軌道交通電制動(dòng)(PPT47頁)

1、教學(xué)目標(biāo)1.掌握電制動(dòng)的基本原理及混合制動(dòng)分配的原則單元4 動(dòng)力（電）制動(dòng)系統(tǒng) 2.了解動(dòng)力制動(dòng)的控制模式和直流牽引傳動(dòng)控制的電制動(dòng)原理 3.掌握城軌車輛的防滑控制原理和交流牽引傳動(dòng)電制動(dòng)的基本作用原理 2021/8/151一.電制動(dòng)的基本原理 4.1 城市軌道交通車輛制動(dòng)系統(tǒng)介紹 電制動(dòng)是車輛在常用制動(dòng)下的優(yōu)先選擇，僅帶驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)車具有電制動(dòng)，電制動(dòng)又有再生制動(dòng)和電阻制動(dòng)兩種形式。電制動(dòng)具有獨(dú)立的滑行保護(hù)和載荷校正功能。為此，每節(jié)動(dòng)車裝備有：一個(gè)三相調(diào)頻調(diào)壓逆變器（VVVF）；一個(gè)牽引控制單元（DCU）；一個(gè)制動(dòng)電阻；四個(gè)自冷式三相交流電機(jī)M1、M2、M3、M4（每軸一個(gè)，相互并聯(lián)）。20

2、21/8/152 當(dāng)發(fā)生常用制動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)M變成發(fā)電機(jī)狀態(tài)運(yùn)行，將車輛的動(dòng)能變成電能，經(jīng)VVVF逆變器中六個(gè)二極管組成的橋式整流電路整流成直流電反饋于接觸網(wǎng)，供列車所在接觸網(wǎng)供電區(qū)段上的其它車輛牽引用和供給本車的其它系統(tǒng)（如輔助系統(tǒng)等），此即再生制動(dòng)。再生制動(dòng)的基本原理如圖4-1所示。1 再生制動(dòng)圖4-1 再生制動(dòng)原理圖 2021/8/153 再生制動(dòng)取決于接觸網(wǎng)的接收能力，亦即取決于網(wǎng)壓高低和負(fù)載利用能力。以上海軌道交通2號線為例，接觸網(wǎng)額定電壓為1500V，車輛最大運(yùn)行速度為80Km/h，實(shí)際運(yùn)行過程中制動(dòng)初速度約為70km/h。當(dāng)列車進(jìn)站前開始制動(dòng)時(shí)，列車停止從接觸網(wǎng)受電，電動(dòng)機(jī)改為發(fā)電

3、機(jī)工況，將列車運(yùn)行的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，產(chǎn)生制動(dòng)力，使列車減速。設(shè)接觸網(wǎng)額定電壓為U，當(dāng)滿足以下兩個(gè)條件時(shí)列車可以實(shí)行再生制動(dòng)并向接觸網(wǎng)反饋電能：一是接觸網(wǎng)電壓在11.2U（理論值，對應(yīng)于上海軌道交通2號線為1500V1800V）范圍內(nèi)；二是再生電能必須要由一定距離內(nèi)的其他列車吸收。如圖4-2所示，當(dāng)車輛2距離車輛1足夠近且接觸網(wǎng)電壓在1500V1800V之間時(shí)，車輛2可以吸收車輛1所產(chǎn)生的反饋電能，從而使車輛1產(chǎn)生再生制動(dòng)。當(dāng)接觸網(wǎng)電壓過壓、欠壓或一定距離內(nèi)無其他車輛吸收反饋能量時(shí)，通過車輛牽引控制單元切斷向接觸網(wǎng)反饋的電能，再生制動(dòng)不能實(shí)現(xiàn)，此時(shí)列車會自動(dòng)切斷反饋電路，實(shí)施電阻制動(dòng)。當(dāng)列車速度

4、小于8km/h時(shí)，利用壓縮空氣作為動(dòng)力源，對車輛實(shí)施機(jī)械制動(dòng)，直至列車停止。1 再生制動(dòng)2021/8/1541 再生制動(dòng)圖4-2 城市軌道交能車輛制動(dòng)原理示意圖2021/8/1552 電阻制動(dòng) 如果在電制動(dòng)的情況下，能量不能被電網(wǎng)完全吸收，多余的能量必須轉(zhuǎn)換為熱能消耗在制動(dòng)電阻上，否則電網(wǎng)電壓將抬高到不能承受的水平。制動(dòng)斬波器的存在確保大部分的能量能反饋回電網(wǎng)，同時(shí)又保護(hù)了電網(wǎng)上其他設(shè)備。 如果制動(dòng)列車所在的接觸網(wǎng)供電區(qū)段內(nèi)無其他列車吸收該制動(dòng)能量，VVVF則將能量反饋在線路電容上，使電容電壓XUD迅速上升，當(dāng)XUD達(dá)到最大設(shè)定值1800V時(shí)，DCU啟動(dòng)能耗斬波器模塊A14上的門極可關(guān)斷晶閘管

5、GTO：V1，GTO打開制動(dòng)電阻RB，制動(dòng)電阻RB與電容并聯(lián)，將電機(jī)上的制動(dòng)能量轉(zhuǎn)變成電阻的熱能消耗掉，即電阻制動(dòng)（亦稱能耗制動(dòng)），電阻制動(dòng)能單獨(dú)滿足常用制動(dòng)的要求。電阻制動(dòng)原理如圖4-3所示。2021/8/1562 電阻制動(dòng)圖4-3 電阻制動(dòng)原理圖2021/8/1572 電阻制動(dòng) 電阻制動(dòng)是承擔(dān)電機(jī)電流中不能再生的那部分制動(dòng)電流。再生制動(dòng)電流加電阻制動(dòng)電流等于制動(dòng)控制要求的總電流，此電流受電機(jī)電壓的限制。再生制動(dòng)與電阻制動(dòng)之間的轉(zhuǎn)換由DCU控制，能保證它們連續(xù)交替使用，轉(zhuǎn)換平滑，變化率不能為人所感受到。當(dāng)列車處于高速時(shí)，動(dòng)車采用再生制動(dòng)，將列車動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能；當(dāng)再生制動(dòng)無法再回收時(shí)（如當(dāng)網(wǎng)壓

6、上升到1800V時(shí)），再生制動(dòng)能夠平滑地過渡到電阻制動(dòng)。2021/8/158二.空氣制動(dòng) 4.1 城市軌道交通車輛制動(dòng)系統(tǒng)介紹 空氣（摩擦）制動(dòng)是用來補(bǔ)充制動(dòng)指令所要求和電制動(dòng)已達(dá)到最大的電制動(dòng)力之間的差額以及沒有電制動(dòng)時(shí)完全由空氣制動(dòng)來承擔(dān)的列車制動(dòng)要求。電制動(dòng)和空氣制動(dòng)之間的混合制動(dòng)是平滑的，并滿足正常運(yùn)行的沖擊極限。 每節(jié)車設(shè)計(jì)有獨(dú)自的空氣制動(dòng)控制及部件，每根軸設(shè)計(jì)有獨(dú)立的防滑裝置，由ECU實(shí)時(shí)監(jiān)控每根軸的轉(zhuǎn)速，一旦任一輪對發(fā)生滑行，能迅速向該軸的防滑電磁閥G01發(fā)出指令，溝通制動(dòng)缸與大氣的通路，使制動(dòng)缸排氣，從而解除該輪對的滑行現(xiàn)象。制動(dòng)執(zhí)行部件采用單元制動(dòng)缸，有PC7Y型和帶停放制動(dòng)

7、器（也稱彈簧制動(dòng)器）的PC7YF型兩種。 空氣制動(dòng)運(yùn)用情況如表4-1（“”表示該車有空氣制動(dòng)施加，“”表示該車無空氣制動(dòng)力）2021/8/159二 空氣制動(dòng)表 4-1 空氣制動(dòng)運(yùn)用情況空氣制動(dòng)運(yùn)用情況動(dòng)車的空氣制動(dòng)拖車的空氣制動(dòng)電制動(dòng)滑行時(shí)-電制動(dòng)故障或嚴(yán)重滑行時(shí)車輛載荷工況AW2以上或接觸網(wǎng)電壓低于1500V時(shí)列車速度低于8Km/h（可調(diào)）包括列車停站時(shí)的保壓制動(dòng)停放制動(dòng)快速制動(dòng)緊急制動(dòng)注：廣州地鐵一號線車輛載荷工況定義如下：AW0-空載（拖車自重33t、動(dòng)車自重38t）； AW1-客座載荷（56位坐客，60Kg/人）；AW2- 定員載荷（除坐客外，站客6人/m2）；AW3-超員載荷（除坐客

8、外，站客9人/m2）。 2021/8/1510三.常用制動(dòng)優(yōu)先和混合原則 4.1 城市軌道交通車輛制動(dòng)系統(tǒng)介紹 第一優(yōu)先再生制動(dòng)。再生制動(dòng)與接觸網(wǎng)線路吸收能力，即網(wǎng)壓高低有關(guān)。 第二優(yōu)先電阻制動(dòng)。承擔(dān)不能再生的那部分制動(dòng)電流，再生制動(dòng)電流加電阻制動(dòng)電流等于電制動(dòng)所要求的總電流。 第三優(yōu)先踏面摩擦制動(dòng)（空氣制動(dòng)）。常用制動(dòng)時(shí)補(bǔ)充電制動(dòng)的不足；當(dāng)沒有再生制動(dòng)或電阻制動(dòng)時(shí)，所需要的總制動(dòng)力必須由摩擦制動(dòng)來提供。2021/8/1511（1）電制動(dòng)無故障狀態(tài)下的制動(dòng)原則（2）電制動(dòng)與空氣制動(dòng)混合的控制原則（3）制動(dòng)力的分配（4）DCU與ECU之間有信號交換，以供ECU計(jì)算DCU是否提供所必需的300%的

9、制動(dòng)力，并確定是否需要進(jìn)行空氣制動(dòng)補(bǔ)充或完全代替。 （5）為了清潔輪對踏面，同時(shí)使空氣制動(dòng)的響應(yīng)時(shí)間最小，制動(dòng)指令發(fā)出后，制動(dòng)缸獲得約為3050Kpa的壓力，制動(dòng)閘瓦即向車輪踏面施加一個(gè)制動(dòng)力。 （6）緊急制動(dòng)距離（7）停車制動(dòng)三.常用制動(dòng)優(yōu)先和混合原則 4.1 城市軌道交通車輛制動(dòng)系統(tǒng)介紹2021/8/1512四.地鐵車輛制動(dòng)防滑系統(tǒng) 4.1 城市軌道交通車輛制動(dòng)系統(tǒng)介紹（一）地鐵車輛空氣制動(dòng)防滑系統(tǒng) 國內(nèi)現(xiàn)有地鐵車輛空氣制動(dòng)防滑系統(tǒng)的控制原理基本相同，但結(jié)構(gòu)組成有較大不同。主要有2種形式：以北京地鐵“新型地鐵客車制動(dòng)系統(tǒng)”等為代表的組成形式，其空氣制動(dòng)防滑系統(tǒng)組成如圖4-4所示。 2021

10、/8/1513（一）地鐵車輛空氣制動(dòng)防滑系統(tǒng) 圖4-4 北京地鐵空氣制動(dòng)防滑系統(tǒng)組成 空氣管路；. 電信號線2021/8/1514（一）地鐵車輛空氣制動(dòng)防滑系統(tǒng) 該防滑系統(tǒng)主要由1臺控制單元、4個(gè)速度傳感器、2個(gè)防滑排風(fēng)閥組成。該系統(tǒng)與我國目前鐵路客車使用的防滑器的最大區(qū)別是每套系統(tǒng)只有2個(gè)防滑排風(fēng)閥，1個(gè)排風(fēng)閥控制1臺轉(zhuǎn)向架制動(dòng)缸的充排氣作用，控制的精確程度要低于鐵路客車防滑器。該防滑系統(tǒng)采用了3個(gè)滑行判據(jù)，即速度差（軸速與車輛參考速度之差）、滑行率（速度差與參考速度之比值）和減速度。制動(dòng)時(shí)速度傳感器將測得的訂號傳組控制單元?？刂茊卧?jì)算出每根軸的速度、速度差、減速度 、滑行率等，當(dāng)控制單元

11、根據(jù)上述3個(gè)判據(jù)判斷出某根軸的車輪要出現(xiàn)滑行時(shí)，就控制該軸所在轉(zhuǎn)向架的防滑排風(fēng)閥的排氣、保壓及充氣作用，從而控制該軸的制動(dòng)缸壓力，實(shí)現(xiàn)防滑的目的。 另一種是以上海、廣州進(jìn)口地鐵車輛為代表的防滑控制方式。圖4-5所示是上海地鐵的空氣制動(dòng)防滑系統(tǒng)組成。 2021/8/1515（一）地鐵車輛空氣制動(dòng)防滑系統(tǒng)圖4-5 上海地鐵空氣制動(dòng)防滑系統(tǒng)組成 空氣管路； 電信號線2021/8/1516（一）地鐵車輛空氣制動(dòng)防滑系統(tǒng) 該防滑系統(tǒng)主要由控制單元、4個(gè)速度傳感器、4個(gè)防滑排風(fēng)閥組成。從組成上看，它與北京地鐵客車制動(dòng)系統(tǒng)防滑的主要區(qū)別有：一是將主機(jī)與空氣制動(dòng)微機(jī)控制單元合二為一，二是每根軸裝有1個(gè)防滑排風(fēng)

12、閥，可單獨(dú)控制每根軸制動(dòng)缸的充排氣作用。該防滑系統(tǒng)采用的防滑控制原理及滑行判據(jù)與我國提速、準(zhǔn)高速客車使用的克諾爾防滑器基本一樣。根據(jù)速度差、減速度的變化進(jìn)行防滑控制。但防滑排風(fēng)閥有所不同，它利用總風(fēng)壓力作為先導(dǎo)壓力，打開排風(fēng)閥上制動(dòng)控制單元的中繼閥與制動(dòng)缸的通路，切斷制動(dòng)缸與大氣的通路；制動(dòng)時(shí)制動(dòng)風(fēng)缸的壓縮空氣經(jīng)中繼閥、防滑排風(fēng)閥到達(dá)制動(dòng)缸；產(chǎn)生防滑作用時(shí)，利用電磁力打開排風(fēng)閥上制動(dòng)缸與大氣的通路，可排出制動(dòng)缸內(nèi)的壓縮空氣，同時(shí)切斷中繼閥到制動(dòng)缸的通路。另外，該排風(fēng)閥只有1個(gè)電磁閥，即排氣電磁閥。這是主要考慮地鐵車輛運(yùn)行速度較低，且空氣制動(dòng)通常在低速時(shí)起作用，一旦判斷出要滑行，需立即使制動(dòng)缸排

13、氣，當(dāng)滑行停止，又要馬上對制動(dòng)缸充氣，因而不設(shè)保壓電磁閥。 2021/8/1517（二）城軌車輛動(dòng)力制動(dòng)（電制動(dòng)）的防滑控制系統(tǒng) 國內(nèi)現(xiàn)有地鐵車輛的動(dòng)力制動(dòng)包括電阻制動(dòng)和再生制動(dòng)。防滑控制過程中，同時(shí)對動(dòng)車的4根軸進(jìn)行集中控制，也就是說，在動(dòng)力制動(dòng)過程中判斷出某根軸的車輪出現(xiàn)滑行，總的動(dòng)力制動(dòng)力即4根軸的動(dòng)力制動(dòng)力均要減少。在制動(dòng)力的控制上，主要有2種控制方式：一種是在判斷出滑行時(shí)，將動(dòng)力制動(dòng)力全部切除，用空氣制動(dòng)代替（相應(yīng)的動(dòng)車和拖車中的空氣制動(dòng)取代），再對空氣制動(dòng)進(jìn)行防滑控制。北京地鐵主要采用這種方式，另一種是根據(jù)防滑要求，部分減少動(dòng)力制動(dòng)力，減少的制動(dòng)力用空氣制動(dòng)補(bǔ)充（首先是拖車的空氣制

14、動(dòng)補(bǔ)充，如果仍不足，相應(yīng)的動(dòng)車也施加空氣制動(dòng)），上海和廣州地鐵采用這種方式。另外，國內(nèi)大多數(shù)地鐵對動(dòng)力制動(dòng)和空氣制動(dòng)防滑控制時(shí)的制動(dòng)力緩解時(shí)間有所限制?？諝庵苿?dòng)防滑時(shí)，如果防滑排風(fēng)閥連續(xù)排風(fēng)時(shí)間超過5s，將自動(dòng)恢復(fù)制動(dòng)作用。動(dòng)力制動(dòng)防滑時(shí)，如果制動(dòng)力連續(xù)降低時(shí)間超過5s，一種方法是切除動(dòng)力制動(dòng)，用空氣制動(dòng)代替，如上海一號線；另一種辦法是相應(yīng)地保持部分動(dòng)力制動(dòng)力，減少的部分由空氣制動(dòng)代替，如上海二號線。 2021/8/1518五.動(dòng)力制動(dòng)控制模式 列車由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)逐漸減速直至停止的過程大致經(jīng)歷三個(gè)控制模式，即恒轉(zhuǎn)差率控制模式（恒電壓、恒轉(zhuǎn)差頻率）、恒轉(zhuǎn)矩1控制模式（恒轉(zhuǎn)矩1、恒電壓）和恒轉(zhuǎn)矩2控制

15、模式（恒轉(zhuǎn)矩2、恒磁通）。 恒轉(zhuǎn)差率控制模式是在高速時(shí)開始制動(dòng)，此時(shí)三相逆變器電壓保持恒定最大值，轉(zhuǎn)差頻率保持恒定最大值。隨著列車速度的下降，減小逆變頻率。電機(jī)電流與逆變頻率成反比增加，制動(dòng)力與逆變頻率的平方成反比增加。當(dāng)電機(jī)電流增大到與恒轉(zhuǎn)矩相符合的值時(shí)，將進(jìn)入恒轉(zhuǎn)矩控制。但當(dāng)電機(jī)電流增大到逆變器的最大允許值時(shí)，則從電機(jī)電流增大到該最大值的時(shí)刻起保持電機(jī)電流恒定，在一個(gè)小區(qū)段內(nèi)用控制轉(zhuǎn)差頻率的方法進(jìn)行恒流控制。在這種情況下，制動(dòng)力將隨逆變頻率成反比增加。 （一）恒轉(zhuǎn)差率控制模式2021/8/1519（二）恒轉(zhuǎn)矩1控制模式 恒轉(zhuǎn)矩1控制模式時(shí)，逆變器電壓保持恒定最大值，控制轉(zhuǎn)差頻率與逆變頻率的

16、平方成反比，隨著列車速度的下降，減小逆變頻率，則轉(zhuǎn)差頻率減小至最小值。電機(jī)電流與逆變器頻率成正比減小，制動(dòng)力保持恒定。五.動(dòng)力制動(dòng)控制模式 （三）恒轉(zhuǎn)矩2控制模式 恒轉(zhuǎn)矩2控制模式時(shí)，轉(zhuǎn)差頻率保持恒定最小值，此時(shí)電機(jī)電流亦保持恒定。隨著列車速度的下降，減小逆變頻率，同時(shí)采用PWM（脈寬調(diào)制）控制減小電機(jī)電壓，即保持v/f1的值恒定，則磁通恒定，制動(dòng)力恒定。 一般制動(dòng)工況下，列車由高速減速至50km/h期間，大約處于恒電壓、恒轉(zhuǎn)差頻率區(qū)；由50km/h減速至完全停車期間，理論上大約處于恒轉(zhuǎn)矩控制區(qū)，但實(shí)際上在10km/h以下的某個(gè)點(diǎn)，再生制動(dòng)力會迅速下降，所以當(dāng)列車減速至10km/h以下后，為保

17、證制動(dòng)力不變需要逐步補(bǔ)充空氣制動(dòng)。2021/8/15204.2 直流牽引傳動(dòng)電制動(dòng)和交流牽引傳動(dòng)電制動(dòng) 城軌車組的制動(dòng)系統(tǒng)是由作為電機(jī)牽引傳動(dòng)的動(dòng)力制動(dòng)也稱電制動(dòng)，和壓縮空氣制動(dòng)簡稱空氣制動(dòng)兩部分組成的。電牽引傳動(dòng)根據(jù)采用的牽引電機(jī)的不同，分為直流電機(jī)牽引傳動(dòng)和交流電機(jī)牽引傳動(dòng)兩種。北京地鐵列車現(xiàn)已全部改為交流電機(jī)牽引傳動(dòng)。一.直流牽引傳動(dòng)的電制動(dòng) 2021/8/1521（一）斬波調(diào)壓調(diào)速 PWM控制技術(shù)是利用半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，把直流電壓變成電壓脈沖列，并通過控制電壓脈沖寬度或周期以達(dá)到變壓的目的，或者控制電壓脈沖寬度和脈沖列的周期以達(dá)到變壓變頻目的的一種控制技術(shù)。PWM（Pulse

18、 Width Moddulation）譯為脈寬調(diào)制。 制動(dòng)是把車輛的速度調(diào)低，是在速度調(diào)低過程中對減速度的有效控制。因此，與牽引工況調(diào)速一樣，在制動(dòng)工況時(shí)對電制動(dòng)的調(diào)速控制是必須把握住的，在不同的載荷、不同的軌道狀態(tài)、不同的可用功率情況下，最大限度的利用電制動(dòng)力，以達(dá)到需要的快速、準(zhǔn)確停車。 采用斬波器調(diào)壓方式，使再生電流可返回電網(wǎng)，只有當(dāng)電網(wǎng)網(wǎng)壓過高或因某種原因而不能吸收時(shí)才投入電阻能耗，再生和電阻制動(dòng)能平滑過渡。我國城市輕軌地鐵供電主要是DC1500V的架空線或DC750V、DC1500V的第三軌供電方式。采用直流電機(jī)牽引，牽引時(shí)從供電到用電是DCDC再生制動(dòng)時(shí)從電機(jī)發(fā)電到電網(wǎng)也是DCDC

19、。這種直流電之間的轉(zhuǎn)換是調(diào)節(jié)直流平均電壓，在電力電子學(xué)中稱斬波。 圖4-6是一直流電機(jī)M、端電壓Ua受PWM控制的原理圖。2021/8/1522（一）斬波調(diào)壓調(diào)速圖4-6 直流電機(jī)M端電壓Ua受PWM控制的原理圖。2021/8/1523（一）斬波調(diào)壓調(diào)速 圖4-6（a）中V1是晶體管，假如先導(dǎo)通T1秒，然后關(guān)斷T2秒，在T1秒的期間內(nèi)Ua電壓為Ud，在T2秒的期間內(nèi)Ua=0，如此反復(fù)，則電機(jī)電樞端電壓波形如PWM控制波圖4-7（b）所示。電機(jī)電樞端電壓Ua為其平均值： Ua=T1Ud/T1+T2=T1Ud/T=Ud （4-1） 式中 = T1/T1+T2=T1/T 為一個(gè)周期T中，晶體管V1導(dǎo)

20、通時(shí)間的比率，稱為占空比（也有稱為負(fù)載率、調(diào)制率，英文duty）。 使用下面三種方法的任一種，都可以改變的值，從而達(dá)到調(diào)壓目的。定寬調(diào)頻法：T1保持一定，使T2在0范圍內(nèi)變化調(diào)寬調(diào)頻法：T2保持一定，使T1在0范圍內(nèi)變化定頻調(diào)寬法：T1+T2=T保持一定，使得T1在0T范圍內(nèi)變化 不管哪種方法，的變化范圍均為01，因此電樞電壓平均值Ua的調(diào)節(jié)范圍為0Ud，均為正值，即電機(jī)只能在一個(gè)方向調(diào)速，稱之為不可逆調(diào)速。當(dāng)需要電機(jī)在正反兩方向調(diào)速，即可逆調(diào)速時(shí)，就要使用圖4-8所示橋式（或稱H形）降壓斬波電路。 圖4-7（a）中晶體管V1、V4是一組，同時(shí)導(dǎo)通同時(shí)關(guān)斷，V2、V3是另一組同時(shí)導(dǎo)通同時(shí)關(guān)斷。

21、 2021/8/1524（一）斬波調(diào)壓調(diào)速圖4-7 降壓斬波電路圖2021/8/1525（一）斬波調(diào)壓調(diào)速 設(shè)V1、V4先導(dǎo)通T1秒后同時(shí)關(guān)斷，再使V2、V3同時(shí)導(dǎo)通T2秒后同時(shí)關(guān)斷，如此反復(fù)，則電機(jī)電樞端電壓波形如圖4-8（b），則電機(jī)電樞端電壓的平均值為： Ua=（T1-T2/T1+T2）Ud=（2T1/T）-1）Ud=（2-1）Ud （4-2）由于01，所以Ua的范圍是-Ud+Ud，因而電機(jī)可在正、反兩個(gè)方向調(diào)速運(yùn)行。 以上介紹的都是降壓，當(dāng)然也可以升壓，例如在主電路中接入電抗器儲能，在晶體管通斷過程中也可達(dá)到升壓的目的。 總之，我們可以通過對直流牽引電機(jī)主電路的配置，用晶體管開關(guān)器件，

22、采用PWM控制技術(shù)進(jìn)行斬波，從而改變電機(jī)端電壓，升壓或降壓，正壓或負(fù)壓；對電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)而言，即加速或減速，正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。2021/8/1526（二）直流牽引電機(jī)斬波調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng) 以廣州地鐵一號線車輛為例，圖4-8為直流1500V電網(wǎng)經(jīng)受電弓和高速斷路器下來，通過電路“線路輸入濾波回路”后的主電路“牽引制動(dòng)回路”的簡化原理圖。圖中1K11K11為接觸器，1M11M4為牽引電機(jī)，V1、V2為GTO晶閘管（主斬波器），V3、V4為制動(dòng)晶閘管，V5為續(xù)流二極管，V9為制動(dòng)二極管，1L3為平波電抗器，1R3為制動(dòng)電阻。2021/8/1527（二）直流牽引電機(jī)斬波調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)圖4-8 牽引制動(dòng)回路簡化原理圖20

23、21/8/1528（二）直流牽引電機(jī)斬波調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)1牽引工況 牽引工況下，簡化原理如圖4-9所示。牽引接觸器1K9、1K10閉合，制動(dòng)接觸器1K11打開，直流牽引電機(jī)1M1、1M2和1M3、1M4均為串勵(lì)。此時(shí)若1K1、1K2閉合而1K3、1K4打開，1K5、1K6閉合而1K7、1K8打開，設(shè)電機(jī)為正轉(zhuǎn)，電流和電樞反電動(dòng)勢方向相反，則為向前牽引工況；若將1K1、1K2打開而1K3、1K4閉合，將1K5、1K6打開而1K7、1K8閉合，則直流電機(jī)電樞端電壓極性改變，電機(jī)反轉(zhuǎn)，電樞反電動(dòng)勢方向也反向，電樞電流與電樞反電動(dòng)勢方向仍相反，因而，動(dòng)車由向前牽引變?yōu)橄蚝筮\(yùn)轉(zhuǎn)，為反向牽引工況。牽引工況下，

24、無論牽引電機(jī)是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，均可調(diào)節(jié)降壓PWM斬波器主管V1、V2的占空比來改變電機(jī)的電樞端電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制動(dòng)車的運(yùn)行速度。斬波器的工作方式是定頻調(diào)頻，斬波器的兩個(gè)GTO晶閘管（V1、V2主管）輪流工作，斬波器輸出為兩相一重，每相頻率為250Hz，斬波器輸出頻率為500Hz，PWM降壓輸出電壓波形如圖4-6所示。在這里實(shí)際使用的占空比調(diào)節(jié)范圍為0.050.95。2021/8/1529（二）直流牽引電機(jī)斬波調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)圖4-9向前牽引工況簡化原理圖2021/8/1530（二）直流牽引電機(jī)斬波調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)2制動(dòng)工況 制動(dòng)工況下，簡化原理如圖4-10所示。此時(shí)將牽引接觸器1K9

25、、1K10打開，將制動(dòng)接觸器1K11閉合。若圖4-11中1K1、1K2閉合，1K5、1K6閉合，而1K3、1K4打開，1K7、1K8打開，則為向前運(yùn)行的制動(dòng)工況。在向前牽引工況時(shí)，直流牽引電機(jī)電樞反電動(dòng)勢的方向如圖4-9中+、-號所示。當(dāng)轉(zhuǎn)換為向前運(yùn)動(dòng)中的制動(dòng)工況時(shí)，電路被改接成圖4-10。此時(shí)，因?yàn)殡姍C(jī)的轉(zhuǎn)向未變，勵(lì)磁方式由串勵(lì)被改成為交叉式他勵(lì)，勵(lì)磁電流方向也未變，因而直流電機(jī)的電樞反電動(dòng)勢方向仍不變。所形成的電流回路如圖中箭頭方向所示，電流方向與電樞電動(dòng)勢方向一致了，因而直流牽引電機(jī)轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)工況，而產(chǎn)生電制動(dòng)力。2021/8/1531（二）直流牽引電機(jī)斬波調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)圖4-10 向前

26、運(yùn)行中的制動(dòng)工況簡化原理圖2021/8/1532（二）直流牽引電機(jī)斬波調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng) 電制動(dòng)時(shí)，當(dāng)動(dòng)車速度足夠高，則電機(jī)電樞電動(dòng)勢足夠高，電流經(jīng)續(xù)流二極管V5反饋至電網(wǎng)，則為再生制動(dòng)。再生制動(dòng)時(shí)，為了調(diào)節(jié)電機(jī)主電路的電壓值，可控制主管V1、V2進(jìn)行升壓斬波。當(dāng)V1、V2導(dǎo)通時(shí)，電流iv12將電機(jī)的電能儲存于1L3中；當(dāng)V1、V2關(guān)斷時(shí)，1L3中的儲能轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動(dòng)勢，此感應(yīng)電動(dòng)勢與電機(jī)電樞電動(dòng)勢相加，提高了主電路的總電壓值Upo的大小，即控制iv5的大小，從而控制再生制動(dòng)力的大小。 在電制動(dòng)工況下，如果接觸網(wǎng)電壓過高（變電站本身網(wǎng)壓過高，或因鄰近供電區(qū)段無其他車輛處于牽引工況下可吸收再生反饋的能

27、量），則可調(diào)節(jié)制動(dòng)晶閘管V3、V4的導(dǎo)通角，使電流逐漸由再生制動(dòng)轉(zhuǎn)換為電阻制動(dòng)。電阻制動(dòng)工況下，也可由主斬波管V1、V2進(jìn)行升壓斬波工作，以調(diào)節(jié)制動(dòng)力大小。2021/8/15334.2 直流牽引傳動(dòng)電制動(dòng)和交流牽引傳動(dòng)電制動(dòng) 在軌道車輛牽引動(dòng)力領(lǐng)域交流電機(jī)目前占據(jù)主導(dǎo)地位，交流電機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)是不易受干擾，維護(hù)保養(yǎng)相對很少，但它的調(diào)速控制遠(yuǎn)比直流電機(jī)復(fù)雜。隨著牽引控制技術(shù)的進(jìn)步和相關(guān)產(chǎn)品的不斷升級，交流電機(jī)在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用非常普及。 交流調(diào)壓變頻車輛的傳動(dòng)與控制由受電弓、高速斷路器HSCB、牽引逆變器VVVF、牽引控制單元DCU/UNAS、牽引電機(jī)、制動(dòng)電阻等組成，并采用微機(jī)控制系統(tǒng)。其中，

28、VVVF牽引逆變器采用PWM脈寬調(diào)制模式，將直流電逆變成頻率、電壓可調(diào)的三相交流電，平行供給車輛四臺交流鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，實(shí)現(xiàn)列車的牽引、制動(dòng)功能。二.交流牽引傳動(dòng)的電制動(dòng) 2021/8/1534二.交流牽引傳動(dòng)的電制動(dòng) 由電機(jī)學(xué)原理知，對于交流同步電機(jī)，其轉(zhuǎn)速n為：n=60f/Pn （4-3）式中f定子電源頻率（Hz）；Pn電機(jī)極對數(shù)。而對于交流異步電機(jī)，其轉(zhuǎn)速為：n=60f/Pn（1-s） （4-4）式中s轉(zhuǎn)差率。 因此，從原理上講，改變極對數(shù)Pn，改變轉(zhuǎn)差率s和頻率f都可以調(diào)速。但對同步電機(jī)，在運(yùn)行中改變極對數(shù)會引起失步，因此只調(diào)頻調(diào)速。而對于異步電機(jī)，以上三種方法雖均可

29、采用，但是變極調(diào)速是有極調(diào)速，而改變轉(zhuǎn)差率s為目的的各種調(diào)速方法，又都是耗能型調(diào)速方法，只有改變頻率的調(diào)速才是最為理想的調(diào)速方法 ，這就是近幾年來變頻器、變頻調(diào)速成為交流電傳動(dòng)中最為熱門的原因。 變頻技術(shù)，簡單地說就是把直流電逆變成不同頻率的交流電，或是把交流電變成直流電再逆變成不同頻率的交流電，或是把直流電變成交流電再把交流電變成直流電?？傊?，這一切都是電能不發(fā)生變化，而只是頻率的變化。2021/8/1535二.交流牽引傳動(dòng)的電制動(dòng) 采用交流異步電機(jī)作為牽引電機(jī)，那么輕軌地鐵的直流供電在牽引時(shí)，是直流電到交流用電：DCAC，電制動(dòng)時(shí)是交流發(fā)電到直流電網(wǎng)用電：ACDC。 但是在交流電傳動(dòng)變頻調(diào)

30、速中，變頻的同時(shí)也必須協(xié)調(diào)地改變電機(jī)的端電壓，否則電機(jī)將出現(xiàn)過勵(lì)磁或欠勵(lì)磁。因此交流電傳動(dòng)中的變頻實(shí)際上是又變壓（Variable VoltageVV）又變頻（Variable Frequency），即變壓變頻技術(shù)VVVF。（見圖4-11）我們通常所說輕軌地鐵車輛采用VVVF新技術(shù)。2021/8/1536二.交流牽引傳動(dòng)的電制動(dòng) 圖4-11 DC-AC變換示意圖2021/8/1537二.交流牽引傳動(dòng)的電制動(dòng) 交流電PWM控制的基本原理：在采樣控制理論中有一個(gè)重要的結(jié)論，即沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上，其效果基本相同。沖量是指窄脈沖的面積。這里所說的效果基本相同，是指該環(huán)節(jié)的輸

31、出響應(yīng)波形基本相同。如把各輸出波形用傅立葉變換分析，則它們的低頻段特性非常接近，僅在高頻段略有差異。如圖4-12所示，圖4-12（a）為矩形脈沖，圖4-12（b）為三角形脈沖，圖4-12（c）為正弦半波脈沖，它們的面積（即沖量）都等于1。把它們分別加在具有相同慣性的同一環(huán)節(jié)上，輸出響應(yīng)基本相同。脈沖越窄，輸出的差異越小。 2021/8/1538二.交流牽引傳動(dòng)的電制動(dòng) 圖4-12 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖2021/8/1539二.交流牽引傳動(dòng)的電制動(dòng) 上述結(jié)論是PWM控制的重要理論基礎(chǔ)。下面來分析如何用一系列等幅而不等寬的脈沖代替正弦半波。 把圖4-13（a）所示的正弦半波看成由N個(gè)彼此

32、相連的脈沖所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都等于/N，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，這個(gè)脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦等分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)正弦部分面積相等，就得到圖4-13（b）所示的脈沖序列，這就是PWM波形?？梢钥闯?，各脈沖的寬度是按正弦規(guī)律變化的。根據(jù)沖量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。對于正弦波的負(fù)半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形。所以對于單極性一個(gè)完整的正弦波可見圖4-14。 2021/8/1540二.交流牽引傳動(dòng)的電制動(dòng) 圖4-13 PWM控制基

33、本原理示意圖 2021/8/1541二.交流牽引傳動(dòng)的電制動(dòng) 圖4-14 單極性PWM控制方式原理 圖4-15 雙極性PWM控制方式原理2021/8/1542二.交流牽引傳動(dòng)的電制動(dòng) 對于雙極性的見圖4-15。 而在實(shí)際應(yīng)用中是三相交流電，如三相交流異步電機(jī)，主電路一般采用三相橋式逆變電路如圖4-16所示，其控制方式中，一般也需是雙極性的。U、V和W三相的PWM控制通常公用一個(gè)三角載波uc，三相調(diào)制信號uru，urv和urw的相位依次相差120度，U、V和W各相功率開關(guān)器件的控制規(guī)律相同。因涉及電力電子技術(shù)中很多知識，本書介紹一些必要的最基本概念，便于理解電制動(dòng)是如何產(chǎn)生的。2021/8/1543二.交流牽引傳動(dòng)的電制動(dòng) 圖4-16 三相PWM逆變電路波形2021/8/1544二.交流牽引傳動(dòng)的電制動(dòng) 圖4-17為一節(jié)地鐵動(dòng)車三相交流傳動(dòng)主電路原理簡圖。它