號輸出，所有輸出通道采用干接點設計，各通道可獨立增加斷路器控制，每路輸出具有單獨的電子開關，可在通道失控時強行斷開。

表2 LCU 主要性能指標

（4）系統(tǒng)冗余設計：LCU?采用完全獨立的雙冗余設計，具備自動冗余切換功能。當某一組板卡發(fā)生供電、通信、輸出短路或斷路等故障時，另一組可自動切換，且切換時不影響列車運行，實現(xiàn)?“熱切換”功能。

（5）熱備冗余功能：任意單點故障后可實現(xiàn)單板的無縫切換，切換響應時間小于?16??ms。

（6）通信功能：目前支持?MVB?及?ETH?網(wǎng)絡，可根據(jù)不同網(wǎng)絡需求適配不同網(wǎng)卡，支持?CAN、CANOPEN、HDLC、RS485?等網(wǎng)絡。

（7）事件記錄功能：數(shù)據(jù)記錄空間為?2GByte，按照?64?個?DI?通道和?40?個?DO?通道計算，循環(huán)覆蓋時長為?24??h。

（8）智能檢修：LCU?兼容列車不同網(wǎng)絡系統(tǒng)，實現(xiàn)智能檢修。

（9）壽命較長：LCU?全壽命成本低，使用壽命至少可達?10?年以上，遠高于繼電器。

現(xiàn)階段，繼電器仍然在杭州地鐵車輛中廣泛使用，地鐵?5?號線列車已應用?LCU?實現(xiàn)部分車輛的控制功能，為全面提高運營可靠性，后續(xù)新線列車應擴大使用范圍。

3 結語

城軌車輛是直接運送乘客的載體，是城市軌道交通系統(tǒng)中的核心裝備。在杭州地鐵建設高峰期時，科學統(tǒng)籌考慮新建線路列車的主要技術方案，不僅能使車輛各主要系統(tǒng)都發(fā)揮出良好的運行性能，還會對線網(wǎng)安全及高效、舒適的運營服務起到積極而深遠的影響。