《城市軌道交通車輛電氣控制》課件 第1、2章 城市軌道交通車輛電氣控制系統(tǒng)、城市軌道交通車輛牽引傳動系統(tǒng)

城市軌道交通車輛電氣控制

第

一

章城市軌道交通車輛電氣控制系統(tǒng)項目描述（1）：城市軌道交通車輛最根本的任務(wù)：運輸完成運輸任務(wù)的關(guān)鍵：車輛的運行速度及其控制控制系統(tǒng)作用：根據(jù)運營系統(tǒng)給出的命令

對各功能子系統(tǒng)進行調(diào)控。控制系統(tǒng)類型:牽引控制、制動控制控制系統(tǒng)控制方法：數(shù)學(xué)模型化、傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)、

人工智能原理的各種控制方法

16:51:08人機界面作用：駕駛員可隨時了解整個列車的運行狀態(tài)和各主要單元部件的工作狀態(tài)，必要時人工干預(yù)。

人機界面組成：系統(tǒng)操作軟件、微機控制系統(tǒng)、總線控制電氣控制系統(tǒng)功能：實現(xiàn)列車自動駕駛系統(tǒng)ATO、列車自動控制系統(tǒng)ATC、列車自動保護系統(tǒng)ATP、列車自動監(jiān)控系統(tǒng)ATS、

列車通信控制TCC等全自動控制電氣控制系統(tǒng)組成：主牽引傳動系統(tǒng)、輔助電源系統(tǒng)、

牽引/制動控制系統(tǒng)、車門控制系統(tǒng)

16:51:08項目描述（2）：第一節(jié)

城市軌道交通車輛電氣控制系統(tǒng)基礎(chǔ)一、城市軌道交通車輛電氣控制系統(tǒng)概述16:51:08電氣設(shè)備（高壓電器，低壓電器）主電路系統(tǒng)輔助電路系統(tǒng)電子與控制電路系統(tǒng)車輛電氣學(xué)習(xí)任務(wù)圖1-1城市軌道交通車輛控制原理圖16:51:08二、城市軌道交通車輛總體控制電力牽引傳動控制系統(tǒng)：定義：在軌道交通運輸中，采用電動機傳動來滿足車輛牽引的電氣部分?？刂茖ο螅籂恳姍C作用：對電動機的速度和牽引力進行調(diào)節(jié)分類：直流傳動控制系統(tǒng)、交流傳動控制系統(tǒng)

16:51:08圖

地鐵單元車輛的總體控制16:51:08三、城市軌道交通車輛電器部件與設(shè)備

圖1龐巴迪公司與長客生產(chǎn)的地鐵車輛的主要設(shè)備配置拖車(TC)動車（M’）

動車(M)16:51:08第二節(jié)

城市軌道交通車輛電氣控制系統(tǒng)主要部件功能城市軌道交通車輛控制系統(tǒng)部件一般稱為牽引電器。定義：對城市軌道交通車輛以及其它的牽引設(shè)備進行切換、檢測、控制、保護和調(diào)節(jié)的電器及裝置。構(gòu)成：主電路電器、控制電路電器、輔助電路電器特點：外型呈平整的箱狀，且寬度小，安裝時盡可能成列布置；

結(jié)構(gòu)方面要便于更換觸頭、彈簧和其它被磨損零件。

操作次數(shù)頻繁，零件的機械與電氣強度方面，

要求有較大的安全系數(shù)，同時必須保證有最大的可靠性。16:51:08牽引電器結(jié)構(gòu)特點：螺釘連接應(yīng)有彈簧墊圈和緊鎖螺帽，接觸器等運動

的重心落在支撐點上；計算繞組、選擇絕緣材料、潤滑油要考慮溫度變化；用電鍍涂壓的辦法來防止零件表面的銹蝕；選擇漏電間隙和絕緣距離時，應(yīng)從可能最壞的表面

工作情況出發(fā)，保證牽引電器之間的絕緣可靠。16:51:08

（一）受電弓1.城軌交通車輛的供電與受流

地鐵和輕軌速度不高，常采用直流供電。電壓制式：發(fā)展趨向是IEC標(biāo)準(zhǔn)中600伏、750伏、1500伏中國國家標(biāo)準(zhǔn)《地鐵直流供電系統(tǒng)》的規(guī)定是:

直流750伏（波動范圍500～900伏）和

直流1500伏（波動范圍1000～1800伏）。供電形式：接觸網(wǎng)供電、接觸軌供電受流形式：接觸網(wǎng)受流、第三軌受流16:51:08一、主電路電器主要包括：受電弓、高速斷路器、主接觸器和牽引變流裝置等。牽引網(wǎng)

由饋電線、接觸網(wǎng)、軌道回路及回流線組成的供電網(wǎng)絡(luò)稱為牽引網(wǎng)從牽引變電所向接觸網(wǎng)輸送牽引電能的導(dǎo)線用以供牽引電流返回牽引變電所的導(dǎo)線列車行走時，利用走行軌作為牽引電流回流的電路為便于檢修和縮小事故范圍，將接觸網(wǎng)分成若干段稱為電分段經(jīng)過電動列車的受電器向電動列車供給電能的導(dǎo)電網(wǎng)主變電站牽引變電站饋電線接觸網(wǎng)鋼軌

回流線電分段

接觸網(wǎng)

饋電線主變電站回流線2.受電弓的結(jié)構(gòu)組成受電弓:

城市軌道交通車輛

的受流裝置根據(jù)驅(qū)動動力分為:

氣動弓和電動弓

1-基礎(chǔ)框架2-高度止擋3-絕緣子4-框架5-下部支桿6-下部導(dǎo)桿7-上部支桿8-上部導(dǎo)桿9-集流頭10-接觸帶11-端角12-升高和降低裝置13-電流傳送裝置14-吊鉤閉鎖器圖1-5單臂受電弓結(jié)構(gòu)組成16:51:083．受電弓工作原理受電弓靠滑動接觸受流，是移動設(shè)備與固定供電裝置之間的連接環(huán)節(jié)。受電弓受流性能的基本要求是：集流頭與接觸網(wǎng)接觸可靠，磨耗??；升降弓時對車頂設(shè)備不產(chǎn)生有害沖擊；運行中受電弓動作輕巧，動態(tài)穩(wěn)定性能好。受電弓的提升依靠升弓彈簧完成；降弓是通過傳動風(fēng)缸內(nèi)部的降弓彈簧來實現(xiàn)；壓縮空氣在傳動風(fēng)缸的充氣及排氣決定了受電弓的升與降。（1）升弓過程：在列車及司機臺激活的情況下，按下副司機臺受電弓升弓按鈕，相應(yīng)的升弓電路工作，升弓電磁閥得電動作，打開風(fēng)源至傳動風(fēng)缸的通路，傳動風(fēng)缸充氣，將內(nèi)部的降弓彈簧壓縮，在升弓彈簧的作用下克服自身重力升起。16:51:08圖1-6升弓風(fēng)路示意圖風(fēng)路系統(tǒng)16:51:08（2）降弓過程

a)快速降弓風(fēng)路b)緩慢降弓風(fēng)路圖1-7降弓風(fēng)路示意圖16:51:08（3）緊急操作當(dāng)車輛有壓縮空氣，但氣壓不足(低于3bar)時，受電弓也可以手動升弓。16:51:08使用B車車廂設(shè)備柜中的腳踏泵，同時手動或電動控制電磁閥開通風(fēng)路，人工踩壓腳踏泵打風(fēng)，至風(fēng)壓足以升起受電弓為止。額定電壓/VDCl500電壓范圍/VDCl000～1800額定電流/ADCl050最大啟動電流(30s)/ADCl600最大停車電流/ADC460標(biāo)準(zhǔn)靜接觸壓力/N

120±10靜壓力調(diào)節(jié)范圍/N100~140滑板單向運動在工作高度范圍內(nèi)壓力差/N不大于10滑板在工作高度范圍內(nèi)同一高度上，升與降壓力差/N不大于15運行速度（km／h）≤90傳動裝置壓力/kPa額定550，最小/300，最大800主要尺寸（帶絕緣子的高度）/mm300（折疊高度300+10）最小/大工作高度/mm175（463）/（1600）最大升起高度/mm1700碳滑板長度/mm800（1050）弓頭寬度/mm1550升/降弓時間/s升弓≤8，降弓≤7絕緣性能交流50Hz，5.75kV干閃絡(luò)電壓1min；交流50Hz，4.75kV濕閃絡(luò)電壓1min機械壽命15×103次受電弓總重（絕緣子除外）/kg200

受電弓主要技術(shù)參數(shù)有電氣數(shù)據(jù)、機械參數(shù)及幾何尺寸參數(shù)。

適用場合：某公司A型車受電弓，網(wǎng)壓DCl500V，4M2T編組。4．受電弓主要技術(shù)參數(shù)16:51:08（二）高速斷路器（HSCB）

作用：在車輛發(fā)生故障時執(zhí)行保護指令，切斷動力電源。1．HSCB的主要性能指標(biāo)及特點

主要性能指標(biāo)有兩個：

機械響應(yīng)時間

、分?jǐn)嗄芰?/p>

（1）斷路器的機械響應(yīng)時間（Tm）：

指從通過斷路器的電流達到動作值，

到主觸頭打開的時間。

電流增長率越大，機械響應(yīng)時間越長。

高速斷路器機械響應(yīng)時間與電流增長速率關(guān)系16:51:08（2）分?jǐn)嗄芰?/p>

在相同的短路穩(wěn)態(tài)電流情況下：電流增長率di／dt越大，則開斷電流?d越大，限制時間TL越短，總開關(guān)時間Ttot越短，I2d積分越大。16:51:08圖

高速斷路器開斷過程電流、電壓波形2.HSCB的主要特點:（1）對地有很高的絕緣等級。（2）分?jǐn)嗄芰?，響?yīng)時間短。（3）不受氣候條件的影響。（4）長使用壽命。（5）易于維護。16:51:083．HSCB結(jié)構(gòu)上海地鐵1號線用AEG公司產(chǎn)TSEl250-B-I型高速開關(guān)，安裝于B車上。主要包括：基架、短路快速跳閘裝置（KS）、過載跳閘裝置（S型）、合閘裝置、滅弧柵。

圖

高速開關(guān)結(jié)構(gòu)外形16:51:08高速開關(guān)主要構(gòu)件有：（1）觸頭系統(tǒng)（2）滅弧機構(gòu)

（3）傳動機構(gòu)（4）自由脫扣機構(gòu)（5）最大電流釋入器（6）最小電壓釋入器（7）輔助開關(guān)---采用串封閉式導(dǎo)弧角。-------

動、靜觸頭（上海地鐵車輛高速開關(guān)

是雙極串聯(lián)形式），觸頭的接觸形式采用線接觸——接觸面大、磨損較小、制造方便，觸頭制成單獨成零件，便于更換。---------用來操縱主觸頭閉合。

傳動形式：手動傳動

電磁機構(gòu)傳動--------位于傳動機構(gòu)與主觸頭之間，用來保證當(dāng)電路發(fā)生短路時，傳動機構(gòu)還起作用，高速開關(guān)能夠可靠地開斷電路。-----即過載時通過拉桿作用于自由脫扣機構(gòu)而開斷；短路時直接撞擊鎖鉤開斷電路。

通過電磁機構(gòu)作用，銜鐵直接作用在鎖鉤上，使鎖鉤釋放，

在開斷彈簧作用下開斷電路，正常操作電壓DC110伏，最低電壓77伏。------------用于聯(lián)鎖、指示、控制作用。16:51:08

4.HSCB的工作原理圖TSEl250-B-I型高速開關(guān)結(jié)構(gòu)原理1-上接線端2-靜觸頭3-動觸頭4-動觸頭臂5-彈性連接板6-下界限端7-過載跳閘（S）裝置8-拉桿9-釋放鎖件10-轉(zhuǎn)換機構(gòu)11-轉(zhuǎn)換軸12-短路快速跳閘（KS）銜鐵13-撞擊螺釘14-轉(zhuǎn)換桿15-滾軸17-短路快速跳閘拉桿18、19-滅弧板16:51:085.高速斷路器參數(shù)舉例表類型電磁控制自然冷卻的單極直流斷路器額定電壓1500V+20%額定電流1250A短時允許電流1400A，2h；2000A，2min；3000A，20s；額定分?jǐn)嗄芰?5kAKS—釋放的分?jǐn)鄷r間di/dt≥3KA/ms5ms機械反應(yīng)時間2ms機械壽命20000次控制電壓DC110V電壽命1000次分?jǐn)囝l率（1h）30次16:51:08（三）主接觸器作用：用來頻繁地接通和切斷主電路的自動切換電器。特點：能進行遠距離自動控制，操作頻率較高，通斷電流較大。分類：

按通斷電路電流種類：直流接觸器、交流接觸器

按主觸頭數(shù)目：單極接觸器

、多極接觸器

按主觸頭數(shù)目：電空接觸器，電磁接觸器16:51:081.電磁接觸器結(jié)構(gòu)組成電磁機構(gòu)：包括鐵芯、帶驅(qū)動桿的螺旋線圈、蓋板。主觸頭：用來通斷電路，觸頭為球面鍍銀。

滅弧裝置：包括吹弧線圈、帶電離柵的滅弧罩輔助觸頭支架固定裝置電離柵：將進入的電弧分割成一系列短弧，然后使電弧加速冷卻，

吹弧線圈確保快速和有效的滅弧。直流接觸器設(shè)計為模塊結(jié)構(gòu)，外殼材料阻燃、無毒、無環(huán)境污染。16:51:082.電磁接觸器工作原理a、接通過程：電磁圈未通電時，銜鐵在反力彈簧作用下保持在釋放位置。當(dāng)電磁線圈得電后，鐵芯在電磁力作用下帶動驅(qū)動桿克服反力彈簧運動。動觸頭在驅(qū)動桿帶動下，觸頭上部與靜觸頭點接觸，隨著驅(qū)動桿繼續(xù)運動，觸頭上壓力不斷增加，動觸頭在靜觸頭上邊滾動邊滑動，進行研磨，一直到電磁力與反力彈簧力平衡止，接觸點移到觸頭下部，完成觸頭閉合，主接觸器進入工作狀態(tài)。同時輔助觸頭依靠驅(qū)動凹輪，同步打開或閉合。16:51:08

斷開的過程則相反，失電后，電磁力小時，反力彈簧起作用，主觸頭分?jǐn)?，同時輔助觸頭的狀態(tài)也跟著變化。

主觸頭閉合的研磨過程，將其表面的氧化物或臟物擦掉，減小接觸電阻。

出頭斷開的反力可使觸頭分?jǐn)鄷r所產(chǎn)生的電弧不致?lián)p壞正常接觸點。反力主要由彈簧力產(chǎn)生，通常是園柱螺旋彈簧。

圓柱螺旋彈簧分為：拉伸彈簧、壓縮彈簧

b、斷開過程16:51:083.BMS.15.06型直流電磁接觸器技術(shù)參數(shù)額定電壓/VDC1500最大工作電壓/VDC1800額定絕緣電壓/VDC1500額定電流/A600小時電流/A630短時電流(5S)/A800最大整斷電流(15ms)/A2400閉合時間/ms約l00開斷時間/ms約75機械壽命3×10

6次電壽命104次觸頭壓力/N54~72控制電源/VDC110控制功率/W3016:51:08（四）線路濾波器

線路濾波器：包括線路濾波電抗器和線路濾波電容器；

位于主電路牽引變流器中。1．線路濾波器的作用：

（1）濾平輸入電壓。

（2）抑制電網(wǎng)側(cè)發(fā)生的過電壓減少其對逆變器的影響。

例如：變電所的操作過電壓、雷擊過電壓等。

（3）抑制逆變器因換流引起的尖峰過電壓。

（4）抑制電網(wǎng)側(cè)傳輸?shù)侥孀兤髦绷鳝h(huán)節(jié)的諧波電流，

抑制逆變器產(chǎn)生的諧波電流對電網(wǎng)的影響。

（5）限制變流器的故障電流。16:51:08

2．線路濾波電抗器：作用：保證電感在任何電流值時均恒定。要求：采用空心線圈結(jié)構(gòu)。

電抗器的電感量須與線路電容器的電容量相匹配。

諧振頻率與信號系統(tǒng)的調(diào)制頻率有一定的差值。網(wǎng)壓DCl500V的城軌車輛，逆變器容量在1000kVA以上的系統(tǒng)，電感量一般為5～8mH。16:51:083．線路濾波電容器

從功能上，由于它用于逆變系統(tǒng)的直流環(huán)節(jié)（DCLink），因此稱作“支撐電容器”。

從性質(zhì)上，由于要求它能承受很大的諧波電流，因此稱作“直流脈沖電容器”。最大電流Imax最高達600A額定電壓UN最高達6kV自感Lself≤40nH額定能量WN最高達18kJ介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ02×10最大峰值電流

最高達10kA最大浪涌電流

最高達100kA端子間直流試驗電壓UTT1.5UN,10s端子對外殼交流試驗電壓UTC2Ui+1000V,50Hz,10s（Ui為絕緣電壓）自放電時間常數(shù)Ris·C≥10000s國外某公司支撐電容器系列產(chǎn)品主要參數(shù)舉例表：16:51:08（五）制動電阻器16:51:08車底制動電阻箱作用:電阻制動時，制動電阻吸收未被消耗掉的電機發(fā)電能量，轉(zhuǎn)換為熱能散逸到大氣中去。制動電阻器要求:良好的熱容量、耐振動、防腐蝕，在高溫下不生成氧化層，特別要注意在正常使用周期內(nèi)不斷裂。16:51:08圖

制動電阻器結(jié)構(gòu)1-底面板2-電阻排3-絕緣板4-銅棒5-熱量顯示盒6-風(fēng)道1．制動電阻器的主要技術(shù)指標(biāo)（1）電阻值：20℃時的阻值與熱態(tài)時的阻值。（2）電阻材料：材質(zhì)及溫度系數(shù)。（3）功率：等效持續(xù)功率與短時最大功率。（4）最高工作溫度：一般600℃左右（5）冷卻：多數(shù)采用強迫風(fēng)冷，少數(shù)采用自然風(fēng)冷(列車走行風(fēng))（6）保護：過熱、過流、失風(fēng)(若用強迫風(fēng)冷)保護、IP等級（電阻箱外觀保護等級）16:51:082．制動電阻器主要技術(shù)參數(shù)舉例

某公司A型車，網(wǎng)壓DCl500V，4M2T編組。20℃時的電阻值2×3.0Ω熱態(tài)電阻2×3.5Ω材料AISI310S（不銹鋼）短時功率2×750kW等效持續(xù)功率2×220kW冷卻方法強迫風(fēng)冷風(fēng)量1.2m／s風(fēng)壓300Pa風(fēng)機功率1.2kW、AC380V、50Hz最高工作溫度600℃（電阻帶處）16:51:08（六）平波電抗器平波電抗器是一個帶鐵心的大電感。16:51:08（六）平波電抗器工作原理：利用電感元件隔交通直的性質(zhì)和電路的楞次定律，在牽引電機支路串聯(lián)平波電抗器后，當(dāng)整流器輸出的脈動電流流過時，平波電抗器產(chǎn)生自感電勢（

）阻止電流的變化。

作用：減小、敷平電流脈動。

選擇：在一定的整流電壓下，先規(guī)定好整流電流的脈動系數(shù)，然后計算出不同負載下對應(yīng)的電感值，再選用合適的平波電抗器。平波電抗器是一個帶鐵心的大電感。16:51:08

電感Ld與整流電流Id的關(guān)系Ld＝f（Id）應(yīng)為一雙曲函數(shù)（如圖1-20所示曲線1）；平波電抗器特性曲線：16:51:08

試驗表明具有鐵芯的電抗器可使IdLd的乘積近似常數(shù)，這樣便使電流脈動系數(shù)近似不變（其特性曲線如1-20中曲線2）。（七）接地裝置1.功能：為主電路提供回流通路，使電流經(jīng)輪對到達鋼軌，構(gòu)成1500V完整的電路。同時防止電流通過軸承造成電腐蝕，提高軸承的使用壽命。2.安裝：安裝于轉(zhuǎn)向架軸端，分別在A車轉(zhuǎn)向架的第2軸的右側(cè)和第3軸左側(cè)軸端各安裝了一個，分別在B車和C車的轉(zhuǎn)向架第1、3軸的左側(cè)軸端各安裝了一個，在第2、4軸的右側(cè)軸端各安裝了一個。16:51:083．接地裝置的外形與結(jié)構(gòu)接地裝置主要由接觸盤、碳刷架、彈簧支撐組成。圖

接地裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)16:51:08二、控制電路電器駕駛控制器裝置牽引控制系統(tǒng)電器列車自動控制系統(tǒng)電器等主要包括下面分別介紹：駕駛控制器、速度傳感器、繼電器、浪涌吸收器（一）駕駛控制器城軌車輛司機控制器為凸輪觸點式控制器。16:51:08司機控制器及其相關(guān)位置凸輪組

警惕開關(guān)轉(zhuǎn)換開關(guān)組主控制手柄方式/方向手柄16:51:08圖

司機控制器結(jié)構(gòu)駕駛控制器結(jié)構(gòu)駕駛控制器的結(jié)構(gòu)：1.主控制手柄2.方式/方向手柄3.主控器鑰匙4.警惕開關(guān)5.電位器6.轉(zhuǎn)換開關(guān)組7.凸輪組

位于主控手柄的上端的兩個半圓頭開關(guān)。正常工作時，司機必須用大拇指將兩個半圓合攏，只有停車時才放開。人工駕駛時只有按下警惕開關(guān)，操作主控器手柄，列車才能啟動。若松開警惕開關(guān)3秒鐘（在彈簧作用下兩個半圓頭分開），列車立即進入緊急制動狀態(tài)。--------在主控手柄底部連接一電位器，當(dāng)主控手柄由零位移向牽引或制動位時，輸出0-20mA電流的司機指令，給控制電路。16:51:081.主控制手柄主控手柄有零位、牽引、制動、快速制動四個位置。“0”位————機械零位?！盃恳蔽弧蚯巴苿邮直ㄟh離司機），牽引給定值可無

級輸入，最前端位置為“100%牽引位”。“制動”位——向內(nèi)拉動手柄（拉向司機），制動給定值可無

級輸入，在“100%制動位”有一阻滯，最里端

位置為“緊急（快速）制動位”，快速制動帶

有限位凹槽。16:51:082.方式/方向手柄方式方向手柄用于選擇駕駛方向，有向前、0、后退三個位置。運行方向必須在車輛運行前選擇，并且到下一站前保持有效?！癆TC”列車自動控制位：通過系統(tǒng)操作或手動控制向前運行。

在制動位上通過操作主控器手柄，可擺脫“ATC”的指令進行制動。“0”位置：沒有駕駛模式被激活?！昂笸恕蔽恢茫喝斯さ管嚹Ｊ健７绞?方向手柄與主控制手柄間存在機械連鎖。

只有當(dāng)主控器手柄在“0”位，方式/方向手柄才進行向前或向后位置轉(zhuǎn)換。只有當(dāng)選擇好方向，即方式/方向手柄在非零位，主控器手柄才可進行牽引或制動操作。一旦方式/方向手柄在非允許情況下改變了方向手柄的位置，則系統(tǒng)自動啟動緊急制動。16:51:083.主控器鑰匙

主控器鑰匙用于激活司機臺，有兩個位置：“0”位置：關(guān)閉位置，只能在此位置取出或插入鑰匙。

主控器鑰匙零位時，主控器手柄和方式/方向手

柄被鎖死，不能操作且都處于零位?！?”位置：激活司機臺。司機可進一步操作其它開關(guān)激活車輛。

一旦主控器手柄和方式方向手柄處于非零位，則主控器鑰匙被鎖死不能回零位。只有當(dāng)主控器手柄和方式/方向手柄雙零位時，主控器鑰匙開關(guān)才能從“1”位移回“0”位。16:51:08（二）速度傳感器速度傳感器安裝于車輛輪軸上，它提供控制系統(tǒng)信號的選取，轉(zhuǎn)換和傳輸。裝于城市軌道交通車輛上的速度傳感器要求性能可靠、精度要高、抗干擾性強。圖

車輛速度傳感器布置速度傳感器防滑速度傳感器接地裝置防空轉(zhuǎn)防滑速度傳感器接地裝置16:51:081．速度傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理作用：用于城市軌道交通列車的速度檢測。結(jié)構(gòu)：脈沖發(fā)生器、磁輪、密封件、外蓋。工作原理：是磁電式傳感器，利用電磁感應(yīng)原理，不需要外加電源，

可將輸入機械位移轉(zhuǎn)換成線圈中的感應(yīng)電勢輸出。

圖

轉(zhuǎn)速傳感器原理圖當(dāng)齒輪隨車軸旋轉(zhuǎn)時，齒輪與軟磁鐵軛之間的氣隙隨之變化，從而導(dǎo)致氣隙磁阻和穿過氣隙的主磁通的變化，在線圈中感應(yīng)出電動勢。設(shè)每轉(zhuǎn)一圈傳感器發(fā)出110個脈沖，其頻率為：f=Nn/60Hz式中：n----轉(zhuǎn)速（r／min）

N----齒數(shù)（110）16:51:082．技術(shù)參數(shù)工作電壓(Ug)12V至20VDC信號輸出電阻1KΩ軸出電壓峰值≥UB–2.5V，低值≤0．6V負載電阻≥2．2KΩ靜態(tài)輸出電壓7V±1V額定工作電壓15VDC頻率范圍1HZ～5KHZ探頭與磁輪間氣隙0.90±5%mm工作環(huán)境溫度–40℃～+80℃16:51:08（三）繼電器定義:是一種根據(jù)外界輸入信號（電量或非電量）的變化，接通或斷開小電流電路，以實現(xiàn)自動控制和保護功能的電器。作用：主要用來反映各種控制信號，其觸點通常接在控制電路中，不直接控制主電路。特點：主要用來反映各種控制信號，其觸點通常接在控制電路中，不直接控制主電路。圖

電氣設(shè)備柜中的繼電器16:51:08繼電器構(gòu)成：測量機構(gòu)、執(zhí)行機構(gòu)繼電器分類：

按照工作原理分為:電磁繼電器、感應(yīng)繼電器、

熱繼電器等

按輸入信號性質(zhì)分:電流繼電器、電壓繼電器、壓力繼電器等

按輸入信號性質(zhì)分:有觸點、無觸點16:51:082．技術(shù)參數(shù)繼電器的主要特征參數(shù)有:額定電壓、吸合電壓、釋放電壓，吸合時間、釋放時間，線圈消耗功率，觸點接觸電阻、絕緣電阻，觸點負荷和壽命等。型號

線圈電壓

觸點分配SH04.22E

DC110V

二常開、二常閉SH04.40E

DC110V

四常開SH8.44E

DC110V

四常開、四常閉SH8.62E

DC110V

六常開、二常閉SH8.80E

DC110V

八常開SH8.53E

DC110V

五常開、三常閉3．繼電器舉例上海地鐵一號線車輛主要使用SH系列繼電器。其命名為：16:51:08作用：浪涌吸收器用于防止來自城市軌道交通車輛外部的過電壓（如雷擊等）對車輛電氣設(shè)備的破壞。

其外殼用硅橡膠材料或其它抗紫外線、不分解的絕緣材料制成。（四）浪涌吸收器（避雷器）圖

浪涌吸收器1．結(jié)構(gòu)原理浪涌吸收器安裝于B車車頂?shù)氖茈姽瓊?cè)。它包括一個火花間隙和一個非線性電阻，裝配于一個陶瓷殼內(nèi)。正常電壓下火花間隙處于不通狀態(tài)，出現(xiàn)大氣過電壓時擊穿放電。將過電壓限制在一定水平，保護設(shè)備。當(dāng)過電壓終止后，迅速恢復(fù)至正常狀態(tài)。擊穿電壓的幅值同擊穿時機的關(guān)系曲線稱為伏秒特性。

要可靠保護用電設(shè)備，避雷器的伏秒特性應(yīng)低于被保護絕緣的伏秒特性，即同一過電壓下避雷器應(yīng)先擊穿。16:51:082．浪涌吸收器主要技術(shù)參數(shù)（1）額定沖擊釋放電流、沖擊電流、持續(xù)釋放電流、短路電流；（2）閥座電壓、沖擊釋放電壓、直流放電電壓；（3）爬電距離、放電距離；（4）特性曲線。標(biāo)稱電壓/VDCl500最大電壓/VDC2000額定沖擊釋放電流/kA10沖擊電流/kA100短路電流/kA20閥座電壓/kV7.1爬電距離/5mm163．浪涌吸收器主要技術(shù)參數(shù)舉例（使用車型：A型車，網(wǎng)壓DCl500V）16:51:08三、輔助電路電器主要包括：空氣壓縮機裝置、照明和空調(diào)等。

城軌列車的每個單元，即A、B和C車車頂上都安裝了兩個相同的空調(diào)裝置（A/C），該空調(diào)裝置一般不能用來取曖。

空調(diào)裝置把空氣吸入到安裝在車頂板上部的風(fēng)道里，空氣在風(fēng)道里按整車長度均勻分配，并通過安裝在車頂上的空氣隔柵吹入客室。

A車除了有客室通風(fēng)系統(tǒng)，還安裝了單獨的司機室通風(fēng)單元，司機室通風(fēng)單元與風(fēng)道系統(tǒng)相連，由人工控制。

新鮮空氣通過四個橫向的隔柵（新風(fēng)入口）進入A/C單元，與從客室來的循環(huán)空氣混合。循環(huán)空氣通過空調(diào)單元端部的返回入風(fēng)口進入空調(diào)?；旌峡諝饨?jīng)處理后，經(jīng)空氣分配風(fēng)道強迫進入客室。圖

車輛空調(diào)系統(tǒng)16:51:08客室空調(diào)送回風(fēng)口分布圖客室空調(diào)風(fēng)道出口空調(diào)機組的主要部件及其分布見下圖所示：16:51:08客室空調(diào)控制器客室空調(diào)控制柜作用：確保車內(nèi)有一個舒適的環(huán)境溫度和濕度，即使室外的溫度和濕度很高，空調(diào)裝置也能夠給旅客提供充足的新鮮空氣?？照{(diào)壓縮機空調(diào)蒸發(fā)風(fēng)機冷凝風(fēng)機蒸發(fā)器1.空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成2個冷凝盤管、2個軸流風(fēng)扇電機（即室外熱交換機）

作用：將室外風(fēng)機吸入的新鮮空氣經(jīng)過盤管，實現(xiàn)內(nèi)部制冷劑的冷凝；2個渦旋式壓縮機：吸入低溫的制冷劑將其壓縮為高溫高壓的制冷劑后送出；2個干燥過濾器：用以吸收制冷劑中的水分，同時過濾制冷劑中的雜質(zhì)，避

免制冷系統(tǒng)出現(xiàn)臟堵；1套蒸發(fā)器包括：1個帶有兩個熱力膨脹閥的蒸發(fā)器盤管、1套風(fēng)扇及其驅(qū)動

電機、1個壓力開關(guān)、1個供風(fēng)溫度傳感器、1個空氣過濾器

作用：將制冷劑與混合空氣進行熱交換。1個基于微處理器的溫度控制器控制板：通過數(shù)字輸入/輸出和MVB總線與車輛信息系統(tǒng)連接，用來報告

故障，啟動命令，啟動授權(quán)和自檢測結(jié)果。16:51:082.空調(diào)系統(tǒng)的運行模式⑴通風(fēng)（無制冷）⑵預(yù)制冷（只有循環(huán)空氣）⑶制冷--一般新鮮空氣模式⑷制冷--減少新鮮空氣模式⑸緊急通風(fēng)（只有新鮮空氣）⑹試驗?zāi)Ｊ酵ǔ５娜N-----空調(diào)系統(tǒng)啟動時，預(yù)制冷模式自動啟動，一直保持到發(fā)出駕駛指令，在這期間沒有新風(fēng)被送入客室。

來自客室的循環(huán)空氣和吸入的新鮮空氣混合后，通過相應(yīng)的空氣調(diào)節(jié)風(fēng)門進入蒸發(fā)器模塊，被風(fēng)扇強迫吹過蒸發(fā)器盤管，利用制冷劑，空氣熱量被翅片吸收，使溫度下降后即冷卻空氣送入客室。

可以在每輛車的控制板上選擇?？照{(diào)系統(tǒng)一啟動，就開始系列試驗，檢查系統(tǒng)的正常工作。-------------車載供電系統(tǒng)故障時，例:如果車載380VAC供電系統(tǒng)故障，空調(diào)無法使用。為了保持向客室內(nèi)供應(yīng)新鮮空氣，地板下的一個靜止逆變器啟動，由蓄電池供電，供風(fēng)風(fēng)扇工作，同時循環(huán)空氣蓋被關(guān)閉，只允許外部空氣供向車內(nèi)。

--16:51:08（三）空調(diào)單元制冷循環(huán)

制冷循環(huán)：列車制冷就是利用制冷劑由液體狀態(tài)汽化為蒸汽狀態(tài)過程中吸收熱量，使得被冷卻介質(zhì)失去熱量而降低溫度，達到制冷的目的。制冷循環(huán)可以分成四個過程：即壓縮過程、冷凝過程、節(jié)流過程和蒸發(fā)過程?？照{(diào)系統(tǒng)（三）空調(diào)單元制冷循環(huán)

壓縮過程：壓縮機可同時對該單元的兩臺蒸發(fā)器供液。空調(diào)在制冷運行時，低溫低壓的制冷劑氣體被壓縮機吸入后加壓變成高溫高壓的制冷劑氣體送到冷凝器。

制冷循環(huán)空調(diào)系統(tǒng)（三）空調(diào)單元制冷循環(huán)

冷凝過程：高溫高壓的制冷劑氣體由壓縮機送到冷凝器。在冷凝器里面，高溫高壓的氣體冷卻成中溫高壓的液體，以便在蒸發(fā)過程中吸熱。

制冷循環(huán)空調(diào)系統(tǒng)（三）空調(diào)單元制冷循環(huán)

冷凝過程：制冷劑氣體特點是在容積和壓力高到一定值后變成液體。在制冷劑氣體液化時放出的熱量通過翅片管傳給冷凝風(fēng)機吸入的空氣，空氣受熱后向上排出，使得冷凝過程可以持續(xù)。兩個冷凝風(fēng)機是同時啟動的。

制冷循環(huán)空調(diào)系統(tǒng)（三）空調(diào)單元制冷循環(huán)

節(jié)流過程：中溫高壓的制冷劑液體經(jīng)干燥過濾器過濾干燥后輸送給熱力控制閥進入節(jié)流過程。干燥過濾器除去水分和雜質(zhì)，防止系統(tǒng)管路和閥被污堵或腐蝕，液管上裝有帶含濕量指示器的視液鏡。制冷劑液體流經(jīng)干燥過濾器后進入熱力控制閥。

制冷循環(huán)空調(diào)系統(tǒng)（三）空調(diào)單元制冷循環(huán)

節(jié)流過程：中溫高壓的制冷劑液體經(jīng)干燥過濾器過濾干燥后輸送給熱力控制閥進入節(jié)流過程。

制冷循環(huán)空調(diào)系統(tǒng)（三）空調(diào)單元制冷循環(huán)

節(jié)流過程：制冷劑通過閥門時流動截面突然收縮，流體流速加快，壓力下降，壓力下降的大小取決于流動截面收縮的比例，控制好比例就能控制壓力下降值。熱力控制閥降低制冷劑壓力后，使得該壓力下的蒸發(fā)溫度低于環(huán)境溫度，并且通過控制流量控制制冷效果。

制冷循環(huán)空調(diào)系統(tǒng)（三）空調(diào)單元制冷循環(huán)

蒸發(fā)過程：中溫高壓的制冷劑液體經(jīng)節(jié)流裝置后進入蒸發(fā)器，通過蒸發(fā)器時充分吸熱并汽化從而到達降低周圍空氣溫度的目的，同時中溫高壓的制冷劑液體汽化成低溫低壓的氣體。冷空氣經(jīng)鼓風(fēng)機吹入風(fēng)道；低溫低壓的制冷劑氣體進入熱力膨脹閥回流至空氣壓縮機重復(fù)制冷過程。

制冷循環(huán)項目小結(jié)1.城軌交通控制系統(tǒng)構(gòu)成：

主、輔、控、門控系統(tǒng)2.車輛運行傳動控制原理：能量轉(zhuǎn)換與力的傳遞3.車輛電氣主要部件的結(jié)構(gòu)原理：

主電路電器、控制電路電器、輔助電路電器

思考題1.簡述城市軌道交通車輛電氣控制系統(tǒng)的組成。2.以A型車為例，列表說明城市軌道交通車輛電氣設(shè)備布置。3.分析線路濾波器在城市軌道交通車輛控制系統(tǒng)中的作用。4.分析高速斷路器的結(jié)構(gòu)組成和工作原理。5.說明受流器的種類和作用。6.區(qū)分接觸器和繼電器的相同點和不同點。7.牽引電器一般分為哪三大部分?8.請詳細說明受電弓受流性能的基本要求。9.衡量HSCB性能的主要指標(biāo)有哪兩個?10.繼電器的主要技術(shù)參數(shù)有哪些?Thank

You!城市軌道交通車輛電氣控制

第

二

章

城市軌道交通車輛牽引傳動系統(tǒng)第一節(jié)

車輛電氣牽引系統(tǒng)車輛牽引系統(tǒng)的基本組成如圖所示。在系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)中主要有6部分設(shè)備，即：受流器；高壓電器單元；牽引變壓器；變流設(shè)備，主要是整流器或變流器；驅(qū)動設(shè)備，即牽引電動機和控制設(shè)備；轉(zhuǎn)向架及車輛。1.受流器

受流器的功能是將電源引入車內(nèi)。我國大部分城市的軌道交通車輛的受流器都采用受電弓，只有部分城市的地鐵車輛采用第三軌受流器。另外，中低速磁懸浮列車也采用第三軌受流器。2.高壓電器單元

高壓電器單元將受流器從接觸線路采集的電能引入車內(nèi)，為牽引設(shè)備和其他設(shè)施提供動力并進行高壓系統(tǒng)的控制、檢測和保護。高壓電器單元主要包括主斷路器、避雷器、接地開關(guān)和檢測保護裝置等。第二節(jié)

直流牽引傳動系統(tǒng)電力牽引控制定義：在軌道交通車輛中，用電動機驅(qū)動實現(xiàn)車輛牽引的傳動控制方式（電傳動系統(tǒng)）。作用：它是以牽引電機作為控制對象，通過控制系統(tǒng)對電動機的速度和牽引力進行調(diào)節(jié)，滿足車輛牽引和制動特性的要求。類型：直流傳動系統(tǒng)：采用直流（脈流）牽引電動機。

交流傳動系統(tǒng)：采用交流（同步、異步）牽引電動機。電傳動系統(tǒng)主電路定義：一般是指一個車輛單元的牽引動力電路。組成：受流器、牽引箱（PA）、牽引電機、制動電阻箱、電抗器、電氣開關(guān)等。一．直流牽引電機的原理

1．直流牽引電機的結(jié)構(gòu)與原理圖2-2直流電動機結(jié)構(gòu)（二）直流傳動控制系統(tǒng)組成與控制原理

城市軌道交通車輛直流主傳動結(jié)構(gòu)組成直流傳動調(diào)速控制基本形式：變阻控制

斬波調(diào)壓控制1．變阻控制

——通過調(diào)節(jié)串入電機回路的電阻，改變直流牽引電動機端電壓，實現(xiàn)調(diào)速目的。

調(diào)阻方法：凸輪調(diào)阻、斬波調(diào)阻。

凸輪調(diào)阻控制（1）

凸輪調(diào)阻控制的原理（2）

斬波調(diào)阻控制

斬波調(diào)阻控制2.斬波調(diào)壓控制（電樞斬波控制）

利用接在電網(wǎng)與牽引電動機之間的斬波器，通過控制斬波器的導(dǎo)通與關(guān)斷時間來改變牽引電動機的端電壓。

斬波調(diào)壓控制

結(jié)論：斬波調(diào)速是一種經(jīng)濟的調(diào)速手段。3．直流傳動系統(tǒng)的電氣制動原理：電氣制動是利用電機的可逆性原理。分類：

1.電阻制動（能耗制動）：電氣制動時牽引電機所產(chǎn)生的電能，利用電阻使之轉(zhuǎn)化為熱能耗散掉。2.再生制動（反饋制動）：電氣制動時牽引電機所產(chǎn)生的電能重新反饋回電網(wǎng)中去加以利用。（1）電阻制動（能耗制動）（a）他勵(b)串勵

電阻制動原理

（2）再生制動（反饋制動）

采用GTO斬波裝置，可以比較方便地實現(xiàn)再生制動。

再生制動原理（四）直流斬波控制方式主電路實例分析以某地鐵車輛主電路為例分析其工作原理。該主電路的原理接線圖包括兩部分:主傳動輸入濾波電路、牽引/制動電路。1．主傳動輸入濾波電路組成：網(wǎng)側(cè)電路濾波電路啟動限流環(huán)節(jié)保護電路由單臂受電弓1Q1（安裝在B車上）、避雷器1F1、高速斷路器1Q3組成。作用是將接觸網(wǎng)電壓引入車內(nèi)。

由波電容1C1及固定放電電阻R1和二次放電接觸器1K17與電阻1R2、電感1L1組成。作用是為了克服浪涌電壓及網(wǎng)壓波動，同時將直流斬波器產(chǎn)生的諧波限制在主電路內(nèi)

。

作用是限制主電路啟動電流過大，建立穩(wěn)定的饋電電壓。構(gòu)成:由差動電流繼電器1U1、1Q2/1R4固定接地裝置、避雷器1F1構(gòu)成。作用：1U1和1Q2/1R4固定接地裝置接在主電路的輸入與接地端之間，用以對主電路進行過電流及接地保護，F(xiàn)1對主電路大氣過電壓進行保護。⑴牽引電路地鐵車輛動車調(diào)速以調(diào)壓調(diào)速為主、磁削調(diào)速為輔，即采用直流斬波調(diào)壓調(diào)速，通過主極磁通削磁擴展調(diào)速范圍。

牽引時四臺牽引電機兩串兩并，電流路徑（向前時）為：

第一、二電機支路

第三、四電機支路

磁場削弱電路饋電正端→1K9→第一牽引電機勵磁繞組1M1→第二牽引電機勵磁繞組1M2→電流互感器1U3→1K1→第一牽引電機1M1A1B2→第二牽引電機電樞繞組1M2B2A1→波器1A17、6→饋電負端→接地裝置11K2→1K10→平波電抗器1L3→斬電樞繞組Q8-1Q11→車軸→鋼軌回流。饋電正端→1K9→1K5→第三牽引電機電樞繞組1M3A1B2→第四牽引電機電樞繞組1M4B2A1→1K6→電流互感器1U4→第三牽引電機勵磁繞組1M3→第四牽引電機勵磁繞組1M4→1K10→平波電抗器1L3→斬波器1A17、6→饋電負端→接地裝置1Q8-1Q11→車軸→鋼軌回流。當(dāng)速度達到36km/h，斬波器調(diào)節(jié)達到0.95時，閉合磁削接觸器1K13，磁削電阻1R3-R4

并入第一、二電機的勵磁繞組支路；閉合磁削接觸器1K14，磁削電阻1R3-R6并入第三、四電機的勵磁繞組支路，實現(xiàn)磁場削弱級調(diào)速，磁場削弱系數(shù)為50%。注意：電機勵磁繞組上并聯(lián)的電阻1R3-R3、1R3-R5為固定分路電阻，用以改善牽引電機的換向，其固定磁削率為93%。

主傳動輸入濾波電路1Q1—受電弓1Q3—高速斷路器1F1—避雷器1L1—濾波電感1C1/R1—濾波電容1R1—啟動限流電阻1R2—二次放電電阻1K17—二次放電接觸器1U1—差動電流繼電器1U2—電壓互感器1Q2—接地端子1F2—快速熔斷器1V1—防迂回二極管

1R4—接地電阻1Q4～1Q11—接地裝置

主傳動牽引--制動電路1K1～1K14—接觸器1U3～1U4—電流互感器1M1～1M4—牽引電動機1A2—預(yù)勵磁裝置1L3—平波電抗器1R3/R3、R6—磁削電1R3/R4～R5—固定分路電阻1R3/R7～R9—制動電阻1A1—斬波器（V1～V2—GTO主晶閘管，V3～V4—制動晶閘管，V7～V8—制動電阻調(diào)節(jié)晶閘管，V9—串聯(lián)制動二極管，V5—續(xù)流二極管，V11—短路保護晶閘管）

2．主傳動牽引

—制動電路⑵電制動電路

路制動時電流路徑為:負端接地裝置→V5→受電弓→其他車輛→1L3→1K11→1M3勵磁→1M4勵磁→1K2→1M2電樞A1B2→1M1電樞B2A1→1K1

V7→1R3-R9→V3、V4→

V8→→

→1R3-R7→1R3-R8→V9→V1//V21R3-R5、R61U4→1K6→1M4電樞A1B2→1M3電樞B2A1→1K5→1M1勵磁→1M2勵磁→1U3

1R3-R3、R43．主要設(shè)備（1）牽引電機

（2）斬波器（1）牽引電機：

地鐵車輛選用直流串勵牽引電機特點：起動力矩大，

過載能力強，

調(diào)速平滑且范圍廣，

控制簡單。型號CUCS5668h工作制持續(xù)制額定功率207kW額定電壓750V額定電流305A額定轉(zhuǎn)速1470r／min最大轉(zhuǎn)速3140r／min絕緣等級H級通風(fēng)量自通風(fēng)量0.28m3／s磁場削弱系數(shù)β0／βmin：93％／50％齒輪傳動比5.95：1

主要技術(shù)參數(shù)（2）斬波器

斬波器原理：

地鐵車輛斬波器控制方法：

①啟動牽引前期采用頻率調(diào)制，設(shè)定很小的脈寬（即定ton），頻率從60Hz起調(diào)至400Hz，之后轉(zhuǎn)入脈寬調(diào)制（即調(diào)ton），對導(dǎo)通比α在0.05～0.95之間進行控制。

②

電制動時，V1、V2可關(guān)斷晶閘管調(diào)節(jié)再生制動電流，V3、V4電阻制動晶閘管調(diào)節(jié)電阻制動電流，V7、V8配上電阻（1R3-R7、-R8、-R9）構(gòu)成分級電阻制動調(diào)節(jié)電路。

兩相一重相位差180°工作頻率500HzGTO導(dǎo)通角0.05<α<0.95型號CSG2003—01最大可控制關(guān)斷電流2000A最大截止電壓4500VGTO正向正壓降(2000A,125?):<3.5V最大不重復(fù)沖擊電流(10ms)：13kA觸發(fā)電流(25?)：<2.5可重復(fù)最大反向電壓4500V電流增長率400A／μs環(huán)境溫度范圍–40～125?斬波器主要技術(shù)參數(shù)：GTO主要技術(shù)參數(shù)：斬波器冷卻圖2-25斬波器箱通風(fēng)冷卻示意圖

斬波器箱內(nèi)的熱量一部分通過箱體表面散熱，一部分通過熱交換器排大氣。由于箱內(nèi)空氣只在箱內(nèi)循環(huán)，不與外部空氣接觸，因此能保持很高的清潔度。（一）交流牽引電機的原理分析

交流電動機的優(yōu)點：

沒有換向器、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、

工作可靠、壽命長、維修與運行費用低、

防控轉(zhuǎn)性能好。

目前城軌交通車輛普遍用交流異步牽引電動機。第三節(jié)

交流牽引傳動系統(tǒng)1．三相異步電動機的轉(zhuǎn)差率和轉(zhuǎn)速三相異步電動機最基本的工作原理之一是在氣隙中建立旋轉(zhuǎn)和正弦分布的磁場。

旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速ns與電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n之差與旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速之比稱為轉(zhuǎn)差率s：

式中：?1—定子頻率，Hz；p—電動機極對數(shù)；s—轉(zhuǎn)差率。

異步電動機的轉(zhuǎn)速為2．等效電路

異步電動機本質(zhì):

可看成一個具有旋轉(zhuǎn)和短路的次級繞組的三相變壓器。

二次電流I2為：

交流異步電動機等效回路3．特性根據(jù)每相等效電路，可求感應(yīng)電機的各項特性。（1）電流

一次負載電流：

一次電流I1：式中：I0—勵磁電流，A。（2）功率

由定子向轉(zhuǎn)子輸入的電磁功率P2：

轉(zhuǎn)子銅損PCu2：轉(zhuǎn)子輸出的機械功率P0：

（3）轉(zhuǎn)矩

電動機的輸出機械功率：

當(dāng)頻率和電源電壓恒定時，式T是轉(zhuǎn)差率s的函數(shù)。轉(zhuǎn)差率為s的異步電動機輸出轉(zhuǎn)矩T：4．轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線：轉(zhuǎn)差率由1到0時，異步電動機的力矩、負載電流和一次電流的變化。

異步電動機的力矩、電流和轉(zhuǎn)差率關(guān)系曲線電源的頻率、電壓變化時，電動機的電流和力矩相應(yīng)變化曲線:（c）：不同定子電壓下的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線。（b）：若增加定子頻率而電壓保持恒定，轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線。（d）：電壓/頻率=常數(shù)時轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線。

異步電動機基本特性曲線的變化電源電壓與頻率之比保持恒定時改變頻率，電動機的電流和力矩相應(yīng)變化曲線:

結(jié)論：穩(wěn)定狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速要比最大力矩轉(zhuǎn)速稍大。

異步電動機的力矩近似表示式：V/f恒定時異步電動機基本特性曲線的變化（二）交流異步電動機的轉(zhuǎn)速控制

交流調(diào)速理論的重大突破：矢量控制理論矢量控制定義：交流電機模擬成直流電機來控制，通過坐標(biāo)變換來實現(xiàn)電機定子電流的勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量的解藕

，然后分別獨立調(diào)節(jié)，從而獲得高性能的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速響應(yīng)特性。矢量控制方式：磁場定向矢量控制/轉(zhuǎn)差頻率矢量控制

矢量控制關(guān)鍵：轉(zhuǎn)子磁鏈的準(zhǔn)確檢測。

一般地，轉(zhuǎn)子磁鏈檢測可以采用直接法或間接法來實現(xiàn)。1．異步電動機的轉(zhuǎn)速控制方法①V／?恒定控制②恒功率控制③恒電壓控制④恒轉(zhuǎn)差頻率控制V恒定而增加?，則使?S與?的平方成正比地增加。

轉(zhuǎn)差率(?–?S)／?為恒定。電源電壓恒定、轉(zhuǎn)差率與電源頻率成正比、輸入電流基本恒定。

這種方式等效于直流電動機的削弱磁場控制。這是逆變電路的輸出電壓達到最大值后，僅僅改變逆變電路輸出頻率的控制方法。相當(dāng)于直流串勵電動機的自然特性。可以在較大的速度范圍內(nèi)輸出恒定力矩。特性與直流串勵電動機保持電樞和勵磁電流恒定，調(diào)節(jié)電壓改變速度的控制方法相同。

在低頻時要適當(dāng)加大電壓，以保持氣隙磁通不變。以上的方法只是用于開環(huán)控制系統(tǒng)。如果采用閉環(huán)系統(tǒng)，則可達到E／?為常數(shù)，這樣在包括低頻在內(nèi)的整個頻率范圍內(nèi)都可得到恒磁通運行。2．矢量控制調(diào)速為改善異步電機的動態(tài)性能，產(chǎn)生了矢量控制理論。

矢量控制即接偶控制或矢量變換控制。矢量控制主要是把三相異步電機等效為二相異步電機。

矢量控制調(diào)速系統(tǒng)主要是對力矩與轉(zhuǎn)子磁通的控制。

矢量控制逆變器分為電流型和電壓型。

城市軌道交通車輛傳動控制，多采用電壓型逆變器。（1）矢量控制的優(yōu)勢

矢量控制的優(yōu)點：

①

優(yōu)化空轉(zhuǎn)再粘著的控制性能；

②

提高輕負荷再生時的再生效率；

③

提高乘坐舒適性（無轉(zhuǎn)矩沖擊）；

④

提高勻速駕駛和ATO駕駛的精度。

項目傳統(tǒng)V／?控制矢量控制電壓控制信息大小，頻率大小，頻率，位相電流控制實效值控制勵磁電流，轉(zhuǎn)矩電流獨立控制轉(zhuǎn)矩反應(yīng)數(shù)百ms數(shù)十msＣＰＵ演算量小大表2-１傳統(tǒng)V／?控制與矢量控制的比較傳統(tǒng)的V／?控制屬于標(biāo)量控制。（2）矢量控制的基本原理直流電機中，若忽略電樞反應(yīng)和磁場飽和，則輸出轉(zhuǎn)矩可被表示為：

式中，Ia為電樞電流；IL為勵磁電流。直流電機的轉(zhuǎn)矩控制

（3）感應(yīng)電機的等效電路與電流矢量忽略轉(zhuǎn)子漏感，轉(zhuǎn)子磁鏈和氣隙磁鏈相等。

定子電流可以表示為：

式中，

為流過電感l(wèi)m’的定子電流勵磁分量；

為流過轉(zhuǎn)子回路的定子電流轉(zhuǎn)矩分量。感應(yīng)電機的穩(wěn)態(tài)等效電路電流矢量：將磁鏈

的方向作為ｄ軸、將與ｄ軸垂直相交的方向作為ｑ軸，以這些為基準(zhǔn)軸對電機電流進行矢量處理。磁鏈與電流矢量

（4）電流矢量的轉(zhuǎn)矩控制在感應(yīng)電機控制中：①發(fā)生的轉(zhuǎn)矩與磁鏈和2次電流（轉(zhuǎn)矩電流）之積成比例關(guān)系；②磁通與勵磁電流成比例關(guān)系；矢量控制時的轉(zhuǎn)矩

式中，

為比例常量，

為磁通，

為轉(zhuǎn)矩電流，

為勵磁電流。ｑ軸ｄ軸dIqImI電機電流勵磁電流發(fā)生轉(zhuǎn)扭矩小↓加速小發(fā)生轉(zhuǎn)扭矩大↓加速大dI０qI００③②①０mIqITμ①②③一定轉(zhuǎn)矩量勵磁量轉(zhuǎn)矩T電流矢量的轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)矩電流（5）電壓矢量控制（ａ）等效電路（ｂ）矢量圖

電壓、電流的矢量圖轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)時電壓矢量控制方法的原理分析

電壓、電流的矢量圖3.直接轉(zhuǎn)矩控制調(diào)速

感應(yīng)電機控制：最根本的實質(zhì)是控制電磁轉(zhuǎn)矩。

轉(zhuǎn)矩控制方法：直接轉(zhuǎn)矩控制、矢量控制，

區(qū)別:（1）直接轉(zhuǎn)矩控制建立在定子磁場旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中。

矢量控制建立在轉(zhuǎn)子磁場旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中。（2）矢量控制一般具有PWM逆變器和定子電流閉環(huán)。

直接轉(zhuǎn)矩控制沒有。相同：目的都是實現(xiàn)對磁鏈和轉(zhuǎn)矩的解耦控制。

控制目

標(biāo)均是空間矢量.

數(shù)學(xué)模型也都是建立在空間矢量的基礎(chǔ)上。

直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、控制方便。（三）交流主傳動案例分析圖2-431C4M單元車交流主傳動系統(tǒng)原理電路圖列車從受電弓P受流后，經(jīng)過主熔斷器F同時給兩節(jié)車上的逆變器供電。1.工作原理：牽引時，電能傳遞路徑為：電網(wǎng)直流1500V通過受電弓P、主熔斷器F、隔離開關(guān)IES、高速斷路器HSCB、線路接觸器LIK及逆變器給牽引電機供電。在再生制動時以相反的路徑使電網(wǎng)吸收電機反饋的能量。各環(huán)節(jié)電路及作用為：

（1）充電限流環(huán)節(jié)

（2）VVVF逆變器

（3）“軟撬杠”保護環(huán)節(jié)

（4）“硬撬杠”保護環(huán)節(jié)

（5）其他保護環(huán)節(jié)由接觸器CCK與電阻CCZ構(gòu)成。在受電弓升起、高速斷路器閉合后，為防止過大的充電電流沖擊使濾波電容器受損，首先閉合CCK，待電容電壓達到一定值后，閉合線路接觸器LIK，將限流電阻CCZ短接。

即T7、D8構(gòu)成的斬波器。斬波器的主要功能是用于電阻制動，用它來調(diào)節(jié)制動電流的大小。另一個功能是作過電壓保護之用。

Rc是固定并聯(lián)在濾波電容器LFC上的放電電阻。主電路斷電后LFC兩端電壓在5min內(nèi)降到50V以下。由此可以確定放電的時間常數(shù)及放電電阻值。IES是隔離／接地開關(guān)，在需要主電路接地時將它轉(zhuǎn)換到接地位置。CBR為差動電流傳感器，用以檢測直流電路流人與流出的電流差，以檢測接地等故障。SA為浪涌吸收器（避雷器），保護因雷擊或因變電所的開關(guān)動作引起過電壓對主電路器件的損害由T1、D1～T6、D6構(gòu)成。其作用是在牽引工況將直流電能變換為電壓和頻率可調(diào)的交流電能供給牽引電機。TZ是晶閘管，F(xiàn)CZ是過電壓保護電阻。當(dāng)直流環(huán)節(jié)發(fā)生過電壓，經(jīng)斬波器放電后仍不能消除，則晶閘管TZ導(dǎo)通，直流電路通過FCZ放電。因為晶閘管只能觸發(fā)導(dǎo)通，而不能用門極觸發(fā)方式關(guān)斷，因此TZ觸發(fā)后必須立即斷開高速斷路器HSCB，否則會造成直流電路持續(xù)放電。2.“兩動一拖（2M1T）”單元主電路原理

兩動一拖(2M1T)單元車主電路結(jié)構(gòu)框圖PA箱逆變器主電路3．廣州地鐵一號線車輛主牽引系統(tǒng)案例分析（1）牽引／制動系統(tǒng)組成

牽引系統(tǒng)組成示意圖（2）牽引系統(tǒng)基本參數(shù)線電壓UN=1000～1800VDC輸入線電流IN

=480A最大線電流(牽引)INDMAX

=692A最大線電流(制動)INBMAX=1171A最大輸出/輸出電流IAMAX

=1080A/IA=720A最大保護電流IMAX

=2900A輸出電壓UN=0～1050V輸出頻率?A=0～112HZGTO最大開關(guān)頻率?P=450Hz制動斬波模塊斬波頻率?B=250Hz模塊冷卻方式強迫風(fēng)冷模塊冷卻片風(fēng)速VL=8m／S表

牽引逆變器VVVF技術(shù)參數(shù)表

牽引電機(1TB2010—0GA02)技術(shù)參數(shù)技術(shù)參數(shù)（單位）連續(xù)定額小時定額輸出功率PM（kW）190210額定電壓UN（V）10501050額定電流IN（A）132(1800min-1)144(1800min-1)額定轉(zhuǎn)矩MN（Nm）10081114最大轉(zhuǎn)速nMAX（rpm）35103510（3）基本工作原理

DCU通過列車線接受來自控制系統(tǒng)的牽引／制動力絕對值（以百分比的形式），與此同時還接受司機發(fā)出牽引或制動指令。當(dāng)給定值給出后，經(jīng)過以下條件的處理對牽引電機實施控制。

①

輸入值設(shè)定：載荷校驗、沖擊限制、速度限制（牽引時）、線電流限制(牽引時)、欠壓保護(制動時)、空轉(zhuǎn)／滑行保護。

②

速度檢測

③

電機控制

④

脈沖模式發(fā)生器

⑤

能量反饋

①

輸入值設(shè)定：載荷校驗沖擊限制

速度限制（牽引時）線電流限制(牽引時)欠壓保護(制動時)空轉(zhuǎn)／滑行保護DCU根據(jù)相應(yīng)動車的載荷狀況來調(diào)整實際牽引／制動力。這是由于采用了動力分散型控制，為了保持車鉤之間的相對運動最小，并且使整車達到相同的動態(tài)特性。給定值大小的變化速率必須符合沖擊限制的規(guī)定，但在防滑／防空轉(zhuǎn)功能激活的時候則不受此限制。

廣州地鐵一號線車輛規(guī)定了3個速度限制，速度控制的優(yōu)先級高于電機控制。正常速度：80km／h

倒車速度：10km／h

慢行速度：3km／h在牽引工況時，線電流控制的優(yōu)先級高于電機控制，出于功耗的考慮，該限制值為不超過每節(jié)動車720A。在制動時，網(wǎng)壓一直受到檢測，當(dāng)網(wǎng)壓降到1500V以下時，制動力矩隨速度和網(wǎng)壓作相應(yīng)的減少，這時不足的制動力由氣制動補充?？辙D(zhuǎn)／滑行保護通過比較拖車、動車之間的速度差異，以適當(dāng)減少力矩設(shè)定值來實現(xiàn)。②

速度檢測

每個牽引電機帶一個速度傳感器，輸出兩個通道，每個通道相差為90°的方波(電機每轉(zhuǎn)為256個脈沖)，通過判斷相差確定轉(zhuǎn)向。每個牽引控制單元連接3個速度傳感器。

在DCU中同樣檢測拖車的速度。在拖車的一個軸上裝有一個編碼速度傳感器，該傳感器是單通道(每周111個脈沖)。

在DCU中有兩塊電路板A305與A306（即中斷處理與速度測量板），專門用來處理速度信號，速度值通過計算脈沖數(shù)，與參考時鐘周期計算得到。③

電機控制：采用空間矢量控制磁場定向控制結(jié)構(gòu)圖④

脈沖模式發(fā)生器

脈沖模式發(fā)生器根據(jù)電機控制的三個輸入變量：相控因數(shù)、定子頻率和校正角，實時計算牽引逆變器中的GTO觸發(fā)脈沖。

脈沖模式區(qū)域分布圖⑤

能量反饋

在電機的能量反饋中，能量反饋到電網(wǎng)中，如果在電制動的情況下，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電阻上，否則電網(wǎng)電壓將抬高到不能承受的水平。

制動斬波器的存在確保大部分的能量能反饋回電網(wǎng)，同時又保護了電網(wǎng)上的其他設(shè)備。（4）牽引控制單元DCU及逆變器保護監(jiān)控單元UNAS①

牽引控制單元結(jié)構(gòu)

②

牽引控制單元基本功能

③DCU基本工作原理

④UNAS基本功能

⑤DCU的PCB板功能描述牽引控制單元DCU和逆變器保護單元UNAS設(shè)計成一上下兩層的機箱，共裝有25塊電子板。各電子板為標(biāo)準(zhǔn)的印刷電路板，使用多層板技術(shù)，電子板上的元件采用表面封裝（SMD）或插裝（DIL）。

DCU的A314和A315板、UNAS的A329和A330板的前面板上通過Hartm8接插件（48針）與外部電路聯(lián)接。a．牽引系統(tǒng)的控制與調(diào)整；b．脈沖模式的產(chǎn)生與優(yōu)化；c．VVVF與牽引電機的控制與保護；d．對列車狀態(tài)的監(jiān)測與保護e．再生制動與電阻制動的控制與調(diào)節(jié)f．電制動與氣制動的自動轉(zhuǎn)換及列車保壓制動的實現(xiàn)；g．防滑／防空轉(zhuǎn)保護及載荷調(diào)整；h．逆變器線路濾波電容器的充放電控制i．列車速度的獲取與處理及自動計算

停車距離；j．列車牽引控制系統(tǒng)的故障診斷與存儲k．為其它控制系統(tǒng)提供列車狀態(tài)信號l．提供串行接口與PTU連接，

進行監(jiān)測與控制；m．提供“黑匣子”功能n．提供“看門狗”功能。

DCU從列車線和外部控制系統(tǒng)(ATO)接收司機指令及RVC（牽引／制動參考值轉(zhuǎn)換器）的指令參考值，接收本車的3個電機速度信號、拖車的一個轉(zhuǎn)軸速度信號、各個模擬信號測量值，根據(jù)參考值和實際檢測值進行計算，……負責(zé)VWF牽引逆變器的保護，與DCU一起組成車輛的牽引／制動控制系統(tǒng)。A303是中央控制板的[l1]

脈沖模式發(fā)生板；A304是中央處理板的控制／調(diào)整／監(jiān)測板305，A306是速度信號處理和中斷控制[l2]

板；A307是PDA數(shù)據(jù)存儲板；A308是測量值調(diào)整板；A309是溫度測量及U／I轉(zhuǎn)換板；A310是PWM指令參考值處理板；A311，A312是輸入信號調(diào)整板；A313是輸出信號調(diào)整板；A314，A315是輸入／輸出接口板。（一）直線牽引電機

直線電機可認(rèn)為是旋轉(zhuǎn)電機在結(jié)構(gòu)方面的一種演變。

由于用直線運動取代了旋轉(zhuǎn)運動，因此稱之為直線電動機