浅谈轨道交通车辆电气柜特点

任文

关键词：模块化；轻量化；集中控制

1、概述

车辆电气柜柜专门为城市轨道交通车辆设计，是城市轨道机车必不可少的供电/信号控制设备，它通过模块化设计将各种设备集成在电气柜中，通过电路传输转换将低压电压提供给各级负载供电，电气柜为地铁车辆必要的控制、制动、照明提供电源以及信号控制，保证车辆能正常制动、车辆信号系统能正常工作、能正常使用。

轨道交通发展越来越快，客户针对地铁车辆所使用的电气柜也有更高的要求，材质可靠、轻量化、功能全面、信号集成设计、维护简单更会得到客户的认可，车辆电气柜材质应城轨要求选择符合城轨发展的高强度材质，通过EN15085标准焊接形式或铆接形式进行制造；参考IEC60077标准进行器件布置优化，目的是使电气柜小型化，目前城轨使用的电气柜已能做到将各种器件合理布置，通过同系列器件、系统相通、逻辑类似原则进行模块化布置，可避免空间的浪费、避免线路重复，体积得到控制；为了车辆运行的稳定性，以及车辆发生任何情况下的应急处理，车辆要求电气柜包含的功能必须全面，目前电气柜功能除了正常的供电转换外，还有针对车辆的制动系统、照明系统、广播系统、空调系统、牵引系统、信号系统、网络系统、烟火系统等等进行集中控制，在任何情况下，车辆运行都能保持稳定性；为了车辆的稳定性，电气柜采用模块化集成设计，通过PLC控制组件或者车控制器的控制设备统一处理所有的I/O信号，统一进行信号的传输、转换、跟踪，也正因为这样的集成设计模式，使得车辆维护变得简单化，提高了车辆运行的效率；所以专用的车辆电气制柜是城市轨道交通车辆必备且不可或缺的装置，也是保障列车行驶安全至关重要的设备。

2、技术要求

新型车辆电气柜采用芯片作为核心控制的电路，来实现各种逻辑信号控制，首先通过控制设备中的网络板Network端口进行信号传输、转换、跟踪、上报，设备收到要求指令后，进入工作状态，同时CPU芯片跟踪设备状态，因控制设备采用的开关管都是由损耗较小的器件组成，工作时产生的热量较小，系统能更稳定的工作，且内置的电源转换模块为DC/DC隔离电源，后级电源不受前级影响，能给电路提供一个稳定、平滑的高质量直流电压，提高了电源的品质，提高了系统工作效率；而相对于传统的电气柜由器件之间进行传输、转换信号，器件数量更多占用更大的空间，控制设备有更大的优势，能减少电气柜的尺寸，降低整个电气柜的重量。

新型车辆电气柜采用48路同样的I/O控制电路，前级信号输入端采用下图的K1微型继电器进行控制，通过后级触点的开关动作进行控制信号O1输出，继电器正常工作后功耗较小，可大大减小了每路I/O的功率和电流，可选用尺寸规格更小型化的、损耗较小的继电器，易于批量生产和采购，降低硬件的成本；通過I/O模块之间的散热带，将热量平均分摊到I/O电路里，降低了单位电路的热量损耗，提高了设备整体的散热面积，这样可以帮助I/O模块更快速散热，改善了设备内部所有元器件的工作环境，从而提高了整个产品的工作寿命。

新型车辆电气柜采用变频控制的电路，通过可控的频率变化技术，可以使车辆电气柜输出交流电控制在25HZ～60HZ上，通过不同的工况来调节设备的输出电压给空调机组供电，避免设备长时间工作在最大电压下，目的是控制车辆的用电量的功耗；同时可用电能表RS485端口进行传输至控制设备的CPU芯片实时进行跟踪控制，从而降低整车的用电量损耗，把控整个车辆的用电情况。

具体设计原理示例：输出电压给空调机组风机供电分正常供电和旁路供电两种方式，正常供电由SIV输出交流电源经过（KM11）接触器、熔断器接至变频电源的输入端，由变频电源在25HZ～60HZ频率可调，控制输出交流电压，达到控制空调风机风量，降低整车的用电量损耗，旁路供电的前提是变频电源损坏导致无输出，（KM40）接触器吸合，将SIV输出交流电直接供给空调风机。

变频电源可与车辆电气柜通过RS485端口进行通讯，系统故障时，系统会将故障信息进行存储，存储容量64K，可以最多存储6000条故障信息。

变频控制电路如下：

主控板包括CPU板、IO板、通讯板等；主要用于控制回路的检测，功能有XS3输入电压的检测，XS7输出电压的检测与稳压、XS1输出电流的检测与限流、XS4接触器的驱动与反馈检测、各种故障的保护以及信息传输和存储。另外，主控板可以通过XS8端口与车辆电气柜进行RS485通讯，根据车辆电气柜提供的车厢温度、载客量来调节输出电压和频率。

3、与同类产品的竞争优势

重量方面：同类产品体积较大，器件数量较多，未采用集成化设计，维护不能简单化，因此整车维护效率低；而本电气柜采用集成化设计可减少柜子尺寸；相对于传统的电气柜由多种器件之间进行传输、转换信号，器件数量更多占用更大的空间，集成化组件有更大的优势，能减少电气柜的尺寸，降低整个电气柜的重量。

技术方面：同类产品后级电源易受前级影响，达不到对供电电源的高品质要求，且器件平时工作功耗大；而本控制柜采用DC/DC隔离电源，后级电源不受前级影响，能给电路提供一个稳定、平滑的高质量直流电压，提高了电源的品质，提高了系统工作效率；采用微型继电器进行I/O控制，通过后级触点的开关动作进行控制信号输出，继电器正常工作后功耗较小，可大大减小了每路I/O的功率和电流；通过I/O模块之间的散热带，将热量平均分摊到I/O电路里，降低了单位电路的热量损耗，提高了设备整体的散热面积，这样可以帮助I/O模块更快速散热，改善了设备内部所有元器件的工作环境，从而提高了整个产品的工作寿命。

其他方面：同类产品没有对应的变频控制技术，电压仍按照最大电压工作，做不到对用电量的跟踪控制；而新型车辆电气柜通过可控的频率变化技术，通过不同的工况来调节设备的输出电压，避免设备长时间工作在最大电压下，目的是控制车辆的用电量的功耗；同时可用电能表RS485端口进行传输至控制设备CPU芯片实时进行跟踪控制，从而降低整车的用电量损耗，把控整个车辆的用电情况。

4、成功案例

2015年为长春轨道客车股份有限公司生产的南昌地铁2号线配装的车辆电气柜；

2016年为浦镇车辆有限公司生产的合肥地铁2号线配装的车辆空调控制盘；

2017年为青岛四方机车车辆股份有限公司生产的厦门地铁2号线配装的车辆电气柜；

（作者单位：南京志卓电子科技有限公司）