城轨车辆牵引及电制动

1、.第八章 牵引和电制动 第一节 系统基本组成和工作原理牵引/制动系统组成XX地铁一号线车辆牵引和电制动系统由德国ADtranz公司提供,是国内首家采用交流传动和动力分散型控制技术的地铁车辆项目。整个系统由受电弓、高速断路器HSCB、VVVF牵引逆变器、DCU/UNAS牵引控制单元、牵引电机,制动电阻等组成,如图1所示。VVVF牵引 VVVF牵引 逆变器受电弓受电弓.HSCB线路滤波模块HSCB线路滤波模块牵引电机逆变器模块牵引电机逆变器模块制动电阻制动电阻1212列车输入/ 输出控制信号UNAS列车输入/ 输出控制信号UNASDCU1 DCU对VVVF逆变器的线路电容器充/ 放电控制2 DCU

2、/UNAS对VVVF逆变器及电机转矩控制图1：牵引系统组成示意图列车受电弓从接触网受流,通过高速断路器后,将1500VDC送入VVVF牵引逆变器。VVVF牵引逆变器采用PWM脉宽调制模式,将1500VDC直流电逆变成频率、电压可调的三相交流电,平行供给车辆四台交流鼠笼式异步牵引电机,对电机进行调速,实现列车的牵引、制动功能,其半导体变流元件采用4500V/3000A的GTO,最大斩波频率为450 Hz。VVV输出电压的频率调节范围为0 112 Hz,幅值调节范围为0 1147 VAC。牵引系统基本参数牵引逆变器VVVF：线电压 UN = 1000 1800 VDC输入线电流 I N = 480

3、 A最大线电流牵引 I NDMAX = 692 A最大线电流制动 I NBMAX = 1171 A输出电流 I A = 720 A最大输出电流 I AMAX = 1080 A最大保护电流 I MAX = 2900 A输出电压 UN = 0 1050 V输出频率 fA = 0 112 HzGTO最大开关频率 fP = 450 Hz制动斩波模块斩波频率 fB = 250 Hz模块冷却方式强迫风冷模块冷却片风速 VL = 8 m/s牵引电机1 TB 2010 0GA02：连续定额小时定额输出功率PM 190 210 kW额定电压 UN 1050 1050 V额定电流 I N 132 1800 min

4、-1 144 1800 min-1 A额定转矩 MN 1008 1114 Nm最大转速 nMAX 3510 3510 rpm基本工作原理整个控制系统由输入值设定、速度测量、电机控制、脉冲发生器、能量反馈各环节构成。DCU通过列车线接受来自控制系统的牵引/制动力绝对值以百分比的形式,与此同时还接受司机发出牵引或制动指令,来决定是施加牵引或制动力。在给定值进行实际电机控制前,必须经过以下条件的处理:输入值设定载荷校验DCU根据相应动车的载荷状况来调整实际牵引/制动力,这是由于采用了动力分散型控制,为了保持车钩之间的相对运动最小,并且使整车达到相同的动态特性。冲击限制不同的给定值大小的改变速率必须符

5、合冲击限制的规定,但在防滑/防空转功能激活的时候则不受此限制。速度限制牵引时XX地铁一号线规定了3个速度限制,速度控制的优先级高于电机控制。正常速度：80 km/h倒车速度：10 km/h慢行速度： 3 km/h线电流限制牵引时在牵引工况时,线电流控制的优先级高于电机控制,出于功耗的考虑,该限制值为不超过每节动车720A。欠压保护制动时在制动时,网压一直受到检测,当网压降到1500V以下时,制动力矩随速度和网压相应的减少,这时不足的制动力由气制动补充。空转/滑行保护空转/滑行保护通过比较拖车动车之间的速度差异来实现,通过适当减少力矩设定值,该保护能确保输出最大所要求的牵引/制动力,当拖车速度检

6、测失败时,该保护还可以通过仿真计算拖车速度来保证正常功能。速度检测每个牵引电机带一个速度传感器,输出两个通道,每个通道相差为90的方波电机每转为256个脉冲,通过判断相差可以确定旋转的方向。每个牵引控制单元连接3个速度传感器。在正常情况下,该数值直接送入DCU进行牵引控制,在进行速度测量的时候,如果出现各速度值不相等的情况例如,空转/滑行时,甚至在极端情况下,只有一个电机的速度信息对于牵引控制来说都是足够的。当DCU监控逻辑系统发现有一个速度传感器故障时,马上封锁该速度信号,以免对牵引控制造成严重的影响。除了电机速度,在DCU中同样检测拖车的速度。在拖车一个轴上装有一个编码速度传感器,同电机速

7、度传感器不同,该传感器是单通道的每周110个脉冲。在DCU中有两块电路板A305,A306中断处理与速度测量板专门用来处理速度信号,速度值通过计算脉冲数,然后与参考时钟周期计算得到。电机控制采用空间矢量控制,电机的磁通大小和方向空间矢量通过逆变器输出线电压和相电流,电机速度等参数近似得到。绕组中的电流和电机电压作为空间矢量与磁通量有关,该解耦过程使得可以单独控制磁通和力矩磁场定向控制。控制结构图如下：控制系统的输入力矩设定值1,该力矩设定值是经过控制系统的其他参数的校核如负载,线电流,速度,冲击限制,防滑/防空转保护才输入控制系统。磁场设定值可以通过电机的参数1a计算得到,该值在整个正常速度范

8、围内有效。电机力矩电流的产生决定于励磁磁场和转子磁场的交互作用,如果是异步电机,励磁磁场和转子磁场均由定子电流产生,定子电流通过坐标变换为两部分：一部分励磁电流产生磁场,另一部分负载电流与励磁磁场积分再与励磁磁场一起形成力矩,为了清楚的表现各电流的关系,定义了一个旋转坐标系统I,m,该坐标系统与磁场矢量同步,该变换的优点在于励磁电流部分和负载电流部分可以单独的进行控制与并励直流电机原理相同。为了获得理想的励磁磁场矢量,使用了磁场观测器3,通过电机相电流,电机线电压和速度2,磁场观测器在静止的坐标系统a,b计算磁场的绝对值和磁场矢量的角度位置flux,该旋转坐标系统可以通过该磁场矢量可以定义,通

9、过坐标变换,将静止的电流矢量转变为旋转系统,在磁场坐标中产生电流部分xil,wil。除了产生实际力矩xmd,磁场观测器可以在当前电机的参数的基础上通过以下步骤计算系统的状态：实际和设定力矩的差值反馈给一个PI控制器4,该控制器提供一个操作变量,该变量加上固定的预控制初始值4a,通过当前磁场值,可以计算负载电流设定值wil。实际磁场和设定值的差异也反馈给一个PI控制器6,该控制器产生一个操作变量wim,该变量加上固定的预控制初始值6a计算出励磁电流的的设定值wim,预控制初始值与操作变量一起形成了系统高性能的动态响应。电流的设定值输入电机的定子模型7,获得定子电压um,ul的矢量的两个分量,电流

10、控制器8从属于矢量预控制,负载和励磁电流的设定值/实际值的差异单独的通过P控制器传递,该控制器构成定子电压的动态部分。通过该方式产生的定子电压再通过坐标变换,从磁场导向的坐标系统转换回定子导向的坐标系统9,在这个过程中产生电压矢量和它的角度位置ustator,电压矢量的绝对值与电网电压的电流有一个偏移相控因数角度,为了确保逆变器的控制角度,将该偏移量传送到角度变换器11。在旋转模型10中,滑差频率通过负载电流wil和实际磁场计算得到,定子频率1可以通过滑差频率和实际速度相加得到,该频率也是通过脉冲模式发生器11传递。脉冲模式发生器从频率和相控因数计算合适的脉冲模式,同样,该发生器还决定电压矢量

11、用于下一个采样步骤的角度位置pulse pattern并将该值送入控制系统。磁场矢量的角度flux加上磁场坐标系统电压矢量的角度位置Ustator必须与电压矢量pulse pattern的电流角度位置相对应,在这些角度位置产生的任何差异将作为一个动态控制校正值传到脉冲发生器12中,该发生器在定子电压曲线中产生一个相应的相位跳变。当在更高的速度时,电机达到控制的限制点Amax,电机过渡到弱磁模式14,在该模式下,脉冲的控制优先于逆变器设定力矩的输入控制,通过实际的相控因数与控制模式限制值比较,再通过PI控制器的计算13,该控制器产生一个变量wim,加到固定的预控制初始值中6a。脉冲模式发生器脉冲

12、模式发生器根据电机控制的三个输入变量：相控因数、定子频率、和校正角实时计算牵引逆变器中的GTO触发脉冲。逆变器每相GTO按照以下的原则触发：在一个GTO导通期间,另一个关断。脉冲模式发生器于是为每相提供了一个叫做潜在调整指令的指令,用于保护当逆变器应该关断而没有关断的时候,该指令迅速导通该相两个GTO来保护逆变器。由于系统散热的原因,逆变器的工作频率GTO的开关频率被限制在450HZ,调制脉冲数在定子频率在30HZ内保持不变,该模式叫异步模式,同步脉冲模式为在每半波周期内有不同的方波数线电压。 9分频,7分频,5分频,3分频,方波。在3分频转为方波的时候为了防止波形幅度变化剧烈有一个过渡过程,

13、由3M转为3S,3M指的是在半个波的周期内输出电压方波导通宽度小于60度,3S指的是在半个波的周期内输出中间电压方波导通宽度大于90度,该变换的目的主要是为了减少逆变器输出电压的谐波干扰。当定子的频率低于30HZ时,逆变器工作在异步模式下,在13-30HZ的工作范围内调制波频率为450HZ,低于13HZ时根据特性曲线载波频率为200HZ,该过程主要是确保在启动时有足够小的电机电压。以下是根据控制和定子频率的脉冲模式表：触发脉冲从脉冲发生器到逆变器保护单元UNAS,通过逆变器设定的保护和禁止功能过滤,以光脉冲信号的形式控制逆变器。为了同步电机控制与逆变器开关周期,脉冲模式发生器在下一个电机控制周

14、期前输出一个同步脉冲,能量反馈在电机的能量反馈中,能量反馈到电网中,如果在电制动的情况下,能量不能被电网完全吸收,多余的能量必须转换为热能消耗在制动电阻上,否则电网电压将抬高到不能承受的水平。制动斩波器的存在确保大部分的能量能反馈回电网,同时又保护了电网上的其他设备。由于采用动车组的编组型式,必须确保一节动车不能吸收另一节动车的制动能量,例如由于电压传感器误差的原因,这时在制动的时候必须监测线电流的方向。如果电流流向列车,线电压传感器的误差通过一个比例积分器来调节。在制动时,电网电压一直被检测,如果网压降到1500V以下,制动力矩随速度和网压相应受限制,不足的电制动由气制动补充,如果网压降到回

15、馈制动的保护值1000V时,电制动切除,列车制动完全由气制动承担。第二节 牵引控制单元DCU及逆变器保护监控单元UNAS牵引控制单元结构XX地铁一号线车辆牵引系统采用德国ADtranz公司开发的GEATRAC交流传动系统,主要由VVVF牵引逆变器、牵引控制单元DCU / UNAS及制动电阻组成。牵引控制单元DCU和逆变器保护单元UNAS设计成一上下两层的机箱,共装有25块电子板。各电子板为标准的193U印刷电路板,使用多层板技术,电子板上的元件采用表面封装SMD或插装DIL。DCU的A314和A315板、UNAS的A329和A330板的前面板上通过Harting接插件48针与外部电路联接。牵引

16、控制单元DCU的基本功能为VVVF提供脉宽调制信号PWM,采用空间磁场矢量控制的转矩控制模式,为牵引电机提供矢量控制。DCU为双微机工作方式,其CPU采用16位中央处理器80C166,工作频率20MHz。主控制微机A304板负责车辆控制和牵引 / 制动控制,处理所有的数字 / 模拟信号,产生相应的控制信号；另一个微机A303板接收主控制微机传送来的控制信号,计算产生VVVF逆变器的脉冲模式,经UNAS保护程序控制GTO的通 / 断状态。整个DCU系统的局部总线采用ADtranz设计的专用GERTRAC总线,连接主控制单元A304板、 速度信号处理和中断控制模块A305、A306板、 PDA数据

17、存储模块A307板。牵引系统的控制与调整；脉冲模式的产生与优化；VVVF与牵引电机的控制与保护；对列车状态的监测与保护；HSCB高速断路器、K1和K3和K4接触器及车门的状态、气制动缓解、牵引/制动、列车向前/向后及慢行等。再生制动与电阻制动的控制与调节；电制动与气制动的自动转换及列车保压制动的实现；防滑/防空转保护及载荷调整；逆变器线路滤波电容器的充放电控制；列车速度的获取与处理及自动计算停车距离；列车牵引控制系统的故障诊断与存储；为其它控制系统提供列车状态信号；提供串行接口与PTU连接,进行监测与控制；提供黑匣子功能；0 470s,记录U、I、V、列车状态、走行距离。提供看门狗功能。DCU

18、的基本工作原理DCU主要负责牵引 / 制动控制、脉冲模式产生、逆变器保护、速度测量、牵引 / 制动指令参考值处理、转矩控制、电压电流控制等。DCU从列车线和外部控制系统ATO接收司机指令及RVC牵引 / 制动参考值转换器的指令参考值,接收本车的3个电机速度信号、拖车的一个转轴速度信号、各个模拟信号测量值,根据参考值和实际检测值进行计算,脉冲模式发生器A303板产生脉冲模式指令信号PMA、PMB、PMC、PMBS,送入逆变器保护单元UNAS处理后再向VVVF的逆变模块和制动斩波模块发出；为了故障和状态显示的需要,DCU的3个等级的故障信号和3个列车模拟信号值速度、网压、牵引力输出到中央故障存储单

19、元CFSU；为了满足列车制动的需求,向电子制动单元ECU输出3个电制动信号电制动力矩、电制动正常、滑行保护作用；UNAS向DCU提供牵引电机控制所需的所有测量值如电机电流、电容电压等,及UNAS的保护动作信息；VVVF内的线路滤波电容由DCU直接控制充放电；通过一个V24接口,可用PTU读取过程数据存储器PDA和黑匣子KWR中的数据。DCU的软件主要分为车辆控制软件、牵引 / 制动控制软件和故障诊断软件等。牵引/ 制动控制软件主要分为几个模块：线路电容器充放电控制模块、牵引/ 制动指令参考值处理模块、转矩矢量控制模块、电阻制动控制模块等。线路电容器充放电控制模块控制充电接触器K3、放电接触器K

20、4和线路接触器K1的动作及电容器的充放电。该模块在软件和硬件中均设有联锁,保证K3和K4不会同时闭合,以避免主电路短路。牵引/ 制动指令参考值处理模块DCU接收输入的牵引/ 制动指令、方向指令、限速指令及指令参考值等,在牵引/或制动工况下对参考值进行转矩特性调整,使转矩参考值与车辆的牵引/ 制动转矩特性相适应,并经过冲击极限、最大速度限制、最大线电流、防滑/ 防空转粘着保护计算等,形成最终的牵引/ 制动转矩参考值,传送到转矩矢量控制模块。转矩矢量控制模块转矩控制采用矢量控制模式,基本思想是将交流电机等效为直流电机,按直流电机的控制理论来实现对交流电机的控制,以获得与直流电机一样的良好动态特性。

21、应用坐标变换方法,根据电机的相电流、线电压和转速,通过磁场观测器,计算出电机转子的实际磁场矢量、实际转矩等。通过矢量变换,实现对异步交流电机转速和磁场的完全解藕,控制电机的转子磁场。转矩矢量控制模块是DCU控制软件中核心部分。电阻制动控制模块列车制动时,一般优先进行再生制动。该模块检测电容电压XUD,一旦超过设定值1800 V,由再生制动转入电阻制动,并计算制动斩波器的开通占空比,输出斩波器通断指令信号。故障诊断软件对DCU/ UNAS、VVVF及各种外围设备的故障进行诊断,将故障数据记录在处理数据存储单元PDA中。UNAS的基本功能逆变器保护单元UNAS负责VVVF牵引逆变器的保护,与DCU

22、一起组成车辆的牵引 / 制动控制系统。UNAS处理DCU的脉冲模式发生器A303板产生的脉冲模式指令信号和控制微机A304板发出的使能信号,转化成各个GTO的通断指令；通过控制GTO的通断,在VVVF工作的过程中进行保护软保护,防止电过载和热过载,及实现相模块中GTO的联锁逻辑保护；UNAS与GTO之间的开关指令和通断状态反馈信号的传输采用光纤以防止电磁干扰,在有GTO通断故障时,实施与电源的隔离；向DCU发出线路接触器K1分断指令；UNAS的诊断微处理器存储保护动作信息,可用PTU经RS232串行接口读取存储的数据；另外,UNAS通过4根故障信号线可向DCU发送16个故障信息代码,存入过程数

23、据存储器PDA中。在UNAS的中央处理诊断板A325面板上提供了与PTU通讯的串行接口,可对VVVF和UNAS进行监测。对VVVF逆变器进行监测与保护；电压电流保护、温度保护,分为3级。为GTO进行脉冲分配；电压电流的获取值处理；将LEM传感器输出的0 20 mA电流值转换成 -10 +10V电压信号送入DCU。对VVVF进行初始化开钥匙后,UNAS启动板向GTO发出：关断 导通 关断 导通指令800ms,否则发出严重故障信号。监测GTO开/关状态；VVVF及UNAS本身的故障诊断及存储；DCU的PCB插件板功能描述DCU的PCB板A303 中央控制板、脉冲模式发生板A304 中央处理板、控制

24、 / 调整 / 监测板A305、A306 速度信号处理和中断控制板A307 PDA数据存储板A308 测量值调整板A309 温度测量及U/I转换板A310 PWM指令参考值处理板A311、A312 输入信号调整板A313 输出信号调整板A314、A315 输入 / 输出接口板DCU工作方框图 GEATRAC 总线 GEATRAC 总线 速度 速度 信号 信号 指令值 模拟测量值 数字信号 数字信号 输入 模拟信号 110V列车线 110V列车线 输出 A303A307A306A305A304A303A307A306A305A304A310A310A313A311A312A308A309A313

25、A311A312A308A309A301、A302、A321、A322电源板A301板： +24V / 50WA321板： 24V / 50W 24 V电源供给LEM电压电流传感器、压力开关。当无 24 V电源时,DCU本身能工作。A302板： 15V / 60W,供给速度传感器、光纤插头转换器。A322板： +5V / 80W,供给DCU的CPU板。A303CE1中央控制板、脉冲模式发生板A304CE1中央处理板、控制 / 调整 / 监测板A303脉冲模式发生板主要组成： 80C166控制微机、6个脉宽调制通道、 10个10位A/D模拟 / 数字变换器0 +5V、 8个8位D/A数字 / 模

26、拟变换器0 +10V、 GEATRACM总线接口、 一个10Mb/s的快速串行通讯link适配模块、 串行接口、 用于模拟信号调整的5V和10V参考电压电源、 32k SMD RAM、8k DIP EEPROM、128k LCC EPROM存储器、 LCA programmable logic component 可编程逻辑单元 。6个脉宽调制通道中的4个用作脉宽发生器,通过transputer link接口与A304板通讯D/A和A/D变换器未使用。LCA集成逻辑块产生中断处理、GEATRAC M控制信号、等待状态。面板上有个9针孔串行接口插座；6个LED显示灯,其中一个为看门狗,闪动频率1

27、.6 s。A304中央处理板组成： 与303板相同。A/D模拟 / 数字变换器测量经过其它PCB板预处理的模拟信号,包括XUN、XUD、XIN、XLAST、WEOEVE、XISA、XISB；D/A数字 / 模拟变换器将数字化的过程模拟信号转换成模拟信号以供测量；通过transputer link接口与A303板通讯；串行接口可用于诊断目的。面板上的9针孔串行接口插座,可用于诊断目的；6个LED显示灯,其中一个为看门狗,闪动频率1.6 s。A303板与A304板的工作通讯DCU启动时,A303板和A304板内的2个CE1微机开始初始化和同步化,对系统进行自检。启动正常完成后,A307板的LED显

28、示器将显示CHECK OK。在每一次时钟脉冲50 ms结束时,A304板向A303板发送信息：逆变器相控因数电机定子频率角度调整脉冲发生器使能A303板根据收到的信息,计算得出所需要的脉冲模式,向A304板反馈信息：现时采样间隔长度当前的电压向量角度变化下个采样点的电压向量角度位置当前脉冲模式的数字代码。由于两个微机之间的通信速率很高,它们之间的通信通过一专门设计的通信模块进行,传输速率达到10Mb/s,实现对VVVF的实时控制。A307A304A303A307A304A303经A310板输入的牵引/ 制动指令参考值需经过以下的限制与调整每50 ms调整一次：载荷调整车辆的载荷由ECU通过装在

29、空气弹簧内的压力传感器获取,并转送到DCU,各个动车的DCU只接受本车ECU的载荷信号。当V = 0 km/h,DCU接收到牵引指令时,将载荷信号值存入作为牵引/制动的校正值。如果未收到ECU的载荷信号,DCU牵引时用AW2的载荷值代替,制动时用AW3的载荷值代替。冲击极限 0.75m/s3空转 / 滑行保护时,或列车紧急制动时,冲击极限的限制不起作用。牵引速度限制3 km/h慢行限速,将最大力矩定为本身力矩的75%；10 km/h限速；80 km/h限速,切除牵引,进行惰行。3种速度限制中,退行10 km/h和慢行3 km/h 2种限速指令来自列车线,80 km/h限速指令由DCU发出。牵引

30、线电流限制每节动车720 A。制动电网电压不足制动期间,如电网电压在1500V以下,根据速度和网压的不同具体值,电制动力矩可能不能满足制动要求,需由气制动补充；如网压降到1000V以下,电制动完全由气制动代替。空转 / 滑行保护空转：牵引力大于粘着力,发生空转的轮对转速大于列车速度。滑行：制动力大于粘着力,发生滑行的轮对转速小于列车速度。列车的实际速度由A车轮轴上速度传感器提供,与动车上的电机速度信号分别比较,判断轮对是否发生空转/滑行。即使在无A车轮轴的速度信号时,DCU仍可采用对3个电机速度信号的计算值,作为列车的实际速度。由于一号线车辆是一节动车的一台VVVF逆变器并联向4台牵引电机供电

31、,当DCU监测到任一轮对出现电制动滑行时,会向VVVF发出降低电制动力的指令,使本车的4个轮对的制动力矩同时下降,待滑行消除后再恢复。电制动严重滑行时,如果粘着力 50% 超过3s,DCU将切除电制动,由ECU补充气制动。A305和A306速度信号处理板组成： 可编程中断控制器、 2个U/ f电压模拟信号输入端用于电压测量、 2个转速测量器、 可编程测量参考脉冲,可达20 MHz、GEATRAC -M总线接口。可编程中断控制器将10个中断信号合成一个共用中断,经GEATRACM总线传送到A304中央控制板；2个电压输入测量端的U / f转换器和计数器串联,将VVVF的输出线电压XUAB、XUB

32、C转换成正比于电压值的频率信号,经GEATRACM总线传送到A304中央控制板；转速信号经可编程测量参考脉冲重复记数,确定出转速,而且还测出方向及旋转角。处理完的速度信号也经GEATRACM总线传送到A304中央控制板。如果检测出输入的转速信号两相中一相有错误,将转换到单相测量。每次DCU启动后,第一次接到牵引指令列车运行时,如检测到某个轴的速度传感器故障,即将该速度信号切除,DCU再次启动后重新检测。A305板： 处理第1、3轴电机速度传感器信号N1、N3。A306板： 处理第4轴电机和拖车速度传感器信号N4、NLA。A307 PDA数据存储板PCB板有2个存储区,分别有多个RAM、EPRO

33、M和EEPRROM存储器,用于过程数据存储器PDA和黑匣子KWR的列车状态和故障信息存储。在列车停电后,由自带的电池供电,保证数据能够保存下来及让时钟继续工作。A304板的CE1微机处理完的信息和列车状态存入A307板。PCB板的元件还包括一个可编码的实时时钟、2节3.6V / 1.9A锂电池、带写保护的PAL地址解码器、内部电压监测模块。面板上有一个V24接口、2个4位数的LED显示器、2个10位数的选码开关和2个功能键。操作选码开关和功能键可进行一些参数的设定如日期、时间等,查看牵引系统的故障信息代码,实时观察列车的状态和变量值,读取一些信号参数的记录值,完成牵引系统的部分检测试验。PCB

34、板内装一个写保护逻辑元件硬保护。逻辑元件保护存储的数据不被非规范写入,数据只能以固定的模式存入存储器中。写保护逻辑必须在每写入一个字节之前打开,因为CC85总线系统每写入一次后自动重新启动写保护,这对PDA或者其它卡都是一样的。A308测量值调整板组成： 10个差值放大器difference amplifier、 10个加数器。差值放大器的转换比为3.9347.5 k:12.1k,加数器的作用是补充消去输入信号的负值部分。一个加数器和一个放大器串联,加上滤波电容,组成一个转换通道,共10个通道。将UNAS送入的-10 +10 V模拟信号 XUN、XUD、XIN、XISA、XISB转换成0 5

35、V的信号后,送入A304板,因其A / D模拟/ 数字变换器只能处理0 5 V的信号。所有放大器的输出电压值可从PCB面板上的测试插孔测得。另外在面板上还有5个10 k的测试插孔,可用于模仿输入电压信号。A309温度测量及U / I转换板组成：8个由Multiplexer控制开通关断的输入端,其中6个用于Pt100电阻计的温度测量,2个电压电流测量输入端；4个U / I电流 / 电压变换器接口传送0 20 mA范围的电流信号。电路板的Pt100电阻计一般测量牵引电机温度,在一号线车辆未使用。电压电流测量输入端将测量值的幅值变换后,传送到微机系统的A / D变换器。U / I转换：将UNAS送入

36、的 -10 +10 V电压信号 转换成 4 20 mA电流信号,输出到CFSU或ECU。XUN电网电压VIST列车速度 KLIP CFSUXZUG实际牵引/制动力矩XMD电制动力矩 本车及A车ECUXZUG信号数值：牵引 100 KN 0 KN 0 8 12 20 mA 100 KN制动A310 PWM指令参考值处理板将400 Hz、60V、脉宽占空比7.5 44.1% 的VV脉冲信号转换成0 5V的电压信号,送入A304板。DCU监测脉冲频率应为400 + 40 Hz,否则发出故障信号。在列车牵引期间,若VV信号发生故障,列车将转为惰行；在列车制动期间,若VV信号发生故障,DCU将制动需求值

37、设定为100%。处理板包括的元件：一个电隔离VV信号变换器,将400 Hz / 60V信号转换成400 Hz / 15V；一个F / V频率/ 电压变换器,将400 Hz 信号转换回模拟值；一个功能发生器,在电机电流控制 即转矩控制的车辆情况下,将线性输入变量与电机电流 / 牵引力适配；一个运行状态检测operating mode detection逻辑元件,检测列车是否由几个同样的车辆单元组成；或在多单元列车组成的情况下,检测是否需要对其它车辆的特性调整。将通过一个状态发生器characteristic generator从外部确定车辆特性状态；一个监测400Hz信号的逻辑元件；一个差值放大

38、器,如需要时由运行状态检测逻辑元件决定,与由状态发生器输入的信号一起,输出最大选择值。A311、A312输入信号调整板每块PCB组成：12个光藕电隔离转换通道、12个LED指示灯、12个面板测试插孔。将输入DCU的110V、60V、24V数字信号经光藕隔离器U1U2转换成5V,再送到中央控制板A304板。每块板上有12个通道,可处理12个信号,通过面板上的LED指示灯显示通道状态。对每个输入信号而言,除了得到一个同相的直接输出外,还可通过变换器得到一个反相的输出,即输入信号为1,直接输出为1,反相输出为0,面板上LED指示灯亮。110V5V在面板的测试插孔施加0 V或5 V电压,可模仿输入信号

39、控制输出反相,而实际的输入信号此时不发生作用。A311板： BSLF 3 km/h慢行指令 BV10 10 km/h限速指令 IDIFF1 差动电流大于1 A信息 IDIFF2 差动电流大于50 A信息 TSYNC 时间同步信号TSYNC：列车上有5个微机控制系统,为了列车上5个微机控制系统的时钟一致,满足故障记录和分析的需要,CFSU向各微机系统发送TSYNC信号对时。每天11 59 57,发送3 s脉冲；每小时的5959,发送1 s脉冲。IDIFF1、IDIFF2：如1500VDC电源进入和流出VVVF电流的相差过大,VVVF中的电流差动继电器U4发出IDIFF信息,可能是VVVF内部局部

40、对地绝缘电阻值小,电流从该处对地泄漏。 K2 1500 V U4 IDIFF1 110 V IDIFF2 110 V当差动电流 1 A,时间超过1 s,U4向DCU发出IDIFF1信息,DCU只是作为一个事件event存入PDA。当差动电流 50 A,时间超过20ms,U4向DCU发出IDIFF2信息,必要时将由继电器U4而不是DCU直接触发反应行动,。A312板： BF 牵引指令 /BB 制动指令 /BSB 快速制动指令 来自司机 /BNB 紧急制动指令 控制器 BF1 方向1指令前行 BF2 方向2指令后退 QNS K1闭合信号 QVS K3闭合信号 来自VVVF QES K4断开信号 Q

41、SS HSCB闭合反馈信号 MBG列车所有气制动缓解信号不包括停车制动 FNS 线路接触器K1使能信号只有FNS为1时,线路接触器K1才能闭合,FNS = 1的条件：无紧急制动；车门关好；方向指令BF1或BF2为1。MBG信号发出的条件是：6节车的全部气制动缓解,串联的每节车上一个的2K54继电器全部闭合。 A车 B车 C车 C车 B车 A车 110 V 旁路开关 MBG B车 C车 C车 B车 DCU DCU DCU DCU快速制动可以缓解,此时司机控制器的主手柄应先回到牵引位或惰行位。如果主手柄只是回到常用制动位,则仍维持空气制动,直到停车。A313输出信号调整板通过微型继电器,将DCU的

42、5V 数字信号隔离转换成110V或24V,输出到列车其它设备,共12个通道,通过面板上的LED指示灯显示通道状态。 5V 110V 微型继电器每个通道的输出微继电器都可由面板上的测试插孔控制,而实际的输入信号此时不发生作用。在PCB板无输入信号时,在测试插孔施加5V电压,可触发微继电器动作。在有输入信号时,测试插孔施加0 V电压,微继电器不动作。ENS K1闭合指令EVS K3闭合指令 VVVFAES K4断开指令BHL 保压制动缓解指令/MSEB 电制动故障信号 ECUMGS 空转 / 滑行信号MEB 电制动好信号 CFSUMV 0 速度 0信号 0.5 km/hMF1 DCU严重故障信号M

43、F2 DCU中等故障信号CFSUMF3 DCU轻微故障信号线路电容器充放电DCU发出AES指令的条件：DCU无故障FNS = 1高速断路器闭合QSS = 1。根据前面所列的FNS = 1条件,列车在激活后启动时,为了安全起见,只有在车门关好,高速断路器闭合,打司机控制器方向手柄后,K4接触器才能得电常闭触头断开,线路电容器开始充电。充电过程：K4AES t QES t t1 80msK3 EVS t t2 = 300ms QVS t t3 80msK1 ENS t t4 400 ms QNS t t5 80msDCU在发出AES指令后的80 ms内应能收到QES反馈信号,否则说明有放电接触器K

44、4不能断开的故障,自动封锁牵引。DCU在发出EVS指令后的80 ms内应能收到QVS反馈信号,否则说明有预充电接触器K3不能闭合的故障。同样地,DCU在发出ENS指令后的80ms内应能收到QNS反馈信号,否则说明有线路接触器K1不能闭合的故障。DCU在发出EVS指令信号500 ms后,电容电压XUD必须大于一定值,否则充电失败。经过大约10 s后,DCU重新发出EVS指令合上预充电接触器,再次开始充电。如失败将第3次充电。由于一定时间内不能多次充放电,若对线路电容器充电连续3次失败,DCU将封锁VVVF逆变器,并发出线路电容器充电次数太多的故障信息。放电过程：与充电过程相反。从线路接触器K1的

45、闭合条件可看出,方向指令BF1和BF2为0、车门打开、高速断路器断开QSS = 0等情况都会使K1断开。另外,若线路电容电压XUD降到750 V以下,或XUD降到1000 V以下超过1 s,或UNAS因过电压而封锁逆变器,K1也会断开。高速断路器HSCB跳断时,K1将延时分断。如在列车紧急制动时,HSCB由UNAS触发立即分断,K1由DCU触发分断,延时100 ms。K1处于断开时,K3也必须是断开的,不允许牵引电流或制动再生电流流过预充电电路,保护预充电电路元件。列车停站时,车门打开,FNS = 0,线路电容器放电。由于列车运营时频繁停站开关车门,为了减小放电接触器K4的工作负荷,DCU先发

46、出指令,开通制动斩波器,通过制动电阻将电容电压XUD降到600V,以确保列车在开门状态下不能动车。此时放电接触器K4的主触头一直处于断开状态,由于并联在线路电容器上的100 K永久放电电阻的放电作用,线路电容器上的电压开始慢慢地下降每秒约降3V。车门关后好,DCU发出EVS指令,K3接触器闭合,在线路电容器剩余电压的基础上开始充电,而K4接触器一直不动作,与列车激活后首次充电不同。保压制动任何一个DCU发出BHL指令,整列车的保压制动缓解。DCUDCUDCUDCUDCUDCUDCUDCUBHL信号ECUECUECUECUECUECUECUECUECU列车启动时,DCU在接收到牵引指令BF =

47、1后,开始建立启动力矩,同时给出保压制动缓解指令BHL即/EHB = 1,以防止列车退行。假如DCU检测到列车退行,则取消此指令,施加保压制动BHL即/EHB = 0。如在5 s之内未能建立启动力矩,或DCU未收到所有气制动缓解的信号MBG = 1,则启动失败终止,DCU给出启动失败信息,必须在取消牵引指令牵引手柄回零位后重新启动。列车制动停车时,DCU在列车速度 128 km/h可调时发出保压制动缓解指令,0.3s后电制动力矩逐步下降,DCU的滑行保护功能由ECU取代,同时气制动力矩建立逐步上升,直到完全代替电制动力矩满足VV指令参考值的要求。如果在列车速度 12 km/h时开始制动,电制动

48、 气制动转换的过程就从制动施加时的速度开始。为了安全的目的,在列车速度 12 km/h时,即使无牵引/制动指令惰行,DCU仍发出保压制动施加指令BHL即 / EHB = 0,保证列车停车后有制动。/MSEB 电制动故障信号在列车制动时,如果电制动力矩的实际值比需求值小得多,或DCU检测到电制动故障,DCU将向ECU发出 /MSEB = 0信息,由ECU补充制动力。MEB 电制动好信号在接收到UNAS输送的MBSB制动斩波器准备好信号时,无论列车处于制动、牵引或者惰行,只要电制动的状态准备好,DCU就会向SIBASKLIP输出MEB信号,用于CFSU的故障诊断。MGS 空转 / 滑行信号如果车辆

49、的防空转/防滑功能发生作用的时间超过1s,牵引/制动力矩下降超过30%,DCU将向ECU发出MGS信号。该信号还能对车辆轮对的粘着系数显示起到使能作用。本车ECU420mA+24V0 本车ECU420mA+24V0 420mAA车ECUDCU所有DCU与外围设备的输入/输出信号经过2个PCB面板上的48针Harting接插件与外部联通,仅做连接过渡作用。A车ECUDCUA314板传送110 V数字信号,A315板传送模拟信号、速度信号、+ 24 V电源和+ 15 V电源。为了避免DCU和ECU之间产生电干扰,在它们之间信号的传输采用隔离放大器进行隔离。UNAS的PCB插件板功能描述UNAS接收

50、由DCU脉冲发生器输出的逆变器三相脉冲模式信号PMA、PMB、PMC和制动斩波器脉冲模式信号PMBS,监测其频率是否超过设定值。在正常情况下,UNAS将脉冲模式转化成各个GTO触发指令,监测GTO的通断状态反馈信号和最小开通/ 关断时间,控制各相桥臂2个GTO之间的联锁并在必要时进行保护。另外,UNAS监测VVVF逆变器和牵引电机的电压、电流及电流上升率,如超过设定门槛值,则执行相应的保护措施。UNAS监测VVVF的模块、线路电容器和线路电抗器及制动电阻中的温控保护开关、风压力开关的动作信号,并执行保护。UNAS中的故障诊断单元处理并记录逆变器和UNAS本身发生的各个事件/ 故障,将信息通过编

51、码的形式传送到DCU,在DCU的故障存储记录板PDA中记录,使DCU及时采取保护措施。UNAS的PCB板A323 接口板A324 联锁逻辑控制板A325 微处理单元、UNAS诊断板A326 测量值处理 / 调整板A327 测量值预处理板A328 启动监测板A329、A330 接口板A323接口板UNAS与DCU的信号接口板。所有UNAS与DCU之间传送的数字信号都经过A323板,数字信号高电平值为5V。在面板上有全部14个信号的LED显示灯。A327测量值预处理板组成： 16个模拟信号放大器通道,每个通道由放大器amplifier、可编程电位器programmable potentiomete

52、r、5 V电压限制器limiter、RC滤波块和负载电阻组成。预处理测量值模拟信号I / V转换,0 20 mA 10 +10 V,分别送入A326板和输出到DCU的308板。模拟信号来自VVVF：XUN、XUD、XIN、XISA、XISB、XISC、XIBS、XUAB、XUBC、XDIWA、XDIWB、XDIWC A、B、C相电流上升率XDIBS 斩波制动电流上升率di/dtIA XDIWAIA XDIWA如果某相电路出现短路时,相电流将急剧上升。UNAS通过测量电流上升率,来检测是否有短路故障发生。A326测量值处理 / 调整板基本组成：不同的模拟量信号比较器comparator通道,输入

53、电压值范围：10 +10V；12个数字量信号转换器converter,输入电压值为 + 15 V或 + 24 V；一个LCAprogrammable logic component即可编程逻辑单元；GEATRAC M总线接口；5个寄存器registers；作用功能：转换器converter处理来自VVVF及制动电阻输入的数字信号,24 V或15V电平信号 5V,送入寄存器；比较器comparator通道首先对经A327板预处理过的测量值模拟信号再次进行处理,10 +10V 0 5V,送入比较器。例：XUD LCA参考值 +990V 比较器比较器comparators将VVVF的电容电压、相电流

54、、制动斩波电流、电流上升率和三相电流之和的实际测量值与保护门槛参考值比较后给出信息,存入寄存器。同时面板的LED显示灯有显示。LCA可编程逻辑单元将比较器通道和转换器按要求的逻辑关系联结起来。数字信号转换器和模拟信号比较器的状态存放在电路板的5个寄存器registers内,通过GEATRAC M总线访问。A324板收到信息后,将按预设程序发出保护动作指令。数字信号：MGSPB GTO门控板电源准备好/MSKF 电子板丢失信息MFSS 三相电流之和不等于0三相电流不平衡信号/MSLUM 逆变器风扇风压过低风压继电器保护动作信号/MPCD 线路电容器压力过大压力继电器保护动作信号/MTND 线路电

55、抗器过热温度继电器保护动作信号/MTWA、/MTWB、/MTWC A相、B相、C相模块过热温度继电器保护动作信号/MTBS 制动斩波器或制动电阻过热温度继电器或冷却风压继电器保护动作信号MGSPB：GTO门极驱动板电源状态监控信息。A101门极电源板 A101门极电源转换板 15V门极驱动板 48V、30KHz门极驱动板 48V、30KHz110V 48V 110 V GTO MGSPB +15 V/MSKF：PCB板丢失的信息。在DCU和UNAS内部,有一个电路线把各插件板联在一起,如有一件没接好,则有此信息给出。 15 V /MSKF/MTND：电抗器上下2个绕组内各装有一个温度继电器,如

56、其中一个绕组的温度 95,继电器的常闭触头断开,/MTNT01,向UNAS发出故障信息。 + 24 V 0 V /MTND/MTWA、/MTWB、/MTWC ：以A相模块为例每个相模块中有4个温度继电器保护开关串联,如有任何一个继电器的常闭触头断开,/MTWA01,向UNAS发出故障信息。 B2 /MTWA T1 B3 + 15 V T2 B1 A101温度监控板 B4 0 VB2、B3 GTO V1、V2管母排温度继电器, 95时继电器常闭触头断开B1、B4 二极管V3、V4散热端温度继电器, 85时继电器常闭触头断开B2、B3直接安装在模块内高电压母排上,分别用隔离变压器T1、T2隔离降压

57、后,变成低压信号输入UNAS。/MTBS：/MTBS信号表示制动斩波模块或者制动电阻过热,在两个部件中共有5个继电器保护开关串联,如有任何一个继电器的常闭触头断开,/MTBS从01,向UNAS发出故障信息。 + 15 V B5 B6 B2 /MTBS B1A101温度监控板 B4 0 VB2 斩波模块GTO 母排温度继电器B1、B4 斩波模块二极管V3、V4散热端温度继电器B5 制动电阻强冷风道风压继电器B6 红外线温度继电器,监测制动电阻片温度测量值模拟信号：XUN、XUD、XIN、XISA、XISB、XISC、XIBS、XUAB、XUBC、XDIWA、XDIWB、XDIWC A、B、C相电

58、流上升率XDIBS 斩波制动电流上升率di/dtIA XDIWAIA XDIWA如果某相电路出现短路时,相电流将急剧上升。UNAS通过测量电流上升率,来检测是否有短路故障发生。A324联锁逻辑控制板基本组成4个LCA programmable logic component 即可编程逻辑单元D16、D19、D22、D25,分别负责VVVF逆变器A、B、C相和斩波器的监测保护；一个LCA D13,合成4个LCA的功能,负责整个逆变器的监测保护；6个6个寄存器registers；GEATRAC M总线接口,负责扫描当前的保护动作数据；主要功能DCU送入UNAS的指令信号除了 /MVK5以外进入A3

59、24板,主要执行2个功能。一是监测逆变器VVVF的状态,必要时封锁GTO触发脉冲指令,或发出高速断路器跳断指令,对VVVF进行保护。A324板通过GEATRAC M总线接收到A326板寄存器中的信息,如有异常其LCA可编程逻辑单元按照预设程序产生保护动作。A324板接收的状态信息和保护动作信息存放在6个寄存器registers内,A325板的CE1微机通过GEATRAC M总线访问,进行诊断后存入它的永久存储器header并向DCU报告。二是负责GTO的脉冲分配及开关状态监测、桥臂联锁逻辑控制。将DCU发出的脉冲模式指令信号附加上最小间隔时间限制后,转化成给GTO的开关指令信号。在A324:X

60、229光电转换插头,电指令信号转化成光脉冲信号,通过光纤传送到GTO的驱动模块。GTO的开关反馈信号传回UNAS。DCU UNAS 15V脉冲指令电信号光信号电信号光信号 GTO门极驱动模块。以A相的LCA为例,D16的主要功能是将A相的脉冲模式PMA加上最小时间限制后,转化成GTO的控制指令BWAV；对GTO的通断频率进行监测和限制；为了避免单相内部短路,对同相的2个GTO相互联锁；监测还包括在允许的时间延迟后GTO对应于开关指令的通断状态。A、B、C相GTO的通断时间限制：最小开通时间tein = 44 3 s单相桥臂联锁时间tver = 60 3s最小关断时间taus = 120 3 s