中速磁浮列車車載電網供電控制分析

黃小麗 岳 芹 陳志保 曾穎豐

(中車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412001)

時速200 公里中速磁浮列車作為一種新型軌道交通方式，具有快速、便捷、綠色、環境適應性強等特點，對于人口密度大的城市群以及城際交通方面具有競爭力。時速200 公里中速磁浮交通系統是“十三五”國家科技部重點研發項目，目前中速磁浮系統正處于關鍵技術研究及裝備研制階段[1]。

中速磁浮系統采用長定子直線同步電機牽引技術，牽引供電系統位于地面，中速磁浮車載電網主要用于懸浮系統、導向系統、渦流制動系統、空調、空壓機、AC220V 電源、DC110V 負載供電，本文針對200 公里中速磁浮列車車載電網控制設計進行深入分析。

1 車輛供電

車輛的主要供電電源包括：供電軌、直線發電機、蓄電池。當列車速度低于20km/h 時，完全由外部供電軌-受流器向車輛供電；當列車速度高于20km/h 且低于100km/h 時，由外部供電軌和列車自帶的直線發電機同時向車輛供電；當列車速度高于100km/h 時，從車上直線發電機獲取的電力已能夠滿足車輛需求，受流器自動收回，完全由直線發電機向車輛供電。

蓄電池作為列車的備用和緊急電源，在使用渦流制動器緊急制動時，由蓄電池與直線發電線圈或外部供電軌聯合提供制動電源[2]。

1.1 車載電網

中速磁浮列車車上用電設備通過車載電網供電，每節車的車載電網包括以下幾部分：(1) 每節車有2 套獨立DC440V 電網，每套電網有1 組DC440V 蓄電池；(2)每節車有1 套DC110V 電網，帶1 個DC110V 蓄電池；(3)1 個三相AC220V 電源；(4)1 個單相AC220V 電源。其中DC440V 電網是車輛的主電網，DC110V 電網是車輛控制電源。本文重點針對DC440V 電網供電控制進行分析，車輛單套DC440V電網拓撲如圖1 所示。

每套DC440V 電網由HS 升壓斬波器、BV440 車載電網開關箱、DC440V 蓄電池、DC440V 負載組成，HS 將直線發電機發出的交流電、外部供電軌提供的直流電均轉換為DC440V 電網所需直流電后輸入DC440V 電網，給DC440V負載供電；BV440 用于DC440V 車載電網配電和電路保護，可控制DC440V 蓄電池與DC440V 電網的通斷。

1.2 車載電網通斷控制

在外部供電正常條件下，針對列車不同運行模式進行說明：

列車自動運行模式下，車輛完成低壓設備自檢后，車載運控系統VCS 控制所有受流器升起，VCS 向列車發送“車載電網允許上電”指令信號，允許車輛上440V 高壓。當列車網絡IO 模塊采集到VCS 主機發送的“車載電網允許上電”信號為高電平時，網絡系統發送“DC440V 通電”指令控制所有的BV440 電網開關箱內LS 接觸器閉合，使各組DC440V蓄電池接入相應的DC440V 電網，HS 升壓斬波器檢測到輸出端有DC440V 電壓后，HS 啟動開始工作，將外部供電軌提供的直流電轉換為DC440V，即DC440V 電網通電。反之，DC440V 電網關斷的步驟為車載VCS 主機發送指令控制列車所有受流器收回，當列車網絡IO 模塊采集到“車載電網允許上電”信號為低電平時，網絡系統發送“DC440V 斷電”指令控制所有的BV440 電網開關箱內LS 接觸器斷開，切除DC440V 蓄電池，DC440V 電網斷電。

列車維護運行模式下，僅在激活司機室且車輛靜止(零速)時進行DC440V 電網通斷控制，在激活司機室端“列車控制”繼電器KM1 得電閉合，工作人員手動操作司機臺上“440V 通電”按鈕，列車網絡IO 模塊采集到“440V 通電”脈沖信號后，同樣的，網絡系統發送“DC440V 通電”指令給所有的BV440，控制DC440V 電網通電；當DC440V 電網需關斷時，工作人員控制所有受流器收回，并操作司機臺上“440V 斷電”按鈕，控制DC440V 電網斷電，如圖2。

圖2 DC440V 電網通斷控制電路簡圖

1.3 外部供電控制

外部供電控制分為HS 啟動外部供電信號、受流器升降信號控制，列車默認提供啟動外部供電信號給所有的HS，控制HS 接通外部供電。在緊急情況下，可人工操作“啟動外部供電”開關，控制所有HS 自主斷開外部供電；受流器升降控制電路如圖3 所示，結合列車不同運行模式進行說明：

圖3 受流器升降控制電路簡圖

列車自動運行模式下，列車停止和速度小于100km/h時，車載運控系統VCS 控制發送“釋放受流器”信號高電平驅動受流器升起繼電器KM2 得電，使受流器升起電磁閥得電，受流器供風管路充氣，受流器升起與供電軌接觸；當列車速度高于100km/h 時，VCS 主機發送的“釋放受流器”信號為低電平，受流器升起繼電器KM2 失電，使受流器升起電磁閥失電后，受流器供風管路排氣，受流器收回，斷開外部供電軌供電。

列車維護運行模式下，僅激活司機室且車輛靜止(零速)時進行受流器升降控制，在激活司機室端“列車控制”繼電器KM1 得電閉合，工作人員手動操作司機臺上“受流器控制”開關到“受流器伸出”位，使受流器升起電磁閥保持得電，完成受流器升起控制；將“受流器控制”開關打到“受流器收回”位，使受流器升起電磁閥失電，完成受流器收回控制。

2 VCS 信號接口

列車自動運行模式是完全由運控系統負責列車運行控制，工作人員完成列車初始化上電和人工確認后，由運控系統控制列車自動運行。車載運行控制系統VCS 一方面通過無線電系統從地面分區運行控制系統接收列車運行指令，向地面上傳列車狀態信息；另一方面向車輛下達控制指令，收集車輛狀態信息，實現對列車速度、位置的安全控制[3]。下面重點介紹與車載電網供電控制相關的VCS 信號。

釋放受流器：VCS 根據列車速度和地面供電軌的布置，控制受流器的伸出和收回；當列車速度小于100km/h 且沒有施加渦流制動，則受流器在配備有供電軌的特定停車點區域自動釋放。如果列車速度大于100km/h，則撤銷釋放命令。在列車利用渦流制動完成強制停車后，列車處于停止且已降落的狀態下自動釋放受流器。

車載電網允許上電：在列車車載電網無故障條件下，VCS控制車載440V 電網啟動，該信號為低電平時，車載440V 電網關斷；

車載電網無強制停車：列車網絡系統實時監測440V 蓄電池電量狀態，并轉發給VCS。VCS 接收列車網絡系統發送來的“車載電網無強制停車”狀態監視信號。當440V 蓄電池電量不足時，VCS 收到邏輯低電平的“車載電網無強制停車”狀態監視信號后，將產生強制停車到當前停車點(包括輔助停車區)，而且列車繼續運行被禁止。直到車載蓄電池重新充電完畢，故障報警自動解除后，列車才能繼續運行。

車載電網無故障：列車監視所有HS 工作正常、所有440V 蓄電池無故障、110V 蓄電池無故障條件下，VCS 接收列車網絡系統發送來的“車載電網無故障”高電平信號。當VCS 收到邏輯低電平的“車載電網無故障”狀態后，將產生強制停車在運行方向上可到達最近車站停車，而且禁止列車繼續運行。直到故障報警自動解除后，列車才能繼續運行。

受流器伸出：列車監視所有受流器狀態，當所有受流器伸出到位時，反饋高電平信號給VCS；

受流器收回：列車監視所有受流器狀態，當所有受流器收回時，反饋高電平信號給VCS。

表1 中每個信號都有兩路通道互為冗余，都為電平信號，若兩路電平信號輸出或輸入不一致時會引起車載設備系統故障，導致列車停車。

表1 VCS 控制命令輸出信號和接收狀態信號列表

3 結論

本文針對200 公里中速磁浮車輛車載電網多冗余、多設備、多供電源等技術特點，根據車輛不同的運行模式，提出的車輛車載電網通斷控制方案和邏輯分析，重點分析了車載運行控制系統VCS 與車輛控制單元之間交互信號，對更好的掌握列車控制原理、處理車載電網故障起到了較大幫助。