新型架空高速列车的制作方法
专利名称新型架空高速列车的制作方法
技术领域1.电力领域主要包括电能传输及其变换技术。
2.电子领域主要包括列车控制及通信技术。
3.机械领域主要包括列车结构及轨道结构。
4.建筑领域主要包括架空轨道支承架及停车站。
背景技术 目前运行的高速列车主要有两种，其工作原理及性能如下1.高速磁悬浮列车磁悬浮列车是利用直线电机的原理把电机三相定子绕组沿轨道直线展开，整列列车就象电机转子一样，无需与定子有任何接触就可以获得感应电流，从而产生足够大的“浮力”和牵引力。这种设计的优点是(1)可以去掉磨擦力和有利于减小空气阻力，提高效率。(2)有利于高速行驶，时速度可达500Km。(3)具有良好的的起动和制动性能。(4)可以去掉象架空接触网、受电弓之类的设备，减少受电设备开支。缺点是(1)沿轨道铺设长距离、大容量、低电压的三相定子绕组需要花掉庞大的资金。(2)为了确保列车的安全浮起，需要花费较大的资金以确保供电的可靠性。(3)由于磁悬浮列车浮起的高度很小，而且裸露的定子铁芯所产生的强大磁场极容易吸附周围的磁性物质，因此，其对路面的要求特别高，需要行驶架空轨道。(4)由于列车单位长度的重量较重，架空轨道的建设也是一笔庞大的开支。(5)沿轨道产生三相交变磁场(即移动磁场)需要较多很复杂的控制设备。
由于列车高速行驶时空气阻力也是主要因素，虽然高速磁悬浮列车在减小阻力方面是一大优点，但这些优点与其庞大的投资相比却显得微不足道。由于高速磁悬浮列车一次性投资过于庞大，其所表现出的优点也并不十分明显，而且维护成本也相当高，因此，在现时阶段发展高速磁悬浮列车没有任何商业价值。
2.目前商业营运的高速列车目前商业营运的高速列车时速一般在300Km左右，这种高速列车以电能作为动力，通常采用120度换相方式以25KV的电压实现单相输电，通过架空接触网、受电弓使列车获得电能，利用GTO(可关断晶闸管)变频技术使异步电动机获得所需的三相电源，从而驱动列车高速行驶。这种设计的优点是(1)由于沿用传统的地面轨道，所以轨道的建设相对其它高速列车轨道较为节省投资。(2)由于GTO变频技术比较成熟，而且三相异步电动机的工作非常可靠，无需维护，因此，整列列车的结构较为简单，建造费用较低，而运行的可靠性又非常高，维护成本较低。这种列车的主要缺点是在电能传输系统，其表现为(1)由于电能的传输采用交流供电方式，虽然供电可靠性有所提高，但供电容量和传输距离受到较大限制，使得沿线供电站较多，增加了投资和供电损耗。(2)由于采用单相方式输电，即使采用120度换相，但仍然会对供电系统产生较大的三相不平衡，不利于电力系统的安全运行。(3)由于架空接触网的结构太复杂，过载能力、抗台风能力、抗震能力较差，使得架空接触网的建造费用和维护费用相当大，可靠性较差。(4)由于轨道大部分都是沿地面铺设，占地面积较多，一方面不利于高速列车的安全行驶，另一方面也不利于其它横过马路的建设。(5)由于该种列车的牵引力和制动力要依赖“轮-轨”之间的摩擦力，因此，其起动性能和制动性能相对差一点。
这种高速列车目前在日本、法国等一些发达国家应用较为普遍，虽然这种高速列车有很多优点，但总体投资也相当高，不利于普及推广。
这种新型架空高速列车是一种新概念列车，既包含有上述两种高速列车的很多优点，在技术上和模式上也进行了大量创新。它的特点是效率高、服务质素好，而且可大幅度降低总体投资，非常实用和易于普及推广。
这种设计的原理和优点是(1)为了使高速列车有一条安全畅通的轨道，这种列车和磁悬浮列车一样以架空轨道的方式行驶。(2)为了大幅度降低架空轨道的投资，将列车单位长度的重量降低到正常列车的四分之一左右，这样，列车的长度需要增长四倍以上(即约800米以上)。(3)利用列车特别长的特点，可实现“接力式”供电。所谓“接力式”供电，是指在列车底部的左右两侧分别安装两条(即正、负极各一条)800米以上的高压导电母线，并在母线上装上碳刷，当列车跑动的时候，这段移动母线就象接力跑一样，通过母线上的碳刷不间断地接通所到之处的高压导电铜板(每隔800米安装一组铜板，铜板长度约20米，铜板与“+/-20KV”直流供电网接通。参看图1、图3、图4、图18、图19)，从而使这两条母线在任何时刻都能保证至少有一点与(+/-)20KV直流供电网接通。这种供电方式可省去结构复杂、可靠性差、价格昂贵、维护成本极高的架空接触网，从而可大幅度降低供电系统的投资费用，并且可以提高供电的可靠性。(4)电能的传输采用(+/-20KV)直流供电方式，这样可实现电能的大容量、长距离输送。一方面可减少沿线的供电站，有利于进一步降低总体投资，另一方面又不会对供电系统造成三相不平衡的应响。(5)列车采用IGBT变频技术将(+/-20KV)直流电变成(0-400V/0-60Hz)的交流电用于驱动三相异步电动机。由于IGBT(高压绝缘栅双极型晶体管)具有体积小、重量轻、可关断、频率高等优点，使得整列列车的车身可以设计得特别细长，一方面可有利于减小空气阻力，另一方面可有利于列车的流水线式的装配和制造，降低生产成本。(6)整列列车采用每排一乘客的独立单元方式设计，大大地提高了服务质素。(7)列车靠“轮—轨”齿合的方式(见图3、图20)获得前进的牵引力和停车的制动力，因此，列车也同样具有良好的起动和制动性能。
这种列车的缺点是(1)由于列车的长度太长，因此需要花费较多的资金用于兴建较大的椭圆形停车站(见图23)。(2)由于列车采用每排一乘客的独立单元方式设计，因此需要增加较多的附属设备，列车的总重量会有较大的增加，因此需要较大的动力才能达到更高的速度。(3)由于列车的长度太长，因此列车在控制方面的投入也会相应增加。
这种新型架空高速列车与上述两种高速列车相比，在轨道系统和电能输送系统方面具有明显的优点，而这两大系统的投资在整个系统中所占的比例最大，因此可大幅度降低总体投资。在列车系统方面，三种列车各有特点，投资相当，没有太大明显的差异。在停车站系统方面，这种新型架空高速列车的停车站系统的投资最大，但相对总体投资来说，其所占比例不大。综上所述，在目前阶段发展这种新型架空高速列车具有无限的前景和极高的商业价值，非常适合疆域辽阔、地形复杂的国土上行驶。
这种新型架空高速列车具有如下的性能参数1.行驶方式沿架空轨道以轮轨齿合方式行驶，轨道与地面的高度约4--6米。
2.动力来源以电能作为动力，主要来源于地方高压供电网(110KV电网)。
3.供电方式以(+/-20KV)直流输电方式将电能从地方电网送到高速列车上。
4.受电方式高速列车通过滑动碳刷获得(+/-20KV)直流电源。
5.变频方式高速列车利用IGBT变频技术将(+/-20KV)直流电源变成(0-400V/0-60Hz)的交流动力电源。
6.驱动设备以三相异步电动机(45KW/台)作为动力驱动单元。
7.动力分布动力驱动单元以均匀分布方式沿整列列车布置。
8.列车尺寸分为两种固定模式，即长模式和短模式。
长模式长--宽--高1250米--1.1米--1.65米。
短模式长--宽--高830米--1.1米--1.65米。
9.额定功率长模式13500KW，短模式9000KW。
10.行驶时速400-500Km/h。
11.额定载员长模式全坐552人，全卧414人。
短模式全坐368人，全卧276人。
12.单位重量列车平均单位长度重量约为560Kg/m。
13.控制方式微机控制。
14.服务对象以载客为主。
四附图说明
为了说明这种新型架空高速列车的基本原理，把整个系统分为六大部分，即系电能传输系统、列车系统、控制和通信系统、架空轨道系统、停车站系统、其它附属系统。下面逐一说明《一》电能传输系统(图1、图2)电能传输系统是指电能从110KV地方电网传到高速列车的动力马达而涉及到的所有电力设备，包括一次高压设备(见图1、图2)和二次保护、控制设备(图中未画)。
从图1可见，电能传输系统是采用“交—直—交”方式，即系先将110KV交流电变成(+/-)20KV的直流电，然后经输电线路等设备传到列车上，再经车上的IGBT变频装置等设备变成(0-400V/0-60Hz)的交流电，用于驱动三相异步电动机。
1.高压设备(是指电能在传输过程中所经过的设备)1.1
110KV地方供电网高速列车的电能来源于110KV地方供电网，当然，在某些特殊情况下，高速列车的电能也可以来源于220KV地方供电网，但投资要贵很多。地方供电网，一般都具备双母线，图1是一种典型的供电结线模式。
从图1可见，110KV地方供电网的设备包括I母、II母。隔离刀G11、G12、G13、G21、G22、G23。断路器DL1、DL2。用于保护的PT、CT(图中未画)。
高速列车供电站高速列车供电站的功能是降压、整流、逆变、负荷分配。其设备包括隔离刀GL、G14、G24、G15、G25、G16、G26。断路器DL3、DL4。选择兼极性转换开关K11、K21。降压变压器T11、T21。可控硅“整流/逆变”装置KZ1、KZ2。用于保护的PT、CT(图中未画)。
高速列车供电站的结线模式分为两种，一种是供电站距地方供电网很近的(见图1)，另一种是供电站距地方供电网较远的(图中未画)。
在正常情况下，GL为断开状态，两路电源独立供电。当DL1或DL2检修时，GL为闭合状态。
T11、T21为降压变压器，其容量的选择按架空轨道的数目和列车密度决定。在图1中，T11、T21的容量是按四条轨道和每隔25公里一列车的密度设计的。由于目前IGBT的单管耐压值较低(约3000V左右)，变频器的每个桥臂需要很多IGBT管串联而成，但过多的管子串联使得每个管子的均压问题很难解决，所以，T11、T21低压侧的电压不能太高，选择30KV较为合适；如果各种条件允许的话，尽可能地提高低压侧的电压，减小其输出电流，降低输电损耗。T11、T21的二次绕组连结见图2。
KZ1、KZ2为可控硅“整流/逆变”装置，其具体电路见图2。当列车为行驶状态时，其工作在“整流”状态；当列车为制动状态时，其工作在“逆变”状态。由于目前IGBT变频器的工作电压不能太高，因此，KZ1、KZ2采用(+20KV、0V、-20KV)三点式接线，降低其输出电压及对地电压。R0为中性点接地电阻，可降低输电线路的接地短路电流，对可控硅起保护作用；另外，使接在(+/-)极上的负载尽量相等，使得正常流过R0的电流为零。在正常情况下，KZ1、KZ2的输出电压为(+/-)20KV；当天气变化引起直流输电线路绝缘降低时，可降低其输出电压，确保安全供电。IGCT1、IGCT2为快速保护晶闸管，用于快速切断短路电流。ZnO为直流式氧化锌避雷器，用于预防输电线路的感应雷和直击雷。I0、U0为电流、电压变送器，用于测控。
K11、K21为选择兼极性转换开关，一方面使可控硅“整流/逆变”装置能有选择地向哪一条母线供电，另一方面可改变母线(1M或2M)的正、负极性，以满足列车的各种运行方式的需要。
由于采用(+/-)20KV的直流电压供电，因此，每个供电站的电能输送范围可达100公里左右(见图1)，也就是说，供电站之间的距离可达到100公里左右，具体计算这里不再重述。由于供电范围大，所以在实际应用中比较容易实现。为了降低电能损耗，高速列车供电站尽可能靠近架空轨道。
110KV交流输电线路(L1、L2)110KV交流输电线路的作用是把电能从地方供电网送到高速列车供电站。输电线路的长短由地方供电网到架空轨道的距离而定，如果距离大，则输电线路长；如果距离小，则输电线路短。
(+/-)20KV直流供电网(+/-)20KV直流供电网的作用是将直流电能输送到高速列车上。其设备包括直流输电母线1M、2M。选择开关K1、K2、......Kn。母联开关GM11、GM12、......GM1n。GM21、GM22、......GM2n。固定导电接触铜板Cu。
为了确保供电的可靠性，采用双母线(1M、2M)输电(见图1)，每组母线由“正(+20KV)”、“负(-20KV)”极组成(见图3)。为了降低总体投资，供电母线安装在架空轨道正上方(见图18、图19)。
选择开关K1、K2、......Kn的作用是选择接通哪一条母线，相邻两个选择开关的距离为800米(见图1)。为了运行和维修的安全，选择开关靠母线侧应装高压熔断器，图中未画。
母联开关GM11、GM12、......GM1n。GM21、GM22、......GM2n的作用是根据运行方式的需要将相邻两个或两个以上的供电站分开或并列运行。从图1可见，母联开关之间的距离约为100公里，由于这段距离太长，如果某小段线路有故障，则会影响整段线路的供电，因此，可在这段线路上再增加两个分段开关(图中未画)，使得每段距离在35公里左右最为合适，一方面可有利于故障的查处，另一方面更有利于列车的可靠供电。
固定导电接触铜板(Cu)是与高速列车滑动碳刷(CB)接触的部分(见图1)，只有通过它才能把电能传到高速列车上，其尺寸及安装结构图见图18、图19。由于固定导电接触铜板具有结构简单、易安装、可靠性高、价格便宜等优点。利用它可省去结构复杂、可靠性差、价格昂贵的传统架空接触网，从而可大幅度降低供电系统的投资费用，并且可以提高供电的可靠性。
1.5高速移动部分的电气设备高速移动部分的电气设备是指安装在高速列车上的各种电气设备(见图1)，主要包括高强度铝合金导电母线(LM)及碳刷(CB)。变频器BP1、BP2、......BPn。干式变压器T1、T2、......Tn。马达控制磁吸KC1、KC2、......KC8。动力驱动马达M1、M2、......M8。熔断器(RD)。
其工作原理部分碳刷(CB)获得的电能通过高强度铝合金导电母线(LM)传到整列列车上，经过变频装置(BP1、BP2、......BPn。T1、T2、......Tn。)的变换后，把(+/-)20KV直流电变成(0-400V/0-60Hz)的交流电，通过磁吸(KC1、KC2、......KC8)的控制去驱动三相异步电动机(M1、M2、......M8)。
碳刷(CB)和高强度铝合金导电母线(LM)的具体结构见图3、图4。碳刷(CB)与固定导电接触铜板(Cu)的接触情况见图5。
变频器(BP1、BP2、......BPn)是整个列车系统的最关键部分。由于列车的车身特别细长，因此，整列列车需由很多变频器组成，均匀地分布在整列列车上(见图1)。其中“长模式”列车由36个变频器组成、“短模式”列车由24个变频器组成，每个变频器的功率为360KW，其输入直流电压为20KV，输出交流电压(经变压器降压后)为0-400V/0-60Hz。变频器采用多管(指变频器每个逆变桥臂)直接串联IGBT高压变频技术，其相关电路见图1、图2、图11、图16、图17。
由于IGBT(高压绝缘栅双极型晶体管)晶闸管具有体积小、重量轻、触发电流小、控制回路简单等优点，因此，功率为360KW的变频器其体积和重量都较小，非常适合这种“细长型”列车。
由于IGBT晶闸管具有极高的通-断频率(约50KHz)，因此，变频器的输出波形非常接近正弦波，对于异步电动机的运行和调速都非常有利。
目前多管直接串联IGBT高压变频技术已较为成熟，在很多领域早已开始应用。在电力输送方面，瑞典于1999年11月已应用IGBT变频技术把(+/-)80KV的直流电变成交流电，变频器功率达到50000KW。我国成都佳灵电气制造有限公司生产的IGBT变频器(无输入输出变压器)的输出电压为13800V，输出功率为450-20000KW，已广泛应用于钢铁、冶金、电厂等行业。国产IGBT变频器的输出电压(13800V)已很接近本人所设计的IGBT变频器的输出电压(15000V)。综上所述，应用多管直接串联IGBT高压变频技术是完全可行的。
目前行驶的高速列车大多采用单管(指变频器每个逆变桥臂)GTO中压(2KV---3KV)变频技术，由于GTO(可关断晶闸管)的触发电流很大，因此，需要很复杂的触发电路和吸收电路，使得装置的体积和重量都较大；另外，由于GTO晶闸管的通-断频率较低，使得变频器的输出电压质量较差。
虽然GTO变频技术较为成熟，性能可靠，但综合各项因素还是选择IGBT变频器最为合适。
T1、T2、......Tn为干式变压器，一方面可降低输出电压，另一方面起隔离作用。每台变压器的容量约为400KVA，其数目和变频器数目一样多，并且均匀地分布在整列列车上(见图1、图2)。
KC1、KC2、......KC8为马达控制磁吸，控制马达接通和断开电源。而马达的正、反转则通过改变变频器的相序来实现。
M1、M2、......M8为三相异步电动机，每个变频器驱动8台三相异步电动机(约45KW/台)，所有电动机均匀地分布在整列列车上(见图1、图4)。
2.二次保护、控制设备(是指用于保护和控制一次设备的设备，图中未画。)2.1
110KV供电线路(L1、L2)及主变(T11、T21)的保护设备110KV供电线路及主变(见图1)的保护装置分为两种，一种是输电线路(L1、L2)较短的保护装置主保护采用微机差动保护，保护范围为DL1至DL3、DL2至DL4之间；后备保护采用微机复合电压过流保护。另一种是输电线路(L1、L2)较长的保护装置主保护采用三段式微机距离和零序保护，保护范围为输电线路(L1、L2)，这种输电线路两头都有断路器和保护装置；而主变则采用微机差动保护作为主保护，采用微机复合电压过流保护作为后备保护。
可控硅“整流/逆变”装置(KZ1、KZ2)及(+/-)20KV直流输电线路的保护设备可控硅“整流/逆变”装置及直流输电线路的保护采用两种办法，第一，在断路器DL3、DL4处装设三段式反时限过流保护装置。第二，利用变送器(I0、I1、I2)所测到的信号去控制IGCT1及IGCT2，对直流输电线路的短路故障进行快速切除。
控制设备控制设备主要包括(1)所有断路器、隔离开关、选择开关等设备分、合闸操作的控制设备。(2)可控硅“整流/逆变”装置(KZ1、KZ2)的控制设备。(3)变频装置(BP1、BP2、......BPn)的控制设备。(4)列车控制和通信设备。
上述控制设备具有“就地”和“遥控”功能，具体原理在控制系统说明。
《二》列车系统(图3-图10，图中尺寸只为参考)列车系统是指组成列车的各个单元。从图10可见，列车由“头部单元”和若干个“标准单元”组成。而“标准单元”则由1个“公共单元”、12个“动力单元”和23个“非动力单元”组成。可以说，组成列车的最基本单元就是“动力单元”、“非动力单元”、“公共单元”和“头部单元”。下面逐一说明1.动力单元(是指专为列车提供行驶动力的单元，见图3、图4、图5)1.1
动力单元的工作原理动力单元的工作原理就是把(+/-)20KV的电能转化为列车行驶的机械能。从图3、图4可见，其电能传输过程如下固定导电接触铜板(15)→滑动碳刷(14)→高强度铝合金导电母线(13)→高压熔断器(16)→变频装置→隔离变压器→马达。其机械能传递过程如下马达(3)→大齿轮(4)→小齿轮(5)→侧轮(9)+钢轨道(10)→列车。
滑动碳刷(14)与固定导电接触铜板(15)之间的压力来源于卷舌式弹簧(12)，其具体接触情况见图5。侧轮(9)是一种高强度钢齿轮，列车的动力来源于侧轮与钢轨道之间的齿合力，钢轨道(10)的具体结构见图20。环氧树脂高压绝缘支架(17)内部含有增加其结构强度的高强度铝合金，图中未画，参看图3、图5。
动力单元的主要设备(见图3、图4)及其作用动力单元的主要设备包括&1&高强度铝合金框架及外壳马达、隔离变压器、变频器等设备产生的热量利用马达冷却风扇产生的循环风通过铝合金外壳排出车外。&2&转向架用于支承动力马达和帮助列车拐弯。&3&环氧树脂高压绝缘支架一方面可悬挂高压导电母线及碳刷，另一方面可将高压导电母线与外壳隔离。&4&动力马达为三相异步电动机，共8台，每台约45KW，分别安装在两个转向架上。&5&变频装置每台变频装置的功率约360KW。&6&隔离变压器为干式变压器，每台容量约为400KVA。&7&控制及通信设备其原理图见图11-图17。&8&大齿轮、小齿轮、侧轮及支承轮。&9&刹车、减震、轴承、转轴等设备图中未画。
动力单元的长度8-9米，图中只标8米。
动力单元的总重量约9T。
隔离变压器1.5T。8台马达3.2T。变频装置0.2T。控制及通信设备0.1T。铝合金外壳及转向架3T。其它设备1T。
动力单元的额定功率约8×45KW＝360KW。
2.非动力单元(是指专载乘客的单元，见图6)2.1
非动力单元的结构说明非动力单元的外形与动力单元的外形(见图3)基本相同，只是转向架有所差异。从图6可见，非动力单元分为A、B、C、E、F、G六个独立间隔，每个间隔的长度约为2米，这是一种模式(全卧)；另一种模式(全坐)是把非动力单元分为A、B、C、D、E、F、G、H八个独立间隔，每个间隔的长度约为1.5米(这种模式图中未画)。每个独立间隔的有用空间(长—宽—高)约为1.9米(或1.4米)-1米-1.4米。
非动力单元的主要设备非动力单元的主要设备包括&1&高强度铝合金框架及外壳与动力单元相同。&2&车门及其控制装置(图中未画)每个独立间隔的两侧均有车门，采用前后移动的方式进行开门或关门。&3&座椅(图中未画)具备“坐/卧”功能。&4&空调(图中未画)每个间隔具有独立空气调节功能(参看图27)。&5&坐厕(图中未画)每个独立间隔具有一个简便坐厕(参看图28)，设计在座椅下面。&6&备用动力蓄电池每个非动力单元安装一组24V/400Ah的蓄电池(参看图27)，作为列车的备用动力电源。&7&无功补偿电容器每个非动力单元可能要安装一组无功补偿电容器(图中未画)。
非动力单元的长度约12--13米，图中只标12米。
非动力单元的总重量(不包括乘客)约4.5T。
铝合金外壳(包括车门)及转向架(包括车轮)3T。座椅(6或8张)0.4T。铝合金坐厕(6或8个)0.1T。空调0.1T。24V/400Ah备用动力蓄电池0.4T。无功补偿电容器0.1T。其它设备0.4T。
3.公共单元(是指放置公共设备的单元，见图7、图8)3.1
公共单元的结构说明及主要设备公共单元的外形与动力单元的外形(见图3)基本相同，只是转向架有所差异。从图7、8可见，公共单元分为六个间隔，每个间隔的长度约为2米，分别放置低压变频装置(2套)、低压逆变设备(2套)及充电设备(8套)、高压逆变隔离变压器(2台)、高压逆变装置(2套)、小容量控制蓄电池组(2组)、控制及通信设备。
公共单元的原理说明(参看图8)&1&低压变频装置(90KW/套)在电网停电或电能传输系统出现故障等特殊情况下，利用备用动力蓄电池组(见图27)的电能，通过IGBT“变频1”、“变频2”产生“0-400V/0-50HZ”的交流电，去驱动相邻(参见图10)“动力单元”的马达。
&2&低压逆变设备(30KW/套)及充电设备在电网停电的情况下，由IGBT低压“逆变1”、“逆变2”工作，输出400V/50HZ的两组交流电压，作为标准单元的各种工作电源。在正常情况下，由600V的“充电1”至“充电4”向“备用动力蓄电池组”充电；由220V的“充电1”至“充电4”向“控制蓄电池组1”、“控制蓄电池组2”充电。
&3&高压隔离变压器(T1、T280KVA/台)及高压逆变装置(BP1、BP260KW/套)在正常情况下，由IGBT逆变器(BP1、BP2)、隔离变压器(T1、T2)输出400V/50HZ的两组交流电压，作为标准单元的各种工作电源，如照明、空调、冷却风扇等。
&4&小容量控制蓄电池组作为标准单元的各种控制电源。
&5&控制及通信设备参看图12、13、14。
公共单元的长度12-13米，图中只标12米。
公共单元的总重量约5.5T。
铝合金外壳及转向架(包括车轮)3T。低压变频装置(2套)0.5T。低压逆变设备(2套)及充电设备(8套)0.3T。高压逆变隔离变压器(2台)0.8T。高压逆变装置(2套)0.4T。小容量控制蓄电池组(2组)0.1T。控制及通信设备0.1T。其它设备0.3T。
4.头部单元(是指列车最前部的单元，见图9、图10)4.1
头部单元的结构说明头部单元的外形与动力单元的外形(见图3)基本相同，其结构见图9。头部单元也分为A、B、C、E、F、G六个间隔，每个间隔的长度约2米。驾驶室及操控设备在E间隔，监控窒及监控设备在A间隔。B间隔和C间隔为工作人员休息单元，其中A、B间隔相通，C、E间隔相通。F间隔和G间隔分别安放一些路面监测设备。
头部单元的主要设备头部单元的主要设备包括(1)监控设备见图12，为微机装置，对整列列车进行实时监测和控制。(2)操控设备主要包括与列车启动、停止，加速、减速、匀速、刹车，开门、关门等一系列相关的操作设备(图中未画)。(3)路面监测设备主要是对列车行驶的轨道路面进行监测(图中未画)。
头部单元的长度12-13米，图中只标12米。
头部单元的总重量较轻，约为4T。
头部单元所需要的各种电源从相邻(参见图10)的标准单元获取。
5.标准单元(见图10)为了便于各种运行方式的组合，有必要先由不同的基本单元按照图10的方式组合成具备一定功能的标准单元，再由若干个标准单元组成不同长度的列车(见图10)。
标准单元的组成标准单元由36个基本单元组成，包括1个“公共单元”、12个“动力单元”和23个“非动力单元”。
标准单元的长度约400米。
标准单元的单位长度的重量约560Kg/m。
(1×9T+2×4.5T)/(1×8m+2×12m)＝0.56T/m5.4
标准单元的载客数量138人(全卧)、184人(全坐)。
23×6人＝138人(全卧)、23×8人＝184人(全坐)。
标准单元的额定功率12×360KW+180KW(其它)＝4500KW。
6.列车的组成(见图10)列车由“头部单元”和若干个“标准单元”组成，其结构分为两种固定模式，即“长模式”和“短模式”。在特殊情况下也可以在固定模式的基础上临时自动驳接若干个“标准单元”，以满足实际的需要。每个车站都有若干个“标准单元”作为临时备用。
列车的长度约830米(短模式)、1250米(长模式)。
列车的单位长度的重量(与“标准单元”的一样)约560Kg/m。
列车的载客数量短模式138人×2＝276人(全卧)、184人×2＝368人(全坐)长模式138人×3＝414人(全卧)、184人×3＝552人(全坐)6.4
列车的额定功率短模式2×4500KW＝9000KW。
长模式3×4500KW＝13500KW。
《三》控制和通信系统(图11-图17)控制系统是指控制整列列车行驶的各个监控单元，而通信系统则包括列车内部之间的通信及列车与调度中心之间的通信。
由于列车太长，行驶速度又极高，只有采用微机控制方式才能确保列车的安全、可靠运行。
1.控制系统控制系统包括下位机、上位机、监控机。下位机安装在动力单元(见图13)，其主要任务是控制该动力单元及其相邻的两个非动力单元，在正常情况下，下位机受上位机或监控机直接控制；当它与上位机或监控机失去联系时，也可以根据其程序独立运行。上位机安装在公共单元，其主要任务是控制其所属标准单元的各台下位机。监控机安装在头部单元，其主要任务是控制整列列车。上位机和监控机是同级机，可相互兼容。所谓同级机，是指上位机和监控机都具备控制整列列车的功能，只是在正常情况下由监控机控制整列列车，由上位机控制其所属标准单元；当监控机出现故障时，由某一上位机代替监控机去控制整列列车，同时也兼控其所属标准单元。这种控制方式使得主机具有更大的冗余度。正常情况下的控制过程是列车各点信号由下位机→上位机→监控机；列车控制指令由监控机→上位机→下位机→各点控制对象。
下位机(见图11)下位机采用双CPU控制方式，通过I/O口实现相互兼容、相互控制，CPU之间既可自检，也可互检。在正常情况下，各CPU的主要分工如下1.1.1
CPU1根据运算速度的需要，CPU1可采用Intel 80186芯片(16位)，若果需要更高的运算速度，也可采用Mortorola公司的MC68332芯片(32位)。其工作过程如下&1&各种传感器Sr(如轴承温度、车箱震动、车箱内温度、车箱内气压等)的信号经变送器Td处理后变成4-20mA的模拟量，再经A/D转换变成数字信号，经数字信号处理器DSP处理后将结果暂存到RAM。&2&各种开关量信号(如车门关与开、各种电源开关的辅助触点、各种故障的报警触点、各种设备的工作状态等)先经输入光隔DI转换成数字信号后，再经I/O1输入，将各种监控对象的状态暂存到RAM。&3&上述各种信号经CPU1处理后，CPU1一方面通过I/O1、输出光隔DO发出指令去控制相应的控制对象；另一方面通过I/O2、数字光隔OPT1把相关信号传到通信装置，再经“并行/串行”通信口传到“上位机”和“监控机”。&4&CPU1通过I/O2、数字光隔OPT1对通信装置进行监控。
CPU2根据运算速度的需要，CPU2可采用Intel 80186芯片(16位)，若果需要更高的运算速度，也可采用Mortorola公司的MC68332芯片(32位)。其工作过程如下&1&模拟量(包括母线电压—指变频装置隔离变压器Tr低压侧的三相电压。马达电压—指8台动力马达的三相绕组电压。马达电流—指8台动力马达的三相绕组电流。)经交流隔离变AC，把每一个量分成两个，同时隔离、变小；再经低通滤波器LPF处理后进入模/数转换器A/D，数字信号经数字信号处理器DSP处理后将结果暂存到RAM。&2&CPU2通过对上述数据进行分析，判断每个动力马达的工作状况，从而作出相应的处理。&3&CPU2通过I/O2、数字光隔OPT1把相关信号传到通信装置，再经“并行/串行”通信口传到“上位机”和“监控机”。&4&CPU2通过I/O2、数字光隔OPT2对变频装置进行监控。
CPU1与CPU2之间的关系CPU1与CPU2之间通过I/O口可互为备用，它们之间的信息也可共享。在正常情况下，两个CPU按各自主程序(存放在ROM中)进行工作，一旦某个CPU出现故障，则由另一CPU接管全部工作。
通信装置(见图11、12、13、14)通信装置的主要任务是实现下位机与上位机(见图13)、下位机与中继机(见图14)之间的信息传递。其工作过程如下&1&红外线发射、接收板(T/R)安装在列车底部的正下方，它与轨道表面之间的距离约12cm。在轨道表面之下也安装有一块约5米长的红外线发射、接收板(T/R)，板与板之间的距离约800米。这样，通过列车上的T/R板与轨道表面之下的T/R板之间的相互耦合实现下位机与中继机之间的信息传递。&2&“光-电”转换电路(O-E)的主要作用是实现下位机与上位机之间的信息传递。&3&数字交换处理器(DCP)的作用是将来自各方的数据进行处理和交换。根据通信速度的需要，数字交换处理器可以是一个单片机CPU(如Intel 80196)，也可以是一个数字信号处理器(如DSP)。
变频装置(参看图11、图15、图16、图17)变频装置是整个动力系统及控制系统的最关键部分，它的作用是将高压直流电变成低压交流电，其主要设备(参看图16)包括正弦波脉宽调制电路(SPWM)、IGBT驱动模块(DM)、高压绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、高压隔离变压器(Tr)等。其工作原理如下&1&变频装置对异步电动机的控制方式采用U/f恒定控制方式。U/f恒定控制是异步电动机变频调速最基本控制方式，它在控制电动机的电源频率(f)变化的同时控制变频器的输出电压(U)，并使两者之比为恒定，从而使电动机的磁通基本保持恒定，其转速—转矩特性曲线见图17。
采用U/f恒定控制的优点是可以进行电动机的开环速度控制；其缺点是低速性能较差。
&2&正弦波脉宽调制电路(SPWMSine Pulse Width Modulation)用正弦波脉宽调制电路(SPWM)所产生的调制脉冲去控制IGBT可实现U/f恒定控制。
调制脉冲的产生(见图17)用双极性等幅、等腰三角波载频信号(u△)及三相正弦波调制信号(ua、ub、uc)同时输入正弦波脉宽调制电路(SPWM)，经过它们相互比较后产生调制脉冲(Ua、Ub、Uc)。从波形图可见，在载频信号(u△)与调制信号(ua、ub、uc)相交处发出调制脉冲(Ua、Ub、Uc)。在每半个周期内，中间的脉冲宽，两边的脉冲窄，各脉冲之间基本等距而脉宽和正弦曲线下的积分面积成正比，脉宽基本上成正弦分布。
由于IGBT是一种可关断晶闸管，因此，变频器输出电压的波形基本上接近调制脉冲的波形。SPWM型变频器是靠改变脉冲宽度来控制其输出电压的大小，通过改变调制正弦波的频率来控制其输出频率。
变频器输出电压(U)的大小和频率(f)均由三相正弦波调制信号(ua、ub、uc)来控制。当改变三相正弦波的幅值时，三相调制脉冲的脉宽也随之改变，从而改变变频器三相输出电压的大小；当改变三相正弦波的频率时，变频器三相输出电压的频率也随之改变。在调节三相正弦波调制信号(ua、ub、uc)频率的同时相应地适当调节其幅值，使U/f保持恒定。
双极性等幅、等腰三角波载频信号(u△)及三相正弦波调制信号(ua、ub、uc)均由上位机或监控机产生(见图12)。
&3&驱动模块(DM)驱动模块的作用是1)将正弦波脉宽调制电路(SPWM)所产生的调制脉冲信号放大。2)采用“光-电”耦合技术将正弦波脉宽调制电路(SPWM)与高压直流回路隔离。3)控制高压绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的“通/断”。
&4&高压绝缘栅双极型晶体管(IGBT)及其附属元件由于目前IGBT的单管耐压值较低(约3000V左右)，变频器的每个桥臂需要很多IGBT管串联而成，但过多的管子串联需要解决管子间的均压问题，因此，每个管子必需并联一个“R-C”电路(电阻-电容串联电路)进行均压，同时再并联一个续流二极管保护IGBT管子。
&5&高压隔离变压器(Tr)由于高压侧的电压太高(20KV)，因此，必需要采用高压隔离变压器将变频后的电压降低到(0-400V)才能驱动马达。
&6&其它附属元件1)驱动模块(DM)的工作电源来自高压隔离变压器Tr1。2)分流器(Sh)监控变频器高压侧三相电流的平衡情况。正常情况下，流过分流器的电流为零。
&7&下位机对变频装置的监控
下位机只监控变频装置的启动/停止、风冷、温升、IGBT管子的好坏、正弦波脉宽调制电路的工作情况等。
&8&上位机或监控机对变频装置的监控变频装置输出电压及频率的大小由上位机或监控机通过数字电路控制三相正弦波调制信号(ua、ub、uc)来自动调节。
上位机(见图12)上位机也采用双CPU控制方式，通过I/O口实现相互兼容、相互控制，CPU之间既可自检，也可互检。在正常情况下，各CPU的主要分工如下1.2.1
CPU1根据运算速度的需要，CPU1可采用Intel 80186芯片(16位)，若果需要更高的运算速度，也可采用Mortorola公司的MC68332芯片(32位)。其工作原理与下位机基本相同，但工作任务有所不同，其主要任务包括&1&控制公共单元各种电气设备(见图8)的工作。&2&控制该单元的通信装置。
CPU2根据运算速度的需要，CPU2可采用Intel 80186芯片(16位)，若果需要更高的运算速度，也可采用Mortorola公司的MC68332芯片(32位)。其工作原理与下位机基本相同，但工作任务有所不同，其主要任务包括&1&通过通信装置监控该标准单元所属的各台下位机的工作情况(见图13)。&2&通过通信装置把该标准单元的各种主要信息传给监控机(见图14)。&3&通过通信装置接受监控机各种指令(见图14)。
CPU1与CPU2之间的关系CPU1与CPU2之间通过I/O口可互为备用，它们之间的信息也可共享。在正常情况下，两个CPU按各自主程序(存放在ROM中)进行工作，一旦某个CPU出现故障，则由另一CPU接管全部工作。
当监控机出现故障，由上位机机代替监控机工作时
&1&由CPU1接管上述所有工作。&2&由CPU2控制三角波发生器及正弦波发生器(见图12)。&3&由CPU2接管监控机的其它工作。
监控机(见图12)监控机也采用双CPU控制方式，通过I/O口实现相互兼容、相互控制，CPU之间既可自检，也可互检。在正常情况下，各CPU的主要分工如下1.3.1
CPU1根据运算速度的需要，CPU1可采用Intel 80186芯片(16位)，若果需要更高的运算速度，也可采用Mortorola公司的MC68332芯片(32位)。其工作原理与下位机基本相同，但工作任务有所不同，其主要任务包括&1&控制头部单元各种设备(包括列车启动/停止、加速/减速/匀速、刹车、路面监测等设备。)的工作。&2&控制该单元的通信装置。&3&通过监控机、上位机、下位机、中继机、中控机的通信装置与调度中心进行各种信息交换(见图14)。
CPU2根据运算速度的需要，CPU2可采用Intel 80186芯片(16位)，若果需要更高的运算速度，也可采用Mortorola公司的MC68332芯片(32位)。其工作原理与下位机基本相同，但工作任务有所不同，其主要任务包括&1&通过通信装置监控整列列车各台上位机的工作情况(见图14)，从而获得整列列车的各种运行参数并进行综合分析及处理。&2&通过通信装置把各种控制指令传给各台上位机(见图14)。&3&控制三角波发生器及正弦波发生器(见图12、图15)，实现整列列车的同步变频调速控制，这种控制方式有利于(+/-)20KV直流传输系统中中性极的电流为零。
三角波发生器专门产生双极性等幅、等腰三角波载频信号(u△)。该信号频率较高，约20KHz左右而幅值约10V。三角波发生器的电路比较简单，在变频技术中用得较广，这里不再介绍。
正弦波发生器专门产生三相正弦波调制信号(ua、ub、uc)。该信号为一变化信号，根据列车速度的需要而改变，频率在0-60Hz之间、幅值在0-10V之间变化。正弦波发生器的电路较为复杂，在电力系统继电保护校验仪技术中应用得较为广泛，国产技术(如昂立公司、邦德公司生产的继电保护校验仪)都很成熟，该信号可用微机数字电路控制生成，波形非常接近正弦波，对列车的调速非常有利。
CPU1与CPU2之间的关系CPU1与CPU2之间通过I/O口可互为备用，它们之间的信息也可共享。在正常情况下，两个CPU按各自主程序(存放在ROM中)进行工作，一旦某个CPU出现故障，则由另一CPU接管全部工作。
当两个CPU都同时故障时在正常情况下，由监控机控制整列列车；当监控机的两个CPU都同时故障时，则由某一上位机接管监控机的所有工作，同时兼控该标准单元。这种控制方式使得主控装置具备足够的冗余度，有利于整列列车的安全、可靠运行。
三角波载频信号及三相正弦波调制信号的传输(见图15)由于三角波载频信号(u△)的频率较高，其信号需要采用双绞线传输。由于所有负载均为电子电路，内阻很高，负载电流很小，因此，三角波载频信号(u△)及三相正弦波调制信号(ua、ub、uc)均可远距离传输，实现整列列车统一同步调速。
整列列车动力马达的控制电压分布由于列车头部的空气阻力比尾部的大，因此，可采用两种方法来平衡这种阻力关系，避免列车各单元挤压运行。(1)适当增大靠近头部动力单元的功率。(2)适当增大靠近头部动力单元马达的工作电压(如头部马达的工作电压为400V，尾部马达的工作电压为380V，从头部至尾部按线性关系递减)。
2.通信系统(图11-图14)通信系统是指列车内部之间的通信及列车与调度中心之间的通信。内容主要包括列车运行的各种参数及控制指令。
列车内部之间的通信列车内部之间的通信是指下位机、上位机、监控机之间通过其通信装置实现的双向信息传递过程。
列车与调度中心之间的通信(见图14)列车与调度中心之间的通信过程如下调度中心(中控机)←→中继站(中继机)←→列车轨道上表面(红外“发射/接收”板)←→列车底部(红外“发射/接收”板)←→下位机(通信装置)←→上位机(通信装置)←→监控机(通信装置)。
从图14可见，列车轨道上表面的红外线“发射/接收”板与列车底部的红外线“发射/接收”板之间的距离约12cm，由于红外线发射与接收之间的耦合距离很小，因此，红外线发射功率只需很小就可以满足要求。列车轨道上表面的红外线“发射/接收”板的长度约5米，而列车底部的红外线“发射/接收”板的长度等于列车的长度。每块红外线“发射/接收”板都装有若干数量的红外线“发射”和“接收”的管子。由于红外线“发射/接收”管的工作速率很高，若采用多个通道同时进行工作，那么在列车上观看多个频道的电视节目或上网都不难实现。
列车底部轨道上表面的每块红外线“发射/接收”板都安装在中继站傍边(相距约几米)，而中继站与中继站之间的距离约为800米，列车与轨道沿线各中继站的信息传递也是采用“接力式”，这种通信方式一方面投资不大，另一方面可以保证列车在任何位置都可以与调度中心保持联系。中继站的作用一方面起到对传输信号的放大和中转；另一方面可监控附近的高压隔离开关装置(见图19)。
3.软件系统软件系统主要包括调度系统软件、通信系统软件和列车控制系统软件。调度系统软件主要用于协调各列列车之间的运行。通信系统软件主要完成列车与调度中心及列车各单元之间的信息传递。控制系统软件主要是完成对整列列车进行监控。由于软件系统比较复杂，这里不再具体说明。
《四》架空轨道系统(图18-图22)架空轨道系统是整个高速列车系统中投资最大的系统，它包括架空输电线路和架空轨道两大部分。经综合考虑，认为把架空输电线路安装在架空轨道正上方是一种最省钱、最安全可靠的设计方式。图18、图19是其结构简图说明，图中尺寸仅供参考。
1.架空输电线路部分(见图18、图19)图18、图19是按双层四轨道的模式设计，主要适用于主干线；对于一些支线轨道也可以采用单层双轨道的模式(图中未能画)。
架空铁塔(4)采用镀锌角铁组合而成，安装在架空轨道的正上方。塔顶为避雷线(1)，避雷线之下分别为“-20KV”、“+20KV”输电线(2)，采用双回路供电，杆塔左右各一回路。
输电线为钢芯铝绞线，每极输电线根据负荷的大小由两至四根钢芯铝绞线组成，每根钢芯铝绞线的标称截面为600平方毫米，其电气参数为0.045欧姆/公里(在20℃)。假若每极采用四根钢芯铝绞线输送电能，则每个供电臂(约50公里)的供电回路的电阻约为1.1欧姆《(50Km+50Km)×0.045Ω/Km÷4＝1.1Ω》。这一阻值可输送1至2千安培的电流，传输功率可达50000KW左右，这一功率可供四至五列列车同时运行。
悬挂高压导线的绝缘子串(3)由两片瓷瓶组成，每片瓷瓶的耐压值约10KV。若采用更高的电压输电，则绝缘子串可由三片瓷瓶组成。
从图19可见，来自“+/-20KV”主母线的电源先经过高压隔离开关装置，再输送到固定导电接触铜板。高压隔离开关装置的作用是有选择地接通所需要的主母线。在高压隔离开关装置的傍边设有一个中继箱(图中未画)，用于控制高压隔离开关装置的操作。相邻两个高压隔离开关装置之间的距离为800米。固定导电接触铜板之间的距离也为800米，列车通过其底部铝合金导电母线下面的碳刷与固定导电接触铜板相接触而获得“+/-20KV”直流电源。
2.架空轨道部分(见图18-图22)架空轨道(图18)主要包括“开”字型钢筋混凝土支承架(9)、钢筋混凝土铁轨支承主梁(5)、铁轨、换轨装置(即岔道)、钢筋混凝土人行道(10、11)。
先建好钢筋混凝土支承架，再将预制好的铁轨支承主梁(包括铁轨)、人行道放在支承架上并固定，并在铁轨支承主梁的两边安装高压支承瓷瓶(7)及固定导电接触铜板(6)。固定导电接触铜板的长度由滑动碳刷的负载能力及滑行情况决定，图中所标20米仅为参考值。
人行道的作用主要是为维修人员维修架空轨道上的各种设备提供方便；在特殊情况下，如列车某段发生火情，则消防人员可利用人行道进行救火；此外，人行道也可敷设各种控制及通信电缆。
铁轨(见图20)的结构及安装这种铁轨(1)的结构比常规铁轨要复杂一些，它的外侧面装有钢齿条(7)，通过与列车的动力侧齿轮(见图3)相互齿合而产生“驱动力”或“制动力”，使整列列车具备良好的起动及制动性能，同时可保证列车在高速行驶时具备足够的“牵引力”。铁轨的内侧面有固定孔(6)，通过固定螺栓(3)、螺母(4)、贴片(5)把铁轨固定在铁轨支承主梁(2)上。
铁轨与铁轨之间的连接见图21，为了确保铁轨外侧面所有齿条的连续性及均匀性，铁轨与铁轨之间采用一段(X)可伸缩的链条作为连接。从图中可见，链条的链接片与链接片之间具有一个“伸/缩”值(+/-δ)，用于补偿铁轨的“热胀/冷缩”值。若铁轨与铁轨之间的“热胀/冷缩”变化值(y)为2厘米，而δ值定为0.5毫米，那么需要40(即20mm÷0.5mm＝40)块链接片才能满足铁轨与铁轨之间的“热胀/冷缩”变化。而链条的长度(X)为齿条间的长度(图中标为28mm)与链接片块数的乘积。
换轨装置(即岔道)的结构简图见图22，其作用是使列车能够更换轨道。由于这种新型架空高速列车的车身重量比较轻，需要设计侧轮来保持其高速行驶的稳定性，使得“轮-轨”结构(见图3)比较特殊，而且侧轮之下还有高压导电母线及碳刷，因此，这种换轨装置的结构与传统的换轨转切器结构有很大差异。从图22可见，可垂直上下活动的钢轨“1、2、3、4”的长度设计得比较长，以满足高压导电母线及碳刷的安全通过，其中“1-2”为一组，“3-4”为另一组。其位置关系如下当“1-2”在上面时，“3-4”必在下面；而当“3-4”在上面时，则“1-2”必在下面。它们向下移动所达到的位置要低于高压导电母线及碳刷一定距离，所以活动钢轨“1-2”、“3-4”上下移动的距离也比较大。控制活动钢轨“1-2”、“3-4”上下移动的控制装置图中未画。图中的角度a应能满足列车拐弯的角度要求。在岔道附近的一小段轨道内因其结构特殊而不安装齿条，在这段范围内，轨道的齿条失去连续性，但不会影响列车侧轮的齿合。
《五》停车站系统(图23-图26)1.停车站的作用主要是提供列车的停站、中转、编组、维修、测试、清洁、装卸、乘客上落及中转等服务。由于列车的长度太长，单位长度的重量较轻，因此采用椭圆形多层式的停车站比较理想。停车站的大小可根据实际需要选定，图23-图26是一个大型停车站的设计图，为了便于理解，图中只画出各轨道的相互联系，而其它的建筑物则不画。
2.从图23可见，列车从A1、A2两条轨道进站后，先沿着斜上直轨道(即楼层之间的联络轨道C2---C11，见图24)选择所要进入的楼层，如果要进入第三层，则从C3处进入第三层；如果要进入第七层，则从C7处进入第七层，依此类推。每层都有若干组(如0、1、2、3、4、5、6、7、......。)椭圆形轨道，每组均有两条轨道(见图25)。当列车进入某层(如第九层)后，若要停在第5组的某一轨道，则先沿着第0组的公共轨道(见图25)顺时针行驶，直到车尾到达D0点后停车，再将列车沿自层间联络轨道(D0---D7)从D5处倒入第5组的某一轨道。若列车要从第九层的第5组的某一轨道进入第三层的第4组的某一轨道进行清洁，则列车的行驶路径为从第九层的第5组的某一轨道→D5→D0→第0组的公共轨道→E9→E2→G1→G2→C3→按照上述进入第九层第5组的步骤→第三层的第4组的某一轨道。E2--G1--G2--C2这段轨道只有第二层才有。列车从B1、B2两条轨道出站，若列车要从第九层的第5组的某一轨道出站，则列车的行驶路径为从第九层的第5组的某一轨道→D5→D0→第0组的公共轨道→E9→E2→B1或B2。E2---E11为斜下直轨道(即楼层之间的联络轨道，见图24)。
3.这种停车站的规模可根据实际需要有限度地向内层及上面发展，并不需要一下子就建得如此大。停车站在扩建期间不会影响列车的正常运行。随着标准单元与标准单元之间的自动驳接技术的提高，椭圆形停车站的周长可降到接近一个标准单元的长度。
4.停车站每一层的轨道分布府视图见图25，乘客可乘升降电梯到达任何一层。每条走道的升降电梯沿椭圆形轨道每隔120米安装若干台。从图中可见，每条走道的两傍都有一条停车道供乘客上落列车。
5.图26是停车站地面层(即第一层)有轨电车分布简图，由于停车站太大，乘客需要从候车室乘坐有轨电车到达相应的站点(S1、S2、S3、S4、S5)落车，然后再从那里乘坐升降电梯到达自己的座位。A11-A21、------
A18-A28，B11-B21、------
B18-B28为有轨电车的停放段及乘客的上车点。
《六》其它附属系统(图27、图28)其它附属系统主要包括列车的刹车系统、列车的防挤压保护系统、列车的后备动力电源系统、列车非动力单元的空调系统、自动“开门/关门”控制系统及排污系统等。
1.列车的刹车系统主要包括&1&气刹系统(见图28)每个标准单元都有一套气刹系统，以压缩空气作为刹车反动力，刹车方式为母管(M1、M2、M3)气压越低，刹车力越大，通过控制电磁阀(DV0、DV1、DV2、DV3)的开度来控制母管中压缩空气的压力，而电磁阀开度的大小则通过控制电磁阀线圈直流电压的大小来控制。压缩空气由三台压缩机(一台运行，两台备用。)提供，正常情况下，各电磁阀失电，DV0导通，DV1-DV3截止，母管内充满压缩空气，各刹车块张开；当紧急刹车时，各电磁阀DV0-DV3的线圈均通电，使DV0截止，DV1-DV3导通，各母管卸压，刹车块收紧而刹车。流量变送器(L)的作用是监测母管的泄漏情况；压力变送器(P1、P2、P3)的作用是监测各段母管的空气压力；刹车监测辅助开关(K1、K2...Kn)的作用是监测各刹车块的状态。&2&逆变刹车系统是通过逆变装置(见图1)把列车的机械能转化为电能反送回电网，主要适用于列车进站时刹车或执行调度命令时刹车。&3&列车刹车系统的电气控制回路采用一套专门独立的电器控制硬件来控制电磁阀(DV0、DV1、DV2、DV3)的开度，图中未画。
列车的刹车系统也可采用液压刹车系统，该系统也需要配备一套专门独立的电器控制硬件，图中未画。
2.列车的防挤压保护系统(图中未画)由于列车的长度太长，列车的纵向机械强度相对列车的速度来说是比较薄弱的，为了防止列车各单元之间因某些因素引起挤压而变形，必需采取如下措施&1&加强列车的纵向机械强度。&2&在牵引动力分布方面，从列车的尾部往头部根据空气阻力的增大而增大。&3&刹车时，从列车每个标准单元的尾部往头部按顺序刹车。&4&在列车各单元之间安装缓冲设施，一方面起减缓挤压作用，另一方面起监测挤压作用，以便可提前采取相应的预防措施。
3.列车的后备动力电源系统包括备用动力蓄电池组及备用柴油发电机应急系统(图中未画)。备用动力蓄电池组(见图27)是均匀分布在各非动力单元内，其作用是在电能传输系统发生故障的情况下投入使用，使列车能够行驶50公里左右；而备用柴油发电机应急系统(图中未画)是安装在某些供电站内，其作用是在地方供电网发生故障的情况下立即投入使用，可确保列车能够以50至100公里的时速行驶。
4.列车非动力单元的空调系统(见图27)由于列车的非动力单元采用每排一乘客的独立单元方式设计，因此，每个独立单元应具备独立的空气调节功能。
5.列车的自动“开门/关门”控制系统(见图28)非动力单元的自动“开门/关门”控制动力来源于压缩空气系统，通过控制“开门/关门”电磁阀进行相应操作。
6.列车的排污系统(见图28)是指列车进站后利用站内自来水及控制列车排污系统的相关电磁阀将列车上的排泄物自动排出车外。
《七》附图注释1.图1为电力传输单相结线原理图。
2.图2为整流/逆变、变频、滤波、保护、防雷、测控原理图。
3.图3为动力单元结构简图一。
1——高强度铝合金框架
2——马达冷却风扇3——三相400伏异步电动机4——大齿轮5——小齿轮 6——大齿轮(属另一台马达)7——小齿轮(属另一台马达)
8——支承轮9——侧轮
10——钢轨道11——钢筋混凝土支架12——卷舌式弹簧13——高强度铝合金导电母线
14——滑动碳刷15——固定导电接触铜板
16——高压熔断器17——环氧树脂高压绝缘支架
18——转向架4.图4为动力单元结构简图二。
1——马达冷却风扇
2——高强度铝合金框架3——三相400伏异步电动机4——转向架
5——大齿轮 6——小齿轮7——侧轮
8——支承轮9——环氧树脂高压绝缘支架
10——钢轨道11——高强度铝合金导电母线
12——滑动碳刷13——两段母线间的软连接5.图5为动力单元结构简图三。
1——环氧树脂高压绝缘支架
2——高压熔断器3——环氧树脂防雨栅 4——固定导电接触铜板6.图6为非动力单元结构简图。
1——高强度铝合金框架
2——转向架3——支承轮 4——侧轮5——钢轨道 6——高强度铝合金导电母线7——环氧树脂高压绝缘支架
8——滑动碳刷9——两段母线间的软连接7.图7为公共单元结构简图。
8.图8为公共单元电气设备分布及其原理简图。
9.图9为头部单元结构简图。
10.图10为标准单元的组成图。
11.图11为动力单元下位机原理简图。
12.图12为公共单元上位机原理简图。
13.图13为标准单元控制、通信原理简图。
14.图14为高速列车通信原理总图。
15.图15为双极性等幅、等腰三角波信号u△、三相正弦波调制信号ua、ub、uc的产生及传送原理简图。
下——表示“下位机”，安装在各“标准单元”的“动力单元”内。
上——表示“上位机”，安装在各“标准单元”的“公共单元”内。
监——表示“监控机”，安装在“头部单元”内。
“上1～上3、监”均能产生u△、ua、ub、uc信号。
16.图16为高压变频装置原理简图。
V11、V12、V1n。V21、V22、V2n。V3、V32、V3n。V41、V42、V4n。V51、V52、V5n。V61、V62、V6n均为IGBT高压绝缘栅双极型晶体管。
17.图17为变频装置转速—转矩特性图(U/f＝恒定)及三相正弦波脉宽调制波形图。
18.图18为架空轨道结构简图1。
1——避雷线
2——电力传输导线3——高压悬挂瓷瓶4——镀锌角铁杆塔5——铁轨支承主梁(钢筋混凝土)6——固定导电接触铜板7——高压支承瓷瓶8——高速列车9——钢筋混凝土支承架10——人行道盖板11——控制、通信电缆沟19.图19为架空轨道结构简图2。
1——避雷线
2——电力传输负极导线3——电力传输正极导线4——高压隔离开关装置(兼熔断器)5——固定导电接触铜板6——高压支承瓷瓶20.图20为轨道结构简图。
1——钢轨道
2——钢筋混凝土主支承架3——钢轨道固定螺栓
4——钢轨道固定螺母5——钢轨道固定贴片
6——钢轨道固定孔7——钢齿条
8——钢齿条固定螺母21.图21为轨道与轨道之间的连接简图。
1——钢轨道 2——钢齿条3——链条槽 4——链接片22.图22为岔道结构简图。
23.图23为停车站俯视简图。
24.图24为停车站正视简图。
25.图25为停车站轨道分布简图。
26.图26为停车站地面层(即第一层)有轨电车分布简图。
注1S1～S5为有轨电车停站点。注2有轨电车长约40m，宽约3m。
27.图27为标准单元备用动力蓄电池组分布图及非动力单元空调布置简图。
注1C为压缩机
注2D为单向阀注3F为小风机
注4M为毛细管(冷/热交换)28.图28为各标准单元(刹车、开门/关门、冲洗)原理简图。
五具体实施例方式
1.技术可行性分析由于该系统所采用的主要技术(中高压直流电能传输技术、“接力式”滑动碳刷受电技术、IGBT高压变频技术、三相异步电动机驱动技术、链式齿合技术、微机控制及通信技术、架空轨道技术等。)都是目前不同领域中应用上比较成熟的技术，只是实现这个系统所采用的模式和方法与目前的高速列车相比有很大的区别。因此，从技术上和理论上分析，实现这种新型架空高速列车是完全可行的。
2.总体投资分析这种高速列车是通过大幅度降低列车单位长度的重量和大幅度增长列车的总长度来实现大幅度降低架空轨道及电能传输系统的投资，使得总体投资大幅度下降，在相同运载能力下总体投资比目前运行的高速列车可降低一半左右。
3.运行成本分析
这种高速列车的自动化程度非常高，电能传输系统、列车系统、架空轨道系统均采用“免维护式”设计，使得管理及维护费用可大幅度下降。运行成本主要花费在电能的损耗上，按目前的电价，经营这种高速列车具有较高的商业价值。
4.未来发展趋势分析由于这种高速列车采用电能作为动力，对环境无任何污染；它的嗓音也较低，可把停车站建在城市里；由于这种高速列车沿架空轨道行驶，它不受地理因素影响，易于推广应用；由于这种高速列车服务质素好，效率高，因此非常适合未来的发展。
具体实施例方式由于这种新型架空高速列车涉及到电能传输系统、列车系统、控制和通信系统、架空轨道系统、停车站系统、其它附属系统，因此，要实现这种高速列车必须要完成上述六大系统并且相互之间要协调好。主要实施过程如下(1)建立高速列车的数学模型，利用计算机算出相关的重要参数，如空气阻力、磨擦阻力、高速振动及各种状态下(如弯位、换轨、上坡、下坡等)的受力等等。通过这些参数确定高速列车的总动力大小、外形及结构，从而设计出高速列车的雏形。(2)将设计出的高速列车的某一小段进行风洞模拟测试，验证相关的重要参数。(3)将设计出的高速列车的某一小段模拟实际进行受电测试，检测高速滑动碳刷与固定导电接触铜板之间的电弧在各种情况下(如刮风下雨、大雾等)是否会造成短路，以便采取相应的预防措施。(4)根据高速列车的结构设计出能够放进高速列车内的IGBT变频装置。在将IGBT变频装置放进高速列车之前，先在外部模拟高速列车的实际运行情况，连同马达、控制系统等相关设备进行静态测试。(5)把测试好的各种设备装入高速列车，再次进行整车静态测试。(6)建一条50至100公里长的架空轨道进行实际测试。(7)实际测试成功之后再进行商业开发。
1.高速列车所采用的所谓“接力式”的受电技术该技术利用列车特别长的特点，在列车底部的左右两侧分别安装两条(即正、负极各一条)800米以上的高压导电母线，并在母线上装上碳刷，当列车跑动的时候，这段移动母线就象接力跑一样，通过母线上的碳刷不间断地接通所到之处的高压导电铜板(每隔800米安装一组铜板，铜板长度约20米，铜板与“+/-20KV”直流供电网接通。)，从而使这两条母线在任何时刻都能保证至少有一点与(+/-)20KV直流供电网接通。这种供电方式可省去结构复杂、可靠性差、价格昂贵、维护成本极高的架空接触网，从而可大幅度降低供电系统的投资费用，并且可以提高供电的可靠性。
2.高速列车的结构模式列车由“头部单元”和若干个“标准单元”组成。而“标准单元”则由1个“公共单元”、12个“动力单元”和23个“非动力单元”组成。这种列车的特点是车身特别细长，约800米以上，单位长度的重量约为560Kg/m。由于车身细小，列车非常适合流水线式的装配和制造，可降低生产成本。整列列车采用每排一乘客的独立单元方式设计，可大大提高服务质素。由于列车的单位长度的重量很轻，这种列车非常适合架空轨道行驶，可大幅度降低架空轨道的投资。
3.架空轨道的结构模式这种架空轨道采用列车和供电线路共用相同的钢筋混凝土支承架，这种结构模式使得轨道系统和供电系统能融为一体，结构简单，既安全，又可大幅度降低投资。列车行驶的铁轨比常规铁轨要复杂一些，它的外侧面装有钢齿条，通过与列车的动力侧齿轮相互齿合而产生“驱动力”或“制动力”，使整列列车具备良好的起动及制动性能。
4.控制和通信系统的硬件结构模式控制和通信系统均采用多微机多层次的控制方式，这种硬件设计具有冗余度高，运行速度快，自检及互检能力强等优点，使得控制和通信融为一体，硬件资源可得到充份利用。
5.三点式直流供电模式高速列车采用(+20KV、0V、-20KV)三点式的直流供电模式，这种模式的特点是既可输送大容量电能，又可使得两极的对地电压相对较低，保证了IGBT变频器的耐压要求。另外，这种供电模式还可调节可控硅的电压输出，当天气变化引起直流输电线路绝缘降低时，可降低其输出电压，确保安全供电。由于直流回路采用IGCT1、IGCT2快速保护晶闸管，可快速切断短路电流。
技术领域包括电力、电子、机械及建筑。具体内容这是一种以载人为主的新概念列车，它的车身特别细长，它以电能作为动力，以直流的方式传输电能，它采用一种新式的所谓“接力式”的受电方式使列车获得直流电源，以IGBT变频技术进行“DC/AC”变换，以三相异步电动机作为动力驱动单元。它的时速为400－500Km/h，沿架空轨道以轮轨齿合的方式行驶。解决了电能的大容量长距离的传输问题。解决了高速列车的受电问题，省去了结构复杂、价格昂贵的架空接触网，大幅度降低供电系统的投资费用。可大幅度降低架空轨道的投资，解决了列车的行驶通道问题。解决了高速列车的动力分布、平滑调速等问题。
文档编号B61B5/00GKSQ
公开日日 申请日期日 优先权日日
发明者何战 申请人:何战