新加坡地铁车辆牵引与制动控制系统的结构和控制技术

[摘 要] 文章以新加坡C151A项目地铁为基础，介绍了车辆牵引和制动控制系统的结构、功能及控制技术。

[关键词] 新加坡地铁；牵引系统；制动系统；控制技术

[作者简介] 夏竟成， 南车青岛四方机车车辆股份公司海外事业部工程师，研究方向：轨道车辆海外市场开发及国际合作，山东 青岛，266011

[中图分类号] U231 [文献标识码] A [文章编号] 1007-7723（2013）03-0021-0005

一、概 述

2009年 5月5日，南车青岛四方机车车辆股份公司与日本KHI公司以联合体方式与新加坡地铁业主LTA正式签署了C151A 地铁项目中标通知书。新加坡C151A运行线路为南北/东西线（NS-EW 线），由SMRT地铁有限公司（SMRT）运营。项目前期采购铝合金A型地铁车辆132辆，6辆编组，采用2单元四动两拖编组方式。2011年11月30日，LTA向联合体发出了增购 13 列车的接续订单，增购车辆共计78辆。目前，前期22列车已全部交付业主并已投入运营。增购项目已启动，并将于2013年10月起交付业主。同时，C151B项目也已中标。

新加坡地铁列车的基本参数如下：车辆编组为4动2拖，即DT-M1-M2+ M2-M1-DT。车辆构造速度为80km/h，最大设计速度90km/h，水平平直轨道初始加速度1.0m/s2，常用制动平均减速度0.8 m/s2，最大减速度1.0m/s2，紧急制动平均减速度≥1.3 m/s2，常用加/减速度变化率≤0.65 m/s3。

二、牵引系统

新加坡地铁牵引系统采用VVVF 牵引逆变器-电机构成的交流传动系统。牵引逆变器系统优先使用电制动，采用IGBT 功率器件，热管散热器自然冷却，采用高性能AC牵引电机牵引力控制策略以获得更优的电机转矩控制动态性能，能有效减小气隙变化对电机牵引力发挥的影响，同时有效降低谐波指标和谐波损耗。

（一）牵引系统结构

牵引系统结构参见图1。该系统包括VVVF逆变器、牵引电机、断路器、滤波电抗器、制动变阻器和开关箱。

该系统具备高黏着性能、低噪声、易于维修、故障检修监控功能和自诊断功能等特点。

（二）牵引系统装置

新加坡地铁车辆牵引系统装置包括开关箱、断路器、滤波电抗器、VVVF逆变器、制动电阻器和牵引电机。

1. 开关箱

开关箱包括主熔断器（MF1）、辅助熔断器（AF）和主开关（CHS）。主熔断器负责切断第三铁轨和高速电路断路器（HB）之间的电路短路电流，以避免变电站发生HB故障。主开关（CHS）为断开开关，当设备不运行时，断开设备与第三铁轨的连接。

2. 断路器

断路器包括高速断路器（HB）、接触器（K）、接触器（L1，L2）、充电电阻器（CHRe）和放电电阻器（DRe）。当任何一个逆变器出现故障，只有正常的逆变器运行情况下它才负责切断故障电路，确保列车运行的高稳定性。

3. 滤波电抗器（FL1，FL2）

滤波电抗器包括带有滤波电容的LC滤波器，可削弱由逆变器产生的谐波电流。

4. VVVF逆变器

新加坡地铁车辆电机传动系统采用带有GTO半导体闸流管的电压PWM逆变器；同时VVVF逆变器采用高压IGBT技术。该系统有效提高了列车性能，同时具有高安全性和可维修性。VVVF逆变器-感应电机传动系统主电路如图2所示。

新加坡地铁车辆每辆动车包括两个VVVF逆变器，与每辆车的两个感应电机并联，因此，一个VVVF逆变器可实现对两个电机的控制。当任何一个逆变器失灵且无法重新启动时，可切断失灵的逆变器，并通过另外一个正常的逆变器维持车辆继续运行。根据电源线路条件，制动断路器可以同再生制动运行混合使用。

5. 制动电阻器

制动电阻器负责吸收再生力。

6. 牵引电机

牵引电机采用感应电机。两个牵引电机连接在一个逆变器上，由VVVF逆变器通过矢量控制运行。图3为矢量控制方法的控制框图。

图3中，ATO提供档位信号功率。标准信号发生器（RFG）的输入信号为档位和列车速度信号。标准扭矩发生器（RTG）的输入信号为档位、列车速度和重量信号。定子通量角速度的标准值w1 通过转子速度w2 、滑动角速度ws 的标准值和补偿成分K·ed 计算得出。通量角度标准值θ通过求w1 的积分得出。根据DC数值测得的定子电流d轴组件id 和q轴组件iq 可以由定子电流iu和与θ相关的iw通过矢量转子得出。感应电压计算机通过标准输出电压Vd 和Vq以及定子电流id 和iq估算d轴组件ed 和q轴组件eq。d轴组件ed代表感应电机的二次侧电阻变量。该控制系统通过将ed反馈给定子通量角速度标准值w1对其变量进行补偿。

（三）主电路结构

新加坡地铁列车牵引系统主电路采用两电平电压型直-交逆变电路。经受流器接触受流输入的DC750V直流电由牵引逆变器变换成频率、电压均可调的三相交流电，向牵引电机供电。牵引逆变器由两个逆变模块单元组成，每个逆变器模块驱动两台电机，过电压抑制单元与逆变模块单元集成在一起。当电网电压发生变化时，主电路能保证正常工作，并实现牵引-制动的无接点转换，满足列车的牵引及制动特性的要求。列车每三辆车一个单元，全列车共两个单元，每个单元的主电路型式、结构相同，主电路图见图4所示。

（四）列车牵引特性

根据列车动力性能要求，考虑现场运行的实际情况，列车牵引特性如下：

列车在半磨耗轮径、定员载荷AW2及接触网压DC750V条件下，实现0～35km/h起动平均加速度≥1.0m/s2，由此列车最大起动牵引力取349 kN。

在网压Us≥DC750V时，特性不变；在网压Us

牵引系统按列车载重量从空车AW0到定员载荷AW2范围内自动调整牵引力的大小，使列车在空车AW0至定员载荷AW2范围内保持起动加速度基本不变。超员载荷AW3条件下的牵引特性与定员载荷AW2一致。

列车牵引特性曲线见下图5的列车牵引特性曲线所示。

三、制动系统

（一） 制动系统组成及特性

1. 制动控制器

制动控制器与牵引控制器共同构成司机控制器，制动控制器为手动操作方式。制动控制器具有“0”位（缓解位）、“常用制动”位和“紧急制动”位，可进行常用和紧急制动控制。制动系统设有紧急制动开关，紧急制动开关为蘑菇头的双稳态型按钮开关。

2. 电-空制动装置

电-空制动装置包括电-空转换阀、中继阀、空重车调整阀、紧急电磁阀、制动微机控制单元（BECU）、总风压力开关等。

3. 制动微机控制单元（BECU）

每辆车装备两个制动微机控制单元（BECU），其CPU为16位或以上等级。通过该制动微机控制单元进行制动控制与防滑保护。

4. 空气压力表

在每个司机台显示屏幕上提供总风缸压力及每辆车的每个转向架制动缸压力显示。司机室内另设一个双针压力表显示总风及制动缸压力。

5. 紧急制动按钮开关

每个驾驶室司机台上设有紧急制动按钮。紧急制动按钮采用双稳态型。

6. 防滑控制阀

新加坡地铁车辆每根车轴配备一个防滑控制阀。防滑控制阀工作时对冲击率控制起作用。

制动控制装置的防滑控制采用轴控方式，一轴的制动防滑功能失效后，只影响本轴的制动功能，不影响其他转向架的制动。防滑控制集成在G阀或S阀内，当出现速度传感器等故障时，该轴的速度自动采用相邻车轴的速度信号进行滑行控制。因此，防滑保护装置故障，导致制动力损失严格限制在一个转向架内。

（二）制动系统结构

图6为制动系统原理图。

（三）制动模式

新加坡地铁制动方式分为常用制动、紧急制动、停放制动和防滑行控制功能。常用制动中以电制动为主，制动力不足部分由空气制动补充。制动优先次序为再生制动、空气制动。

1. 常用制动

常用制动指令系统包括：ATO指令、司机控制器给出的制动指令、ATP在列车超目标速度时的最大常用制动指令。制动装置根据常用制动指令实施常用制动。系统常用空气制动与电气制动自动配合的电-空混合制动系统，电制动优先，电-空制动方式相互转换时，列车无冲动。常用制动是列车在正线运行中常用的制动方式，主要是为保证列车精准停车。常用制动具有防滑控制和防冲浪限制功能。

2. 紧急制动

紧急制动的电路系统为独立的系统，在正常工作时，不允许常用制动、紧急制动同时施加。紧急制动是列车在紧急情况下实施的制动方式。紧急制动是纯空气的制动，且制动命令在停车之前不可恢复。紧急制动具有防滑控制功能，但不受冲动极限限制。

3. 停放制动

停放制动采用弹簧制动，充风缓解，可实现长时间停车。在列车牵引力大于保持制动力时缓解停放制动。新加坡地铁车辆在每根轴的踏面单元制动装置上设有弹簧制动和气动缓解的停放制动。同时在司机台上也设有控制停放制动单元的制动和缓解装置。

4. 防滑行控制功能

当滑行发生时，为了适应实际轨道粘着，通过控制防滑控制阀的动作减少制动力，按照减速度差值和速度与参考速度的差值来调整制动力，制动力的恢复满足列车冲击极限的要求。

（四）电力再生制动和空气制动混合检测控制原则

电力再生制动由VVVF实现，将能量反馈回电网，同时VVVF控制单元（DCU）连续监控电网状态，检查能量的吸收状况。

空气制动用于补偿电气制动力、保持制动、紧急制动、电气制动故障等。

图7为电力再生制动特性曲线。速度从不小于70 km/h 开始到列车电力再生制动与空气制动的转换点时，仅靠电制动就能满足列车最大常用制动力的要求。

当车辆速度低于4km/h时，电制动将逐步由空气制动替代，此将进一步减少制动闸瓦的磨耗，最终调试时将尽量降低制动转换点并保证转换平滑无冲击。电空气制动和空气制动混合转换将平滑，无冲击，转换点在0～12km/h可调，列车经最终调试完转换点数据将固化，速度转换点将小于6km/h。具体的电空转换过程见图8：

列车制动方式采用电力再生制动与空气制动混合运算的控制方式。将优先充分发挥电力再生制动的作用以减少闸瓦的磨耗和节省电能。当电力再生制动力不足或失效时，由空气制动补足或替代，空气制动补足时优先使用拖车的空气制动力。当电网的吸收能力恢复时，可恢复再生制动，此转换过程平滑无冲撞。电力再生制动与空气制动将随时自动配合、平滑相互转换，列车无冲动，且满足ATO控车时的停车精度要求。

空气制动用于补偿给定制动力与实际电制动力的差值。当牵引控制给出滑行指示时不进行空气制动补偿，否则，在低粘着条件下将导致车轮锁死增加车轮侧向磨损的风险。在空气制动补偿前滑行指示允许一定时间（数秒）保证实际电制动力低于空气制动控制系统提供的参考值。如果电制动故障（激活故障信号）空气制动将立即补偿。

（五）空转/滑行控制

空转/滑行控制具有空转保护、滑行保护和速度校验和轮径校验等功能。牵引系统空转/滑行控制基于单车控制，其作为牵引逆变器控制的一部分控制了4台牵引电机。与列车速度拥有最大速度差的车轴将用于空转/滑行控制降低牵引电机组的转矩。牵引系统空转/滑行控制主要基于各动轴正常工作的速度传感器。空气制动系统滑行控制基于单轴控制。

（六）牵引/制动指令

牵引/制动指令值信号由司机控制器或车载ATC设备产生，经信号转换后送入列车中央控制单元CCU，再通过总线传递给牵引控制单元DCU和制动控制单元ECU。

车辆牵引/制动具有最小的响应时间，当牵引/制动参考值有效时，DCU/M内部最大响应时间为25ms。参考值可能需施加冲击极限限制，但在最大25ms内将改变参考力。根据牵引系统实际速度范围，对应参考力变化的转矩控制响应时间在5-20ms范围内。DCU/M内的逻辑命令（如：前进/后退和牵引/制动（如使用））拥有最大100ms的最大响应时间。当改变方向时DCU/M内部设有安全限制，通常只允许在停止或低速时改变方向。牵引力/制动力指令值（司机控制器或ATO产生）的传输采用PWM信号。通过PWM信号线与DCU2/M接口，正常模式和TCMS故障的备用模式下都可以接受无级牵引信号保证列车正常运行。其他牵引/制动命令将通过车辆MVB传输。

结 语

现阶段国内和国际轨道交通正处于关键发展时期，新加坡地铁C151A项目车辆技术不仅为产品搭建了平台，还带来了经济效益；同时对于城轨车辆产品“走出去”具有深远意义。