上海轨道交通AC11型电动列车牵引和制动控制技术浅析_程宏声

2.3 再生电制动 当司控器发出制动指令时，牵引逆变器控制牵引电机 减速，通过逐渐减小定子给定频率来实现电机减速，电机 的转子速度由于列车惯性原因不会马上降低，当电机的转 子速度超过电机同步磁场的旋转速度时，转子电流相位几 乎改变了180°，此时，牵引电机处于发电状态，同时， 电机轴上的转矩变成制动转矩Te，电机再生的电能经续流 二极管全波整流后通过受电弓反馈给供电电网，提供给相 邻运行的列车使用。
推广技术
（3）因司控器发出的牵引/制动指令同时输出给牵 引和制动控制单元，可以从牵引/制动控制指令的逻辑关 系着手分析。从制动系统指令逻辑关系可知，当牵引/制 动指令同时得电或同时失电时，制动电子控制单元响应为 缓解信号，BCE无故障记录，即使PWM输出正常的给定 值，列车也为惰行状态。从牵引系统指令逻辑关系可知， 当牵引/制动指令列车线同时得电时，控制单元AGATE 记录牵引制动指令无效故障；当牵引/制动指令列车线同 时失电时，AGATE无故障记录，如PWM输出正常的给 定值，列车也为惰行状态。由此可判断故障为列车施加制 动时牵引/制动指令列车线同时为零，列车制动指令未发 出，造成列车无制动力。
3.1 制动电子控制装置 (BCE) 每节车装有一个制动电子控制单元(BCE)，BCE是制 动控制模块中的微处理器，接收制动指令和PWM指令， 将PWM制动命令信号转换后控制制动电磁阀，控制气缸 的气压和摩擦制动力。BCE单元还接收牵引设备传来的电 制动和车辆空气悬挂系统传来的列车重量信号，这些信号
模拟量输出原理：司控器从编码器PWM得到24V调 整电源，通过司机推拉司控器操作手柄来带动定位齿轮旋 转，定位齿轮的位置决定司控器位置传感器输出给PWM
图1 编码器PWM输入电流对应的输出转化值
Байду номын сангаас
-102-
中国科技信息 2014 年第 01 期·CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jan.2014
Cheng Hongsheng Rolling Stock Branch of Shanghai Rail Transit Maintenance Support co.,Ltd., 200233,Shanghai
程宏声
单位：上海地铁维 护保障有限公司车 辆分公司 职位：技术主管。
摘要 本文介绍了上海轨道交通AC11型电动列车控制过程，阐述了牵引和制动控制 技术。并分析了列车控制故障的排除方法，从而提高维修技术，保障列车正 线运营。 关键词 地铁车辆；牵引系统；制动系统；故障排除
4 故障排除
4.1 故障概况 上海地铁5号线列车正线运营过程中，司机报列车无 制动力，列车无法准确位置停站，只能施加紧急制动停 车，司机应急处置无效后，列车清客回库检查。下载列车 主控制单元E-TRAIN、牵引控制单元和制动控制单元故 障记录，未发现任何故障显示，下载列车视频录像，发现 司机施加制动时，司机室显示屏DDU显示全列车空气摩擦 制动为缓解状态。
-103-
推广技术
中国科技信息 2014 年第 01 期·CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jan.2014
能，具有快速响应和高精度的特点[3]。矢量控制给出了非 常迅速的磁通和转矩响应（对非磁通化电机的响应时间< 1s），实现了对电机电流的最佳控制。矢量控制使逆变器 在短时关闭后，能迅速恢复电源，无须等待电机内的磁通 完全消失后再工作。由于牵引逆变器输出电压是通过调节 电机磁通来实现的，因此，当发生牵引或电空混合制动时, 如发生轮对空转或滑行, 牵引逆变器将会快速而精确的控 制电机的转矩, 空转及滑行得到有效抑制,轮轨间的黏着力 迅速恢复，稳定了列车加速和减速，并避免了空转和滑行 对轮轨的损坏。图5为矢量控制原理图。
2.1 逆变器
图5 矢量控制原理图
列车牵引采用先进的VVVF（Variable
Voltage
Variable Frequency）变压变频调速系统，牵引电机由脉
宽调制（PWM）电压源的逆变器供电。PWM脉宽调制
电压使牵引电机能得到三相平衡电压，并且电压的幅值和
频率均可调整。优点是可实现数字控制和防滑功能，有效
4.3 故障盘查 故障现象是全列车无制动，故障点应在司控器至各节 车厢制动列车线分叉处，可能原因是司控器内部开关、制 动指令线路断路或接触不良，测量相关线路，发现在操作 司控器时，制动指令内部微动开关接触电阻值不稳定，阻 值在零与几十K之间变化，打开微动开关发现触头已灼伤 发黑，由此判断故障原因是司控器微动开关接触不良，造 成制动指令无法正常输出，导致全列车制动失效。
推广技术
图2 司控器模式选择开关示意图
图4 牵引逆变器主回路控制图
图3 牵引、制动指令线
数字量控制原理:图2为司控器模式选择开关示意图， 上海地铁5号线列车采用手动模式驾驶,没有ATO自动驾驶 系统。当司控器模式手柄选择“手动驾驶CM”、“正转 方向RMF”、 “反转方向RMR”或“洗车模式WASH” 时，向前或后退微动开关触点闭合。如同时满足紧急制动 回路继电器得电、列车常用制动缓解（或制动不缓解旁 路）、停放制动缓解（或停放制动旁路）、车门关闭（或 门旁路）、ATP未施加制动条件后，牵引或制动指令列车 线得电（图3），牵引/制动控制单元将收到列车向前、后 退、牵引和制动指令，再根据输入的PWM调制信号给定 值控制列车牵引和制动。
4.2 原因分析 结合故障现象和列车控制单元故障记录，对故障作如 下分析： （1）故障发生时，全列车空气摩擦制动未施加，可 排除单节列车制动系统故障。 （2）列车牵引正常，并且牵引系统控制单元AGATE 无故障记录，可判断列车牵引系统和编码器PWM无故 障。
-104-
中国科技信息 2014 年第 01 期·CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jan.2014
利用轮轨黏着，实现高效可靠驱动。逆变器输出电压随输
出频率的增大而增大，保证了电机内部磁通近似恒定和控
制电机转速的目的。VVVF牵引逆变器由AGATE控制单
元进行微机控制,接收由司控器发出的牵引/制动指令及编
码器PWM的给定值，同时根据车辆的重量精确地控制列
车牵引。列车设有超速限制功能，当列车速度超过限定值
3.3 制动逻辑指令 制动电子控制单元对牵引及制动输入指令的逻辑关系 如下表：
3 制动系统
为了满足地铁列车高速运行、站间距离短、频繁起动 和制动的特点，制动控制系统采用了Knorr公司生产的微 机控制，该系统具有快速响应，制动距离短，集成化程 度高，可以实现平稳停车的特点[2]。列车制动分为紧急制 动、快速制动、常用制动、停放制动和保压制动。在列车 运行时一般施加常用制动；在紧急情况下施加紧急制动； 停放制动是在制动系统失去气压情况下施加的弹簧制动， 通常，停放制动用于车辆段空车停车；保压制动是在列车 零速时自动施加。
推广技术
中国科技信息 2014 年第 01 期·CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jan.2014
上海轨道交通AC11型电动列车 牵引和制动控制技术浅析
程宏声
上海地铁维护保障有限公司车辆分公司, 上海 200233
Shanghai Metro AC11 electric train traction and braking control technology analysis
编码器的模拟电流值，PWM编码器再输出一个24V振幅 500HZ频率的脉宽调制信号，通过列车线输入至牵引和制 动控制单元，控制列车的牵引和制动力。PWM 输出的调 制信号占空比随输入信号而变化，范围为10%～90%。编 码器PWM输入电流对应的输出转化值如图1所示，当编码 器PWM输入为13mA至14mA时，列车为惰行状态；当输 入2mA至13mA时，列车施加制动，随着输入电流的增大 制动力减小；当输入14mA至20mA时，列车施加牵引，随 着输入电流的增大牵引力增大。
时，将封锁牵引系统，牵引力降为零，当速度下降到一个
设定值时，牵引系统允许逆变器重新启动继续运行。列
车还设有每小时限速30公里和每小时限速3公里的运行模
式，当采用该模式运行时，列车被控制在规定的速度区间
内运行。
2.2 矢量控制 AC11列车采用阿尔斯通公司专利的矢量控制,通过测 量和控制牵引电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分 别对牵引电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达 到控制牵引电动机转矩的目的。也就是将牵引电动机的定 子电流矢量分解为产生磁场的电流分量 (励磁电流) 和产 生转矩的电流分量 (转矩电流) 分别加以控制，并同时控 制两分量间的幅值和相位。该控制方式可减少响应时间， 能获得与给定转矩非常接近的转矩，改善了低速运行性
2.4 牵引逻辑指令 牵引控制单元（AGATE）根据司控器给出的牵引/制 动指令控制列车牵引或制动，下表为牵引/制动指令输入 AGATE的逻辑关系。
用于精确控制制动力。
3.2 控制方式 列车的制动控制是采用电制动(再生制动和电阻制动) 与空气摩擦制动混合运算的控制方式。首先施加电制动， 然后施加空气摩擦制动，电气制动与空气摩擦制动的混合 是平滑的，与所需的制动性能相符合，空气摩擦制动用于 补偿电气制动力与所需要的制动力之间的差值，并为拖车 提供制动。 列车需要施加制动时，司控器发出牵引/制动指令与 PWM指令输出给牵引控制单元(AGATE)和制动电子控制 单元(BCE)。列车先进行电制动，电制动时，优先采取再 生制动，它将最大限度地把能量反馈给电网。此时，列车 牵引控制单元连续监控电网电压，当电网吸收电能的能力 不足或不能吸收时，电网电压将会升高，当电压升高到 1750V时，斩波控制器开通，制动电阻投入工作，1.55Ω 制动电阻将提供电阻制动，将多余能量通过电阻转换成热 能消耗掉。如果电制动不能提供所需求的所有制动力，拖 车空气摩擦制动首先弥补不足，如制动力还是不足，再施 加动车的空气摩擦制动。这样就充分利用了电制动，既节 约了电能又减少了制动闸瓦的磨耗。