地铁牵引系统产品的模块化设计

万伟伟 秦建辉 焦毕 邓京

摘 要：介绍了模块化设计的概念，并以新加坡工程维护车为例介绍了模块化设计在产品设计过程中的应用，说明了模块化设计的可行性和重要性。

关键词：模块化设计；牵引系统；逆变器；IGBT；高压电器箱

随着我国城市化进程的不断加快，日益严重的交通问题严重影响着城市的经济建设和运转效率，给人们的工作和生活带来了种种不便与损害。当前，我国城市特别是大城市，传统的道路交通设施已经不能适应快速发展的现代社会的需要，成为制约城市经济发展和可持续发展的主要瓶颈。地铁作为城市轨道交通的一种交通工具，因其具有运量大、速度快、乘坐方便、对环境污染少、占地面积小等优点受到越来越多城市的青睐。

然而，面对当前异常激烈的市场竞争环境，为最大限度地满足客户需求，降低开发、生产及采购成本，提高自己产品的市场占有率，就要求我们地铁产品设计周期更短、可靠性更高，因此，采用通用化、系列化的模块化设计方法是一有效途径。本文将阐明模块化设计的概念，并结合新加坡工程维护车牵引系统介绍模块化设计的思路。

1 模块化设计的概念

1.1 模块、模块化

模块是可组合成系统的、具有某种确定功能和接口结构的、典型的通用独立单元。

模块包含电子模块、结构模块、软件模块，是模块化设计的基础。模块可以是多级模块，也可以分为部件模块和单元模块。

模块化是以产品（系统）总功能为对象，以功能分析为基础，经层层分解建立模块体系，并通过选用模块组合成不同产品（系统）的全过程。

产品的模块化是为了取得最佳效益，从功能、结构等角度对系统进行分解和组合，建立模块系统和对象系统，并运用模块组合成产品，大大缩短了产品设计周期，提高了工作效率。

1.2 采用模块化设计应注意的问题

用模块化设计方法进行产品设计时，对产品应有总体考虑，充分考虑模块的互换性、通用性、兼容性，模块设计时应为今后功能的扩展留有余地。

模块化设计应最大限度采用标准件、通用件，采用已有成熟技术和借用已有模块，并加强接口的互换性，这不仅可减少工作量，还可提高开发的成功率，大大缩短开发周期。对比较重要的或没有把握的模块一定要进行模块验证试验，是否达到设计要求，有缺陷及时修改，少走弯路。

2 地铁牵引系统产品模块化设计介绍

2.1 新加坡工程维护车牵引系统主电路

新加坡工程维护车每台车上分别装有一台牵引逆变器箱、一台高压电器箱、一台制动电阻箱和一台线路电抗器箱，主电路采用了二电平电压型直-交逆变电路，主电路原理图如图1所示。

DC750V电压经过受流器AP、差分电流传感器=11-B10、高速断路器=11-Q01接入高压电器箱，再经过箱内的隔离开关MQS，通过控制充电接触器（KM12、KM22）使其闭合，从而使充电电阻（R11、R21）为支撑电容（C11、C21）充电。充电完成后，控制单元先控制短接接触器（KM11、KM21）闭合，经过一段时间后再控制充电接触器（KM12、KM22）断开，待以上步骤完成后，牵引逆变器就可以起逆变工作了。斩波相和三相逆变电路的功率器件均为IGBT元件。

本原理图中共用到了11个传感器。其中，VH1、VH12和VH22是电压传感器，VH1检查直流网压，VH12、VH22分别检测牵引逆变器内部的中间电压。LH12、LH22、LH13、LH23、LH14、LH24、LH16和LH26是电流传感器，LH12和LH22检测直流输入侧电流，LH13、LH23、LH14和LH24检测牵引逆变器输出侧的电流，LH16和LH26检测电阻制动斩波电流。

通过对主电路的拓扑结构和功能进行分析，把电路划分为四块更有利于模块间的匹配和连接，形成产品系列。对于线路电抗器箱和制动电阻箱，由于每一电抗器单元和制动电阻单元的体积较大，而且制动电阻单元还需要强迫风冷散热，所以，综合考虑，将电抗器和制动电阻分别做成一个箱体更有利于产品部件标准化、通用化。

2.2 牵引逆变器箱的模块化设计

按模块化设计思路，新加坡工程维护车牵引逆变器总体结构按功能划分为2个IGBT变流器模块、DCU传动控制单元、骨架总成单元和辅助功能单元，如图2所示。

其中，2个IGBT变流器模块采用IBCM60G1型模块，每个模块集成了8个IGBT元件，作为三相逆变器的三相桥臂及过压抑制斩波桥臂，并集成了热管散热器、温度传感器、复合低感母排、门控单元、门控电源、脉冲分配单元、支撑电容器等，具有走行风冷、无吸收电路、结构紧凑、体积小等特点，是一个结构紧凑、功能相对独立的模块，其外形如图3所示。每个模块分别驱动同一车辆不同转向架的1、2位和3、4位2台并联的异步电动机。当其中一个变流器模块故障时，另一变流器模块依然能正常工作，能进行1/2动力损失模式运行。

IBCM60G1型模块的设计主要以三相逆变、斩波功能为主体，采用了組合设计方法，为实现主体功能划分成不同的功能单元，有利于设计的简化。为实现IGBT元件之间的连接和控制使用了复合低感母排、门控单元和门控电源；脉冲分配单元是模块与DCU传动控制单元之间的信息连接通道；热管散热器和温度传感器是为满足IGBT元件的散热和保护要求而设计的；由于支撑电容器体积大、结构布局不好安排，且支撑电容与三相逆变、斩波电路也有电气连接，故将支撑电容器集成到模块中，使模块结构更加紧凑，更有利于牵引逆变器箱体的结构布局。

IBCM60G1型模块在设计之初已经考虑了容量的通用问题，所以在DC750V直流输入牵引系统中均可借用。模块中使用的功能单元如复合低感母排、热管散热器、温度传感器和支撑电容器均可借用，门控单元、门控电源和脉冲分配单元可根据IGBT元件的型号、厂家不同而做不同的配置。

IBCM60G1型模块分解为复合低感母排、门控单元、门控电源、脉冲分配单元和热管散热器等不同的功能单元后，使问题更加具体化，不同领域的开发人员可针对相关领域的具体问题进行设计，更有利于开发人员群体并行作战，最大限度地缩短了开发周期，提高新产品开发成功率，降低开发风险和费用。

DCU传动控制单元主要负责控制逆变器并与列车通讯，采用直接转矩控制，其特点是动态响应快、控制简洁高效、牵引力变化平稳。根据模块化设计的思路，DCU机箱采用标准的6U插件箱，按功能不同配置不同插件，可分为开关电源、数字入出、系统管理与通信、脉冲转换和电机控制等单元，实现软硬件模块功能相对独立。辅助功能单元包含传感器、固定放电电阻、滤波组件和电连接器，按照平台的结构布局，已合理地放置在相应的位置。对应直流输入不同的牵引系统，传感器和固定放电电阻的电器参数和型号不同、滤波组件和电连接器的型号相同，所有辅助功能单元器件的电气、机械接口已经做到了统一，大大缩短了结构设计周期。骨架总成单元采用平台产品结构（上海地铁一号线），各功能单元的布局与平台产品相同，从而大大缩短了结构设计的时间，牵引逆变器的布局结构如图4所示。

2.3 高压电器箱的模块化设计

新加坡工程维护车高压电器箱内装有2套充电短接、放电、续流单元，分别为2个IGBT变流器模块提供预充电回路、实现短接功能。同时，考虑到系统分配给箱体的设计空间、元器件尺寸、可维护性和功能等因素，我们将高压电器箱主电路划分为续流充电组件（M1、M2）、短接接触器组件、隔离开关（MQS、MQS11、MQS21）、压敏电阻（F1）4个部分，其中，续流充电组件和短接接触器组件做成了模块，主电路如图5所示。

续流充电组件主要是根据功能来划分的，将充电接触器（KM12或KM22）、充电电阻（R11或R21）、阻尼电阻（R12或R22）、放电电阻（R13或R23）和续流二极管（V11或V21）集成在一块安装板上，合理布局，将大线和控制线尽量分开，避免干扰，使用了端子排和插拔方便、可靠的电连接器，使接线更加简化，大大节约了制造、管理、维护的时间，其外形如图6所示。

由于短接接触器（KM11、KM21）体积大、比较重、一般采用母排连接，同时考虑到器件的对外接线，故将两个短接接触器安装在一个飞机架上，作为一个组件，方便布线，有利于整个箱体的器件布局，其外形如图7所示。

此外，高压电器箱还将接触器（KM11、KM21、KM12、KM22）的控制继电器集成为一个模块，在模块上用上了插拔方便的电连接器，提高了箱体的可维护性。

通过采用模块化设计，高压电器箱内的器件布局更加合理、空间利用率更高、维护更加方便，且此次设计的模块可根据其他项目的实际情况借用或做少量修改重复使用，大大缩短了设计时间，减少了产品的生产管理成本，提高了产品在市场上的竞争力。

3 结论

随着日益激烈的地铁市场竞争，模块化已成为企业竞争的必备技术。模块化设计是解决企业产品标准化、通用化的可行方案，可大大缩短研发周期、降低生产管理成本。行业中的模块化实际上就是行业的标准，谁在竞争中取得制订行业标准的能力，谁就在竞争中占领了制高点！

参考文献：

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[5] 童时中.模块化的概念与定义[J].电力标准化与计量，1995（4）.

作者简介：万伟伟（1984-），男，工程师，现从事牵引变流装置的研究开发工作。