地铁列车牵引设备冷却风机供电回路的改造研究

顾耀君

(上海地铁维护保障有限公司车辆分公司，200233，上海∥工程师)

地铁列车的牵引设备冷却风机是保证列车牵引系统在允许温度范围内正常工作的重要部件。因此，保证牵引设备冷却风机工作的可靠性，成为车辆设计和检修单位的重要任务。目前，上海地铁AC01型电动列车牵引设备冷却风机由2个Tc车(带司机室的拖车)辅助逆变器输出AC 380 V交叉供电，供电回路互为冗余。尽管如此，当2个Tc车辅助逆变器同时发生故障时，牵引设备冷却风机将无法工作，使列车无法牵引，从而导致救援事故。

为避免2个Tc车辅助逆变器同时故障对列车运营造成的严重影响，可以考虑故障时由动力车Mp(有受电弓的动力车)/M(无受电弓的动力车)辅助逆变器为牵引设备冷却风机供电。经研究发现，只需对牵引设备冷却风机供电回路进行改造即可实现该供电方案。

1 列车牵引设备冷却风机的供电方式

目前，为了实现地铁列车牵引系统的可靠性，牵引设备冷却风机电源由辅助系统提供，基本采用交叉供电或并网供电方式。其中，并网供电方式的可靠性最高，理论上多节编组的列车只要有1台辅助逆变器处于工作状态即可保证整列车的牵引设备冷却风机供电正常。但是，并网供电技术的最早应用，是在2008年应用于上海轨道交通1号线增能扩编项目列车上，而之前项目的列车仍采用传统的交叉供电方式。

交叉供电方式由2台辅助逆变器分别为一半的牵引设备冷却风机供电，当其中1台辅助逆变器发生故障时，电源自动切换至另1台辅助逆变器，从而提高牵引设备冷却风机工作的可靠性。与并网供电方式相比，交叉供电方式可靠性较低。上海轨道交通1号线AC01型电动列车是牵引设备冷却风机采用交叉供电方式的典型车型。从AC01型电动列车近年的运营经验来看，在运营中由于2台辅助逆变器故障，引起列车牵引设备冷却风机失电，并最终导致列车救援的事故时有发生。因此，有必要对AC01型电动列车进行相应改造，从而有效保证列车的正常牵引功能。

2 列车牵引设备冷却风机交叉供电原理

AC01型电动列车牵引设备冷却风机(FANS)包括牵引箱冷却风机与制动电阻箱冷却风机，采用强迫风冷的方式保证牵引设备在允许温度范围内正常工作。其供电方式采用交叉供电方式，由Tc车辅助逆变器(AI_1)输出AC 380 V供电(如图1)。2个Tc车辅助逆变器分别为一半的动力车(Mp车或M车)牵引设备冷却风机供电。当一个Tc车辅助逆变器无法工作时，该逆变器供电的冷却风机将自动切换至另一个Tc车的辅助逆变器;当2个Tc车辅助逆变器都无法工作时，列车牵引系统将因失去通风冷却功能而无法工作，最终导致列车救援事故。由于AC01型电动列车的Tc车辅助逆变器自身故障率较高及冷却风机短路时有发生等原因，使正线运营列车存在较大的救援风险，故有必要采取有效措施以杜绝此类事故的发生。

图1 列车牵引设备冷却风机交叉供电原理图

3 改造方案的设计

由于上海地铁AC01型电动列车每节车都有一个辅助逆变器，且动力车(Mp/M)的辅助逆变器(AI_2)均输出AC 380 V为客室空调供电，其电源形式与牵引箱冷却风机及制动电阻箱冷却风机所需电源相同。因此，可以通过供电回路的改造，实现在Tc车辅助逆变器故障时，牵引设备冷却风机电源自动转换至Mp车或M车的辅助逆变器，即动力车的牵引设备冷却风机可由本车辅助逆变器供电(见图2)。这样，既可以在Tc车辅助逆变器故障时为牵引设备冷却风机提供备用电源，又可以将牵引设备冷却风机电源分散至每节动力车辅助逆变器，从而降低了辅助供电系统故障对列车牵引功能的影响。

图2 AC01型电动列车牵引设备冷却风机供电电路改造示意图

3.1 动力车辅助逆变器的功率核算

为实现上述设计，必须在动力车辅助逆变器原有空调负载的基础上增加牵引设备冷却风机负载，因此必须核算动力车辅助逆变器功率是否满足改造要求。

动力车辅助逆变器的额定功率为AC 90 kV，功率因数为0.85，故其有功功率为76.5 kW。

3.2 空调负载功率的计算

动力车辅助逆变器负载为空调机组，每台动力车辅助逆变器负载为3台空调机组。每台空调机组总成的额定功率为24.22 kW，则每台动力车辅助逆变器的负载功率为72.66 kW。

通过对空调负载实测数据的分析可以发现，在满负荷工作时，每台空调机组的实际功率均小于22 kW，其负载总功率不超过66 kW。

3.3 牵引设备冷却风机负载功率的计算

改造后，故障情况下动力车的牵引箱及制动电阻箱冷却风机将转换至由本车辅助逆变器供电，因此动力车辅助逆变器将增加牵引箱冷却风机(1.1 kW)和制动电阻箱冷却风机(2.2 kW)的负载功率。按空调机组实际功率22 kW计算，动力车辅助逆变器负载功率将增至69.3 kW，小于动力车辅助逆变器的有功功率76.5 kW，满足改造所需的功率要求。

4 改造方案

4.1 牵引设备冷却风机供电回路改造方案

经过功率核算可知，动力车辅助逆变器完全符合改造要求。因此，可以通过将原来牵引箱冷却风机及制动电阻箱冷却风机电源在2个Tc车辅助逆变器之间自动切换，改为在一个Tc车与本车(Mp车或M车)辅助逆变器之间自动切换，从而提高牵引系统工作的可靠性。

实际改造中，只需将M车或Mp车牵引设备冷却风机的三相电源线接至本车辅助逆变器的三相输出端，同时更改原供电控制电路中的相关继电器接线即可。

这样，在一个Tc车辅助逆变器故障时，可实现一半动力车的牵引设备冷却风机由本车的辅助逆变器分别供电，不增加另一个正常Tc车辅助逆变器的负载;同时可将原来集中于故障Tc车的冷却风机负载分散至各个动力车逆变器，不影响列车的正常牵引功能。更重要的是，当2个Tc车辅助逆变器同时故障时，所有动力车的牵引设备冷却风机均会自动切换至本车辅助逆变器，可继续为牵引设备进行通风冷却，以保证列车的牵引功能。

4.2 列车中央控制单元软件修改

如上所述，牵引设备冷却风机的供电回路经过改造后，完全可以在2个Tc车辅助逆变器故障的情况下由动力车辅助逆变器继续为牵引设备冷却风机提供电源。但是，由于列车中央控制单元(CCU)软件中有关Tc车辅助逆变器状态对牵引系统影响的相关控制(如图3)，仅实现硬件电路改造，仍无法到达预期目标。因此，必须对 CCU软件进行相应修改。

图3 CCU软件逻辑图

图3中的功能块LOADEN1为一个选择功能块，它的变量之间的逻辑关系如表1所示。

表1 功能块LOADEN1真值表

若CCU总线正常，功能块输出为变量HBI，该值取决于牵引设备冷却风机电源状态(Blower Control)，即Tc车辅助逆变器工作状态。当至少有1个Tc车辅助逆变器正常工作时，HBI=1;当2个Tc车辅助逆变器都不工作时，HBI=0。

若CCU总线故障，功能块输出为变量EMV。该变量恒为1。

因此，当CCU总线正常，2个Tc车辅助逆变器同时不工作时，HBI=0，即变量S|HBUEIN=0。当S|HBUEIN=0，则CCU将该变量发送给所有牵引控制单元(TCU)，产生相应的故障代码并封锁TCU，则列车牵引系统停止工作。

为了实现牵引设备冷却风机电源切换到动力车辅助逆变器后，列车能够继续实现牵引功能，必须设法让CCU变量S|HBUEIN=1，屏蔽相关故障。

通过修改CCU软件(如图4)，可以将功能块LOADEN2中的变量 EMV(恒为0)插入功能块LOADEN1中替换 SEL变量。根据表 1可知，LOADEN1的输出变量S|HBUEIN≡1，则CCU始终认为“至少有一个Tc车辅助逆变器正常”，即列车在2个Tc车辅助逆变器故障的情况下不封锁TCU，允许列车牵引。由于LOADEN2为备用功能块，不参与CCU程序中的任何控制，因此调用其中的EMV变量不会对列车的其它功能产生影响。

图4 CCU逻辑图修改

5 蓄电池运营能力试验

由于Tc车辅助逆变器除为牵引设备冷却风机提供电源外，还负责对主蓄电池进行充电及提供低压直流负载电源。因此，即使实现了硬件电路改造和控制软件修改，还必须考虑失去蓄电池充电器供电的情况下主蓄电池对低压直流负载的供电能力。

正线模拟运营试验表明，在2个Tc车辅助逆变器切除(仅主蓄电池供电)状态下，打开全列车低压直流负载，列车可以在上海轨道交通1号线正线运营31 km里程，蓄电池电压从101 V下降 至93.5 V，距离蓄电池欠压保护值84 V仍有较大的安全范围。目前，上海轨道交通1号线运营线路总里程36.8 km，相邻的两条存车线之间的最大距离为15 km。因此，实施本改造后，AC01型电动列车完全具备自行牵引进入最近存车线的能力，可彻底杜绝因2个Tc车辅助逆变器故障引起的正线救援事故。

6 结语

通过以上分析研究和试验可知，上海地铁AC01型电动列车可以通过对牵引设备冷却风机的交叉供电回路改造，配合相关控制软件修改后，杜绝牵引系统因Tc车辅助逆变器故障引起失效进而导致的救援事故。同时，在Tc车辅助逆变器故障时，可以将动力车牵引设备冷却风机电源切换至动力车辅助逆变器，降低辅助系统故障对牵引功能的影响，以保证列车运营质量。

目前，上海轨道交通1号线所有AC01型电动列车均完成改造，并在运营过程中避免了多次此类故障引起的救援事故，产生了很好的经济效益和社会效益。

［1］李轶斌.中压交流并网供电技术在地铁列车上的应用［J］.城市轨道交通研究，2012(6):121.

［2］杨斌，宁新军.上海地铁1号线增能扩编(6改8)项目列车［J］.机车电传动，2009(4):44.