地鐵牽引系統產品的模塊化設計

萬偉偉 秦建輝 焦畢 鄧京

摘 要：介紹了模塊化設計的概念，并以新加坡工程維護車為例介紹了模塊化設計在產品設計過程中的應用，說明了模塊化設計的可行性和重要性。

關鍵詞：模塊化設計；牽引系統；逆變器；IGBT；高壓電器箱

隨著我國城市化進程的不斷加快，日益嚴重的交通問題嚴重影響著城市的經濟建設和運轉效率，給人們的工作和生活帶來了種種不便與損害。當前，我國城市特別是大城市，傳統的道路交通設施已經不能適應快速發展的現代社會的需要，成為制約城市經濟發展和可持續發展的主要瓶頸。地鐵作為城市軌道交通的一種交通工具，因其具有運量大、速度快、乘坐方便、對環境污染少、占地面積小等優點受到越來越多城市的青睞。

然而，面對當前異常激烈的市場競爭環境，為最大限度地滿足客戶需求，降低開發、生產及采購成本，提高自己產品的市場占有率，就要求我們地鐵產品設計周期更短、可靠性更高，因此，采用通用化、系列化的模塊化設計方法是一有效途徑。本文將闡明模塊化設計的概念，并結合新加坡工程維護車牽引系統介紹模塊化設計的思路。

1 模塊化設計的概念

1.1 模塊、模塊化

模塊是可組合成系統的、具有某種確定功能和接口結構的、典型的通用獨立單元。

模塊包含電子模塊、結構模塊、軟件模塊，是模塊化設計的基礎。模塊可以是多級模塊，也可以分為部件模塊和單元模塊。

模塊化是以產品（系統）總功能為對象，以功能分析為基礎，經層層分解建立模塊體系，并通過選用模塊組合成不同產品（系統）的全過程。

產品的模塊化是為了取得最佳效益，從功能、結構等角度對系統進行分解和組合，建立模塊系統和對象系統，并運用模塊組合成產品，大大縮短了產品設計周期，提高了工作效率。

1.2 采用模塊化設計應注意的問題

用模塊化設計方法進行產品設計時，對產品應有總體考慮，充分考慮模塊的互換性、通用性、兼容性，模塊設計時應為今后功能的擴展留有余地。

模塊化設計應最大限度采用標準件、通用件，采用已有成熟技術和借用已有模塊，并加強接口的互換性，這不僅可減少工作量，還可提高開發的成功率，大大縮短開發周期。對比較重要的或沒有把握的模塊一定要進行模塊驗證試驗，是否達到設計要求，有缺陷及時修改，少走彎路。

2 地鐵牽引系統產品模塊化設計介紹

2.1 新加坡工程維護車牽引系統主電路

新加坡工程維護車每臺車上分別裝有一臺牽引逆變器箱、一臺高壓電器箱、一臺制動電阻箱和一臺線路電抗器箱，主電路采用了二電平電壓型直-交逆變電路，主電路原理圖如圖1所示。

DC750V電壓經過受流器AP、差分電流傳感器=11-B10、高速斷路器=11-Q01接入高壓電器箱，再經過箱內的隔離開關MQS，通過控制充電接觸器（KM12、KM22）使其閉合，從而使充電電阻（R11、R21）為支撐電容（C11、C21）充電。充電完成后，控制單元先控制短接接觸器（KM11、KM21）閉合，經過一段時間后再控制充電接觸器（KM12、KM22）斷開，待以上步驟完成后，牽引逆變器就可以起逆變工作了。斬波相和三相逆變電路的功率器件均為IGBT元件。

本原理圖中共用到了11個傳感器。其中，VH1、VH12和VH22是電壓傳感器，VH1檢查直流網壓，VH12、VH22分別檢測牽引逆變器內部的中間電壓。LH12、LH22、LH13、LH23、LH14、LH24、LH16和LH26是電流傳感器，LH12和LH22檢測直流輸入側電流，LH13、LH23、LH14和LH24檢測牽引逆變器輸出側的電流，LH16和LH26檢測電阻制動斬波電流。

通過對主電路的拓撲結構和功能進行分析，把電路劃分為四塊更有利于模塊間的匹配和連接，形成產品系列。對于線路電抗器箱和制動電阻箱，由于每一電抗器單元和制動電阻單元的體積較大，而且制動電阻單元還需要強迫風冷散熱，所以，綜合考慮，將電抗器和制動電阻分別做成一個箱體更有利于產品部件標準化、通用化。

2.2 牽引逆變器箱的模塊化設計

按模塊化設計思路，新加坡工程維護車牽引逆變器總體結構按功能劃分為2個IGBT變流器模塊、DCU傳動控制單元、骨架總成單元和輔助功能單元，如圖2所示。

其中，2個IGBT變流器模塊采用IBCM60G1型模塊，每個模塊集成了8個IGBT元件，作為三相逆變器的三相橋臂及過壓抑制斬波橋臂，并集成了熱管散熱器、溫度傳感器、復合低感母排、門控單元、門控電源、脈沖分配單元、支撐電容器等，具有走行風冷、無吸收電路、結構緊湊、體積小等特點，是一個結構緊湊、功能相對獨立的模塊，其外形如圖3所示。每個模塊分別驅動同一車輛不同轉向架的1、2位和3、4位2臺并聯的異步電動機。當其中一個變流器模塊故障時，另一變流器模塊依然能正常工作，能進行1/2動力損失模式運行。

IBCM60G1型模塊的設計主要以三相逆變、斬波功能為主體，采用了組合設計方法，為實現主體功能劃分成不同的功能單元，有利于設計的簡化。為實現IGBT元件之間的連接和控制使用了復合低感母排、門控單元和門控電源；脈沖分配單元是模塊與DCU傳動控制單元之間的信息連接通道；熱管散熱器和溫度傳感器是為滿足IGBT元件的散熱和保護要求而設計的；由于支撐電容器體積大、結構布局不好安排，且支撐電容與三相逆變、斬波電路也有電氣連接，故將支撐電容器集成到模塊中，使模塊結構更加緊湊，更有利于牽引逆變器箱體的結構布局。

IBCM60G1型模塊在設計之初已經考慮了容量的通用問題，所以在DC750V直流輸入牽引系統中均可借用。模塊中使用的功能單元如復合低感母排、熱管散熱器、溫度傳感器和支撐電容器均可借用，門控單元、門控電源和脈沖分配單元可根據IGBT元件的型號、廠家不同而做不同的配置。

IBCM60G1型模塊分解為復合低感母排、門控單元、門控電源、脈沖分配單元和熱管散熱器等不同的功能單元后，使問題更加具體化，不同領域的開發人員可針對相關領域的具體問題進行設計，更有利于開發人員群體并行作戰，最大限度地縮短了開發周期，提高新產品開發成功率，降低開發風險和費用。

DCU傳動控制單元主要負責控制逆變器并與列車通訊，采用直接轉矩控制，其特點是動態響應快、控制簡潔高效、牽引力變化平穩。根據模塊化設計的思路，DCU機箱采用標準的6U插件箱，按功能不同配置不同插件，可分為開關電源、數字入出、系統管理與通信、脈沖轉換和電機控制等單元，實現軟硬件模塊功能相對獨立。輔助功能單元包含傳感器、固定放電電阻、濾波組件和電連接器，按照平臺的結構布局，已合理地放置在相應的位置。對應直流輸入不同的牽引系統，傳感器和固定放電電阻的電器參數和型號不同、濾波組件和電連接器的型號相同，所有輔助功能單元器件的電氣、機械接口已經做到了統一，大大縮短了結構設計周期。骨架總成單元采用平臺產品結構（上海地鐵一號線），各功能單元的布局與平臺產品相同，從而大大縮短了結構設計的時間，牽引逆變器的布局結構如圖4所示。

2.3 高壓電器箱的模塊化設計

新加坡工程維護車高壓電器箱內裝有2套充電短接、放電、續流單元，分別為2個IGBT變流器模塊提供預充電回路、實現短接功能。同時，考慮到系統分配給箱體的設計空間、元器件尺寸、可維護性和功能等因素，我們將高壓電器箱主電路劃分為續流充電組件（M1、M2）、短接接觸器組件、隔離開關（MQS、MQS11、MQS21）、壓敏電阻（F1）4個部分，其中，續流充電組件和短接接觸器組件做成了模塊，主電路如圖5所示。

續流充電組件主要是根據功能來劃分的，將充電接觸器（KM12或KM22）、充電電阻（R11或R21）、阻尼電阻（R12或R22）、放電電阻（R13或R23）和續流二極管（V11或V21）集成在一塊安裝板上，合理布局，將大線和控制線盡量分開，避免干擾，使用了端子排和插拔方便、可靠的電連接器，使接線更加簡化，大大節約了制造、管理、維護的時間，其外形如圖6所示。

由于短接接觸器（KM11、KM21）體積大、比較重、一般采用母排連接，同時考慮到器件的對外接線，故將兩個短接接觸器安裝在一個飛機架上，作為一個組件，方便布線，有利于整個箱體的器件布局，其外形如圖7所示。

此外，高壓電器箱還將接觸器（KM11、KM21、KM12、KM22）的控制繼電器集成為一個模塊，在模塊上用上了插拔方便的電連接器，提高了箱體的可維護性。

通過采用模塊化設計，高壓電器箱內的器件布局更加合理、空間利用率更高、維護更加方便，且此次設計的模塊可根據其他項目的實際情況借用或做少量修改重復使用，大大縮短了設計時間，減少了產品的生產管理成本，提高了產品在市場上的競爭力。

3 結論

隨著日益激烈的地鐵市場競爭，模塊化已成為企業競爭的必備技術。模塊化設計是解決企業產品標準化、通用化的可行方案，可大大縮短研發周期、降低生產管理成本。行業中的模塊化實際上就是行業的標準，誰在競爭中取得制訂行業標準的能力，誰就在競爭中占領了制高點！

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作者簡介：萬偉偉（1984-），男，工程師，現從事牽引變流裝置的研究開發工作。