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1、城轨车辆（三号线）控制电路的原理分析及受电弓的结构 摘 要：论文简述了城轨车辆的电气控制的组成与部分控制电路，如列车激活控制电路、司机室占有控制电路、受电弓控制电路、高速断路器控制电路、传动控制电路、驾驶模式控制电路等展开分析，对受电弓进行相关的结构、技术参数，控制电路工作原理等进行重点讲述。关键词：电气控制 ,列车激活 ,受电弓 ,故障处理1引言 本文从控制电气的重要性、组成方面、工作原理、故障处理与优化等方面来简单讲述部分控制电路的原理以及受电弓的结构和工作原理。1.1城市轨道交通控制电路构成与各部分电路作用简介 1.1.1控制电路构成：城轨交通控制电路包括主电路、辅助电路、控制与信息监控
2、电路及门控电路。车辆电气系统包括车辆上的各种电气设备及其控制电路。按其作用和功能可分为主电路系统，辅助电路系统和电子控制电路系统3个部分。1.2.2各部分电路作用：主电路由牵引电机及与其相关的电气设备和连接导线组成，其作用是将电网的电能转变为车辆运行所需的牵引力，当在电气制动时将车辆的动能转换为电制动力。它是车辆上的高电压、大电流、大功率动力回路。辅助电路系统为保证车辆正常运行必须设置的辅助设备(如供某些电器通风、冷却的通风机、空气压缩机、空调装置、车辆照明等)所提供的辅助用电系统。电子与控制电路分为有接点的直流电路和无接点的电子电路，控制电路的作用是控制主电路和辅助电路各电器的工作，通过司机
3、操纵主控制器和各按钮使列车正常运行或由列车自动运行控制系统控制运行。1直流斩波控制方式主回路包括：（1）线路输入滤波部分。 （2）牵引-制动回路部分。 （3）主要设备：电机、斩波器、受电弓、高速断路器、主控制器、紧急制动开关等。车辆电气系统包括车辆上的各种电气设备及其控制电路，按其功能可分为： 1主电路：指的是供车辆牵引动力的电路。主要由受流器、牵引箱、牵引电机、电阻、电抗器及电气开关等设备组成。2控制与信息监控电路：用于对列车实施牵引、制动控制等操作，以及对设备状况进行监控、记录、预报的电路。3辅助电路：通常由逆变器或发电机输出中级电压供车辆除牵引外电动力设备使用，应急情况由蓄电池维持供电。
4、4门控电路：对车门进行开、关控制的电路。1.2城市轨道交通车辆控制电气线路的整体介绍1.2.1主电路控制（电路图如图1-1所示）SA浪涌吸收器；IES隔离开关；HSCB高速断路器；LFL滤波电抗器；CCZ充电电阻；CCK充电接触器；LIK线路接触器；VMD电压传感器；DBZ制动电阻；CMD电流传感器；SS速度传感器；M1M4交流电动机；CBR差动电流保护器；FCZ过压保护电阻；LFC滤波电容器。 图1-1 主电路控制电路1工作原理：牵引时，电网通过受电弓P、主熔断器F、隔离开关IES、高速断路器HSCB、线路接触器LIK及逆变器给牵引电机供电。在再生制动时以相反的路径使电网吸收电机反馈的能量。
5、LFL是线路滤波电抗器，LFC是线路滤波电容器，两者构成线路滤波器。接触器CCK与电阻CCZ构成充电限流环节。在受电弓升起、高速断路器闭合后，为防止过大的充电电流冲击使滤波电容器受损，首先闭合CCK，待电容电压达到一定值后，闭合线路接触器LIK，将限流电阻CCZ短接。 T1、D1T6、D6构成VVVF逆变器。在牵引工况将直流电能变换为电压和频率可调的交流电能供给牵引电机。在电制动工况，电机作发电机运行，逆变器以整流方式将电能反馈给电网(再生制动)或消耗在电阻上(电阻制动)。T7、D8构成斩波器，DBZ为制动电阻。斩波器的主要功能是用于电阻制动，用它来调节制动电流的大小。另一个功能是作过电压保护
6、之用。如果在逆变器的直流回路中有短时的过电压，则斩波器工作，通过它对电阻DBZ放电，待过电压消除后斩波器截止。这种过电压的保护环节也叫“软撬杠”。TZ是晶闸管，FCZ是过电压保护电阻。当直流环节发生过电压，经斩波器放电后仍不能消除，则晶闸管TZ导通，直流回路通过FCZ放电。因为晶闸管只能触发导通，而不能用门极触发方式关断，因此TZ触发后必须立即断开高速断路器HSCB，否则会造成直流回路持续放电。这种过电压保护环节叫“硬撬杠”。显然“硬撬杠”的保护动作整定电压值比“软撬杠”的高。(有的主电路中不设此环节)。Rc是固定并联在滤波电容器LFC上的放电电阻。为安全计，要求在主电路断电后LFC两端电压在
7、5min内降到50V以下。由此可以确定放电的时间常数及放电电阻值。IES是隔离接地开关，在需要主回路接地时将它转换到接地位置。CBR为差动电流传感器，用以检测直流回路流入与流出的电流差，以检测接地等故障。CMD为电流传感器，VMD为电压传感器，SS为速度传感器。 2控制方式：一台VVVF逆变器给同一辆车四台相互并联的电动机M1M4供电，这种逆变器与电机的配置方式叫1C4M，它们的控制方式叫“车控”方式。也有一种配置是一台逆变器给同一转向架上两台相互并联的电机供电，这种配置方式叫1C2M，它们的控制方式叫“架控”方式。“车控”或“架控”取决于牵引、制动特性要求，以及逆变器与电机容量。我国多数城轨
8、动车采用“车控”方式，但少数也采用“架控”方式，如广州地铁采用了“车控方式”，而天津滨海快速线采用了“架控”方式。如果由一台逆变器给一台电机供电，叫1C1M，也叫“轴控”。在城轨动车中由于电机功率较小，没有必要用轴控(在铁路干线大功率机车中才使用)。3主电路设有下列保护：（1）输入过流保护：封锁IGBT的门极脉冲、断开HSCB及线路接触器、显示并报警、规定次数复位。（2）输出过流保护：首先改变IGBT的门极脉冲，若在一定时间间隔内仍过流则封锁IGBT门极脉冲、断开线路接触器、显示并报警、规定次数复位。（3）输入过电压保护：牵引工况：当网压高于设定值，首先使斩波器触发，若网压继续升高，则封锁IG
9、BT触发脉冲、断开HSCB和线路接触器、显示并报警。网压下降到规定值自动复位。若主电路中设有“硬撬杠”过压保护环节，则在用“软撬杠”放电仍不能使过压消除情况下，触发晶闸管，使强行持续放电。同时封锁IGBT脉冲，开断HSCB及线路接触器。设置“硬撬杠”对于释放过电压的能量更有效、快捷。制动工况：采用再生制动时，当网压高于某设定值(例如1800V)，则自动转入电阻制动。若网压持续高于某设定值(例如1980V)则封锁IGBT脉冲，断开HSCB和线路接触器转入空气制动。（4）输入欠压保护：低于设定值(例如1000V)逆变器停机，恢复至某设定值(例如1100V)逆变器自动恢复运行。（5）过热保护：VVV
10、F逆变器温度超过第一温度设定值时，逆变器降功率运行。超过第二温度设定值时，逆变器停机、报警并显示。（6）逆变器相电流不平衡保护：当不平衡超过设定值则停机。（7）牵引电机过流保护：保护动作顺序与输出过流保护相同。 1.3.2辅助供电系统辅助供电系统包括辅助逆变器、低压电源装置、蓄电池和相关的电气设备和隔离开关、接触器、熔断器、故障转换装置(也称“扩展供电转换装置”)等。 1辅助逆变器辅助逆变器又称静止逆变器，是将直流输入电压变换为三相交流380V电压，给列车上的辅助设备供电的设备。它的主要负载包括空调设备(空调压缩机、冷凝器风扇、蒸发器风扇)、空气压缩机、设备通风机、客室照明以及挡风玻璃除霜器、
11、方便插座、刮雨器等。(有的车上客室照明、雨刮器全用DC110V供电；有的车上所有设备都用自然风冷，则不需设备通风机。) 2辅助逆变器技术要求(1) 输入电压范围 (2) 输出电压波动范围：(一般要求5) (3) 输出电压波形畸变：(一般要求畸变因数10) (4) 输出电压不均衡度：(一般在相间对称平衡时，要求90) (7) 噪声：相距一定距离的分贝例如：相距1m时小于70dB(A) (8) 保护：IP等级 (9) 过载能力：在额定输出电流下连续工作时，允许施加非周期性过载，对额定容量小于或等于100kVA的装置，过载能力为 150时为1 min ；对额定容量大于100kVA的装置，过载能力为1
12、30时为30S。 3辅助逆变器对负载启动的要求(1) 负载顺序启动，以避免启动冲击电流叠加。 (2) 当负荷在一定范围内变化时，要求其输出电压瞬间变化在一定范围内，且在限定时间内恢复其额定值。(例如当负荷变化为逆变器额定负载的30时，要求其输出电压瞬间变化范围不超过15，且在300ms内恢复其额定值。)(3) 重复启动和停止一定负载的能力(例如额定负载的60)。(4) 当逆变器已带有部分负载的情况下，启动空气压缩机或空调压缩机等负载，其输出电压降在允许范围之内(例如20)。 4辅助系统主要功能部分 (1)逆变部分：辅助用电设备大都需要三相50Hz，380V220V交流电源，因而首先要将波动的直
13、流网压逆变为恒压恒频的三相交流电。(2)变压器隔离部分：为了安全必须将电网上的高压与低压用电设备，尤其是常需人工操作的控制电源的设备，在电气电位上实现隔离。通常采用变压器进行电气隔离，同时也可通过设计不同的匝比以满足电压值的需要。(3)直流电源(兼作蓄电池充电器)：车辆上各控制电器都由直流电源DCDC供电。车辆上蓄电池为紧急用电所需，所以DC110V控制电源同时也是蓄电池的充电器。 1.3.3控制电路主要是用来控制车辆的主线路，车辆的起动、运行、调速、停车、反向等一系列的动作，还包括许多监控回路，检测列车各工况下的参数，根据所检测到的故障参数，及时发出指令，控制继电器动作，切断主回路中相关的触
14、点，起到相关保护作用。根据司机发出的指令，控制线路中有关继电器得电或失电，使得对应的主回路接触器动作，最终控制牵引电机的运转，从而控制列车的牵引、制动等工况。1.3.4门控电路包括车门的开启与关闭，车门的监控回路、列车再开门回路。1.4城轨车辆控制电路系统故障介绍及其处理地铁车辆的故障是指维修计划之外的故障和事故，包括在检修基地内进行的故障和在地铁运营线路上的车辆突发故障。地铁车辆故障分为4种情况：1在线运营车辆发生故障不能正常运行，但经过短时间（23min）修复或换件处理可以恢复正常性能维持运行。2在线运营车辆发生故障，但不影响车辆正常运行，这类故障一般继续维持运行，待车辆回库后再对故障进行
15、处理。3.运营中地铁车辆发生严重故障，不能维持正常运行，且短时间内无法进行有效处理，为了不致耽误车上旅客太长时间和保证地铁线路的正常运行，有必要进行清客，使用地铁车辆或工程车将其牵引出运营线路退出服务，进行维修。4地铁车辆运营中发生脱轨、颠覆、火灾或车辆走行部分发生如切轴等严重故障，影响车辆运行安全时，车辆维修部门接到报告后，应成立紧急求援队伍，迅速赶赴车辆故障发生地点，将旅客和无关人员进行疏散，将故障车进行紧急处理，如发生火灾还应将火源车辆做隔离处理。这些车辆一般也是回检修基地进行修复处理。待添加的隐藏文字内容22.1受电弓的结构和主要技术参数受电弓是从接触网向整个列车电气系统的供电以及输送
16、再生制动能量的必要部件。在刚性和柔性接触网的线路上均能适用。目前北京、上海、广州已经建成地铁系统，其受电制式有第三轨受电(如北京地铁)和架空线受电弓受电(如上海、广州地铁)两种，其中架空线受电弓与机车受电弓在结构、原理等方面有诸多相似之处。1结构（如图2-1所示）地铁受电弓主要由底架、下臂杆、上框架、弓头滑板和传动气缸等部件组成。1. 底架 2. 绝缘体 3. 支架 3.1 下臂 3.2 下导杆 3.3高度阻止器 3.4 上臂 3.5 上导杆4. 受电弓头 4.1 接触滑板 4.2 端角5. 升弓和降弓装置6. 电流变速器7. 挂钩 8. 最低位置指示器图2-1 受电弓结构图2主要技术参数：地
17、铁列车上装有2架受电弓，受电弓通过绝缘子安装在首尾两节动车车顶，弓头升起后与接触网导线接触，从接触网上汲取电流供动车使用。其中上海地铁受电弓的参数如下：额定电压V DC 1500网压变化范围V DC 1000-1800额定电流A 1050最大电流A 1650最大运行速度kmh 100最大升弓高度mm 286O折叠高度ram 300工作高度mm 363(即折叠高度)1490滑板长度mm 1050弓头长度mm 1700额定静态接触压力N 120传动气缸工作压力bar 3-9升弓时间s 8(1490mm)降弓时间s 7(1490-0mm)4总结电气控制是地铁中最为重要的部分之一，只有保证了电气控制的
18、正常工作才能保证列车的运行。所以在列车出现电气故障时能够迅速准确的完成故障的查找与处理是重中之重。控制电路的两大部分主电路和辅助电路在整个电气控制中涵盖了列车的各个电气应用，包括受电弓。受电弓受电弓是从接触网向整个列车电气系统的供电以及输送再生制动能量的必要部件。在刚性和柔性接触网的线路上均能适用。目前北京、上海、广州已经建成地铁系统，其受电制式有第三轨受电(如北京地铁)和架空线受电弓受电(如上海、广州地铁)两种，其中架空线受电弓与机车受电弓在结构、原理等方面有诸多相似之处。参考文献1郑瞳炽.张明锐.城市轨道交通牵引供电系统. 北京:中国铁道出版社，20082高爽主编.地铁车辆构造与维修管理. 北京:中国铁道出版社，20033唐春林.城市轨道交通车辆电气.校本
