CN115520169A - 一种轨道交通车辆供风装置自适应变频控制方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轨道交通车辆供风装置自适应变频控制方法和系统，该方法包括以下步骤：S1、使用动力电源为控制器供电，并选择相应的方式完成电机供电；S2、供电时通过控制器监测动力电源的动力电电平状态，选择相应的输入动力电源；S3、电机启动后，控制器根据压力传感器反馈的压力信号与启停信号，控制电机工作处于相应的工作模式；该系统包括供电模块、监测选择模块及控制模块。基于本发明的主流平台供风装置，可普遍适应于轨道交通3至8编组车辆用风需求，车辆正常运行工况，可降低排气量以实现降噪节能，提高乘客舒适度，同时提高压缩机的工作率可有效防止润滑油乳化现象，保证供风装置全寿命周期的运用可靠性；车辆整备阶段、快速用风或总风泄漏故障工况，可提升排气量以提高车辆可用性、安全性。

Description

一种轨道交通车辆供风装置自适应变频控制方法和系统
技术领域
本发明涉及轨道交通车辆制动与供风技术领域，具体来说，涉及一种轨道交通车辆供风装置自适应变频控制方法和系统。
背景技术
轨道交通车辆供风装置用于为车载制动系统和其他气部件的正常工作提供压缩空气。现有轨道交通领域车辆通常采用固定排量的供风装置，为保证车辆储风缸压力保持在一定范围（通常为800kPa～950kPa之间），故供风装置间歇启停，根据车辆的编组情况及用风量不同，供风装置的工作率一般在10%～80%之间，且同一车辆的生命周期不同阶段，其用风量也会有所变化。同时，轨道交通车辆还需额外配置辅助供风装置，它在车辆运行准备时主储风缸内压缩空气压力不足的情况下作为提升受电弓提供压缩空气的气源，整车设备配置复杂，管路安装复杂。
同时，当供风装置运转率较低时，每次运转时间较短，润滑油不能迅速升温至压缩空气压力露点以上，每次压缩机启动将会产生液态水且不能有效蒸发，长时间后便会有润滑油乳化现象发生；当供风装置排气量不足、工作率过高时，一般只能选用大排量、不同平台的供风装置，导致一类平台的供风装置适应性不足，通用性差；多种固定排量供风装置的使用，造成易损易耗件种类繁多，故障类型多，不利于运营维护方的维护保养及检修。且现有供风装置三相异步电动机为直接启动，起动电流约为额定电流的7倍左右，对供电端冲击大，提出了更高的负载容量需求，现有供风装置无法实时输出电源频率、电机转速、功率及排气压力等工作参数，无法实现供风装置的状态监控。
针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
针对相关技术中的问题，本发明提出一种轨道交通车辆供风装置自适应变频控制方法和系统，为轨道交通车辆提供洁净干燥的、气量可自适应场景调节的压缩空气，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。
为此，本发明采用的具体技术方案如下：
根据本发明的一个方面，一种轨道交通车辆供风装置自适应变频控制方法，该方法包括以下步骤：
S1、使用动力电源为控制器供电，并选择相应的方式完成电机供电；
S2、供电时通过控制器监测动力电源的动力电电平状态，选择相应的输入动力电源；
S3、电机启动后，控制器根据压力传感器反馈的压力信号与启停信号，控制电机工作处于相应的工作模式。
进一步的，所述动力电源包括380V交流电源、600V直流电源及110V直流电源。
进一步的，所述控制器包括输入电磁兼容性滤波模块、输入三相整流模块、隔离继电器模块、预充电模块、功率因数校正升压模块、三相逆变模块、电压/电流采样模块、驱动模块、通信模块及控制电路模块。
进一步的，所述使用动力电源为控制器供电，并选择相应的方式完成电机供电包括以下步骤：
S11、当380V交流电源/600V直流电源经过电磁兼容性滤波后，经三相无控整流，由隔离继电器K1与K2完成与110V直流电源供电的电气隔离；
S12、当110V直流电源经电磁兼容性滤波后，由隔离继电器K3与K4完成与380V交流电源/600V直流电源整流后电压的电气隔离；
S13、380V交流电源整流后输入经过预充电电路，由功率因数校正电路升压，再由逆变电路输出完成电机供电；
S14、当110V直流电源输入时，经过预充电电路后无需升压，直接逆变输出完成电机供电。
进一步的，所述供电时通过控制器监测动力电源的动力电电平状态，自主选择相应的输入动力电源包括以下步骤：
S21、当380V交流电源输入电压大于240V，则自动选择380V交流电源输入供电；
S22、当380V交流电源输入电压小于240V，且110V直流电源输入大于61V时，则选择110V直流电源输入供电；
S23、当380V交流电源输入电压掉至240V以下时，自动停机并断开380V交流电源输入开关，重新设置110V直流电源输入供电模式启动；
S24、当380V交流电源输入电压升高至240V以上，则断开110V直流电源输入开关，重新设置380V交流电源输入供电模式进行启动。
进一步的，所述电机启动后，控制器根据压力传感器反馈的压力信号与启停信号，控制电机工作处于相应的工作模式包括以下步骤：
S31、当车辆升弓后，通过380V交流电源向控制器供电，对控制器进行预充电；
S32、空压机首次启动达到标准转速时间10秒，并根据启停信号启停；
S33、当输入380V交流电源供电时，控制器根据压力传感器采集到的压缩机后端负载风压来调整电机转速；
S34、按照不同的电机转速使其处于相应的工作模式。
进一步的，所述工作模式包括安全模式、标准模式、静音模式及辅助模式。
根据本发明的另一个方面，还提供了一种轨道交通车辆供风装置自适应变频控制系统，该轨道交通车辆供风装置自适应变频控制系统包括：供电模块、监测选择模块及控制模块，且所述供电模块通过所述监测选择模块连接与所述控制模块连接；
所述供电模块，用于使用供电装置为控制器供电，并选择相应的方式完成电机供电；
所述监测选择模块，用于供电时通过控制器监测动力电源的动力电电平状态，自主选择相应的输入动力电源；
所述控制模块，用于电机启动后，控制器根据压力传感器反馈的压力信号与启停信号，控制电机工作处于相应的工作模式。
进一步的，所述动力电源包括380V交流电源、600V直流电源及110V直流电源。
进一步的，所述控制器包括输入电磁兼容性滤波模块、输入三相整流模块、隔离继电器模块、预充电模块、功率因数校正升压模块、三相逆变模块、电压/电流采样模块、驱动模块、通信模块及控制电路模块。
本发明的有益效果为：
1、基于本发明的主流供风装置，可普遍适应于轨道交通3至8编组车辆用风需求的供风装置，车辆正常运行工况，可降低排气量以实现降噪节能，提高乘客舒适度，同时提高压缩机的工作率可有效防止润滑油乳化现象，保证供风装置全寿命周期的运用可靠性；车辆整备阶段、快速用风或总风泄漏故障工况，可提升排气量以提高车辆可用性、安全性；通过采用变频控制技术，配套压缩机后实现AC380V/DC600V/DC110V供电制式兼容、排气量可调、主辅一体功能拓展，并可集成通信、压力检测、温度检测、振动检测功能。
2、本发明主辅供风装置一体化，有效简化整车设备布置，降低整车重量，减少车辆能耗及磨损件磨损，供电制式兼容，列车可直接采用600V直流电源直流供电，简化整流逆变模块，电机功率因数提高，可实现节能，降低全寿命周期成本，可实现变频软启动，大幅降低电动机的起动电流，降低供电辅助逆变器容量要求。
3、本发明能够根据车辆的实际运用场景，结合总风压力情况，向车辆提供排气量自适应调节的、洁净干燥的压缩空气，并结合车辆总风压力信号，通过变频控制实现电机转速的调节，从而实现螺杆压缩机的排气量调节；同时在车辆升弓情况下，通过变频控制，供风装置的最终出口排气量调节范围为500～1900L/min，可覆盖3至8编组轨道交通车辆的用风需求；在车辆未升弓时，采用蓄电池供电情况下，通过变频升压控制，驱动压缩机运转，排气量约为300L/min，满足车辆升弓使用要求。
4、本发明在车辆用风量平稳或站停开门状态时，供风装置切换为静音供风模式，能够降低排气量以实现节能降噪，同时提高压缩机的工作率可有效防止润滑油乳化现象；在车辆整备或供风不足等故障工况时，供风装置切换为安全模式可提高排气量以保证车辆的用风需求，提高车辆可用性与安全性；在以上工况外，供风装置切换为标准供风模式，与既有主流产品排量保持一致。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例的一种轨道交通车辆供风装置自适应变频控制方法的流程图；
图2是根据本发明实施例的一种轨道交通车辆供风装置自适应变频控制系统的原理框图之一；
图3是根据本发明实施例的一种轨道交通车辆供风装置自适应变频控制系统的原理框图之二；
图4是根据本发明实施例的一种轨道交通车辆供风装置自适应变频控制方法中电机控制系统的原理框图；
图5是根据本发明实施例的一种轨道交通车辆供风装置自适应变频控制方法中控制器系统的原理框图；
图6是根据本发明实施例的一种轨道交通车辆供风装置自适应变频控制方法中系统控制逻辑图。
图中：
1、供电模块；2、监测选择模块；3、控制模块。
具体实施方式
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图，这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理，配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。
根据本发明的实施例，提供了一种轨道交通车辆供风装置自适应变频控制方法和系统。
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明，如图1至图4所示，根据本发明实施例的轨道交通车辆供风装置自适应变频控制方法，该方法包括以下步骤：
S1、使用动力电源为控制器供电，并选择相应的方式完成电机供电；
其中，所述动力电源包括380V交流电源（AC）、600V直流电源（DC）及110V直流电源（DC）。
所述控制器包括输入电磁兼容性滤波模块、输入三相整流模块、隔离继电器模块、预充电模块、功率因数校正升压模块、三相逆变模块、电压/电流采样模块、驱动模块、通信模块及控制电路模块。
如图5所示，具体的，所述使用动力电源为控制器供电，并选择相应的方式完成电机供电包括以下步骤：
S11、当交流电源380V/直流电源600V经过电磁兼容性（EMC）滤波后，经三相无控整流，由隔离继电器K1与K2完成与直流电源110V供电的电气隔离；
S12、当直流电源110V经电磁兼容性滤波后，由隔离继电器K3与K4完成与交流电源380V/直流电源600V整流后电压的电气隔离；
S13、交流电源380V整流后输入经过预充电电路，由功率因数校正电路升压，再由逆变电路输出完成电机供电；
S14、当直流电源110V输入时，经过预充电电路后无需升压，直接逆变输出完成电机供电。
S2、供电时通过控制器监测动力电源的动力电电平状态，选择相应的输入动力电源；
如图6所示，其中，所述供电时通过控制器监测动力电源的动力电电平状态，自主选择相应的输入动力电源包括以下步骤：
S21、当交流电源380V电源输入电压大于240V，则自动选择交流电源380V电源输入供电；
S22、当交流电源380V电源输入电压小于240V，且直流电源110V电源输入大于61V时，则选择直流电源110V电源输入供电；
S23、当交流电源380V电源输入电压掉至240V以下时，自动停机并断开交流电源380V输入开关，重新设置直流电源110V电源输入供电模式启动；
S24、当交流电源380V输入电压升高至240V以上，则断开直流电源110V输入开关，重新设置交流电源380V电源输入供电模式进行启动。
S3、电机启动后，控制器根据压力传感器反馈的压力信号与启停信号，控制电机工作处于相应的工作模式；
其中，所述电机启动后，控制器根据压力传感器反馈的压力信号与启停信号，控制电机工作处于相应的工作模式包括以下步骤：
S31、当车辆升弓后，通过交流电源380V向控制器供电，对控制器进行预充电；
S32、空压机首次启动达到标准转速时间10秒，并根据启停信号启停；
S33、当输入交流电源380V供电时，控制器根据压力传感器采集到的压缩机后端负载风压来调整电机转速；
S34、按照不同的电机转速使其处于相应的工作模式。
此外，在外部手动切除信号有效的情况下，切除压力传感器控制模式，电机工作模式维持在标准模式，即可通过手动设置电机工作模式为标准模式，保证车辆在检修调试工况下的供风效率。
具体的，所述工作模式包括安全模式、标准模式、静音模式及辅助模式。
其中，安全模式通过升频运转提高电机转速，短时提升供风装置排气量，可有效减少车辆整备时间，同时增加故障工况下的冗余度；
标准模式为标准转速，目前主流供风装置产品的标准排气量；
静音模式在车辆站停等工况下，通过降频运转降低电机转速，在保证一定量压缩空气输出的情况下，降低压缩机运行时的噪声，提高乘客舒适度；
辅助模式可同时兼容列车蓄电池供电（DC110V直流电源）、受电弓受电时辅助逆变器供电（预留直流供电接口）；实现主辅供风装置一体，列车无需单独配置辅助供风装置。
如图2所示，根据本发明的另一个实施例，还提供了一种轨道交通车辆供风装置自适应变频控制系统，该轨道交通车辆供风装置自适应变频控制系统包括供电模块1、监测选择模块2及控制模块3，且所述供电模块1通过所述监测选择模块2与所述控制模块3连接；
所述供电模块1，用于使用供电装置为控制器供电，并选择相应的方式完成电机供电；
所述监测选择模块2，用于供电时通过控制器监测动力电源的动力电电平状态，自主选择相应的输入动力电源；
所述控制模块3，用于电机启动后，控制器根据压力传感器反馈的压力信号与启停信号，控制电机工作处于相应的工作模式。
其中，所述动力电源包括380V交流电源、600V直流电源及110V直流电源；
所述控制器包括输入电磁兼容性滤波模块、输入三相整流模块、隔离继电器模块、预充电模块、功率因数校正升压模块、三相逆变模块、电压/电流采样模块、驱动模块、通信模块及控制电路模块。
本发明通过融合变频控制技术、永磁同步电机技术及PHM技术，供风装置可实现排气量柔性可调、主辅一体的功能拓展，通过集成与电机的控制器控制电机转速，匹配供风装置的应用场景，可实现满足以上功能的功能拓展，具体包括：
档位一：额定9.5kW模式（适配3-6编组车辆）
安全模式：0kPa～730kPa（压力传感器模拟量信号：4mA～11.3mA）电机转速1800rpm（rpm：每分钟转速）；
标准模式：730kPa～780kPa（压力传感器模拟量信号：11.3mA～11.8mA）电机转速1500rpm；
静音模式：780kPa～950kPa（压力传感器模拟量信号：11.8mA～13.5mA）电机转速900rpm；
档位二：额定16kW模式（适配6-8编组车辆）
安全模式：0kPa～730kPa（压力传感器模拟量信号：4mA～11.3mA）电机转速3200pm；
标准模式：730kPa～780kPa（压力传感器模拟量信号：11.3mA～11.8mA）电机转速2700rpm；
静音模式：780kPa～950kPa（压力传感器模拟量信号：11.8mA～13.5mA）电机转速1620rpm；
注：档位一与档位二按不同车辆的编组形式，在供风装置产品出厂前设定完成。
具体的，排气量柔性可调，具体分为四种工作模式：
安全模式：通过升频运转提高电机转速，提升约20%供风装置排气量；
对应工况：初充风、耗风量大或异常等工况，总风压力＜730kPa（压力传感器模拟量信号：4mA～11.3mA，初充风、耗风量大或异常等工况）；
标准模式：标准工频，提供额定排气量；
对应工况：除安全模式、静音模式外的标准供风模式，780kPa＞总风压力＞730kPa，（压力传感器模拟量信号：11.3mA～11.8mA，除安全模式、静音模式外的标准供风模式）；
静音模式：通过降频运转降低电机转速，在保证一定量压缩空气输出的情况下，降低压缩机运行时的噪声，提高乘客舒适度；
对应工况：车辆正常运行工况，含运行过程、站停等工况。该工况为常用工况，可有效控制压缩机的运转率，避免油乳化问题，总风压力正常范围内，即780kPa～950kPa（压力传感器模拟量信号：11.8mA～13.5mA，车辆正常运行工况，含运行过程、站停等工况）。
辅助模式：采用列车蓄电池供电，保证一定的压缩空气输出，用于车辆升弓。可降低辅助逆变器容量，并实现主辅供风装置一体，列车无需单独配置辅助供风装置，简化了列车系统配置；
实现变频软启动，大幅降低启动电流；结合永磁同步电机技术，提高电机功率因数及效率，实现节能与轻量化；兼容供电制式：可同时兼容380V交流电源供电、600V直流电源供电、列车蓄电池110V直流电源供电；面向车辆实际运用工况，通过表征参数采集监控、数据通信、智能算法等技术进行故障诊断、预警，满足安全性、可靠性及可用性要求。
系统具备的保护功能有：输入过压保护、输入欠压保护、过温保护、电机堵转保护、控制器过载保护、输出缺相保护、输入反接保护、通信失败保护等。
综上所述，借助于本发明的上述技术方案，本发明既有主流供风装置，可普遍适应于轨道交通3至8编组车辆用风需求的供风装置，车辆正常运行工况，可降低排气量以实现降噪节能，提高乘客舒适度；同时提高压缩机的工作率可有效防止润滑油乳化现象，保证供风装置全寿命周期的运用可靠性，通过采用变频控制技术，配套压缩机后实现AC380V/DC600V/DC110V供电制式兼容、排气量可调、主辅一体功能拓展，并可集成通信、压力检测、温度检测、振动检测功能。本发明主辅供风装置一体化，有效简化整车设备布置，降低整车重量，减少车辆能耗及磨损件磨损，供电制式兼容，列车可直接采用600V直流电源直流供电，简化整流逆变模块，电机功率因数提高，可实现节能，降低全寿命周期成本，可实现变频软启动，大幅降低电动机的起动电流，降低供电辅助逆变器容量要求。
本发明能够根据车辆的实际运用场景，结合总风压力情况，向车辆提供排气量自适应调节的、洁净干燥的压缩空气，并结合车辆总风压力信号，通过变频控制实现电机转速的调节，从而实现螺杆压缩机的排气量调节；同时在车辆升弓情况下，通过变频控制，供风装置的最终出口排气量调节范围为500～1900L/min，可覆盖3至8编组轨道交通车辆的用风需求；在车辆未升弓时，采用蓄电池供电情况下，通过变频升压控制，驱动压缩机运转，排气量约为300L/min，满足车辆升弓使用要求；本发明在车辆用风量平稳或站停开门状态时，供风装置切换为静音供风模式，能够降低排气量以实现节能降噪，同时提高压缩机的工作率可有效防止润滑油乳化现象；在车辆整备或供风不足等故障工况时，供风装置切换为安全模式可提高排气量以保证车辆的用风需求，提高车辆可用性与安全性；在以上工况外，供风装置切换为标准供风模式，与既有主流产品排量保持一致。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种轨道交通车辆供风装置自适应变频控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1、使用动力电源为控制器供电，并选择相应的方式完成电机供电；
S2、供电时通过控制器监测动力电源的动力电电平状态，选择相应的输入动力电源；
S3、电机启动后，控制器根据压力传感器反馈的压力信号与启停信号，控制电机工作处于相应的工作模式。
2.根据权利要求1所述的一种轨道交通车辆供风装置自适应变频控制方法，其特征在于，所述动力电源包括380V交流电源、600V直流电源及110V直流电源。
3.根据权利要求2所述的一种轨道交通车辆供风装置自适应变频控制方法，其特征在于，所述控制器包括输入电磁兼容性滤波模块、输入三相整流模块、隔离继电器模块、预充电模块、功率因数校正升压模块、三相逆变模块、电压/电流采样模块、驱动模块、通信模块及控制电路模块。
4.根据权利要求3所述的一种轨道交通车辆供风装置自适应变频控制方法，其特征在于，所述使用动力电源为控制器供电，并选择相应的方式完成电机供电包括以下步骤：
S11、当380V交流电源/600V直流电源经过电磁兼容性滤波后，经三相无控整流，由隔离继电器K1与K2完成与110V直流电源供电的电气隔离；
S12、当110V直流电源经电磁兼容性滤波后，由隔离继电器K3与K4完成与380V交流电源/600V直流电源整流后电压的电气隔离；
S13、380V交流电源整流后输入经过预充电电路，由功率因数校正电路升压，再由逆变电路输出完成电机供电；
S14、当110V直流电源输入时，经过预充电电路后无需升压，直接逆变输出完成电机供电。
5.根据权利要求4所述的一种轨道交通车辆供风装置自适应变频控制方法，其特征在于，所述供电时通过控制器监测动力电源的动力电电平状态，自主选择相应的输入动力电源包括以下步骤：
S21、当380V交流电源输入电压大于240V，则自动选择380V交流电源输入供电；
S22、当380V交流电源输入电压小于240V，且110V直流电源输入大于61V时，则选择110V直流电源输入供电；
S23、当380V交流电源输入电压掉至240V以下时，自动停机并断开380V交流电源输入开关，重新设置110V直流电源输入供电模式启动；
S24、当380V交流电源输入电压升高至240V以上，则断开110V直流电源输入开关，重新设置380V交流电源输入供电模式进行启动。
6.根据权利要求5所述的一种轨道交通车辆供风装置自适应变频控制方法，其特征在于，所述电机启动后，控制器根据压力传感器反馈的压力信号与启停信号，控制电机工作处于相应的工作模式包括以下步骤：
S31、当车辆升弓后，通过380V交流电源向控制器供电，对控制器进行预充电；
S32、空压机首次启动达到标准转速时间10秒，并根据启停信号启停；
S33、当输入380V交流电源供电时，控制器根据压力传感器采集到的压缩机后端负载风压来调整电机转速；
S34、按照不同的电机转速使其处于相应的工作模式。
7.根据权利要求6所述的一种轨道交通车辆供风装置自适应变频控制方法，其特征在于，所述工作模式包括安全模式、标准模式、静音模式及辅助模式。
8.一种轨道交通车辆供风装置自适应变频控制系统，用于实现权利要求1-7任一项所述的轨道交通车辆供风装置自适应变频控制方法，其特征在于，该轨道交通车辆供风装置自适应变频控制系统包括供电模块、监测选择模块及控制模块，且所述供电模块通过所述监测选择模块连接与所述控制模块连接；
所述供电模块，用于使用供电装置为控制器供电，并选择相应的方式完成电机供电；
所述监测选择模块，用于供电时通过控制器监测动力电源的动力电电平状态，自主选择相应的输入动力电源；
所述控制模块，用于电机启动后，控制器根据压力传感器反馈的压力信号与启停信号，控制电机工作处于相应的工作模式。
9.根据权利要求8所述的一种轨道交通车辆供风装置自适应变频控制系统，其特征在于，所述动力电源包括380V交流电源、600V直流电源及110V直流电源。
10.根据权利要求9所述的一种轨道交通车辆供风装置自适应变频控制系统，其特征在于，所述控制器包括输入电磁兼容性滤波模块、输入三相整流模块、隔离继电器模块、预充电模块、功率因数校正升压模块、三相逆变模块、电压/电流采样模块、驱动模块、通信模块及控制电路模块。
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