2006年第4期 2006年7月10 kl 机 车 电 传 动 4 2006 Ju Ly 10,2006 ELECTRIC DRIVE FOR LOCOM0TIvES 新车新品 作者简彳r:陶功安t1965-). 男.高衄工程师.^L事城 摘要:介绍了广lH{地铁3号线地铁车辆的主要参数,阐述了车体:车门、转向架、列车牵引 市轨遁丰辆的技术工作, 系统、列车制动系统 列车辅助供电、列车微机控制系统及列车空调等列车主要部件的技术特点,该 车尤其在制动技术方面首挑采用了EP2002国际最新技术。 关键词:广州地铁;3号线;地铁车辆;EP2002制动系统 中图分类号:U266 2:U231 文献标识码:A 文章编号:1000.128X(2006)04-00534)7 Metro Vehicle for Guangzhou Line No.3 TAOGong-an‘,YUANLi-,aan ̄,MAXl- ̄hm ̄ (1.R&DCenter,CSRZhuzhouElctericLocomotiveCo.,Ltd.Zb.uzhot1.HuBan4l200l,China; 2.Metro Operation Unit,CSR Zhuzhou Electric Locomotive Co,Ltd.Zhazhou,Hunan 412001,China) Abstract:Main parameters of the metro veNde for Guangzhou line No.3 are introduced.The technical characteristics ofthe main components ale illustrated,such as the ear body,door,bogie,traction system,braking system,auxiliary power supply,microcomputer control system and air conditioner.The latesc technology internationally,EP2002,is applied to the braking system Key words:Guangzhou melt:line No 3:metro vehicle;EP2002 braking system 0引言 广州市轨道交通3号线(以下简称广J州3号线)全长 36 33 km.包括主线与支线,共设有l8座车站(全部为 地下车站)。其中,主线从广州东站至番禺广场站,长 列车编组-A+B+A.(一:自动车钩.+:半永久牵 引杆,A:带司机室和受电弓的动车,B:拖车) 列车长度 59940re.n1 单节车辆长魔跨车钩连接面) 车辆宽度 ≤19 980 miI1 2 800mlll 28.78 km,设车站l3座;支线从天河客运站至体育西路 站,长7.55 km,设车站5座。运营初期采用3辆编组的列 车,配车数为l20辆(每列车3辆编组.共40列 广州3号线地铁车辆由株洲电力机车有限公司与 德国西门子公司组成的联合体于2003年5月19日与广 州地铁公司签定合同,2005年l2月开始交付首批车辆 车辆的国产化率为70%.设计寿命为35年 车辆高度(轨面至车顶高、新轮、不含受电弓) 不含排气口及空调单元 含排气日及空调单元 ≤3 800ITI/I1 ≤3 855 ITum 受电弓落弓高度 轴距 3 875mm 2 300Imn 转向架中心距 车轮直径 12 600mii1 1 广州3号线地铁车辆的主要参数 1.1 地铁车辆的主要技术参数 车辆形式 轨距 收稿日期:2006—04—2I 840(新轮)/805(半磨耗胛70(全磨耗)mm 最高运行速度 120 kmm 车辆地板高度 B型 l 435tam 1 130II1rⅡ 720 mm (正线)架空刚性接触网 DC】500V 175—1 600m/ii 车钩距轨面高度 供电方式 额定电压受电弓工作高度 维普资讯 http://www.cqvip.com 机 车 电 传 动 车辆中心高度(客室净高) 地板面到天花板中心最小高度 2 100turn 客室内乘客站立区最小高度 1 900inlll 站台高度 1 060 0,0 inlll 站台有效长度 120 m 站台与直线轨道中心线距离 1 510+ ̄ ̄mm 屏蔽门与轨道中心线距离 ≥1 575 inlll 车辆与站台水平面间距离 ll0 inlll 1 2列车载客量 带司机室的动车座位数量(全部纵向布置)AW1 46座,辆 不带司机室的拖车座位数量(全部纵向布置)AWl 50座,辆 座席载客量AW1 142座/列 定员载客量AW2(6A./m ) (其中A车216人,B车242人)约674人/列 超员载客量AW3(9A./m ) (其中A车302人,B车336人)约940人,列 1.3列车质量 带司机室的动车(空车) 约37.4 t 不带司机室的拖车(空车) 约34.2 t 一列车(空车) 约109 t 轴重(AW3) ≤14.5 t 旅客平均质量按60 计算。 1.4列车动力性能 在额定负荷(AW2),车轮半磨耗(直径805 mln)的 情况下,由牵引计算确定列车启动的牵引力。 列车结构速度 135 km/h 列车最大运行速度 120 km/h 冲击极限0.75m/s 平均初始加速度(0~50 km/h) >0.9 m/s 平均加速度(0~120 km/h) >0.5 m/s 计算用牵引粘着系数0.165 常用制动平均减速度(120 km/h~0) 1.0 m/s 紧急制动平均减速度(120 km/h~0) ≥1.3 m/s 计算用制动粘着系数 0.14~0.16 1.5列车故障运行及救援能力 在损失1/4动力时,在AW2状态下可以保证正常运 行一个往返;在损失1/2动力时,在AW3状态下且粘着 条件良好达到约0.175,可在35%0的坡道上启动,并能 使列车行驶到最近车站;在粘着情况良好的条件下, 一列空载列车牵引一列额定负荷(AW2)故障列车(无 动力)能在35%0的坡道上启动。 2地铁车辆的主要部件 2.1 车体 车体结构为轻型、整体承载铝合金模块化全焊接 结构,整体承载即底架无中梁。地板、车顶、侧墙、端 墙采用隔热和隔音材料。每节车厢的车顶上设有2个空 调单元。每节车有8对电动塞拉门。客室内装有6排纵 向布置的座椅,并设有足够多的立柱和扶手,单元内 两节相连挂的车之间设有贯通道。因为线路上设有疏 散平台,所以车头上没有设置紧急疏散门。车头外形 为流线型,适合车辆高速运行的需要。玻璃钢制成的 面罩通过粘接的方法与车体骨架组成一个整体。 头车靠司机室底架端部设有全自动车钩,另一端 为半永久牵引杆,中间车两端均为半永久牵引杆。车 钩系统起能量吸收作用,当一列速度低于15 km/h的列 车(AW0)与另一列制动的列车(AW0)相撞时,车钩 的压溃管能产生变形吸收能量,保护车体结构不受破 坏;当一列速度大于15 km/h的列车(AW0)与另一列 制动的列车(AW0)相撞时,除车钩的压溃管能产生变 形吸收能量外,车头2侧防爬器后的碰撞单元产生变 形,保护车体的主体结构不会发生变形。 由于最高运行速度1 20 km/h的车辆的轮轨噪声比 最高运营速度80 km/h的车辆要高,为了降低车辆客室 的噪声,车辆的地板采用双层地板结构(见图1),地板 从上至下由地板布、蜂窝板、绝缘层、地板铝形材等几 层组成。地板的隔音隔热性能非常好。 图1 双层地板的结构 2.2 车门 客室车门采用电驱动、微处理器控制双开式塞拉 门,驱动机构设置在车门的上方,车门关闭后与车体 表面齐平,外观平整,车门能有效地起隔热、隔音、减 小振动的作用。车门设置有可靠的机械锁闭机构、故 障隔离装置、紧急解锁、重开门等安全设施。车门的开 闭功能不会因车辆挠度和乘客载荷的变化而受影响。 车门控制系统采用电子门控单元EDCU来实现。 车门的净开宽度 1 400mnl 净开高度 1 860 mnl 供电电压DC 1 10 V(允差根据EN50150 ̄准) 开门时间 (3-t-O.5)S 关门时间 (3-t-O.5)S 开、关门时间调整范围 2.5-4.0 S 车门隔音量为 100~800 Hz时≥27 dBA 1 000—5 000 Hzn ̄ ̄>36 dBA 开关门噪声级别 ≤73 dBA 隔热性能 K<5 W/mZK 维普资讯 http://www.cqvip.com 第4期 陶功安,袁立祥,马喜成:广州地铁3号线地铁车辆 2.3转向架 架的特点是质量小、抗侧滚性能好、结构简单。一系悬 转向架为无摇枕H型低合金高强度钢板焊接转向 挂采用螺旋弹簧能满足车辆较高的运行速度的需要。 架,分为动车转向架和拖车转向架2种。轴箱为外置 2.4列车牵引系统 式,轴箱轴承为单元式整体轴承,轴箱定位方式为转 列车牵引系统采用三相交流异步电机和VVVF逆变 臂式定位。弹性悬挂系统具有两级,一系为金属螺旋 器控制。传动系统采用转向架控制方式,即每辆动车 弹簧,二系为空气弹簧。减振器有一系垂向、二系垂向 上有2台主逆变器(图5),每台逆变器控制1个转向架 和二系水平减振器。动力转向架上的牵引电机为全架 上的2台电机。每列车有2台受电弓,分别安装在动车 悬式,通过橡胶关节将电机弹性地支撑在构架上,能 上。当一台受电弓发生故障时,另一台受电弓将给整 有效地降低电机支座上的加速度幅值。牵引电机产生 列车供电。逆变器采用IGBT功率模块,逆变器控制单 的力矩由齿式联轴节传递到齿轮箱,齿轮箱为2级传 元采用48位微处理器及磁场定向控制方式。 动,传动比4.964。齿轮箱一端通过轴承抱轴安装在车 列车在平直轨道上的牵引曲线见图3,列车在平直 轴上,另一端通过吊杆支撑在构架上。基础制动为轮 轨道上的电制动曲线见图4。 盘制动。4个制动单元中有2个带有停放制动功能。空 2.4.1 主逆变器参数 气弹簧的调平通过高度阀实现,每个车辆上有2个高度 主逆变器电路见图4,其参数如下: 阀控制空气弹簧内的空气压力。为了提高车辆的抗侧 额定输入电压DC 1 500 V 滚性能,在车体底架下装有抗侧滚扭力杆。这种转向 电压波动范围DC 1 000 ̄1 800V 图2 主电路图(1个转向架) BcH——制动斩波器;c——线路滤波电容;I2,I3——电机电流传感器;I4——回流电流传感器;Kl——线路接触器; K2——预充电接触器;L——线路电感器;Fl——高速断路器;M——电机;R3,R4——制动电阻;R2——放电电阻;Rl——预 充电电阻;VB1。VB2——制动IGBT;Ul——线路电压传感器;U2——直流环节电压传感器 ———1————r——1 1 1 200r———1————T一—-广T————r———r———1一—T一——T一——T——1———1 1.4 ・ Z 粪露 耋 曩 ・ 标 鑫 器 Il晨 鼋 V/km-h’ 图3 牵引曲线 图4 电制动曲线 (直线轨道,AW2工况下,1 500 V网压,3节编组列车) (直线轨道,AW3工况下,1 800 V网压,3节编组列车) 一55— 维普资讯 http://www.cqvip.com 机 车 电 传 动 输出电压 输出电流有效值 输出频率 三相交流0 1 300V 三相交流300A 0—145 Hz 控制电路额定电压控制电路电压变化范围DC l10V DC 77 137.5 V 控制电路功率消耗(额定电压下) 逆变器外形尺寸(L×W×H) ≤200 W 最大时钟脉冲频率 斩波器电流有效值 最大直流环节电压 直流环节电容值 1 000 Hz 100 A DC 2 150 V 3“ mF 14mH,500A 1 964ran1×1 650miIl×573 mill 逆变器安装悬挂点 质量 使用环境温度 4个 720 一25 +45℃ 线路电抗器电感值 散热风机额定输入电压 三相交流380V,50Hz 存储运输温度—40 +85℃ 散热风机输入电压变化范围 三相交流380 420V 海拔高度 <1 000 m 散热风机消耗功率 ≤1.7 kW 主逆变器电路图见图5。 lRl 2R1 -KI  ̄ -RI 20-,RI 21.-RI2A .^loo ..一.—...———. 11M.zloo cl _1・l【1∞ J 一r、 ・二 一 ’ =:皇: ● —]Ul lO 厂1 L]【 ●● 立 六 中 【4 .114 I『1.2 I V1.2I - ........__J I一 Dt 『 l yn —Ul2 l 11o SRR 上 IcU T 一枷 — I I I N24ll l lM 24 P241l . . 。。。 辜0 l3 。 ^13。 。图5 主逆变器 2.4.2牵引电机技术参数 质量 580 牵引电机为三相鼠笼式异步牵引电动机,在正常 2.4.3受电弓技术参数 运行和维护的情况下,免维护大修期不少于800 000 km, 额定电压DC 1 500 V 所有牵引电动机,在它们的外形尺寸、安装尺寸和电 电压变化范围DC 1 000-1 800V 气性能方面,均能在所有动力转向架各个轮轴之间完 最大电压DC 1 950V不超过5min 全转换。 电流有效值(1 500V正常运行) 电机的主要参数: 1 250 A(4台主逆变器+2台辅助逆变器) 型号 11B2013 电流有效值(1 000V低压运行) 额定输入电压 三相交流1 100 V 1 500 A(4台主逆变器+2台辅助逆变器) 额定电流 158 A 最大电流(1 500V正常运行) 额定功率 230kW 2 300 A(短时)(4台主逆变器+2台辅助逆变器) 额定转速 1 900 r/min 最大电流(1 000V低压运行) 最大转速 4 105 r/min 2 460 A(短时)(4台主逆变器+2台辅助逆变器) 最大启动扭矩 约1 938 Nm 最大静止电流(1 500V) 175 A(2台辅助逆变器) 最大制动扭矩 约2012Nm 最大静止电流(1 000V) 260A(2台辅助逆变器) 绝缘等级 200级 正常工作范围 175—1 600mill 冷却方式 自通风 最大升弓高度 1 700ram 维普资讯 http://www.cqvip.com 第4期 陶功安,袁立祥,马喜成:广州地铁3号线地铁车辆 静态接触压力范围(可调整) 70~140 N 最小动态抬升力 40N 最大速度 120km/h 设计速度 135 km/h 整个弓头长度 (1 550±5)mn'l 碳滑板宽度 (950±1)mn'l 工作气源压力 750~9OOkPa 最小工作压力400 kPa 最大工作压力 1 000 kPa 适应环境温度 一5~+45℃ 受电弓在接触网上的最大滑动范围 ±250 mn'l 折叠高点 带绝缘子) < ̄360mn'l 标准静态接触压力 (120±10)N 总质量 ≤155 kg 升弓时间 7~8 s 2.5列车制动系统 车辆采用先进的电空联合制动方式,包括电制动 (再生制动和电阻制动)和空气(摩擦)制动。常用制动 时优先选择电制动,如果电制动不足,则在拖车和动 车上补充空气制动以补足所缺制动力;电制动与空气 (摩擦)制动之间的混合制动是平滑过渡的,以满足正 常运行的冲击极限和提高旅客舒适度。紧急制动时产 生的制动力全部由空气制动提供。 广州3号线地铁车辆制动控制系统采用的是电气 模拟指令式制动控制系统,其核心部件是带有防滑控 制的制动控制系统EP2002。广州3号线地铁车辆是全球 首次使用EP2002制动控制系统的地铁车辆。在该控制 系统中,常用制动指令是用模拟量(直流电压、频率、 脉宽等)来传送的;操作指令采用电控制空气,空气再 控制空气的方法。对于该制动控制部分,广州3号线地 铁车辆采用转向架控制方式,即1个制动控制系统控制 1个转向架,这样就保持了车辆制动设备的冗余性。另 外,广州3号线地铁车辆的基础制动装置采用了盘形制 动代替传统的踏面制动方式,以减少车轮的磨耗、延 长车轮的使用寿命,且制动平稳、噪声小。通过双向选 择摩擦副可以得到比闸瓦制动更大的制动功率,满足 高速地铁车辆的制动要求。 广州3号线地铁车辆制动系统采用转向架控制方 式。每节车各有1个网关阀和智能阀,网关阀安装在车 辆靠近一位端转向架附近;智能阀安装在车辆靠近二 位端转向架附近,1个阀各控制1个转向架。同时,网关 阀和智能阀互相进行监控和备份,任意一个阀出现故 障,另一个阀可自动切换过去对另一个转向架进行控 制,这样,可提高可靠性,大大降低故障率,保证地铁 列车的正常运行。 ・ 网关阀和智能阀的工作逻辑图如图6所示。 智能阀产生电控制信号直接控制气阀,对该转向 架的空气制动和车轮滑行进行控制,并通过CAN网络 线与网关阀进行通信。另外,智能阀还对该转向架的 气制动系统进行故障诊断及故障显示,此功能是通过 软件和硬件共同作用而实现的。 电源负极 安全圄路 允许前进 限■曩式 常用 动 快速倒动 牵 I ( MVB总 E CAN 倒动风缸压力过低I H _ 一 .罔培拽. 鲁皇问 .J:空气舒鞠l状森 l …l、刊车垂零毫信号 1 图6 网关周和智能周的工作逻辑图 网关阀除了具有智能阀的所有功能外,还具有该 节车停放制动控制和制动管理功能。施加制动时,它 接收各种与制动有关的信号(如制动指令值PWM信 号、电制动实际值信号、载荷信号等),计算出当时本 节车所需气制动力的制动指令,并传输给网关阀内的 气制动阀。气阀产生的控制压力进入该转向架基础制 动装置的空气制动缸中,最终使制动缸获得符合制动 指令的气制动压力。同时,计算得到所需气制动的制 动指令也通过CAN网络线传送给本节车的智能阀。另 外,EP2002控制系统(包括网关阀和智能阀)通过网关 阀的通信卡与MVB进行通信。 列车的制动特性: 常用制动平均减速度(120 km/h~0) 1.0 m/s 紧急制动平均减速度(120 km/h~0) ≥1.3 m/s 计算用制动粘着系数0.14 ̄0.16 常用制动对所有负载工况(AW0~AW3)均有效, 即满足制动减速度和冲击极限的要求。 电制动(再生,电阻)与可控制的摩擦制动(盘式制 动)配合使用。 再生制动和电阻制动能连续交替使用。 网压上升到DC 1 800 V(可整定),再生制动能平滑 过渡到电阻制动。 列车能使超负荷(AW3)的列车在35%0坡道上制 停住。 2.6列车辅助供电 列车辅助系统包括辅助电源系统、空调系统、照 明系统、乘客信息系统。 辅助电源系统安装在B车上,设有2台辅助逆变器 (见图7),同时对整列车供电,给空调机组、空气压缩 机、照明系统、控制系统等提供电源,逆变器的输出包 括三相交流380 V、单相交流220 V及直流110 V电源。 辅助逆变器参数如下: 额定输入电压DC 1 500 V 维普资讯 http://www.cqvip.com 机 车 电 传 动 图7 列车控制网络 AUX——辅助逆变器;EDCU——门控单元;M——牵引电机;TCF——牵引控制功能;ATC——自动列车控制:GW——网 关;MVB——多功能车辆总线;TC——主逆变器;BCU——制动控制单元;HMI——人机界面;PIS——乘客信息系统;VCU 一车辆控制单元;CCF——中央控制和诊断功能;ICU——逆变控制单元;REP——总线中继器;WTB——列车总线;AC—— 空调;KLIP SIBAS——智能接口单元 输入电压变化范围 DC 1 000-2000V 2.7列车微机控制系统 三相交流输出(2套) 列车微机控制系统(图7)采用分布式总线控制方 输出电压 三相交流380(1±5%)V 式。列车早期运营采用三节编组,每列车包含两套对 输出频率 50(1±1%)Hz 称的列车总线控制系统,其中车辆控制单元(VCU)位 输出功率(连续) 140kVA 于A车。列车联挂时,列车总线控制系统可自动识别、 最大谐波分量 <10%ITtlS 连接,通过列车总线系统实现多机通信,完成列车总 单相交流输出(2套) 线控制系统的全部功能,如:列车控制、故障诊断等。 输出电压(相线与零线之间) 列车总线系统由具有冗余结构的列车总线(WTB) 单相交流220(1±5%)V 和多功能车辆总线(MVB)组成。它们对关键区域提供 输出频率 50(1±1%)Hz 部分冗余,即在WTB或MVB中单点故障不会导致列车 输出功率(连续)4kVA 牵引停止。列车控制级上的WTB通过一个合适的、大 最大谐波分量 <10%ITtlS 功率的网关(Gateway)与本地MVB相连。其中列车总 直流(DC)输出(2套) 线WTB连接各个车辆控制单元VCU,传递列车级数据, 额定输出电压DC 110V 实现数据交换;多功能车辆总线MVB通过总线连接器 蓄电池充电电压 110~130 V,可调 或I/O接口与各子系统连接,传递控制数据、信息数据 充电电压误差 ±1% 等,控制各子系统完成相应的功能。 输出总功率 16 kW 列车和车辆控制分为列车控制级、车辆控制级与 外形尺寸(L×W×H) 子系统控制级3级(包括牵引控制、气制动、辅助电源、 3 20omm×1 700mm×580mm 门控制、A/C系统控制、乘客信息系统等)'各控制级均 冷却方式 强制冷却 具有冗余结构。 质量 3 100 kg 列车控制级提供整个列车的控制信号和故障信 冲击及振动 .EN61373 息,2个并行的WTB线对列车级有足够的冗余。WTB物 使用环境温度 .20~+40℃ 理上的连接采用具有冗余结构的两对双绞屏蔽线连 防护等级 rPs ̄t非通风室) 接。数据传输速率大于1 Mb/s,最大循环周期不高于 IP21(通风室) 25ms。 安装方式 底架吊挂式安装 车辆控制级在本车上提供本地控制信号,通过 维普资讯 http://www.cqvip.com 第4期 陶功安,袁立祥,马喜成:广州地铁3号线地铁车辆 MVB分配到全车的各单元。 子系统控制级为最低功能级,向各子系统提供控 制信号。本车各子系统都有自己的控制系统,如牵引, 制动控制、空调控制、车门控制系统等。牵引控制系 统、电子制动控制系统、辅助电源(DC/AC,AC/DC)控 制系统、空调控制系统、车门控制系统等直接挂在 控制电源 质量 DC llO V 980kg 3结束语 广州3号线地铁系统技术上开创了国内多个第一: ①该地铁列车跑出了120 km/h的中国地铁第一速;② 该地铁车辆在国内首次配置15英寸LCD显示屏,乘客 不但能够看到DVD播出的高质量的动态图象,同时能 MVB上。MVB物理上的连接与WTB相同,亦采用具有 冗余结构的两对双绞屏蔽线连接。 2.8列车空调 在每节车车顶配置2台一体式空调,每台空调额定 制冷量不小于40 kW。空调单元设计成可以工作在冷凝 空气最高到45℃的额定温度。每个空调单元采用一台 密封螺杆式压缩机,占用空间少、容量大、可靠性高。 每台空调机组的参数如下: 制冷量 4O kW 及时了解新闻、天气或股票等实时信息;③该地铁国 内首次采用全隧道平台逃生系统;④采用国外技术在 国内完成首列车的制造、安装、调试及型式试验等工 作;⑤首次采用EP2002转向架控制的制动系统,制动 性能优良,具有操纵灵活、制动减速快、响应时间短等 特点,并具有载荷校正功能。 参考文献: [1]周志辉.广州地铁3号线电动车组的制动控制[J].电力机车 最高行车速度选取分 市轨 供风量 新风量 2X2000m3/h 4×325 m3/h 2×1 000m3/h R134a 紧急通风量 制冷剂 主电源 道交通,2002(10 l 三相交流380 V,50 Hz [3]吴萌岭.我国城市轨道车辆制动技术的现状与思考[J].机 车电传动,2006(1 l 公司简介 多极电一环■技术 B ri ef l n t ◇ c t i o n 常,II多极电磁环境技术青隈公司悬从事电雉千扰防护和再现产品研究、开发和生产的专业公司,是国内电 蠢 竣■的主要—造商之一.也可按客户特殊薹求,设计和生产特定规格的产品。 公司主再生产0.5—1600A ̄百多种规格的簟相(--相)交漉电源滤波磊,直流电源滤波嚣、正弦波滤波嚣和电 图 抗■.产品已板广泛应用于信息安全、EMC测试、工业控一、测■仪嚣、变赣逆变以及电力驱动系统等备行 鲁业. 公司t立宴奠井通过了IS09001质■体系认证.产品全程受控并符合UL、VDE、CCC、CE等认证的薹求。 确保了产品质■的可纛稳定. 公司鲁 电磁兼謇测试童及专业的电磁兼軎工程师,可为客户提供有针对性的电 地址:江苏常州汉江路1 7O号 7 6 5 7 1 7 5 1 O 1 O2 8 电话:O51 9-676766 1 6767663 6 传真:051 9.6767662 Http://www.duojiemc.com E—mail:sales@duoiiemc.com
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