杭州地鐵列車新技術方案研究

李 杰

（杭州市地鐵集團有限責任公司，浙江杭州 310017）

1 概述

為適應城市發展的新需求并為?2022?年亞運會期間提供強有力的交通保障，杭州將迎來城市軌道交通建設高峰期，近期規劃線網由?11?條線路組成，總里程達到?491??km。截至?2018?年?6?月，杭州地鐵已開通運營115.8??km，配車?121?列，均為?4?動?2?拖?B2?型車，新建線路還將配屬?A?型車與?B?型加寬車，在短短?5?年時間內配車數將超過?500?列?/?3??000?輛。可見，在既有列車主要技術方案的基礎上，統籌考慮新建線路列車的配置方案十分必要，并且會對列車后期的運營使用、維護管理起到至關重要的作用。

2 新技術方案研究

2.1 受電弓

受電弓系統是列車獲得持續穩定動力供給的唯一途徑，良好的受電弓狀態是列車安全運營的重要保障。目前主要有?3?種形式的受電弓：電動弓（圖?1）、氣缸弓（圖?2）和氣囊弓（圖?3）。3?種受電弓各主要項點的對比分析見表?1。

綜上可知，氣缸弓與其他?2?種相比不具備優勢，被排除。對于最高速度?80??km/h?的地鐵列車而言，電動弓和氣囊弓各有利弊，可視情況選擇。速度高于?80??km/h的列車應選用氣囊弓。

圖1 電動弓

圖2 氣缸弓

圖3 氣囊弓

3?種受電弓中氣囊形式出現最晚、技術最新，在杭州地鐵?2?號、4?號線列車上使用效果較好。后續速度100??km/h?的?6?號、7?號、8?號線列車與速度?120??km/h?的機場快線列車，應選用氣囊弓。9?號線因與?1?號線共享同一大架修基地，因此應與現有?1?號線列車一致，使用電動弓。

表1 3種受電弓對比分析

2.2 變頻智慧空調

變頻智慧空調是一種新型空調機組（圖?4），通過在空調內部增加傳感器，檢測溫度、濕度、風量和風速等空調參數，以及檢測空調運行的電壓、電流等參數。通過空調控制盤將各種參數匯總梳理，無線傳輸（或統一傳輸）至地面“云服務器”。

圖4 智慧空調示意圖

智慧空調可實現的功能包括：

（1）通過“云服務器”監測、收集和記錄各種空調運行參數，自動生成維護預警信息并記錄故障信息等（圖?5）；

（2）維護人員可以通過地面工作臺或移動端實時掌握空調機組的運行狀態，調取統計分析圖表，清晰掌握每臺機組記錄的信息，使檢修工作更加科學化（圖?6）；

（3）環境參數、列車參數及空調運行參數等數據都可以被歸類保存，經過一定的積累形成大數據，為空調實現狀態檢修提供重要依據。

圖5 云服務器工作原理圖

圖6 工作臺或移動端查看空調機組信息

綜上，變頻智慧空調可能成為地鐵車輛空調發展的重要方向，所有空調數據都可以被系統化管理，關聯性強，使得準確掌握和改善空調系統的實時運行狀況變得更加便捷。目前杭州地鐵列車還未使用變頻智慧空調技術，為全面提升空調能效、積累維護大數據、為乘客提供更舒適的乘車環境，新線列車可考慮采用變頻智慧空調方案。

2.3 牽引系統

2.3.1 集成化并網供電

杭州地鐵現有?B?型車采用的牽引、輔助供電方案如圖?7?上半部分所示，能耗記錄儀、高壓箱和濾波電抗器均為獨立箱體，DC1500V?高壓需要經過?3?個箱體才能到達牽引逆變器。輔助系統采用擴展供電，即在?C1?車設有?1?個擴展供電箱。正常情況下，每個單元的輔助逆變器只給本單元的負載供電，擴展供電箱內部斷開，當1?個輔助逆變器故障時，擴展供電箱接通，另一個輔助逆變器給全列車負載供電。但此時部分負載需要減半，并且擴展供電箱也存在故障的可能。

集成化并網方案如圖?7?下半部分所示，可以看出新方案將現有方案的能耗記錄儀、濾波電抗器全部集成到高壓箱內，有利于車輛底架設備布置并減少設備維護，設備集成度更高，體積、重量減少，能耗減少，可謂一舉多得。輔助供電系統采用并網技術，取消了擴展供電箱，輔助逆變器采用模塊化設計，在?A1、A2?車各設置?1臺輔助逆變器，各有?2?個逆變模塊。當?1?個模塊故障時，另外?3?個模塊仍然可以滿足全車輔助供電。同時有2?個模塊故障時，列車才考慮部分減載。集成化并網供電方案冗余性強于擴展供電，可靠性高，新線列車宜采用該方案。

圖7 新、舊牽引供電系統對比

2.3.2 永磁直驅

目前，由牽引逆變器控制三相感應異步電機的交流傳動驅動系統，已成為城市軌道交通車輛牽引的主流，但要實現高效率和輕量化比較困難。隨著稀土永磁材料，特別是釹鐵硼（Nd-Fe-B）等性能的不斷完善以及價格的逐步降低，永磁電機取得了較快的發展。

永磁電機具有以下幾個方面的優點。

（1）功率因數和效率高。與感應電機相比，永磁電機不需要無功勵磁電流，減少了定子電流和定子電阻損耗，而且在穩定運行時沒有轉子電阻損耗，進而可以減小風機功率或去掉風機，使永磁電機的效率比同規格的感應電機提高了?2%～8%，功率因數可以達到0.90?以上。

（2）溫度低、體積小、重量輕。由于永磁電機轉子無電阻損耗，定子繞組幾乎不存在無功電流，因此永磁電機溫升低。同體積、同容量情況下，永磁電機功率比感應電機高?30%?左右，所用材料比感應電機少?30%?左右。

（3）直接驅動。長期以來，城軌車輛牽引電機都是通過聯軸節和一級甚至兩級齒輪箱（圖?8）與輪對耦合的。若采用永磁電機，功率密度將大幅增加，更容易實現多極低速大扭矩傳動，實現無齒輪箱直接驅動（圖?9）。直接驅動將顯著提高車輛過小曲線半徑的能力，降低簧下重量，減少噪聲和能耗。

由于永磁直驅技術具有多項優勢，杭州地鐵曾針對永磁直驅替代現有感應電機方案進行專題研究，發現如下問題。

（1）控制難度大。每個永磁電機定子磁場與轉子旋轉必須嚴格同步，所以每個永磁電機都需要?1?個高分辨率的位置傳感器，并采用1?臺逆變器向?1?臺永磁電機供電的獨立控制方式。這樣逆變器數量增多，控制難度加大。

圖8 感應電機轉向架

圖9 永磁電機轉向架

（2）空載電壓控制問題。永磁電機的永磁鐵在外部不供電時能使定子線圈產生交鏈磁通，當電機斷電空轉（惰行）時也能使定子線圈產生感應電壓。這種空載電壓會導致：①若逆變器出現相間短路等故障，電機向故障點供電產生短路電流，會擴大故障影響；②空載感應電壓峰值超過逆變器元件耐壓值時，會損壞元件。

（3）永磁電機對材料要求高，制造工藝相對復雜，現有制造技術還不夠成熟。

基于以上問題，杭州地鐵最終沒有選用永磁直驅方案。但隨著永磁技術的不斷進步，現階段遇到的技術問題也將迎刃而解，屆時轉彎半徑極小并有可能環西湖的地鐵?10?號線列車可以考慮采用永磁直驅方案。

2.4 可編程邏輯控制單元（LCU）

車輛控制電路是整個列車上最為復雜且重要的電氣系統，該系統承擔著列車的駕駛、制動、網絡、車門等子系統的控制功能。目前，這些控制電路需要使用大量的繼電器，繼電器通過自身觸點的閉合與斷開實現信號傳遞、邏輯控制。同時，繼電器受溫度、粉塵等環境因素影響較大。正線運營列車由于故障造成的晚點、清客甚至救援等情況，大部分與繼電器有關。可編程邏輯控制單元（LCU）利用現代電力電子技術和微計算機技術構成無觸點控制電路，取代列車上原有的各類繼電器和大量迂回電路。

2.4.1 LCU 機箱

LCU?采用?3U?標準機箱，外形如圖?10?所示，分為兩端頭車的Ⅰ型與中間車的Ⅱ型?2?種，具有控制方式靈活、編程方便、布線直觀、檢修條理清晰等特點。同時，采用無觸點輸出控制方式解決列車原有系統在強振環境下的不可靠問題。

圖10 LCU 機箱外形（單位：mm）

2.4.2 LCU 的網絡拓補

應用?LCU?的網絡拓撲結構（圖?11）實現了板級冗余，各類板卡相互冗余，當某個板卡故障時，自動切除并投入相應的備份板卡，其他板卡工作不受影響，故障后仍可冗余切換。

圖11 LCU 網絡拓補圖

2.4.3 LCU 的主要性能指標

LCU??的主要性能指標如表?2?所示。

2.4.4 LCU 系統的優勢

（1）圖形化編程：LCU?控制邏輯開發環境采用符合?IEC?61131?標準的?ControlBuild，生成的軟件代碼滿足?SIL2?級安全標準。

（2）DI?冗余采集：DI?板卡采用光電隔離的開關量信號輸入，具有通道自檢功能，可預防接觸器觸電氧化，延長接觸器壽命。

（3）DO?冗余輸出控制：DO?板卡采用光電隔離的MOSFET?作為開關量信號輸出，所有輸出通道采用干接點設計，各通道可獨立增加斷路器控制，每路輸出具有單獨的電子開關，可在通道失控時強行斷開。

表2 LCU 主要性能指標

（4）系統冗余設計：LCU?采用完全獨立的雙冗余設計，具備自動冗余切換功能。當某一組板卡發生供電、通信、輸出短路或斷路等故障時，另一組可自動切換，且切換時不影響列車運行，實現?“熱切換”功能。

（5）熱備冗余功能：任意單點故障后可實現單板的無縫切換，切換響應時間小于?16??ms。

（6）通信功能：目前支持?MVB?及?ETH?網絡，可根據不同網絡需求適配不同網卡，支持?CAN、CANOPEN、HDLC、RS485?等網絡。

（7）事件記錄功能：數據記錄空間為?2GByte，按照?64?個?DI?通道和?40?個?DO?通道計算，循環覆蓋時長為?24??h。

（8）智能檢修：LCU?兼容列車不同網絡系統，實現智能檢修。

（9）壽命較長：LCU?全壽命成本低，使用壽命至少可達?10?年以上，遠高于繼電器。

現階段，繼電器仍然在杭州地鐵車輛中廣泛使用，地鐵?5?號線列車已應用?LCU?實現部分車輛的控制功能，為全面提高運營可靠性，后續新線列車應擴大使用范圍。

3 結語

城軌車輛是直接運送乘客的載體，是城市軌道交通系統中的核心裝備。在杭州地鐵建設高峰期時，科學統籌考慮新建線路列車的主要技術方案，不僅能使車輛各主要系統都發揮出良好的運行性能，還會對線網安全及高效、舒適的運營服務起到積極而深遠的影響。