中速磁浮列車車載電網(wǎng)供電控制分析

黃小麗 岳 芹 陳志保 曾穎豐

(中車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南 株洲 412001)

時速200 公里中速磁浮列車作為一種新型軌道交通方式，具有快速、便捷、綠色、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，對于人口密度大的城市群以及城際交通方面具有競爭力。時速200 公里中速磁浮交通系統(tǒng)是“十三五”國家科技部重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目，目前中速磁浮系統(tǒng)正處于關(guān)鍵技術(shù)研究及裝備研制階段[1]。

中速磁浮系統(tǒng)采用長定子直線同步電機(jī)牽引技術(shù)，牽引供電系統(tǒng)位于地面，中速磁浮車載電網(wǎng)主要用于懸浮系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)、渦流制動系統(tǒng)、空調(diào)、空壓機(jī)、AC220V 電源、DC110V 負(fù)載供電，本文針對200 公里中速磁浮列車車載電網(wǎng)控制設(shè)計進(jìn)行深入分析。

1 車輛供電

車輛的主要供電電源包括：供電軌、直線發(fā)電機(jī)、蓄電池。當(dāng)列車速度低于20km/h 時，完全由外部供電軌-受流器向車輛供電；當(dāng)列車速度高于20km/h 且低于100km/h 時，由外部供電軌和列車自帶的直線發(fā)電機(jī)同時向車輛供電；當(dāng)列車速度高于100km/h 時，從車上直線發(fā)電機(jī)獲取的電力已能夠滿足車輛需求，受流器自動收回，完全由直線發(fā)電機(jī)向車輛供電。

蓄電池作為列車的備用和緊急電源，在使用渦流制動器緊急制動時，由蓄電池與直線發(fā)電線圈或外部供電軌聯(lián)合提供制動電源[2]。

1.1 車載電網(wǎng)

中速磁浮列車車上用電設(shè)備通過車載電網(wǎng)供電，每節(jié)車的車載電網(wǎng)包括以下幾部分：(1) 每節(jié)車有2 套獨(dú)立DC440V 電網(wǎng)，每套電網(wǎng)有1 組DC440V 蓄電池；(2)每節(jié)車有1 套DC110V 電網(wǎng)，帶1 個DC110V 蓄電池；(3)1 個三相AC220V 電源；(4)1 個單相AC220V 電源。其中DC440V 電網(wǎng)是車輛的主電網(wǎng)，DC110V 電網(wǎng)是車輛控制電源。本文重點(diǎn)針對DC440V 電網(wǎng)供電控制進(jìn)行分析，車輛單套DC440V電網(wǎng)拓?fù)淙鐖D1 所示。

每套DC440V 電網(wǎng)由HS 升壓斬波器、BV440 車載電網(wǎng)開關(guān)箱、DC440V 蓄電池、DC440V 負(fù)載組成，HS 將直線發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電、外部供電軌提供的直流電均轉(zhuǎn)換為DC440V 電網(wǎng)所需直流電后輸入DC440V 電網(wǎng)，給DC440V負(fù)載供電；BV440 用于DC440V 車載電網(wǎng)配電和電路保護(hù)，可控制DC440V 蓄電池與DC440V 電網(wǎng)的通斷。

1.2 車載電網(wǎng)通斷控制

在外部供電正常條件下，針對列車不同運(yùn)行模式進(jìn)行說明：

列車自動運(yùn)行模式下，車輛完成低壓設(shè)備自檢后，車載運(yùn)控系統(tǒng)VCS 控制所有受流器升起，VCS 向列車發(fā)送“車載電網(wǎng)允許上電”指令信號，允許車輛上440V 高壓。當(dāng)列車網(wǎng)絡(luò)IO 模塊采集到VCS 主機(jī)發(fā)送的“車載電網(wǎng)允許上電”信號為高電平時，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)送“DC440V 通電”指令控制所有的BV440 電網(wǎng)開關(guān)箱內(nèi)LS 接觸器閉合，使各組DC440V蓄電池接入相應(yīng)的DC440V 電網(wǎng)，HS 升壓斬波器檢測到輸出端有DC440V 電壓后，HS 啟動開始工作，將外部供電軌提供的直流電轉(zhuǎn)換為DC440V，即DC440V 電網(wǎng)通電。反之，DC440V 電網(wǎng)關(guān)斷的步驟為車載VCS 主機(jī)發(fā)送指令控制列車所有受流器收回，當(dāng)列車網(wǎng)絡(luò)IO 模塊采集到“車載電網(wǎng)允許上電”信號為低電平時，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)送“DC440V 斷電”指令控制所有的BV440 電網(wǎng)開關(guān)箱內(nèi)LS 接觸器斷開，切除DC440V 蓄電池，DC440V 電網(wǎng)斷電。

列車維護(hù)運(yùn)行模式下，僅在激活司機(jī)室且車輛靜止(零速)時進(jìn)行DC440V 電網(wǎng)通斷控制，在激活司機(jī)室端“列車控制”繼電器KM1 得電閉合，工作人員手動操作司機(jī)臺上“440V 通電”按鈕，列車網(wǎng)絡(luò)IO 模塊采集到“440V 通電”脈沖信號后，同樣的，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)送“DC440V 通電”指令給所有的BV440，控制DC440V 電網(wǎng)通電；當(dāng)DC440V 電網(wǎng)需關(guān)斷時，工作人員控制所有受流器收回，并操作司機(jī)臺上“440V 斷電”按鈕，控制DC440V 電網(wǎng)斷電，如圖2。

圖2 DC440V 電網(wǎng)通斷控制電路簡圖

1.3 外部供電控制

外部供電控制分為HS 啟動外部供電信號、受流器升降信號控制，列車默認(rèn)提供啟動外部供電信號給所有的HS，控制HS 接通外部供電。在緊急情況下，可人工操作“啟動外部供電”開關(guān)，控制所有HS 自主斷開外部供電；受流器升降控制電路如圖3 所示，結(jié)合列車不同運(yùn)行模式進(jìn)行說明：

圖3 受流器升降控制電路簡圖

列車自動運(yùn)行模式下，列車停止和速度小于100km/h時，車載運(yùn)控系統(tǒng)VCS 控制發(fā)送“釋放受流器”信號高電平驅(qū)動受流器升起繼電器KM2 得電，使受流器升起電磁閥得電，受流器供風(fēng)管路充氣，受流器升起與供電軌接觸；當(dāng)列車速度高于100km/h 時，VCS 主機(jī)發(fā)送的“釋放受流器”信號為低電平，受流器升起繼電器KM2 失電，使受流器升起電磁閥失電后，受流器供風(fēng)管路排氣，受流器收回，斷開外部供電軌供電。

列車維護(hù)運(yùn)行模式下，僅激活司機(jī)室且車輛靜止(零速)時進(jìn)行受流器升降控制，在激活司機(jī)室端“列車控制”繼電器KM1 得電閉合，工作人員手動操作司機(jī)臺上“受流器控制”開關(guān)到“受流器伸出”位，使受流器升起電磁閥保持得電，完成受流器升起控制；將“受流器控制”開關(guān)打到“受流器收回”位，使受流器升起電磁閥失電，完成受流器收回控制。

2 VCS 信號接口

列車自動運(yùn)行模式是完全由運(yùn)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)列車運(yùn)行控制，工作人員完成列車初始化上電和人工確認(rèn)后，由運(yùn)控系統(tǒng)控制列車自動運(yùn)行。車載運(yùn)行控制系統(tǒng)VCS 一方面通過無線電系統(tǒng)從地面分區(qū)運(yùn)行控制系統(tǒng)接收列車運(yùn)行指令，向地面上傳列車狀態(tài)信息；另一方面向車輛下達(dá)控制指令，收集車輛狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)對列車速度、位置的安全控制[3]。下面重點(diǎn)介紹與車載電網(wǎng)供電控制相關(guān)的VCS 信號。

釋放受流器：VCS 根據(jù)列車速度和地面供電軌的布置，控制受流器的伸出和收回；當(dāng)列車速度小于100km/h 且沒有施加渦流制動，則受流器在配備有供電軌的特定停車點(diǎn)區(qū)域自動釋放。如果列車速度大于100km/h，則撤銷釋放命令。在列車?yán)脺u流制動完成強(qiáng)制停車后，列車處于停止且已降落的狀態(tài)下自動釋放受流器。

車載電網(wǎng)允許上電：在列車車載電網(wǎng)無故障條件下，VCS控制車載440V 電網(wǎng)啟動，該信號為低電平時，車載440V 電網(wǎng)關(guān)斷；

車載電網(wǎng)無強(qiáng)制停車：列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測440V 蓄電池電量狀態(tài)，并轉(zhuǎn)發(fā)給VCS。VCS 接收列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)送來的“車載電網(wǎng)無強(qiáng)制停車”狀態(tài)監(jiān)視信號。當(dāng)440V 蓄電池電量不足時，VCS 收到邏輯低電平的“車載電網(wǎng)無強(qiáng)制停車”狀態(tài)監(jiān)視信號后，將產(chǎn)生強(qiáng)制停車到當(dāng)前停車點(diǎn)(包括輔助停車區(qū))，而且列車?yán)^續(xù)運(yùn)行被禁止。直到車載蓄電池重新充電完畢，故障報警自動解除后，列車才能繼續(xù)運(yùn)行。

車載電網(wǎng)無故障：列車監(jiān)視所有HS 工作正常、所有440V 蓄電池?zé)o故障、110V 蓄電池?zé)o故障條件下，VCS 接收列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)送來的“車載電網(wǎng)無故障”高電平信號。當(dāng)VCS 收到邏輯低電平的“車載電網(wǎng)無故障”狀態(tài)后，將產(chǎn)生強(qiáng)制停車在運(yùn)行方向上可到達(dá)最近車站停車，而且禁止列車?yán)^續(xù)運(yùn)行。直到故障報警自動解除后，列車才能繼續(xù)運(yùn)行。

受流器伸出：列車監(jiān)視所有受流器狀態(tài)，當(dāng)所有受流器伸出到位時，反饋高電平信號給VCS；

受流器收回：列車監(jiān)視所有受流器狀態(tài)，當(dāng)所有受流器收回時，反饋高電平信號給VCS。

表1 中每個信號都有兩路通道互為冗余，都為電平信號，若兩路電平信號輸出或輸入不一致時會引起車載設(shè)備系統(tǒng)故障，導(dǎo)致列車停車。

表1 VCS 控制命令輸出信號和接收狀態(tài)信號列表

3 結(jié)論

本文針對200 公里中速磁浮車輛車載電網(wǎng)多冗余、多設(shè)備、多供電源等技術(shù)特點(diǎn)，根據(jù)車輛不同的運(yùn)行模式，提出的車輛車載電網(wǎng)通斷控制方案和邏輯分析，重點(diǎn)分析了車載運(yùn)行控制系統(tǒng)VCS 與車輛控制單元之間交互信號，對更好的掌握列車控制原理、處理車載電網(wǎng)故障起到了較大幫助。