論標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組牽引系統(tǒng)與制動(dòng)系統(tǒng)配合運(yùn)行的關(guān)系

張超 趙巖 高源

摘要：本文針對(duì)CR400AF型中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組，系統(tǒng)介紹了牽引系統(tǒng)與制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及配置，并深入分析了兩大系統(tǒng)的電氣原理、網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)以及配合運(yùn)行的關(guān)系，對(duì)動(dòng)車組的設(shè)計(jì)改進(jìn)與故障診斷具有重要意義。

關(guān)鍵詞：標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組;牽引系統(tǒng);制動(dòng)系統(tǒng);網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)

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0 引言

CR400AF型中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組，是高速鐵路復(fù)興號(hào)的車型之一，由中國鐵路總公司組織中國中車自主研發(fā)，在中國鐵路客運(yùn)專線及高速鐵路上運(yùn)營。CR400AF為動(dòng)力分散式電動(dòng)車組，最高持續(xù)營運(yùn)速度為350km/h。動(dòng)車組的車體為薄壁中空承載結(jié)構(gòu)，主要采用鋁合金材料，經(jīng)過鍛造、擠壓、以及焊接等工藝制造而成。

CR400AF型動(dòng)車組采用8編組形式，由2個(gè)基本動(dòng)力單元組成，動(dòng)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(dòng)車組提供牽引力的動(dòng)車。在動(dòng)車組動(dòng)力單元的參數(shù)配置與網(wǎng)絡(luò)控制方式一定的情況下，只需改變牽引電機(jī)的工作特性即可得到不同的動(dòng)車組運(yùn)行速度目標(biāo)值。另外，不同的動(dòng)力單元還可以靈活地進(jìn)行編組連掛，可以滿足不同的客流量需求。

1 牽引系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

全列車分為2個(gè)動(dòng)力單元：M02+TP03+MH04，MB05+TP06+M07，每3節(jié)車廂作為一個(gè)動(dòng)力單元。每個(gè)動(dòng)力單元車中均配備一臺(tái)牽引變壓器、兩臺(tái)牽引變流器及八臺(tái)牽引電機(jī)，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(shè)備配置如圖1-1所示。

圖1-1 ?牽引主回路設(shè)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(hào)車或6號(hào)車的受電弓從接觸網(wǎng)受電，經(jīng)由特高壓接頭、主斷路器VCB與牽引變壓器1次側(cè)繞組連接。

牽引變壓器2次側(cè)由4個(gè)牽引繞組構(gòu)成，其中2個(gè)牽引繞組與2號(hào)車、4號(hào)車的牽引變流器連接，另外2個(gè)牽引繞組與5號(hào)車、7號(hào)車的牽引變流器連接。牽引變壓器2次側(cè)的牽引繞組分別在1次側(cè)繞組的勵(lì)磁作用下感應(yīng)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(gè)四象限模塊、兩個(gè)VVVF逆變器模塊和一個(gè)輔助逆變器模塊。其中，每個(gè)VVVF逆變器模塊集成三相橋臂及斬波相橋臂，驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)異步牽引電機(jī)。牽引變流器在列車運(yùn)行時(shí)向牽引電機(jī)提供電能，在列車制動(dòng)時(shí)將產(chǎn)生的再生電能反饋回供電網(wǎng)中。另外，牽引變流器對(duì)動(dòng)車組還具有保護(hù)功能。

在牽引工況下，受電弓從接觸網(wǎng)吸收電能，通過逆變器變頻變壓給牽引電機(jī)供電，牽引電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，通過聯(lián)軸器和齒輪箱，傳遞到車輪，驅(qū)動(dòng)車輛前進(jìn)。

1.3 網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)

TCU通過機(jī)車MVB網(wǎng)絡(luò)接收司機(jī)指令，實(shí)現(xiàn)機(jī)車的牽引控制，并把牽引系統(tǒng)的工況反饋給網(wǎng)絡(luò)。在網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)，TCU通過硬線獲得司機(jī)的各種指令，完成列車緊急牽引。對(duì)動(dòng)車組的牽引控制主要包括動(dòng)車組的牽引特性控制、制動(dòng)特性控制、運(yùn)行邏輯控制、設(shè)備故障保護(hù)、牽引變流器與交流異步牽引電機(jī)的實(shí)時(shí)控制、粘著利用控制等多種控制策略，能夠保證動(dòng)車組運(yùn)行時(shí)的實(shí)時(shí)動(dòng)力控制與故障監(jiān)測。

在司機(jī)室內(nèi)可以通過動(dòng)車組網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將相應(yīng)的控制命令發(fā)送至TCU，結(jié)合牽引變流器的工作狀態(tài)與運(yùn)行故障保護(hù)命令，以實(shí)現(xiàn)主斷路器與充電短接接觸器的時(shí)序控制，變流器啟、停時(shí)序控制，牽引制動(dòng)最大包絡(luò)線控制，過無電區(qū)邏輯，隔離保護(hù)邏輯等。另外還能實(shí)現(xiàn)TCU系統(tǒng)自檢，系統(tǒng)初始狀態(tài)設(shè)置等功能。

2 制動(dòng)系統(tǒng)

CR400AF型動(dòng)車組的制動(dòng)系統(tǒng)采用微機(jī)控制的直通式電空制動(dòng)系統(tǒng)，即再生制動(dòng)與盤型制動(dòng)的復(fù)合制動(dòng)方式，M車、T車均采用氣壓盤式基礎(chǔ)制動(dòng)裝置，其中T車采用軸裝制動(dòng)盤，M車采用輪裝制動(dòng)盤。制動(dòng)系統(tǒng)具備常用制動(dòng)、緊急制動(dòng)EB、緊急制動(dòng)UB、保持制動(dòng)、停放制動(dòng)、清潔制動(dòng)等制動(dòng)模式。制動(dòng)系統(tǒng)主要由制動(dòng)控制系統(tǒng)、壓縮空氣供給系統(tǒng)及基礎(chǔ)制動(dòng)系統(tǒng)三大部分以及其他附件組成。其中，制動(dòng)控制裝置是制動(dòng)控制系統(tǒng)的核心設(shè)備，具有模塊化、集成化的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。制動(dòng)控制裝置主要包括空氣制動(dòng)控制單元（PBCU）和電子制動(dòng)控制單元（EBCU）兩個(gè)功能模塊，負(fù)責(zé)制動(dòng)指令的接收、處理以及制動(dòng)設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測與故障診斷。

2.1 電氣連接

標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組的制動(dòng)系統(tǒng)與其他設(shè)備之間的電氣連接形式主要分為硬線接口與網(wǎng)絡(luò)接口，如圖2-1所示。

制動(dòng)系統(tǒng)與司控器、ATP、列車線、安全環(huán)路、TCU等之間采用硬線接口，與列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、TCU之間采用MVB網(wǎng)絡(luò)接口。其中，制動(dòng)系統(tǒng)與TCU之間采用硬線接口與MVB網(wǎng)絡(luò)接口兩種形式，提高了列車制動(dòng)的高效性與可靠性。另外，制動(dòng)系統(tǒng)與空壓機(jī)、防滑排風(fēng)閥、速度傳感器、截?cái)嗳T等其他子部件之間也采用硬線接口。

2.2 網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)

CR400AF型動(dòng)車組的制動(dòng)系統(tǒng)采用空氣制動(dòng)與電制動(dòng)兩種制動(dòng)方式，制動(dòng)控制單元（BCU）負(fù)責(zé)控制空氣制動(dòng)的實(shí)施，牽引控制單元（TCU）負(fù)責(zé)控制電制動(dòng)的實(shí)施。8編組的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組分為2個(gè)牽引單元，每個(gè)牽引單元由4個(gè)BCU和2個(gè)TCU組成。制動(dòng)系統(tǒng)共用列車TCN網(wǎng)絡(luò)，車輛級(jí)數(shù)據(jù)總線MVB用于實(shí)現(xiàn)每個(gè)牽引單元內(nèi)部的通信，列車級(jí)數(shù)據(jù)總線WTB用于實(shí)現(xiàn)每個(gè)牽引單元之間的通信。制動(dòng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)控制框圖如圖2-2所示。

圖2-2 ?制動(dòng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)控制框圖

制動(dòng)控制系統(tǒng)分為列車級(jí)管理單元（TBM）、網(wǎng)段級(jí)管理單元（SBM）、本地制動(dòng)控制管理單元（LBCU）三個(gè)級(jí)別，不同的管理單元之間能夠?qū)崿F(xiàn)全列車的制動(dòng)力管理、分配和計(jì)算，主控功能均滿足冗余要求。

列車正常運(yùn)行時(shí)，司控器、CCU等通過硬線和MVB網(wǎng)絡(luò)，發(fā)出制動(dòng)指令（除緊急制動(dòng)UB外）至TBM;TBM通過網(wǎng)關(guān)接收來自其他牽引單元SBM的相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算制動(dòng)控制相關(guān)指令，通過網(wǎng)關(guān)傳遞至SBM;SBM將TBM發(fā)送的制動(dòng)控制相關(guān)指令通過MVB網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至各BCU和TCU。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)異?；蚓o急牽引時(shí)，各BCU根據(jù)貫穿全列的硬線制動(dòng)指令進(jìn)行制動(dòng)控制。

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（TCMS）參與列車的電空混合制動(dòng)控制，制動(dòng)力的計(jì)算和分配由制動(dòng)系統(tǒng)完成。具體控制指令傳輸過程如下：

1、司控器執(zhí)行不同的制動(dòng)控制操作，TCMS產(chǎn)生相應(yīng)的控制指令，并將控制指令通過MVB網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給制動(dòng)系統(tǒng)。

2、制動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)接收到的制動(dòng)指令，綜合制動(dòng)級(jí)位與制動(dòng)載荷，計(jì)算動(dòng)車組總制動(dòng)力的需求值。按照在無故障的情況下優(yōu)先使用電制動(dòng)的原則，將動(dòng)車組總制動(dòng)力的需求值分配成電制動(dòng)力的需求值，再經(jīng)過TCMS發(fā)送到各車的牽引系統(tǒng)。

3、牽引系統(tǒng)根據(jù)電制動(dòng)力的需求值施加再生制動(dòng)，并將電制動(dòng)力的實(shí)際值反饋到TCMS。

4、TCMS將各車牽引系統(tǒng)電制動(dòng)力的實(shí)際值反饋給制動(dòng)系統(tǒng)。

5、制動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)反饋的電制動(dòng)力的實(shí)際值判斷電制動(dòng)力是否滿足動(dòng)車組的制動(dòng)力需求，若不滿足，則通過氣制動(dòng)力來進(jìn)行補(bǔ)充制動(dòng)。

3 結(jié)論

復(fù)興號(hào)CR400AF型動(dòng)車組是完全具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組列車，這標(biāo)志著我國的高速動(dòng)車組設(shè)計(jì)技術(shù)達(dá)到了世界先進(jìn)水平，相比于CRH系列動(dòng)車組，CR400AF型動(dòng)車組的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化程度更高、運(yùn)行噪聲更小、車上設(shè)備配置更完善，整體的運(yùn)行性能得到了很大的改進(jìn)與提升。動(dòng)車組的牽引系統(tǒng)與制動(dòng)系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)、配合運(yùn)行，同時(shí)還具有多種保護(hù)機(jī)制，提高了動(dòng)車組運(yùn)行的安全性與平穩(wěn)性。

參考文獻(xiàn)

[1] 羅昭強(qiáng)，尚大為，韓東寧.復(fù)興號(hào)動(dòng)車組牽引系統(tǒng)參數(shù)分析[J].大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，40（02）：113-116.

[2]王景波，王吉松，張鵬.350km/h中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)[J].機(jī)車電傳動(dòng)，2018（02）：12-15.

[3]卜文娟.復(fù)興號(hào)：高端裝備制造的國產(chǎn)化成就[J].中國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，2018（01）：60-61.

[4]程宏明，章陽，華皛，曹宏發(fā).“復(fù)興號(hào)”中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組制動(dòng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].鐵道機(jī)車車輛，2019，39（02）：31-35.

[5] 李建新.以太網(wǎng)在CR400AF型動(dòng)車組檢修方面的應(yīng)用[J].山東工業(yè)技術(shù)，2018（04）：73.