專利名稱：新型架空高速列車的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
1.電力領(lǐng)域主要包括電能傳輸及其變換技術(shù)。
2.電子領(lǐng)域主要包括列車控制及通信技術(shù)。
3.機械領(lǐng)域主要包括列車結(jié)構(gòu)及軌道結(jié)構(gòu)。
4.建筑領(lǐng)域主要包括架空軌道支承架及停車站。
背景技術(shù)：
目前運行的高速列車主要有兩種，其工作原理及性能如下1.高速磁懸浮列車磁懸浮列車是利用直線電機的原理把電機三相定子繞組沿軌道直線展開，整列列車就象電機轉(zhuǎn)子一樣，無需與定子有任何接觸就可以獲得感應(yīng)電流，從而產(chǎn)生足夠大的“浮力”和牽引力。這種設(shè)計的優(yōu)點是(1)可以去掉磨擦力和有利于減小空氣阻力，提高效率。(2)有利于高速行駛，時速度可達500Km。(3)具有良好的的起動和制動性能。(4)可以去掉象架空接觸網(wǎng)、受電弓之類的設(shè)備，減少受電設(shè)備開支。缺點是(1)沿軌道鋪設(shè)長距離、大容量、低電壓的三相定子繞組需要花掉龐大的資金。(2)為了確保列車的安全浮起，需要花費較大的資金以確保供電的可靠性。(3)由于磁懸浮列車浮起的高度很小，而且裸露的定子鐵芯所產(chǎn)生的強大磁場極容易吸附周圍的磁性物質(zhì)，因此，其對路面的要求特別高，需要行駛架空軌道。(4)由于列車單位長度的重量較重，架空軌道的建設(shè)也是一筆龐大的開支。(5)沿軌道產(chǎn)生三相交變磁場(即移動磁場)需要較多很復(fù)雜的控制設(shè)備。
由于列車高速行駛時空氣阻力也是主要因素，雖然高速磁懸浮列車在減小阻力方面是一大優(yōu)點，但這些優(yōu)點與其龐大的投資相比卻顯得微不足道。由于高速磁懸浮列車一次性投資過于龐大，其所表現(xiàn)出的優(yōu)點也并不十分明顯，而且維護成本也相當(dāng)高，因此，在現(xiàn)時階段發(fā)展高速磁懸浮列車沒有任何商業(yè)價值。
2.目前商業(yè)營運的高速列車目前商業(yè)營運的高速列車時速一般在300Km左右，這種高速列車以電能作為動力，通常采用120度換相方式以25KV的電壓實現(xiàn)單相輸電，通過架空接觸網(wǎng)、受電弓使列車獲得電能，利用GTO(可關(guān)斷晶閘管)變頻技術(shù)使異步電動機獲得所需的三相電源，從而驅(qū)動列車高速行駛。這種設(shè)計的優(yōu)點是(1)由于沿用傳統(tǒng)的地面軌道，所以軌道的建設(shè)相對其它高速列車軌道較為節(jié)省投資。(2)由于GTO變頻技術(shù)比較成熟，而且三相異步電動機的工作非?？煽?，無需維護，因此，整列列車的結(jié)構(gòu)較為簡單，建造費用較低，而運行的可靠性又非常高，維護成本較低。這種列車的主要缺點是在電能傳輸系統(tǒng)，其表現(xiàn)為(1)由于電能的傳輸采用交流供電方式，雖然供電可靠性有所提高，但供電容量和傳輸距離受到較大限制，使得沿線供電站較多，增加了投資和供電損耗。(2)由于采用單相方式輸電，即使采用120度換相，但仍然會對供電系統(tǒng)產(chǎn)生較大的三相不平衡，不利于電力系統(tǒng)的安全運行。(3)由于架空接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)太復(fù)雜，過載能力、抗臺風(fēng)能力、抗震能力較差，使得架空接觸網(wǎng)的建造費用和維護費用相當(dāng)大，可靠性較差。(4)由于軌道大部分都是沿地面鋪設(shè)，占地面積較多，一方面不利于高速列車的安全行駛，另一方面也不利于其它橫過馬路的建設(shè)。(5)由于該種列車的牽引力和制動力要依賴“輪-軌”之間的摩擦力，因此，其起動性能和制動性能相對差一點。
這種高速列車目前在日本、法國等一些發(fā)達國家應(yīng)用較為普遍，雖然這種高速列車有很多優(yōu)點，但總體投資也相當(dāng)高，不利于普及推廣。

發(fā)明內(nèi)容
這種新型架空高速列車是一種新概念列車，既包含有上述兩種高速列車的很多優(yōu)點，在技術(shù)上和模式上也進行了大量創(chuàng)新。它的特點是效率高、服務(wù)質(zhì)素好，而且可大幅度降低總體投資，非常實用和易于普及推廣。
這種設(shè)計的原理和優(yōu)點是(1)為了使高速列車有一條安全暢通的軌道，這種列車和磁懸浮列車一樣以架空軌道的方式行駛。(2)為了大幅度降低架空軌道的投資，將列車單位長度的重量降低到正常列車的四分之一左右，這樣，列車的長度需要增長四倍以上(即約800米以上)。(3)利用列車特別長的特點，可實現(xiàn)“接力式”供電。所謂“接力式”供電，是指在列車底部的左右兩側(cè)分別安裝兩條(即正、負(fù)極各一條)800米以上的高壓導(dǎo)電母線，并在母線上裝上碳刷，當(dāng)列車跑動的時候，這段移動母線就象接力跑一樣，通過母線上的碳刷不間斷地接通所到之處的高壓導(dǎo)電銅板(每隔800米安裝一組銅板，銅板長度約20米，銅板與“+/-20KV”直流供電網(wǎng)接通。參看圖1、圖3、圖4、圖18、圖19)，從而使這兩條母線在任何時刻都能保證至少有一點與(+/-)20KV直流供電網(wǎng)接通。這種供電方式可省去結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性差、價格昂貴、維護成本極高的架空接觸網(wǎng)，從而可大幅度降低供電系統(tǒng)的投資費用，并且可以提高供電的可靠性。(4)電能的傳輸采用(+/-20KV)直流供電方式，這樣可實現(xiàn)電能的大容量、長距離輸送。一方面可減少沿線的供電站，有利于進一步降低總體投資，另一方面又不會對供電系統(tǒng)造成三相不平衡的應(yīng)響。(5)列車采用IGBT變頻技術(shù)將(+/-20KV)直流電變成(0-400V/0-60Hz)的交流電用于驅(qū)動三相異步電動機。由于IGBT(高壓絕緣柵雙極型晶體管)具有體積小、重量輕、可關(guān)斷、頻率高等優(yōu)點，使得整列列車的車身可以設(shè)計得特別細長，一方面可有利于減小空氣阻力，另一方面可有利于列車的流水線式的裝配和制造，降低生產(chǎn)成本。(6)整列列車采用每排一乘客的獨立單元方式設(shè)計，大大地提高了服務(wù)質(zhì)素。(7)列車靠“輪—軌”齒合的方式(見圖3、圖20)獲得前進的牽引力和停車的制動力，因此，列車也同樣具有良好的起動和制動性能。
這種列車的缺點是(1)由于列車的長度太長，因此需要花費較多的資金用于興建較大的橢圓形停車站(見圖23)。(2)由于列車采用每排一乘客的獨立單元方式設(shè)計，因此需要增加較多的附屬設(shè)備，列車的總重量會有較大的增加，因此需要較大的動力才能達到更高的速度。(3)由于列車的長度太長，因此列車在控制方面的投入也會相應(yīng)增加。
這種新型架空高速列車與上述兩種高速列車相比，在軌道系統(tǒng)和電能輸送系統(tǒng)方面具有明顯的優(yōu)點，而這兩大系統(tǒng)的投資在整個系統(tǒng)中所占的比例最大，因此可大幅度降低總體投資。在列車系統(tǒng)方面，三種列車各有特點，投資相當(dāng)，沒有太大明顯的差異。在停車站系統(tǒng)方面，這種新型架空高速列車的停車站系統(tǒng)的投資最大，但相對總體投資來說，其所占比例不大。綜上所述，在目前階段發(fā)展這種新型架空高速列車具有無限的前景和極高的商業(yè)價值，非常適合疆域遼闊、地形復(fù)雜的國土上行駛。
這種新型架空高速列車具有如下的性能參數(shù)1.行駛方式沿架空軌道以輪軌齒合方式行駛，軌道與地面的高度約4--6米。
2.動力來源以電能作為動力，主要來源于地方高壓供電網(wǎng)(110KV電網(wǎng))。
3.供電方式以(+/-20KV)直流輸電方式將電能從地方電網(wǎng)送到高速列車上。
4.受電方式高速列車通過滑動碳刷獲得(+/-20KV)直流電源。
5.變頻方式高速列車?yán)肐GBT變頻技術(shù)將(+/-20KV)直流電源變成(0-400V/0-60Hz)的交流動力電源。
6.驅(qū)動設(shè)備以三相異步電動機(45KW/臺)作為動力驅(qū)動單元。
7.動力分布動力驅(qū)動單元以均勻分布方式沿整列列車布置。
8.列車尺寸分為兩種固定模式，即長模式和短模式。
長模式長--寬--高1250米--1.1米--1.65米。
短模式長--寬--高830米--1.1米--1.65米。
9.額定功率長模式13500KW，短模式9000KW。
10.行駛時速400-500Km/h。
11.額定載員長模式全坐552人，全臥414人。
短模式全坐368人，全臥276人。
12.單位重量列車平均單位長度重量約為560Kg/m。
13.控制方式微機控制。
14.服務(wù)對象以載客為主。
四

為了說明這種新型架空高速列車的基本原理，把整個系統(tǒng)分為六大部分，即系電能傳輸系統(tǒng)、列車系統(tǒng)、控制和通信系統(tǒng)、架空軌道系統(tǒng)、停車站系統(tǒng)、其它附屬系統(tǒng)。下面逐一說明《一》電能傳輸系統(tǒng)(圖1、圖2)電能傳輸系統(tǒng)是指電能從110KV地方電網(wǎng)傳到高速列車的動力馬達而涉及到的所有電力設(shè)備，包括一次高壓設(shè)備(見圖1、圖2)和二次保護、控制設(shè)備(圖中未畫)。
從圖1可見，電能傳輸系統(tǒng)是采用“交—直—交”方式，即系先將110KV交流電變成(+/-)20KV的直流電，然后經(jīng)輸電線路等設(shè)備傳到列車上，再經(jīng)車上的IGBT變頻裝置等設(shè)備變成(0-400V/0-60Hz)的交流電，用于驅(qū)動三相異步電動機。
1.高壓設(shè)備(是指電能在傳輸過程中所經(jīng)過的設(shè)備)1.1 110KV地方供電網(wǎng)高速列車的電能來源于110KV地方供電網(wǎng)，當(dāng)然，在某些特殊情況下，高速列車的電能也可以來源于220KV地方供電網(wǎng)，但投資要貴很多。地方供電網(wǎng)，一般都具備雙母線，圖1是一種典型的供電結(jié)線模式。
從圖1可見，110KV地方供電網(wǎng)的設(shè)備包括I母、II母。隔離刀G11、G12、G13、G21、G22、G23。斷路器DL1、DL2。用于保護的PT、CT(圖中未畫)。
1.2 高速列車供電站高速列車供電站的功能是降壓、整流、逆變、負(fù)荷分配。其設(shè)備包括隔離刀GL、G14、G24、G15、G25、G16、G26。斷路器DL3、DL4。選擇兼極性轉(zhuǎn)換開關(guān)K11、K21。降壓變壓器T11、T21?？煽毓琛罢?逆變”裝置KZ1、KZ2。用于保護的PT、CT(圖中未畫)。
高速列車供電站的結(jié)線模式分為兩種，一種是供電站距地方供電網(wǎng)很近的(見圖1)，另一種是供電站距地方供電網(wǎng)較遠的(圖中未畫)。
在正常情況下，GL為斷開狀態(tài)，兩路電源獨立供電。當(dāng)DL1或DL2檢修時，GL為閉合狀態(tài)。
T11、T21為降壓變壓器，其容量的選擇按架空軌道的數(shù)目和列車密度決定。在圖1中，T11、T21的容量是按四條軌道和每隔25公里一列車的密度設(shè)計的。由于目前IGBT的單管耐壓值較低(約3000V左右)，變頻器的每個橋臂需要很多IGBT管串聯(lián)而成，但過多的管子串聯(lián)使得每個管子的均壓問題很難解決，所以，T11、T21低壓側(cè)的電壓不能太高，選擇30KV較為合適；如果各種條件允許的話，盡可能地提高低壓側(cè)的電壓，減小其輸出電流，降低輸電損耗。T11、T21的二次繞組連結(jié)見圖2。
KZ1、KZ2為可控硅“整流/逆變”裝置，其具體電路見圖2。當(dāng)列車為行駛狀態(tài)時，其工作在“整流”狀態(tài)；當(dāng)列車為制動狀態(tài)時，其工作在“逆變”狀態(tài)。由于目前IGBT變頻器的工作電壓不能太高，因此，KZ1、KZ2采用(+20KV、0V、-20KV)三點式接線，降低其輸出電壓及對地電壓。R0為中性點接地電阻，可降低輸電線路的接地短路電流，對可控硅起保護作用；另外，使接在(+/-)極上的負(fù)載盡量相等，使得正常流過R0的電流為零。在正常情況下，KZ1、KZ2的輸出電壓為(+/-)20KV；當(dāng)天氣變化引起直流輸電線路絕緣降低時，可降低其輸出電壓，確保安全供電。IGCT1、IGCT2為快速保護晶閘管，用于快速切斷短路電流。ZnO為直流式氧化鋅避雷器，用于預(yù)防輸電線路的感應(yīng)雷和直擊雷。I0、U0為電流、電壓變送器，用于測控。
K11、K21為選擇兼極性轉(zhuǎn)換開關(guān)，一方面使可控硅“整流/逆變”裝置能有選擇地向哪一條母線供電，另一方面可改變母線(1M或2M)的正、負(fù)極性，以滿足列車的各種運行方式的需要。
由于采用(+/-)20KV的直流電壓供電，因此，每個供電站的電能輸送范圍可達100公里左右(見圖1)，也就是說，供電站之間的距離可達到100公里左右，具體計算這里不再重述。由于供電范圍大，所以在實際應(yīng)用中比較容易實現(xiàn)。為了降低電能損耗，高速列車供電站盡可能靠近架空軌道。
1.3 110KV交流輸電線路(L1、L2)110KV交流輸電線路的作用是把電能從地方供電網(wǎng)送到高速列車供電站。輸電線路的長短由地方供電網(wǎng)到架空軌道的距離而定，如果距離大，則輸電線路長；如果距離小，則輸電線路短。
1.4 (+/-)20KV直流供電網(wǎng)(+/-)20KV直流供電網(wǎng)的作用是將直流電能輸送到高速列車上。其設(shè)備包括直流輸電母線1M、2M。選擇開關(guān)K1、K2、......Kn。母聯(lián)開關(guān)GM11、GM12、......GM1n。GM21、GM22、......GM2n。固定導(dǎo)電接觸銅板Cu。
為了確保供電的可靠性，采用雙母線(1M、2M)輸電(見圖1)，每組母線由“正(+20KV)”、“負(fù)(-20KV)”極組成(見圖3)。為了降低總體投資，供電母線安裝在架空軌道正上方(見圖18、圖19)。
選擇開關(guān)K1、K2、......Kn的作用是選擇接通哪一條母線，相鄰兩個選擇開關(guān)的距離為800米(見圖1)。為了運行和維修的安全，選擇開關(guān)靠母線側(cè)應(yīng)裝高壓熔斷器，圖中未畫。
母聯(lián)開關(guān)GM11、GM12、......GM1n。GM21、GM22、......GM2n的作用是根據(jù)運行方式的需要將相鄰兩個或兩個以上的供電站分開或并列運行。從圖1可見，母聯(lián)開關(guān)之間的距離約為100公里，由于這段距離太長，如果某小段線路有故障，則會影響整段線路的供電，因此，可在這段線路上再增加兩個分段開關(guān)(圖中未畫)，使得每段距離在35公里左右最為合適，一方面可有利于故障的查處，另一方面更有利于列車的可靠供電。
固定導(dǎo)電接觸銅板(Cu)是與高速列車滑動碳刷(CB)接觸的部分(見圖1)，只有通過它才能把電能傳到高速列車上，其尺寸及安裝結(jié)構(gòu)圖見圖18、圖19。由于固定導(dǎo)電接觸銅板具有結(jié)構(gòu)簡單、易安裝、可靠性高、價格便宜等優(yōu)點。利用它可省去結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性差、價格昂貴的傳統(tǒng)架空接觸網(wǎng)，從而可大幅度降低供電系統(tǒng)的投資費用，并且可以提高供電的可靠性。
1.5高速移動部分的電氣設(shè)備高速移動部分的電氣設(shè)備是指安裝在高速列車上的各種電氣設(shè)備(見圖1)，主要包括高強度鋁合金導(dǎo)電母線(LM)及碳刷(CB)。變頻器BP1、BP2、......BPn。干式變壓器T1、T2、......Tn。馬達控制磁吸KC1、KC2、......KC8。動力驅(qū)動馬達M1、M2、......M8。熔斷器(RD)。
其工作原理部分碳刷(CB)獲得的電能通過高強度鋁合金導(dǎo)電母線(LM)傳到整列列車上，經(jīng)過變頻裝置(BP1、BP2、......BPn。T1、T2、......Tn。)的變換后，把(+/-)20KV直流電變成(0-400V/0-60Hz)的交流電，通過磁吸(KC1、KC2、......KC8)的控制去驅(qū)動三相異步電動機(M1、M2、......M8)。
碳刷(CB)和高強度鋁合金導(dǎo)電母線(LM)的具體結(jié)構(gòu)見圖3、圖4。碳刷(CB)與固定導(dǎo)電接觸銅板(Cu)的接觸情況見圖5。
變頻器(BP1、BP2、......BPn)是整個列車系統(tǒng)的最關(guān)鍵部分。由于列車的車身特別細長，因此，整列列車需由很多變頻器組成，均勻地分布在整列列車上(見圖1)。其中“長模式”列車由36個變頻器組成、“短模式”列車由24個變頻器組成，每個變頻器的功率為360KW，其輸入直流電壓為20KV，輸出交流電壓(經(jīng)變壓器降壓后)為0-400V/0-60Hz。變頻器采用多管(指變頻器每個逆變橋臂)直接串聯(lián)IGBT高壓變頻技術(shù)，其相關(guān)電路見圖1、圖2、圖11、圖16、圖17。
由于IGBT(高壓絕緣柵雙極型晶體管)晶閘管具有體積小、重量輕、觸發(fā)電流小、控制回路簡單等優(yōu)點，因此，功率為360KW的變頻器其體積和重量都較小，非常適合這種“細長型”列車。
由于IGBT晶閘管具有極高的通-斷頻率(約50KHz)，因此，變頻器的輸出波形非常接近正弦波，對于異步電動機的運行和調(diào)速都非常有利。
目前多管直接串聯(lián)IGBT高壓變頻技術(shù)已較為成熟，在很多領(lǐng)域早已開始應(yīng)用。在電力輸送方面，瑞典于1999年11月已應(yīng)用IGBT變頻技術(shù)把(+/-)80KV的直流電變成交流電，變頻器功率達到50000KW。我國成都佳靈電氣制造有限公司生產(chǎn)的IGBT變頻器(無輸入輸出變壓器)的輸出電壓為13800V，輸出功率為450-20000KW，已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、冶金、電廠等行業(yè)。國產(chǎn)IGBT變頻器的輸出電壓(13800V)已很接近本人所設(shè)計的IGBT變頻器的輸出電壓(15000V)。綜上所述，應(yīng)用多管直接串聯(lián)IGBT高壓變頻技術(shù)是完全可行的。
目前行駛的高速列車大多采用單管(指變頻器每個逆變橋臂)GTO中壓(2KV---3KV)變頻技術(shù)，由于GTO(可關(guān)斷晶閘管)的觸發(fā)電流很大，因此，需要很復(fù)雜的觸發(fā)電路和吸收電路，使得裝置的體積和重量都較大；另外，由于GTO晶閘管的通-斷頻率較低，使得變頻器的輸出電壓質(zhì)量較差。
雖然GTO變頻技術(shù)較為成熟，性能可靠，但綜合各項因素還是選擇IGBT變頻器最為合適。
T1、T2、......Tn為干式變壓器，一方面可降低輸出電壓，另一方面起隔離作用。每臺變壓器的容量約為400KVA，其數(shù)目和變頻器數(shù)目一樣多，并且均勻地分布在整列列車上(見圖1、圖2)。
KC1、KC2、......KC8為馬達控制磁吸，控制馬達接通和斷開電源。而馬達的正、反轉(zhuǎn)則通過改變變頻器的相序來實現(xiàn)。
M1、M2、......M8為三相異步電動機，每個變頻器驅(qū)動8臺三相異步電動機(約45KW/臺)，所有電動機均勻地分布在整列列車上(見圖1、圖4)。
2.二次保護、控制設(shè)備(是指用于保護和控制一次設(shè)備的設(shè)備，圖中未畫。)2.1 110KV供電線路(L1、L2)及主變(T11、T21)的保護設(shè)備110KV供電線路及主變(見圖1)的保護裝置分為兩種，一種是輸電線路(L1、L2)較短的保護裝置主保護采用微機差動保護，保護范圍為DL1至DL3、DL2至DL4之間；后備保護采用微機復(fù)合電壓過流保護。另一種是輸電線路(L1、L2)較長的保護裝置主保護采用三段式微機距離和零序保護，保護范圍為輸電線路(L1、L2)，這種輸電線路兩頭都有斷路器和保護裝置；而主變則采用微機差動保護作為主保護，采用微機復(fù)合電壓過流保護作為后備保護。
2.2 可控硅“整流/逆變”裝置(KZ1、KZ2)及(+/-)20KV直流輸電線路的保護設(shè)備可控硅“整流/逆變”裝置及直流輸電線路的保護采用兩種辦法，第一，在斷路器DL3、DL4處裝設(shè)三段式反時限過流保護裝置。第二，利用變送器(I0、I1、I2)所測到的信號去控制IGCT1及IGCT2，對直流輸電線路的短路故障進行快速切除。
2.3 控制設(shè)備控制設(shè)備主要包括(1)所有斷路器、隔離開關(guān)、選擇開關(guān)等設(shè)備分、合閘操作的控制設(shè)備。(2)可控硅“整流/逆變”裝置(KZ1、KZ2)的控制設(shè)備。(3)變頻裝置(BP1、BP2、......BPn)的控制設(shè)備。(4)列車控制和通信設(shè)備。
上述控制設(shè)備具有“就地”和“遙控”功能，具體原理在控制系統(tǒng)說明。
《二》列車系統(tǒng)(圖3-圖10，圖中尺寸只為參考)列車系統(tǒng)是指組成列車的各個單元。從圖10可見，列車由“頭部單元”和若干個“標(biāo)準(zhǔn)單元”組成。而“標(biāo)準(zhǔn)單元”則由1個“公共單元”、12個“動力單元”和23個“非動力單元”組成?？梢哉f，組成列車的最基本單元就是“動力單元”、“非動力單元”、“公共單元”和“頭部單元”。下面逐一說明1.動力單元(是指專為列車提供行駛動力的單元，見圖3、圖4、圖5)1.1 動力單元的工作原理動力單元的工作原理就是把(+/-)20KV的電能轉(zhuǎn)化為列車行駛的機械能。從圖3、圖4可見，其電能傳輸過程如下固定導(dǎo)電接觸銅板(15)→滑動碳刷(14)→高強度鋁合金導(dǎo)電母線(13)→高壓熔斷器(16)→變頻裝置→隔離變壓器→馬達。其機械能傳遞過程如下馬達(3)→大齒輪(4)→小齒輪(5)→側(cè)輪(9)+鋼軌道(10)→列車。
滑動碳刷(14)與固定導(dǎo)電接觸銅板(15)之間的壓力來源于卷舌式彈簧(12)，其具體接觸情況見圖5。側(cè)輪(9)是一種高強度鋼齒輪，列車的動力來源于側(cè)輪與鋼軌道之間的齒合力，鋼軌道(10)的具體結(jié)構(gòu)見圖20。環(huán)氧樹脂高壓絕緣支架(17)內(nèi)部含有增加其結(jié)構(gòu)強度的高強度鋁合金，圖中未畫，參看圖3、圖5。
1.2 動力單元的主要設(shè)備(見圖3、圖4)及其作用動力單元的主要設(shè)備包括<1>高強度鋁合金框架及外殼馬達、隔離變壓器、變頻器等設(shè)備產(chǎn)生的熱量利用馬達冷卻風(fēng)扇產(chǎn)生的循環(huán)風(fēng)通過鋁合金外殼排出車外。<2>轉(zhuǎn)向架用于支承動力馬達和幫助列車拐彎。<3>環(huán)氧樹脂高壓絕緣支架一方面可懸掛高壓導(dǎo)電母線及碳刷，另一方面可將高壓導(dǎo)電母線與外殼隔離。<4>動力馬達為三相異步電動機，共8臺，每臺約45KW，分別安裝在兩個轉(zhuǎn)向架上。<5>變頻裝置每臺變頻裝置的功率約360KW。<6>隔離變壓器為干式變壓器，每臺容量約為400KVA。<7>控制及通信設(shè)備其原理圖見圖11-圖17。<8>大齒輪、小齒輪、側(cè)輪及支承輪。<9>剎車、減震、軸承、轉(zhuǎn)軸等設(shè)備圖中未畫。
1.3 動力單元的長度8-9米，圖中只標(biāo)8米。
1.4 動力單元的總重量約9T。
隔離變壓器1.5T。8臺馬達3.2T。變頻裝置0.2T。控制及通信設(shè)備0.1T。鋁合金外殼及轉(zhuǎn)向架3T。其它設(shè)備1T。
1.5 動力單元的額定功率約8×45KW＝360KW。
2.非動力單元(是指專載乘客的單元，見圖6)2.1 非動力單元的結(jié)構(gòu)說明非動力單元的外形與動力單元的外形(見圖3)基本相同，只是轉(zhuǎn)向架有所差異。從圖6可見，非動力單元分為A、B、C、E、F、G六個獨立間隔，每個間隔的長度約為2米，這是一種模式(全臥)；另一種模式(全坐)是把非動力單元分為A、B、C、D、E、F、G、H八個獨立間隔，每個間隔的長度約為1.5米(這種模式圖中未畫)。每個獨立間隔的有用空間(長—寬—高)約為1.9米(或1.4米)-1米-1.4米。
2.2 非動力單元的主要設(shè)備非動力單元的主要設(shè)備包括<1>高強度鋁合金框架及外殼與動力單元相同。<2>車門及其控制裝置(圖中未畫)每個獨立間隔的兩側(cè)均有車門，采用前后移動的方式進行開門或關(guān)門。<3>座椅(圖中未畫)具備“坐/臥”功能。<4>空調(diào)(圖中未畫)每個間隔具有獨立空氣調(diào)節(jié)功能(參看圖27)。<5>坐廁(圖中未畫)每個獨立間隔具有一個簡便坐廁(參看圖28)，設(shè)計在座椅下面。<6>備用動力蓄電池每個非動力單元安裝一組24V/400Ah的蓄電池(參看圖27)，作為列車的備用動力電源。<7>無功補償電容器每個非動力單元可能要安裝一組無功補償電容器(圖中未畫)。
2.3 非動力單元的長度約12--13米，圖中只標(biāo)12米。
2.4 非動力單元的總重量(不包括乘客)約4.5T。
鋁合金外殼(包括車門)及轉(zhuǎn)向架(包括車輪)3T。座椅(6或8張)0.4T。鋁合金坐廁(6或8個)0.1T?？照{(diào)0.1T。24V/400Ah備用動力蓄電池0.4T。無功補償電容器0.1T。其它設(shè)備0.4T。
3.公共單元(是指放置公共設(shè)備的單元，見圖7、圖8)3.1 公共單元的結(jié)構(gòu)說明及主要設(shè)備公共單元的外形與動力單元的外形(見圖3)基本相同，只是轉(zhuǎn)向架有所差異。從圖7、8可見，公共單元分為六個間隔，每個間隔的長度約為2米，分別放置低壓變頻裝置(2套)、低壓逆變設(shè)備(2套)及充電設(shè)備(8套)、高壓逆變隔離變壓器(2臺)、高壓逆變裝置(2套)、小容量控制蓄電池組(2組)、控制及通信設(shè)備。
3.2 公共單元的原理說明(參看圖8)<1>低壓變頻裝置(90KW/套)在電網(wǎng)停電或電能傳輸系統(tǒng)出現(xiàn)故障等特殊情況下，利用備用動力蓄電池組(見圖27)的電能，通過IGBT“變頻1”、“變頻2”產(chǎn)生“0-400V/0-50HZ”的交流電，去驅(qū)動相鄰(參見圖10)“動力單元”的馬達。
<2>低壓逆變設(shè)備(30KW/套)及充電設(shè)備在電網(wǎng)停電的情況下，由IGBT低壓“逆變1”、“逆變2”工作，輸出400V/50HZ的兩組交流電壓，作為標(biāo)準(zhǔn)單元的各種工作電源。在正常情況下，由600V的“充電1”至“充電4”向“備用動力蓄電池組”充電；由220V的“充電1”至“充電4”向“控制蓄電池組1”、“控制蓄電池組2”充電。
<3>高壓隔離變壓器(T1、T280KVA/臺)及高壓逆變裝置(BP1、BP260KW/套)在正常情況下，由IGBT逆變器(BP1、BP2)、隔離變壓器(T1、T2)輸出400V/50HZ的兩組交流電壓，作為標(biāo)準(zhǔn)單元的各種工作電源，如照明、空調(diào)、冷卻風(fēng)扇等。
<4>小容量控制蓄電池組作為標(biāo)準(zhǔn)單元的各種控制電源。
<5>控制及通信設(shè)備參看圖12、13、14。
3.3 公共單元的長度12-13米，圖中只標(biāo)12米。
3.4 公共單元的總重量約5.5T。
鋁合金外殼及轉(zhuǎn)向架(包括車輪)3T。低壓變頻裝置(2套)0.5T。低壓逆變設(shè)備(2套)及充電設(shè)備(8套)0.3T。高壓逆變隔離變壓器(2臺)0.8T。高壓逆變裝置(2套)0.4T。小容量控制蓄電池組(2組)0.1T。控制及通信設(shè)備0.1T。其它設(shè)備0.3T。
4.頭部單元(是指列車最前部的單元，見圖9、圖10)4.1 頭部單元的結(jié)構(gòu)說明頭部單元的外形與動力單元的外形(見圖3)基本相同，其結(jié)構(gòu)見圖9。頭部單元也分為A、B、C、E、F、G六個間隔，每個間隔的長度約2米。駕駛室及操控設(shè)備在E間隔，監(jiān)控窒及監(jiān)控設(shè)備在A間隔。B間隔和C間隔為工作人員休息單元，其中A、B間隔相通，C、E間隔相通。F間隔和G間隔分別安放一些路面監(jiān)測設(shè)備。
4.2 頭部單元的主要設(shè)備頭部單元的主要設(shè)備包括(1)監(jiān)控設(shè)備見圖12，為微機裝置，對整列列車進行實時監(jiān)測和控制。(2)操控設(shè)備主要包括與列車啟動、停止，加速、減速、勻速、剎車，開門、關(guān)門等一系列相關(guān)的操作設(shè)備(圖中未畫)。(3)路面監(jiān)測設(shè)備主要是對列車行駛的軌道路面進行監(jiān)測(圖中未畫)。
4.3 頭部單元的長度12-13米，圖中只標(biāo)12米。
4.4 頭部單元的總重量較輕，約為4T。
4.5 頭部單元所需要的各種電源從相鄰(參見圖10)的標(biāo)準(zhǔn)單元獲取。
5.標(biāo)準(zhǔn)單元(見圖10)為了便于各種運行方式的組合，有必要先由不同的基本單元按照圖10的方式組合成具備一定功能的標(biāo)準(zhǔn)單元，再由若干個標(biāo)準(zhǔn)單元組成不同長度的列車(見圖10)。
5.1 標(biāo)準(zhǔn)單元的組成標(biāo)準(zhǔn)單元由36個基本單元組成，包括1個“公共單元”、12個“動力單元”和23個“非動力單元”。
5.2 標(biāo)準(zhǔn)單元的長度約400米。
5.3 標(biāo)準(zhǔn)單元的單位長度的重量約560Kg/m。
(1×9T+2×4.5T)/(1×8m+2×12m)＝0.56T/m5.4 標(biāo)準(zhǔn)單元的載客數(shù)量138人(全臥)、184人(全坐)。
23×6人＝138人(全臥)、23×8人＝184人(全坐)。
5.5 標(biāo)準(zhǔn)單元的額定功率12×360KW+180KW(其它)＝4500KW。
6.列車的組成(見圖10)列車由“頭部單元”和若干個“標(biāo)準(zhǔn)單元”組成，其結(jié)構(gòu)分為兩種固定模式，即“長模式”和“短模式”。在特殊情況下也可以在固定模式的基礎(chǔ)上臨時自動駁接若干個“標(biāo)準(zhǔn)單元”，以滿足實際的需要。每個車站都有若干個“標(biāo)準(zhǔn)單元”作為臨時備用。
6.1 列車的長度約830米(短模式)、1250米(長模式)。
6.2 列車的單位長度的重量(與“標(biāo)準(zhǔn)單元”的一樣)約560Kg/m。
6.3 列車的載客數(shù)量短模式138人×2＝276人(全臥)、184人×2＝368人(全坐)長模式138人×3＝414人(全臥)、184人×3＝552人(全坐)6.4 列車的額定功率短模式2×4500KW＝9000KW。
長模式3×4500KW＝13500KW。
《三》控制和通信系統(tǒng)(圖11-圖17)控制系統(tǒng)是指控制整列列車行駛的各個監(jiān)控單元，而通信系統(tǒng)則包括列車內(nèi)部之間的通信及列車與調(diào)度中心之間的通信。
由于列車太長，行駛速度又極高，只有采用微機控制方式才能確保列車的安全、可靠運行。
1.控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)包括下位機、上位機、監(jiān)控機。下位機安裝在動力單元(見圖13)，其主要任務(wù)是控制該動力單元及其相鄰的兩個非動力單元，在正常情況下，下位機受上位機或監(jiān)控機直接控制；當(dāng)它與上位機或監(jiān)控機失去聯(lián)系時，也可以根據(jù)其程序獨立運行。上位機安裝在公共單元，其主要任務(wù)是控制其所屬標(biāo)準(zhǔn)單元的各臺下位機。監(jiān)控機安裝在頭部單元，其主要任務(wù)是控制整列列車。上位機和監(jiān)控機是同級機，可相互兼容。所謂同級機，是指上位機和監(jiān)控機都具備控制整列列車的功能，只是在正常情況下由監(jiān)控機控制整列列車，由上位機控制其所屬標(biāo)準(zhǔn)單元；當(dāng)監(jiān)控機出現(xiàn)故障時，由某一上位機代替監(jiān)控機去控制整列列車，同時也兼控其所屬標(biāo)準(zhǔn)單元。這種控制方式使得主機具有更大的冗余度。正常情況下的控制過程是列車各點信號由下位機→上位機→監(jiān)控機；列車控制指令由監(jiān)控機→上位機→下位機→各點控制對象。
1.1 下位機(見圖11)下位機采用雙CPU控制方式，通過I/O口實現(xiàn)相互兼容、相互控制，CPU之間既可自檢，也可互檢。在正常情況下，各CPU的主要分工如下1.1.1 CPU1根據(jù)運算速度的需要，CPU1可采用Intel 80186芯片(16位)，若果需要更高的運算速度，也可采用Mortorola公司的MC68332芯片(32位)。其工作過程如下<1>各種傳感器Sr(如軸承溫度、車箱震動、車箱內(nèi)溫度、車箱內(nèi)氣壓等)的信號經(jīng)變送器Td處理后變成4-20mA的模擬量，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號，經(jīng)數(shù)字信號處理器DSP處理后將結(jié)果暫存到RAM。<2>各種開關(guān)量信號(如車門關(guān)與開、各種電源開關(guān)的輔助觸點、各種故障的報警觸點、各種設(shè)備的工作狀態(tài)等)先經(jīng)輸入光隔DI轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后，再經(jīng)I/O1輸入，將各種監(jiān)控對象的狀態(tài)暫存到RAM。<3>上述各種信號經(jīng)CPU1處理后，CPU1一方面通過I/O1、輸出光隔DO發(fā)出指令去控制相應(yīng)的控制對象；另一方面通過I/O2、數(shù)字光隔OPT1把相關(guān)信號傳到通信裝置，再經(jīng)“并行/串行”通信口傳到“上位機”和“監(jiān)控機”。<4>CPU1通過I/O2、數(shù)字光隔OPT1對通信裝置進行監(jiān)控。
1.1.2 CPU2根據(jù)運算速度的需要，CPU2可采用Intel 80186芯片(16位)，若果需要更高的運算速度，也可采用Mortorola公司的MC68332芯片(32位)。其工作過程如下<1>模擬量(包括母線電壓—指變頻裝置隔離變壓器Tr低壓側(cè)的三相電壓。馬達電壓—指8臺動力馬達的三相繞組電壓。馬達電流—指8臺動力馬達的三相繞組電流。)經(jīng)交流隔離變AC，把每一個量分成兩個，同時隔離、變?。辉俳?jīng)低通濾波器LPF處理后進入模/數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D，數(shù)字信號經(jīng)數(shù)字信號處理器DSP處理后將結(jié)果暫存到RAM。<2>CPU2通過對上述數(shù)據(jù)進行分析，判斷每個動力馬達的工作狀況，從而作出相應(yīng)的處理。<3>CPU2通過I/O2、數(shù)字光隔OPT1把相關(guān)信號傳到通信裝置，再經(jīng)“并行/串行”通信口傳到“上位機”和“監(jiān)控機”。<4>CPU2通過I/O2、數(shù)字光隔OPT2對變頻裝置進行監(jiān)控。
1.1.3 CPU1與CPU2之間的關(guān)系CPU1與CPU2之間通過I/O口可互為備用，它們之間的信息也可共享。在正常情況下，兩個CPU按各自主程序(存放在ROM中)進行工作，一旦某個CPU出現(xiàn)故障，則由另一CPU接管全部工作。
1.1.4 通信裝置(見圖11、12、13、14)通信裝置的主要任務(wù)是實現(xiàn)下位機與上位機(見圖13)、下位機與中繼機(見圖14)之間的信息傳遞。其工作過程如下<1>紅外線發(fā)射、接收板(T/R)安裝在列車底部的正下方，它與軌道表面之間的距離約12cm。在軌道表面之下也安裝有一塊約5米長的紅外線發(fā)射、接收板(T/R)，板與板之間的距離約800米。這樣，通過列車上的T/R板與軌道表面之下的T/R板之間的相互耦合實現(xiàn)下位機與中繼機之間的信息傳遞。<2>“光-電”轉(zhuǎn)換電路(O-E)的主要作用是實現(xiàn)下位機與上位機之間的信息傳遞。<3>數(shù)字交換處理器(DCP)的作用是將來自各方的數(shù)據(jù)進行處理和交換。根據(jù)通信速度的需要，數(shù)字交換處理器可以是一個單片機CPU(如Intel 80196)，也可以是一個數(shù)字信號處理器(如DSP)。
1.1.5 變頻裝置(參看圖11、圖15、圖16、圖17)變頻裝置是整個動力系統(tǒng)及控制系統(tǒng)的最關(guān)鍵部分，它的作用是將高壓直流電變成低壓交流電，其主要設(shè)備(參看圖16)包括正弦波脈寬調(diào)制電路(SPWM)、IGBT驅(qū)動模塊(DM)、高壓絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)、高壓隔離變壓器(Tr)等。其工作原理如下<1>變頻裝置對異步電動機的控制方式采用U/f恒定控制方式。U/f恒定控制是異步電動機變頻調(diào)速最基本控制方式，它在控制電動機的電源頻率(f)變化的同時控制變頻器的輸出電壓(U)，并使兩者之比為恒定，從而使電動機的磁通基本保持恒定，其轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩特性曲線見圖17。
采用U/f恒定控制的優(yōu)點是可以進行電動機的開環(huán)速度控制；其缺點是低速性能較差。
<2>正弦波脈寬調(diào)制電路(SPWMSine Pulse Width Modulation)用正弦波脈寬調(diào)制電路(SPWM)所產(chǎn)生的調(diào)制脈沖去控制IGBT可實現(xiàn)U/f恒定控制。
調(diào)制脈沖的產(chǎn)生(見圖17)用雙極性等幅、等腰三角波載頻信號(u△)及三相正弦波調(diào)制信號(ua、ub、uc)同時輸入正弦波脈寬調(diào)制電路(SPWM)，經(jīng)過它們相互比較后產(chǎn)生調(diào)制脈沖(Ua、Ub、Uc)。從波形圖可見，在載頻信號(u△)與調(diào)制信號(ua、ub、uc)相交處發(fā)出調(diào)制脈沖(Ua、Ub、Uc)。在每半個周期內(nèi)，中間的脈沖寬，兩邊的脈沖窄，各脈沖之間基本等距而脈寬和正弦曲線下的積分面積成正比，脈寬基本上成正弦分布。
由于IGBT是一種可關(guān)斷晶閘管，因此，變頻器輸出電壓的波形基本上接近調(diào)制脈沖的波形。SPWM型變頻器是靠改變脈沖寬度來控制其輸出電壓的大小，通過改變調(diào)制正弦波的頻率來控制其輸出頻率。
變頻器輸出電壓(U)的大小和頻率(f)均由三相正弦波調(diào)制信號(ua、ub、uc)來控制。當(dāng)改變?nèi)嗾也ǖ姆禃r，三相調(diào)制脈沖的脈寬也隨之改變，從而改變變頻器三相輸出電壓的大?。划?dāng)改變?nèi)嗾也ǖ念l率時，變頻器三相輸出電壓的頻率也隨之改變。在調(diào)節(jié)三相正弦波調(diào)制信號(ua、ub、uc)頻率的同時相應(yīng)地適當(dāng)調(diào)節(jié)其幅值，使U/f保持恒定。
雙極性等幅、等腰三角波載頻信號(u△)及三相正弦波調(diào)制信號(ua、ub、uc)均由上位機或監(jiān)控機產(chǎn)生(見圖12)。
<3>驅(qū)動模塊(DM)驅(qū)動模塊的作用是1)將正弦波脈寬調(diào)制電路(SPWM)所產(chǎn)生的調(diào)制脈沖信號放大。2)采用“光-電”耦合技術(shù)將正弦波脈寬調(diào)制電路(SPWM)與高壓直流回路隔離。3)控制高壓絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的“通/斷”。
<4>高壓絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)及其附屬元件由于目前IGBT的單管耐壓值較低(約3000V左右)，變頻器的每個橋臂需要很多IGBT管串聯(lián)而成，但過多的管子串聯(lián)需要解決管子間的均壓問題，因此，每個管子必需并聯(lián)一個“R-C”電路(電阻-電容串聯(lián)電路)進行均壓，同時再并聯(lián)一個續(xù)流二極管保護IGBT管子。
<5>高壓隔離變壓器(Tr)由于高壓側(cè)的電壓太高(20KV)，因此，必需要采用高壓隔離變壓器將變頻后的電壓降低到(0-400V)才能驅(qū)動馬達。
<6>其它附屬元件1)驅(qū)動模塊(DM)的工作電源來自高壓隔離變壓器Tr1。2)分流器(Sh)監(jiān)控變頻器高壓側(cè)三相電流的平衡情況。正常情況下，流過分流器的電流為零。
<7>下位機對變頻裝置的監(jiān)控
下位機只監(jiān)控變頻裝置的啟動/停止、風(fēng)冷、溫升、IGBT管子的好壞、正弦波脈寬調(diào)制電路的工作情況等。
<8>上位機或監(jiān)控機對變頻裝置的監(jiān)控變頻裝置輸出電壓及頻率的大小由上位機或監(jiān)控機通過數(shù)字電路控制三相正弦波調(diào)制信號(ua、ub、uc)來自動調(diào)節(jié)。
1.2 上位機(見圖12)上位機也采用雙CPU控制方式，通過I/O口實現(xiàn)相互兼容、相互控制，CPU之間既可自檢，也可互檢。在正常情況下，各CPU的主要分工如下1.2.1 CPU1根據(jù)運算速度的需要，CPU1可采用Intel 80186芯片(16位)，若果需要更高的運算速度，也可采用Mortorola公司的MC68332芯片(32位)。其工作原理與下位機基本相同，但工作任務(wù)有所不同，其主要任務(wù)包括<1>控制公共單元各種電氣設(shè)備(見圖8)的工作。<2>控制該單元的通信裝置。
1.2.2 CPU2根據(jù)運算速度的需要，CPU2可采用Intel 80186芯片(16位)，若果需要更高的運算速度，也可采用Mortorola公司的MC68332芯片(32位)。其工作原理與下位機基本相同，但工作任務(wù)有所不同，其主要任務(wù)包括<1>通過通信裝置監(jiān)控該標(biāo)準(zhǔn)單元所屬的各臺下位機的工作情況(見圖13)。<2>通過通信裝置把該標(biāo)準(zhǔn)單元的各種主要信息傳給監(jiān)控機(見圖14)。<3>通過通信裝置接受監(jiān)控機各種指令(見圖14)。
1.2.3 CPU1與CPU2之間的關(guān)系CPU1與CPU2之間通過I/O口可互為備用，它們之間的信息也可共享。在正常情況下，兩個CPU按各自主程序(存放在ROM中)進行工作，一旦某個CPU出現(xiàn)故障，則由另一CPU接管全部工作。
1.2.4 當(dāng)監(jiān)控機出現(xiàn)故障，由上位機機代替監(jiān)控機工作時
<1>由CPU1接管上述所有工作。<2>由CPU2控制三角波發(fā)生器及正弦波發(fā)生器(見圖12)。<3>由CPU2接管監(jiān)控機的其它工作。
1.3 監(jiān)控機(見圖12)監(jiān)控機也采用雙CPU控制方式，通過I/O口實現(xiàn)相互兼容、相互控制，CPU之間既可自檢，也可互檢。在正常情況下，各CPU的主要分工如下1.3.1 CPU1根據(jù)運算速度的需要，CPU1可采用Intel 80186芯片(16位)，若果需要更高的運算速度，也可采用Mortorola公司的MC68332芯片(32位)。其工作原理與下位機基本相同，但工作任務(wù)有所不同，其主要任務(wù)包括<1>控制頭部單元各種設(shè)備(包括列車啟動/停止、加速/減速/勻速、剎車、路面監(jiān)測等設(shè)備。)的工作。<2>控制該單元的通信裝置。<3>通過監(jiān)控機、上位機、下位機、中繼機、中控機的通信裝置與調(diào)度中心進行各種信息交換(見圖14)。
1.3.2 CPU2根據(jù)運算速度的需要，CPU2可采用Intel 80186芯片(16位)，若果需要更高的運算速度，也可采用Mortorola公司的MC68332芯片(32位)。其工作原理與下位機基本相同，但工作任務(wù)有所不同，其主要任務(wù)包括<1>通過通信裝置監(jiān)控整列列車各臺上位機的工作情況(見圖14)，從而獲得整列列車的各種運行參數(shù)并進行綜合分析及處理。<2>通過通信裝置把各種控制指令傳給各臺上位機(見圖14)。<3>控制三角波發(fā)生器及正弦波發(fā)生器(見圖12、圖15)，實現(xiàn)整列列車的同步變頻調(diào)速控制，這種控制方式有利于(+/-)20KV直流傳輸系統(tǒng)中中性極的電流為零。
三角波發(fā)生器專門產(chǎn)生雙極性等幅、等腰三角波載頻信號(u△)。該信號頻率較高，約20KHz左右而幅值約10V。三角波發(fā)生器的電路比較簡單，在變頻技術(shù)中用得較廣，這里不再介紹。
正弦波發(fā)生器專門產(chǎn)生三相正弦波調(diào)制信號(ua、ub、uc)。該信號為一變化信號，根據(jù)列車速度的需要而改變，頻率在0-60Hz之間、幅值在0-10V之間變化。正弦波發(fā)生器的電路較為復(fù)雜，在電力系統(tǒng)繼電保護校驗儀技術(shù)中應(yīng)用得較為廣泛，國產(chǎn)技術(shù)(如昂立公司、邦德公司生產(chǎn)的繼電保護校驗儀)都很成熟，該信號可用微機數(shù)字電路控制生成，波形非常接近正弦波，對列車的調(diào)速非常有利。
1.3.3 CPU1與CPU2之間的關(guān)系CPU1與CPU2之間通過I/O口可互為備用，它們之間的信息也可共享。在正常情況下，兩個CPU按各自主程序(存放在ROM中)進行工作，一旦某個CPU出現(xiàn)故障，則由另一CPU接管全部工作。
1.3.4 當(dāng)兩個CPU都同時故障時在正常情況下，由監(jiān)控機控制整列列車；當(dāng)監(jiān)控機的兩個CPU都同時故障時，則由某一上位機接管監(jiān)控機的所有工作，同時兼控該標(biāo)準(zhǔn)單元。這種控制方式使得主控裝置具備足夠的冗余度，有利于整列列車的安全、可靠運行。
1.3.5 三角波載頻信號及三相正弦波調(diào)制信號的傳輸(見圖15)由于三角波載頻信號(u△)的頻率較高，其信號需要采用雙絞線傳輸。由于所有負(fù)載均為電子電路，內(nèi)阻很高，負(fù)載電流很小，因此，三角波載頻信號(u△)及三相正弦波調(diào)制信號(ua、ub、uc)均可遠距離傳輸，實現(xiàn)整列列車統(tǒng)一同步調(diào)速。
1.3.6 整列列車動力馬達的控制電壓分布由于列車頭部的空氣阻力比尾部的大，因此，可采用兩種方法來平衡這種阻力關(guān)系，避免列車各單元擠壓運行。(1)適當(dāng)增大靠近頭部動力單元的功率。(2)適當(dāng)增大靠近頭部動力單元馬達的工作電壓(如頭部馬達的工作電壓為400V，尾部馬達的工作電壓為380V，從頭部至尾部按線性關(guān)系遞減)。
2.通信系統(tǒng)(圖11-圖14)通信系統(tǒng)是指列車內(nèi)部之間的通信及列車與調(diào)度中心之間的通信。內(nèi)容主要包括列車運行的各種參數(shù)及控制指令。
2.1 列車內(nèi)部之間的通信列車內(nèi)部之間的通信是指下位機、上位機、監(jiān)控機之間通過其通信裝置實現(xiàn)的雙向信息傳遞過程。
2.2 列車與調(diào)度中心之間的通信(見圖14)列車與調(diào)度中心之間的通信過程如下調(diào)度中心(中控機)←→中繼站(中繼機)←→列車軌道上表面(紅外“發(fā)射/接收”板)←→列車底部(紅外“發(fā)射/接收”板)←→下位機(通信裝置)←→上位機(通信裝置)←→監(jiān)控機(通信裝置)。
從圖14可見，列車軌道上表面的紅外線“發(fā)射/接收”板與列車底部的紅外線“發(fā)射/接收”板之間的距離約12cm，由于紅外線發(fā)射與接收之間的耦合距離很小，因此，紅外線發(fā)射功率只需很小就可以滿足要求。列車軌道上表面的紅外線“發(fā)射/接收”板的長度約5米，而列車底部的紅外線“發(fā)射/接收”板的長度等于列車的長度。每塊紅外線“發(fā)射/接收”板都裝有若干數(shù)量的紅外線“發(fā)射”和“接收”的管子。由于紅外線“發(fā)射/接收”管的工作速率很高，若采用多個通道同時進行工作，那么在列車上觀看多個頻道的電視節(jié)目或上網(wǎng)都不難實現(xiàn)。
列車底部軌道上表面的每塊紅外線“發(fā)射/接收”板都安裝在中繼站傍邊(相距約幾米)，而中繼站與中繼站之間的距離約為800米，列車與軌道沿線各中繼站的信息傳遞也是采用“接力式”，這種通信方式一方面投資不大，另一方面可以保證列車在任何位置都可以與調(diào)度中心保持聯(lián)系。中繼站的作用一方面起到對傳輸信號的放大和中轉(zhuǎn)；另一方面可監(jiān)控附近的高壓隔離開關(guān)裝置(見圖19)。
3.軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)主要包括調(diào)度系統(tǒng)軟件、通信系統(tǒng)軟件和列車控制系統(tǒng)軟件。調(diào)度系統(tǒng)軟件主要用于協(xié)調(diào)各列列車之間的運行。通信系統(tǒng)軟件主要完成列車與調(diào)度中心及列車各單元之間的信息傳遞?？刂葡到y(tǒng)軟件主要是完成對整列列車進行監(jiān)控。由于軟件系統(tǒng)比較復(fù)雜，這里不再具體說明。
《四》架空軌道系統(tǒng)(圖18-圖22)架空軌道系統(tǒng)是整個高速列車系統(tǒng)中投資最大的系統(tǒng)，它包括架空輸電線路和架空軌道兩大部分。經(jīng)綜合考慮，認(rèn)為把架空輸電線路安裝在架空軌道正上方是一種最省錢、最安全可靠的設(shè)計方式。圖18、圖19是其結(jié)構(gòu)簡圖說明，圖中尺寸僅供參考。
1.架空輸電線路部分(見圖18、圖19)圖18、圖19是按雙層四軌道的模式設(shè)計，主要適用于主干線；對于一些支線軌道也可以采用單層雙軌道的模式(圖中未能畫)。
架空鐵塔(4)采用鍍鋅角鐵組合而成，安裝在架空軌道的正上方。塔頂為避雷線(1)，避雷線之下分別為“-20KV”、“+20KV”輸電線(2)，采用雙回路供電，桿塔左右各一回路。
輸電線為鋼芯鋁絞線，每極輸電線根據(jù)負(fù)荷的大小由兩至四根鋼芯鋁絞線組成，每根鋼芯鋁絞線的標(biāo)稱截面為600平方毫米，其電氣參數(shù)為0.045歐姆/公里(在20℃)。假若每極采用四根鋼芯鋁絞線輸送電能，則每個供電臂(約50公里)的供電回路的電阻約為1.1歐姆《(50Km+50Km)×0.045Ω/Km÷4＝1.1Ω》。這一阻值可輸送1至2千安培的電流，傳輸功率可達50000KW左右，這一功率可供四至五列列車同時運行。
懸掛高壓導(dǎo)線的絕緣子串(3)由兩片瓷瓶組成，每片瓷瓶的耐壓值約10KV。若采用更高的電壓輸電，則絕緣子串可由三片瓷瓶組成。
從圖19可見，來自“+/-20KV”主母線的電源先經(jīng)過高壓隔離開關(guān)裝置，再輸送到固定導(dǎo)電接觸銅板。高壓隔離開關(guān)裝置的作用是有選擇地接通所需要的主母線。在高壓隔離開關(guān)裝置的傍邊設(shè)有一個中繼箱(圖中未畫)，用于控制高壓隔離開關(guān)裝置的操作。相鄰兩個高壓隔離開關(guān)裝置之間的距離為800米。固定導(dǎo)電接觸銅板之間的距離也為800米，列車通過其底部鋁合金導(dǎo)電母線下面的碳刷與固定導(dǎo)電接觸銅板相接觸而獲得“+/-20KV”直流電源。
2.架空軌道部分(見圖18-圖22)架空軌道(圖18)主要包括“開”字型鋼筋混凝土支承架(9)、鋼筋混凝土鐵軌支承主梁(5)、鐵軌、換軌裝置(即岔道)、鋼筋混凝土人行道(10、11)。
先建好鋼筋混凝土支承架，再將預(yù)制好的鐵軌支承主梁(包括鐵軌)、人行道放在支承架上并固定，并在鐵軌支承主梁的兩邊安裝高壓支承瓷瓶(7)及固定導(dǎo)電接觸銅板(6)。固定導(dǎo)電接觸銅板的長度由滑動碳刷的負(fù)載能力及滑行情況決定，圖中所標(biāo)20米僅為參考值。
人行道的作用主要是為維修人員維修架空軌道上的各種設(shè)備提供方便；在特殊情況下，如列車某段發(fā)生火情，則消防人員可利用人行道進行救火；此外，人行道也可敷設(shè)各種控制及通信電纜。
鐵軌(見圖20)的結(jié)構(gòu)及安裝這種鐵軌(1)的結(jié)構(gòu)比常規(guī)鐵軌要復(fù)雜一些，它的外側(cè)面裝有鋼齒條(7)，通過與列車的動力側(cè)齒輪(見圖3)相互齒合而產(chǎn)生“驅(qū)動力”或“制動力”，使整列列車具備良好的起動及制動性能，同時可保證列車在高速行駛時具備足夠的“牽引力”。鐵軌的內(nèi)側(cè)面有固定孔(6)，通過固定螺栓(3)、螺母(4)、貼片(5)把鐵軌固定在鐵軌支承主梁(2)上。
鐵軌與鐵軌之間的連接見圖21，為了確保鐵軌外側(cè)面所有齒條的連續(xù)性及均勻性，鐵軌與鐵軌之間采用一段(X)可伸縮的鏈條作為連接。從圖中可見，鏈條的鏈接片與鏈接片之間具有一個“伸/縮”值(+/-δ)，用于補償鐵軌的“熱脹/冷縮”值。若鐵軌與鐵軌之間的“熱脹/冷縮”變化值(y)為2厘米，而δ值定為0.5毫米，那么需要40(即20mm÷0.5mm＝40)塊鏈接片才能滿足鐵軌與鐵軌之間的“熱脹/冷縮”變化。而鏈條的長度(X)為齒條間的長度(圖中標(biāo)為28mm)與鏈接片塊數(shù)的乘積。
換軌裝置(即岔道)的結(jié)構(gòu)簡圖見圖22，其作用是使列車能夠更換軌道。由于這種新型架空高速列車的車身重量比較輕，需要設(shè)計側(cè)輪來保持其高速行駛的穩(wěn)定性，使得“輪-軌”結(jié)構(gòu)(見圖3)比較特殊，而且側(cè)輪之下還有高壓導(dǎo)電母線及碳刷，因此，這種換軌裝置的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的換軌轉(zhuǎn)切器結(jié)構(gòu)有很大差異。從圖22可見，可垂直上下活動的鋼軌“1、2、3、4”的長度設(shè)計得比較長，以滿足高壓導(dǎo)電母線及碳刷的安全通過，其中“1-2”為一組，“3-4”為另一組。其位置關(guān)系如下當(dāng)“1-2”在上面時，“3-4”必在下面；而當(dāng)“3-4”在上面時，則“1-2”必在下面。它們向下移動所達到的位置要低于高壓導(dǎo)電母線及碳刷一定距離，所以活動鋼軌“1-2”、“3-4”上下移動的距離也比較大?？刂苹顒愉撥墶?-2”、“3-4”上下移動的控制裝置圖中未畫。圖中的角度a應(yīng)能滿足列車拐彎的角度要求。在岔道附近的一小段軌道內(nèi)因其結(jié)構(gòu)特殊而不安裝齒條，在這段范圍內(nèi)，軌道的齒條失去連續(xù)性，但不會影響列車側(cè)輪的齒合。
《五》停車站系統(tǒng)(圖23-圖26)1.停車站的作用主要是提供列車的停站、中轉(zhuǎn)、編組、維修、測試、清潔、裝卸、乘客上落及中轉(zhuǎn)等服務(wù)。由于列車的長度太長，單位長度的重量較輕，因此采用橢圓形多層式的停車站比較理想。停車站的大小可根據(jù)實際需要選定，圖23-圖26是一個大型停車站的設(shè)計圖，為了便于理解，圖中只畫出各軌道的相互聯(lián)系，而其它的建筑物則不畫。
2.從圖23可見，列車從A1、A2兩條軌道進站后，先沿著斜上直軌道(即樓層之間的聯(lián)絡(luò)軌道C2---C11，見圖24)選擇所要進入的樓層，如果要進入第三層，則從C3處進入第三層；如果要進入第七層，則從C7處進入第七層，依此類推。每層都有若干組(如0、1、2、3、4、5、6、7、......。)橢圓形軌道，每組均有兩條軌道(見圖25)。當(dāng)列車進入某層(如第九層)后，若要停在第5組的某一軌道，則先沿著第0組的公共軌道(見圖25)順時針行駛，直到車尾到達D0點后停車，再將列車沿自層間聯(lián)絡(luò)軌道(D0---D7)從D5處倒入第5組的某一軌道。若列車要從第九層的第5組的某一軌道進入第三層的第4組的某一軌道進行清潔，則列車的行駛路徑為從第九層的第5組的某一軌道→D5→D0→第0組的公共軌道→E9→E2→G1→G2→C3→按照上述進入第九層第5組的步驟→第三層的第4組的某一軌道。E2--G1--G2--C2這段軌道只有第二層才有。列車從B1、B2兩條軌道出站，若列車要從第九層的第5組的某一軌道出站，則列車的行駛路徑為從第九層的第5組的某一軌道→D5→D0→第0組的公共軌道→E9→E2→B1或B2。E2---E11為斜下直軌道(即樓層之間的聯(lián)絡(luò)軌道，見圖24)。
3.這種停車站的規(guī)模可根據(jù)實際需要有限度地向內(nèi)層及上面發(fā)展，并不需要一下子就建得如此大。停車站在擴建期間不會影響列車的正常運行。隨著標(biāo)準(zhǔn)單元與標(biāo)準(zhǔn)單元之間的自動駁接技術(shù)的提高，橢圓形停車站的周長可降到接近一個標(biāo)準(zhǔn)單元的長度。
4.停車站每一層的軌道分布府視圖見圖25，乘客可乘升降電梯到達任何一層。每條走道的升降電梯沿橢圓形軌道每隔120米安裝若干臺。從圖中可見，每條走道的兩傍都有一條停車道供乘客上落列車。
5.圖26是停車站地面層(即第一層)有軌電車分布簡圖，由于停車站太大，乘客需要從候車室乘坐有軌電車到達相應(yīng)的站點(S1、S2、S3、S4、S5)落車，然后再從那里乘坐升降電梯到達自己的座位。A11-A21、------ A18-A28，B11-B21、------ B18-B28為有軌電車的停放段及乘客的上車點。
《六》其它附屬系統(tǒng)(圖27、圖28)其它附屬系統(tǒng)主要包括列車的剎車系統(tǒng)、列車的防擠壓保護系統(tǒng)、列車的后備動力電源系統(tǒng)、列車非動力單元的空調(diào)系統(tǒng)、自動“開門/關(guān)門”控制系統(tǒng)及排污系統(tǒng)等。
1.列車的剎車系統(tǒng)主要包括<1>氣剎系統(tǒng)(見圖28)每個標(biāo)準(zhǔn)單元都有一套氣剎系統(tǒng)，以壓縮空氣作為剎車反動力，剎車方式為母管(M1、M2、M3)氣壓越低，剎車力越大，通過控制電磁閥(DV0、DV1、DV2、DV3)的開度來控制母管中壓縮空氣的壓力，而電磁閥開度的大小則通過控制電磁閥線圈直流電壓的大小來控制。壓縮空氣由三臺壓縮機(一臺運行，兩臺備用。)提供，正常情況下，各電磁閥失電，DV0導(dǎo)通，DV1-DV3截止，母管內(nèi)充滿壓縮空氣，各剎車塊張開；當(dāng)緊急剎車時，各電磁閥DV0-DV3的線圈均通電，使DV0截止，DV1-DV3導(dǎo)通，各母管卸壓，剎車塊收緊而剎車。流量變送器(L)的作用是監(jiān)測母管的泄漏情況；壓力變送器(P1、P2、P3)的作用是監(jiān)測各段母管的空氣壓力；剎車監(jiān)測輔助開關(guān)(K1、K2...Kn)的作用是監(jiān)測各剎車塊的狀態(tài)。<2>逆變剎車系統(tǒng)是通過逆變裝置(見圖1)把列車的機械能轉(zhuǎn)化為電能反送回電網(wǎng)，主要適用于列車進站時剎車或執(zhí)行調(diào)度命令時剎車。<3>列車剎車系統(tǒng)的電氣控制回路采用一套專門獨立的電器控制硬件來控制電磁閥(DV0、DV1、DV2、DV3)的開度，圖中未畫。
列車的剎車系統(tǒng)也可采用液壓剎車系統(tǒng)，該系統(tǒng)也需要配備一套專門獨立的電器控制硬件，圖中未畫。
2.列車的防擠壓保護系統(tǒng)(圖中未畫)由于列車的長度太長，列車的縱向機械強度相對列車的速度來說是比較薄弱的，為了防止列車各單元之間因某些因素引起擠壓而變形，必需采取如下措施<1>加強列車的縱向機械強度。<2>在牽引動力分布方面，從列車的尾部往頭部根據(jù)空氣阻力的增大而增大。<3>剎車時，從列車每個標(biāo)準(zhǔn)單元的尾部往頭部按順序剎車。<4>在列車各單元之間安裝緩沖設(shè)施，一方面起減緩擠壓作用，另一方面起監(jiān)測擠壓作用，以便可提前采取相應(yīng)的預(yù)防措施。
3.列車的后備動力電源系統(tǒng)包括備用動力蓄電池組及備用柴油發(fā)電機應(yīng)急系統(tǒng)(圖中未畫)。備用動力蓄電池組(見圖27)是均勻分布在各非動力單元內(nèi)，其作用是在電能傳輸系統(tǒng)發(fā)生故障的情況下投入使用，使列車能夠行駛50公里左右；而備用柴油發(fā)電機應(yīng)急系統(tǒng)(圖中未畫)是安裝在某些供電站內(nèi)，其作用是在地方供電網(wǎng)發(fā)生故障的情況下立即投入使用，可確保列車能夠以50至100公里的時速行駛。
4.列車非動力單元的空調(diào)系統(tǒng)(見圖27)由于列車的非動力單元采用每排一乘客的獨立單元方式設(shè)計，因此，每個獨立單元應(yīng)具備獨立的空氣調(diào)節(jié)功能。
5.列車的自動“開門/關(guān)門”控制系統(tǒng)(見圖28)非動力單元的自動“開門/關(guān)門”控制動力來源于壓縮空氣系統(tǒng)，通過控制“開門/關(guān)門”電磁閥進行相應(yīng)操作。
6.列車的排污系統(tǒng)(見圖28)是指列車進站后利用站內(nèi)自來水及控制列車排污系統(tǒng)的相關(guān)電磁閥將列車上的排泄物自動排出車外。
《七》附圖注釋1.圖1為電力傳輸單相結(jié)線原理圖。
2.圖2為整流/逆變、變頻、濾波、保護、防雷、測控原理圖。
3.圖3為動力單元結(jié)構(gòu)簡圖一。
1——高強度鋁合金框架 2——馬達冷卻風(fēng)扇3——三相400伏異步電動機4——大齒輪5——小齒輪 6——大齒輪(屬另一臺馬達)7——小齒輪(屬另一臺馬達) 8——支承輪9——側(cè)輪 10——鋼軌道11——鋼筋混凝土支架12——卷舌式彈簧13——高強度鋁合金導(dǎo)電母線 14——滑動碳刷15——固定導(dǎo)電接觸銅板 16——高壓熔斷器17——環(huán)氧樹脂高壓絕緣支架 18——轉(zhuǎn)向架4.圖4為動力單元結(jié)構(gòu)簡圖二。
1——馬達冷卻風(fēng)扇 2——高強度鋁合金框架3——三相400伏異步電動機4——轉(zhuǎn)向架
5——大齒輪 6——小齒輪7——側(cè)輪 8——支承輪9——環(huán)氧樹脂高壓絕緣支架 10——鋼軌道11——高強度鋁合金導(dǎo)電母線 12——滑動碳刷13——兩段母線間的軟連接5.圖5為動力單元結(jié)構(gòu)簡圖三。
1——環(huán)氧樹脂高壓絕緣支架 2——高壓熔斷器3——環(huán)氧樹脂防雨柵 4——固定導(dǎo)電接觸銅板6.圖6為非動力單元結(jié)構(gòu)簡圖。
1——高強度鋁合金框架 2——轉(zhuǎn)向架3——支承輪 4——側(cè)輪5——鋼軌道 6——高強度鋁合金導(dǎo)電母線7——環(huán)氧樹脂高壓絕緣支架 8——滑動碳刷9——兩段母線間的軟連接7.圖7為公共單元結(jié)構(gòu)簡圖。
8.圖8為公共單元電氣設(shè)備分布及其原理簡圖。
9.圖9為頭部單元結(jié)構(gòu)簡圖。
10.圖10為標(biāo)準(zhǔn)單元的組成圖。
11.圖11為動力單元下位機原理簡圖。
12.圖12為公共單元上位機原理簡圖。
13.圖13為標(biāo)準(zhǔn)單元控制、通信原理簡圖。
14.圖14為高速列車通信原理總圖。
15.圖15為雙極性等幅、等腰三角波信號u△、三相正弦波調(diào)制信號ua、ub、uc的產(chǎn)生及傳送原理簡圖。
下——表示“下位機”，安裝在各“標(biāo)準(zhǔn)單元”的“動力單元”內(nèi)。
上——表示“上位機”，安裝在各“標(biāo)準(zhǔn)單元”的“公共單元”內(nèi)。
監(jiān)——表示“監(jiān)控機”，安裝在“頭部單元”內(nèi)。
“上1～上3、監(jiān)”均能產(chǎn)生u△、ua、ub、uc信號。
16.圖16為高壓變頻裝置原理簡圖。
V11、V12、V1n。V21、V22、V2n。V3、V32、V3n。V41、V42、V4n。V51、V52、V5n。V61、V62、V6n均為IGBT高壓絕緣柵雙極型晶體管。
17.圖17為變頻裝置轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩特性圖(U/f＝恒定)及三相正弦波脈寬調(diào)制波形圖。
18.圖18為架空軌道結(jié)構(gòu)簡圖1。
1——避雷線 2——電力傳輸導(dǎo)線3——高壓懸掛瓷瓶4——鍍鋅角鐵桿塔5——鐵軌支承主梁(鋼筋混凝土)6——固定導(dǎo)電接觸銅板7——高壓支承瓷瓶8——高速列車9——鋼筋混凝土支承架10——人行道蓋板11——控制、通信電纜溝19.圖19為架空軌道結(jié)構(gòu)簡圖2。
1——避雷線 2——電力傳輸負(fù)極導(dǎo)線3——電力傳輸正極導(dǎo)線4——高壓隔離開關(guān)裝置(兼熔斷器)5——固定導(dǎo)電接觸銅板6——高壓支承瓷瓶20.圖20為軌道結(jié)構(gòu)簡圖。
1——鋼軌道 2——鋼筋混凝土主支承架3——鋼軌道固定螺栓 4——鋼軌道固定螺母5——鋼軌道固定貼片 6——鋼軌道固定孔7——鋼齒條 8——鋼齒條固定螺母21.圖21為軌道與軌道之間的連接簡圖。
1——鋼軌道 2——鋼齒條3——鏈條槽 4——鏈接片22.圖22為岔道結(jié)構(gòu)簡圖。
23.圖23為停車站俯視簡圖。
24.圖24為停車站正視簡圖。
25.圖25為停車站軌道分布簡圖。
26.圖26為停車站地面層(即第一層)有軌電車分布簡圖。
注1S1～S5為有軌電車停站點。注2有軌電車長約40m，寬約3m。
27.圖27為標(biāo)準(zhǔn)單元備用動力蓄電池組分布圖及非動力單元空調(diào)布置簡圖。
注1C為壓縮機 注2D為單向閥注3F為小風(fēng)機 注4M為毛細管(冷/熱交換)28.圖28為各標(biāo)準(zhǔn)單元(剎車、開門/關(guān)門、沖洗)原理簡圖。
五具體實施例方式
1.技術(shù)可行性分析由于該系統(tǒng)所采用的主要技術(shù)(中高壓直流電能傳輸技術(shù)、“接力式”滑動碳刷受電技術(shù)、IGBT高壓變頻技術(shù)、三相異步電動機驅(qū)動技術(shù)、鏈?zhǔn)烬X合技術(shù)、微機控制及通信技術(shù)、架空軌道技術(shù)等。)都是目前不同領(lǐng)域中應(yīng)用上比較成熟的技術(shù)，只是實現(xiàn)這個系統(tǒng)所采用的模式和方法與目前的高速列車相比有很大的區(qū)別。因此，從技術(shù)上和理論上分析，實現(xiàn)這種新型架空高速列車是完全可行的。
2.總體投資分析這種高速列車是通過大幅度降低列車單位長度的重量和大幅度增長列車的總長度來實現(xiàn)大幅度降低架空軌道及電能傳輸系統(tǒng)的投資，使得總體投資大幅度下降，在相同運載能力下總體投資比目前運行的高速列車可降低一半左右。
3.運行成本分析
這種高速列車的自動化程度非常高，電能傳輸系統(tǒng)、列車系統(tǒng)、架空軌道系統(tǒng)均采用“免維護式”設(shè)計，使得管理及維護費用可大幅度下降。運行成本主要花費在電能的損耗上，按目前的電價，經(jīng)營這種高速列車具有較高的商業(yè)價值。
4.未來發(fā)展趨勢分析由于這種高速列車采用電能作為動力，對環(huán)境無任何污染；它的嗓音也較低，可把停車站建在城市里；由于這種高速列車沿架空軌道行駛，它不受地理因素影響，易于推廣應(yīng)用；由于這種高速列車服務(wù)質(zhì)素好，效率高，因此非常適合未來的發(fā)展。
5.
具體實施例方式由于這種新型架空高速列車涉及到電能傳輸系統(tǒng)、列車系統(tǒng)、控制和通信系統(tǒng)、架空軌道系統(tǒng)、停車站系統(tǒng)、其它附屬系統(tǒng)，因此，要實現(xiàn)這種高速列車必須要完成上述六大系統(tǒng)并且相互之間要協(xié)調(diào)好。主要實施過程如下(1)建立高速列車的數(shù)學(xué)模型，利用計算機算出相關(guān)的重要參數(shù)，如空氣阻力、磨擦阻力、高速振動及各種狀態(tài)下(如彎位、換軌、上坡、下坡等)的受力等等。通過這些參數(shù)確定高速列車的總動力大小、外形及結(jié)構(gòu)，從而設(shè)計出高速列車的雛形。(2)將設(shè)計出的高速列車的某一小段進行風(fēng)洞模擬測試，驗證相關(guān)的重要參數(shù)。(3)將設(shè)計出的高速列車的某一小段模擬實際進行受電測試，檢測高速滑動碳刷與固定導(dǎo)電接觸銅板之間的電弧在各種情況下(如刮風(fēng)下雨、大霧等)是否會造成短路，以便采取相應(yīng)的預(yù)防措施。(4)根據(jù)高速列車的結(jié)構(gòu)設(shè)計出能夠放進高速列車內(nèi)的IGBT變頻裝置。在將IGBT變頻裝置放進高速列車之前，先在外部模擬高速列車的實際運行情況，連同馬達、控制系統(tǒng)等相關(guān)設(shè)備進行靜態(tài)測試。(5)把測試好的各種設(shè)備裝入高速列車，再次進行整車靜態(tài)測試。(6)建一條50至100公里長的架空軌道進行實際測試。(7)實際測試成功之后再進行商業(yè)開發(fā)。
權(quán)利要求
1.高速列車所采用的所謂“接力式”的受電技術(shù)該技術(shù)利用列車特別長的特點，在列車底部的左右兩側(cè)分別安裝兩條(即正、負(fù)極各一條)800米以上的高壓導(dǎo)電母線，并在母線上裝上碳刷，當(dāng)列車跑動的時候，這段移動母線就象接力跑一樣，通過母線上的碳刷不間斷地接通所到之處的高壓導(dǎo)電銅板(每隔800米安裝一組銅板，銅板長度約20米，銅板與“+/-20KV”直流供電網(wǎng)接通。)，從而使這兩條母線在任何時刻都能保證至少有一點與(+/-)20KV直流供電網(wǎng)接通。這種供電方式可省去結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性差、價格昂貴、維護成本極高的架空接觸網(wǎng)，從而可大幅度降低供電系統(tǒng)的投資費用，并且可以提高供電的可靠性。
2.高速列車的結(jié)構(gòu)模式列車由“頭部單元”和若干個“標(biāo)準(zhǔn)單元”組成。而“標(biāo)準(zhǔn)單元”則由1個“公共單元”、12個“動力單元”和23個“非動力單元”組成。這種列車的特點是車身特別細長，約800米以上，單位長度的重量約為560Kg/m。由于車身細小，列車非常適合流水線式的裝配和制造，可降低生產(chǎn)成本。整列列車采用每排一乘客的獨立單元方式設(shè)計，可大大提高服務(wù)質(zhì)素。由于列車的單位長度的重量很輕，這種列車非常適合架空軌道行駛，可大幅度降低架空軌道的投資。
3.架空軌道的結(jié)構(gòu)模式這種架空軌道采用列車和供電線路共用相同的鋼筋混凝土支承架，這種結(jié)構(gòu)模式使得軌道系統(tǒng)和供電系統(tǒng)能融為一體，結(jié)構(gòu)簡單，既安全，又可大幅度降低投資。列車行駛的鐵軌比常規(guī)鐵軌要復(fù)雜一些，它的外側(cè)面裝有鋼齒條，通過與列車的動力側(cè)齒輪相互齒合而產(chǎn)生“驅(qū)動力”或“制動力”，使整列列車具備良好的起動及制動性能。
4.控制和通信系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)模式控制和通信系統(tǒng)均采用多微機多層次的控制方式，這種硬件設(shè)計具有冗余度高，運行速度快，自檢及互檢能力強等優(yōu)點，使得控制和通信融為一體，硬件資源可得到充份利用。
5.三點式直流供電模式高速列車采用(+20KV、0V、-20KV)三點式的直流供電模式，這種模式的特點是既可輸送大容量電能，又可使得兩極的對地電壓相對較低，保證了IGBT變頻器的耐壓要求。另外，這種供電模式還可調(diào)節(jié)可控硅的電壓輸出，當(dāng)天氣變化引起直流輸電線路絕緣降低時，可降低其輸出電壓，確保安全供電。由于直流回路采用IGCT1、IGCT2快速保護晶閘管，可快速切斷短路電流。
全文摘要
技術(shù)領(lǐng)域包括電力、電子、機械及建筑。具體內(nèi)容這是一種以載人為主的新概念列車，它的車身特別細長，它以電能作為動力，以直流的方式傳輸電能，它采用一種新式的所謂“接力式”的受電方式使列車獲得直流電源，以IGBT變頻技術(shù)進行“DC/AC”變換，以三相異步電動機作為動力驅(qū)動單元。它的時速為400－500Km/h，沿架空軌道以輪軌齒合的方式行駛。解決了電能的大容量長距離的傳輸問題。解決了高速列車的受電問題，省去了結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格昂貴的架空接觸網(wǎng)，大幅度降低供電系統(tǒng)的投資費用?？纱蠓冉档图芸哲壍赖耐顿Y，解決了列車的行駛通道問題。解決了高速列車的動力分布、平滑調(diào)速等問題。
文檔編號B61B5/00GK101045455SQ20051009938
公開日2007年10月3日 申請日期2006年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月2日
發(fā)明者何戰(zhàn) 申請人:何戰(zhàn)