城市轨道交通车辆牵引传动系统课件.ppt

1、. 学 习 目 标1. 项 目 导 入 2. 学 习 任 务3. 拓 展 任 务4. 任务1 直流主传动控制 任务3 直线电机主传动控制 任务2 交流主传动控制 任务4 单轨牵引传动系统 任务1 常用电力电子器件类型、原理与应用 任务2 电流电压变换电路 任务3 轨道交通车辆电磁兼容.学习目标学习目标1掌握牵引传动控制的类型；掌握牵引传动控制的类型；2掌握电气制动的类型；掌握电气制动的类型；3掌握直流、交流传动的控制原理；掌握直流、交流传动的控制原理；4能正确分析牵引和电制动电路；能正确分析牵引和电制动电路；5能正确分析高压回路电路；能正确分析高压回路电路；6掌握主传动控制系统中的保护方式；掌

2、握主传动控制系统中的保护方式；7了解城轨车辆使用的电力电子器件类型、工作原理和应用；了解城轨车辆使用的电力电子器件类型、工作原理和应用；8了解城轨车辆整流、斩波和逆变电路工作原理和应用了解城轨车辆整流、斩波和逆变电路工作原理和应用；掌握掌握单轨牵引单轨牵引传动传动系统的构成及主要电气结构作用；系统的构成及主要电气结构作用；9. 了解城轨车辆的电磁兼容技术应用。了解城轨车辆的电磁兼容技术应用。.项目内容：项目内容：主要介绍城轨交通车辆各种牵引传动系统主要介绍城轨交通车辆各种牵引传动系统组成组成及及控制原理控制原理。全面介绍了全面介绍了主传动设备主传动设备直流牵引电动机、三相异步牵引电机和直线牵直

3、流牵引电动机、三相异步牵引电机和直线牵引电机的结构、工作原理及其特性。引电机的结构、工作原理及其特性。简要介绍了简要介绍了单轨单轨牵引传动系统的组成特点及应用案例。牵引传动系统的组成特点及应用案例。详细分析了主传动系统详细分析了主传动系统牵引牵引、制动制动、保护电路保护电路。 知识拓展：知识拓展： 介绍城轨交通车辆使用的主要电力电子器件的类型、工作原理及应用介绍城轨交通车辆使用的主要电力电子器件的类型、工作原理及应用场合，分析城轨车辆整流、斩波和逆变电路的工作原理。城轨交通车辆场合，分析城轨车辆整流、斩波和逆变电路的工作原理。城轨交通车辆电磁兼容。电磁兼容。.项目二 城市轨道交通车辆牵引传动系

4、统定义定义：在轨道交通车辆中，用在轨道交通车辆中，用电动机电动机驱动实现车辆牵引的传动控制方式。驱动实现车辆牵引的传动控制方式。作用作用：它是以它是以牵引电机牵引电机作为控制对象，通过控制系统对电动机的作为控制对象，通过控制系统对电动机的速度速度和和牵引力牵引力进行调节，满足车辆进行调节，满足车辆牵引牵引和和制动制动特性的要求。特性的要求。类型类型：直流传动系统直流传动系统：采用直流（脉流）牵引电动机。：采用直流（脉流）牵引电动机。 交流传动系统交流传动系统：采用交流（同步、异步）牵引电动机采用交流（同步、异步）牵引电动机。电力牵引控制电力牵引控制定义定义：一般是指一个车辆单元的牵引动力电路。

5、一般是指一个车辆单元的牵引动力电路。组成组成：受流器、牵引箱、牵引电机、制动电阻箱、电抗器受流器、牵引箱、牵引电机、制动电阻箱、电抗器及及电气开关等电气开关等。电传动系统主电路电传动系统主电路.图图2-1 主牵引逆变器外形结构主牵引逆变器外形结构.主回路的功能概述及构成主回路的功能概述及构成定义定义：是牵引电机工作回路，通过指令对牵引电机进行控制；：是牵引电机工作回路，通过指令对牵引电机进行控制；功能功能：可实现列车牵引和电制动功能，也可完成向前、向后的：可实现列车牵引和电制动功能，也可完成向前、向后的方向转换。方向转换。组成组成：由受流单元、保护装置（熔断器、高速断路器、隔离开：由受流单元、

6、保护装置（熔断器、高速断路器、隔离开关）、线路接触器、电抗器、电容器、关）、线路接触器、电抗器、电容器、VVVF逆变单元、牵引电逆变单元、牵引电机、回地装置等部分构成。机、回地装置等部分构成。为了保证直流供电电压的品质，采用为了保证直流供电电压的品质，采用电路电抗器电路电抗器和和电容滤波器电容滤波器来吸收牵引来吸收牵引供电网中直流电压的脉动波纹，使逆供电网中直流电压的脉动波纹，使逆变单元得到的直流成分更加平顺。变单元得到的直流成分更加平顺。逆变单元逆变单元由由IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）绝缘栅）绝缘栅双极型晶体管模块组成，能够实现将输入的直流电

7、逆变为交双极型晶体管模块组成，能够实现将输入的直流电逆变为交流电并变压变频输出，从而控制交流感应电机的转速，实现流电并变压变频输出，从而控制交流感应电机的转速，实现列车速度在很宽泛的范围内平稳调节。列车速度在很宽泛的范围内平稳调节。.主回路工况主回路工况牵引电机可以工作在牵引电机可以工作在牵引牵引工况或工况或制动制动工况；工况；两个工作状态由两个工作状态由主逆变器主逆变器来管理。来管理。牵引时：主逆变器工作在牵引时：主逆变器工作在逆变逆变状态，将直流逆变为交流；状态，将直流逆变为交流； 电制动时：主逆变器工作在电制动时：主逆变器工作在整流整流状态，将牵引电机产生的交流状态，将牵引电机产生的交流

8、电转换成直流电，并反馈回供电网供其他车辆使用。电转换成直流电，并反馈回供电网供其他车辆使用。列车常用制动采用电制动和空气制动混合运算的列车常用制动采用电制动和空气制动混合运算的制动方式，再生制动优先，当电制动不足以完成制动方式，再生制动优先，当电制动不足以完成制动指令时，再由空气制动补足。制动指令时，再由空气制动补足。.1. 主回路牵引工况主回路牵引工况 主回路通过受流装置连接至供电网络，获得直流电能：主回路通过受流装置连接至供电网络，获得直流电能：将直流电转换为三相交流电将直流电转换为三相交流电牵引牵引. 每辆动车一个牵引逆变器，在车体底架下安装。每辆动车一个牵引逆变器，在车体底架下安装。

9、每台牵引逆变器有一台每台牵引逆变器有一台TCU控制单元控制并驱动控制单元控制并驱动4台三相交流牵引电台三相交流牵引电机，这些电机分别驱动两个转向架的四个轴。机，这些电机分别驱动两个转向架的四个轴。 牵引逆变器是来自于牵引逆变器是来自于ALSTOM的的OptONIX系列，逆变器驱动并联联接系列，逆变器驱动并联联接的四个牵引电机。的四个牵引电机。 牵引电机可以以功率消耗牵引电机可以以功率消耗(牵引牵引)或功率产生或功率产生(制动制动)方式运行。这两个工方式运行。这两个工作模式可以由牵引逆变器来管理。作模式可以由牵引逆变器来管理。 列车运行时，逆变器把从第三轨供电获得的直流电转变为调频调压的列车运行

10、时，逆变器把从第三轨供电获得的直流电转变为调频调压的三相交流电。三相交流电。 当制动时，逆变器把电机产生的三相交流电转换成直流电。产生的能当制动时，逆变器把电机产生的三相交流电转换成直流电。产生的能量回馈电网供其他车辆使用。当网压太高，就不能吸收该能源时，机械量回馈电网供其他车辆使用。当网压太高，就不能吸收该能源时，机械制动就必须代替电制动。制动就必须代替电制动。 为了实现电制动和机械制动之间的平滑过渡，在气制动引入期间，制为了实现电制动和机械制动之间的平滑过渡，在气制动引入期间，制动斩波器控制了再生电源的降低动斩波器控制了再生电源的降低(流进了制动过渡电阻流进了制动过渡电阻)。.列车牵引主电

11、路列车牵引主电路.IGBT模块模块绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管RE制动过渡电阻制动过渡电阻.电动列车主回路电动列车主回路 A-LCMD1和和A-LCMD2 线路电流监控装置线路电流监控装置 A-LCMD1为线路电流监控装置，可测量输入电流，位于预充为线路电流监控装置，可测量输入电流，位于预充电电LRU上；上；A-LCMD2可测量返回电流，位于电缆入口附件的高压棒周围，可测量返回电流，位于电缆入口附件的高压棒周围，通过软件实现不同的功能。通过软件实现不同的功能。 K-IC 电源输入接触器电源输入接触器 K-CCC 预充电接触器预充电接触器 R-CCZ 预充电电阻器预充电电阻器. L-FL

12、 线路滤波电感器线路滤波电感器2.5mH 适用于过滤电压（低通滤波器）还可用于限制适用于过滤电压（低通滤波器）还可用于限制浪涌电流上升时间。浪涌电流上升时间。 C-FL 直流电容器直流电容器用于保持电压稳定，以供给逆变器，带用于保持电压稳定，以供给逆变器，带L-FL； 可形成低通滤波器，在逆变器切换过程中可形成低通滤波器，在逆变器切换过程中作为电源使用。作为电源使用。 A-FVMD 滤波器电压监控装置滤波器电压监控装置 可测量直流总线上的电压电动列车主回路电动列车主回路. EMC电容器电容器 EMC电阻器电阻器 A-CMDU和和A-CMDV U相和相和V相电流监控装置相电流监控装置 可测量供给

13、可测量供给4个电机的电流；个电机的电流； 根据两次测量计算根据两次测量计算W相电流。相电流。 TM1、TM2、TM3、TM4 牵引电机牵引电机电动列车主回路电动列车主回路.直流直流牵引传动系统牵引传动系统任务任务1交流交流牵引传动系统牵引传动系统任务任务2直线电动机直线电动机牵引传动系统牵引传动系统任务任务3项目二 城市轨道交通车辆牵引传动系统单轨单轨牵引传动系统牵引传动系统任务任务4直流直流牵引传动系统牵引传动系统.任务一任务一 直流牵引传动系统直流牵引传动系统表表2-1 串励牵引电动机的结构及部件作用串励牵引电动机的结构及部件作用部位部位主要组成部件主要组成部件主要作用主要作用名称名称部件

14、组成部件组成使用材料使用材料定子定子主极主极主极铁心主极铁心热轧软钢板叠制热轧软钢板叠制产生磁通，建立主磁场产生磁通，建立主磁场励磁绕组励磁绕组漆包线或绝缘扁铜线漆包线或绝缘扁铜线换向极换向极换向极铁心换向极铁心 热轧软钢板叠制热轧软钢板叠制改善换向改善换向换向极绕组换向极绕组 绝缘扁铜线绝缘扁铜线补偿绕组补偿绕组绝缘扁铜线绝缘扁铜线改善负载特性，改善换向改善负载特性，改善换向（磁）轭部（磁）轭部铸钢或热轧软钢板叠制铸钢或热轧软钢板叠制提供磁路提供磁路转子转子电枢电枢电枢铁心电枢铁心硅钢片叠成硅钢片叠成产生电磁转矩，实现机电能量产生电磁转矩，实现机电能量转换转换电枢绕组电枢绕组漆包线或绝缘扁铜

15、线漆包线或绝缘扁铜线换向器换向器（整流子）（整流子）换向片换向片含少量银的铜合金含少量银的铜合金提供电流、整流、换向提供电流、整流、换向云母片云母片云母层压板，绝缘云母层压板，绝缘轴轴碳素钢碳素钢传递转矩传递转矩.电磁感应定律电磁感应定律电磁力定律电磁力定律任务一任务一 直流牵引传动系统直流牵引传动系统图图2-3 直流串励牵引电动机工作原理直流串励牵引电动机工作原理电能电能机械能机械能.任务一任务一 直流牵引传动系统直流牵引传动系统一直流牵引电动机一直流牵引电动机2直流牵引电动机的特性分析直流牵引电动机的特性分析 （1）速率特性）速率特性 直流电机的速率特性表示式直流电机的速率特性表示式 CI

16、eaRUn式中：U 牵引电动机的端电压，V； Ia 牵引电动机的负载电流即电枢电流，A； R 牵引电动机电枢回路中的电阻， ； 牵引电动机的主极磁通，Wb； Ce 牵引电动机电动势常数。.图图2-4 电机磁化曲线电机磁化曲线主磁通主磁通由电机的磁化曲线决定由电机的磁化曲线决定 对于复励电机而言，他励绕组磁势比例越大，速率特性越接近他励对于复励电机而言，他励绕组磁势比例越大，速率特性越接近他励电动机，反之则接近串励电动机的特性。电动机，反之则接近串励电动机的特性。图图2-5 直流电动机速率特性直流电动机速率特性任务一任务一 直流牵引传动系统直流牵引传动系统.任务一任务一 直流牵引传动系统直流牵引

17、传动系统一直流牵引电动机一直流牵引电动机2直流牵引电动机的特性分析直流牵引电动机的特性分析 （2）转矩特性）转矩特性 直流电机的转矩特性表示式直流电机的转矩特性表示式 MIaCMMMME式中：式中：M 牵引电动机转矩，牵引电动机转矩，N； ME 电动机电磁转矩，电动机电磁转矩，N； M 电动机空载损耗引起的制动转矩，电动机空载损耗引起的制动转矩，N； 一般为电机额定转矩的一般为电机额定转矩的13。 CM 牵引电动机常数。牵引电动机常数。.根据电动机的转矩特性与速率特性，可以得到电动机的机械特性根据电动机的转矩特性与速率特性，可以得到电动机的机械特性。图图2-6 直流电动机转矩特性直流电动机转矩

18、特性图图2-7 直流电动机机械特性直流电动机机械特性任务一任务一 直流牵引传动系统直流牵引传动系统一直流牵引电动机一直流牵引电动机.任务一任务一 直流牵引传动系统直流牵引传动系统一直流牵引电动机一直流牵引电动机3直流牵引电动机与电动列车牵引特性分析直流牵引电动机与电动列车牵引特性分析动车牵引力与电动机转矩、动车速度与电动机转速动车牵引力与电动机转矩、动车速度与电动机转速都是正比例关系都是正比例关系，因而动车的牵引因而动车的牵引 特性曲线特性曲线F=（）与电动机的机械特性）与电动机的机械特性M=（n）趋）趋势一致，势一致，只是坐标比例尺不同只是坐标比例尺不同。 动车运行时，必须具有机械和电气上的

19、稳定性。动车运行时，必须具有机械和电气上的稳定性。.（1）机械稳定性机械稳定性定义定义：列车正常运行时，由于偶然列车正常运行时，由于偶然原因引起速度发生微量变化后，原因引起速度发生微量变化后，动车本身能恢复到原有的稳定运动车本身能恢复到原有的稳定运行状态行状态。dvdWdvdF0 图图2-8 牵引特性机械稳定性分牵引特性机械稳定性分析析 即即: 稳定条件稳定条件：牵引特性曲线的斜率小于牵引特性曲线的斜率小于 基本阻力曲线的斜率基本阻力曲线的斜率。.（2）电气稳定性）电气稳定性定义：定义：电动列车电动列车正常运行时，由于偶然的原因引起电流发生微量变化后，正常运行时，由于偶然的原因引起电流发生微量

20、变化后， 电动机本身能恢复到原有的电平衡状态电动机本身能恢复到原有的电平衡状态。 直流牵引电动机的动态电压平衡方程式：直流牵引电动机的动态电压平衡方程式：(/)(/)DaaeaaUEIR L dIdtC n IR L dIdt (2-6)式中：式中：UD 牵引电动机的端电压，牵引电动机的端电压，V； E 牵引电动机的反电势，牵引电动机的反电势，V； L 牵引电动机的电感量，牵引电动机的电感量，H。.任务一任务一 直流牵引传动系统直流牵引传动系统一直流牵引电动机一直流牵引电动机4直流串励牵引电动机的调速直流串励牵引电动机的调速调速常见方法：调速常见方法： 调压调速调压调速改变牵引电动机的端电压改

21、变牵引电动机的端电压UD 磁削调速磁削调速改变牵引电动机的主极磁通改变牵引电动机的主极磁通 （1）调压调速）调压调速 改变牵引电动机的联接法，例如串并联的方式。改变牵引电动机的联接法，例如串并联的方式。 在电动机回路串接电阻在电动机回路串接电阻。 在电动机与电源之间串接斩波器在电动机与电源之间串接斩波器。.（2 2）磁削调速磁削调速定义：定义：通过减少流过牵引电动机的励磁电流减小牵引电动机主极磁通进行通过减少流过牵引电动机的励磁电流减小牵引电动机主极磁通进行调速的方法。调速的方法。 磁场削弱系数（用磁场削弱系数（用表示）表示）定义：定义：在同一牵引电动机电枢电流下，磁场削弱后（削弱磁场）牵引电

22、动在同一牵引电动机电枢电流下，磁场削弱后（削弱磁场）牵引电动机主极机主极 磁势与磁场削弱前（满磁场）牵引电动机主极磁势之比。磁势与磁场削弱前（满磁场）牵引电动机主极磁势之比。表达式：表达式： 式中：（式中：（IW） 磁场削弱后主极磁势；磁场削弱后主极磁势； （IW） 磁场削弱前（满磁场）主极磁势。磁场削弱前（满磁场）主极磁势。表示意义：表示意义：牵引电动机主极磁势削弱的程度。牵引电动机主极磁势削弱的程度。 愈小表明磁场削弱愈深。愈小表明磁场削弱愈深。(%)()IWIWm. 常用磁削方法常用磁削方法结论：结论：要改变磁场削弱系数，只须改变分路电阻的大小即可。要改变磁场削弱系数，只须改变分路电阻的

23、大小即可。电阻分路法的特点：电阻分路法的特点：结构简单，磁削调节方便，附加电能损耗很小结构简单，磁削调节方便，附加电能损耗很小。RRIIIIIIIIWIWRWWRLLaLaLm11 磁场削弱系数磁场削弱系数的表达式：的表达式： 图图2-16 电阻分路法弱电阻分路法弱磁磁场原理场原理城轨车辆上普遍采用电阻分路法城轨车辆上普遍采用电阻分路法.直流传动调速控制基本形式：直流传动调速控制基本形式： 变阻控制变阻控制 斩波调压控斩波调压控制制1变阻控制变阻控制 变阻控制：变阻控制：是通过调节串入电机回路的电阻，改变直是通过调节串入电机回路的电阻，改变直 流牵引电动机端电压，实现调速目的。流牵引电动机端电

24、压，实现调速目的。 调阻方法：调阻方法：凸轮调阻、斩波调阻。凸轮调阻、斩波调阻。.2.2.斩波调压控制斩波调压控制（电枢斩波控制电枢斩波控制） 利用接在电网与牵引电动机之间的斩波器，通过控制斩波器的导通利用接在电网与牵引电动机之间的斩波器，通过控制斩波器的导通与关断时间来改变牵引电动机的端电压。与关断时间来改变牵引电动机的端电压。 图图2-20 斩波调压控制斩波调压控制 结论：结论：斩波调速是一种经济的调速手段斩波调速是一种经济的调速手段。.3直流传动系统的电气制动直流传动系统的电气制动原理原理： 电气制动是利用电机的可逆性原理，即一台电机既可以电气制动是利用电机的可逆性原理，即一台电机既可以

25、作发电机也可以做电动机，只是运行条件不同。作发电机也可以做电动机，只是运行条件不同。 分类：分类： 1.电阻制动电阻制动（能耗制动）：电气制动时牵引电机所产生的电能（能耗制动）：电气制动时牵引电机所产生的电能，利用电阻使之转化为热能耗散掉。，利用电阻使之转化为热能耗散掉。2.再生制动再生制动（反馈制动）：（反馈制动）：电气制动时牵引电机所产生的电能电气制动时牵引电机所产生的电能重新反馈回电网中去加以利用。重新反馈回电网中去加以利用。.牵引电路牵引电路 地铁车辆动车调速以调压调速为主、磁削调速为辅，即地铁车辆动车调速以调压调速为主、磁削调速为辅，即采用直流斩波调压调速，通过主极磁通削磁扩展调速范

26、围。采用直流斩波调压调速，通过主极磁通削磁扩展调速范围。 牵引时四台牵引电机两串两并，电流路径（向前时）为：牵引时四台牵引电机两串两并，电流路径（向前时）为： 第一、二电机支路 第三、四电机支路 磁场削弱电路.（2）电制动电路）电制动电路 路制动时电流路径为路制动时电流路径为:负端负端接地装置接地装置V5V5受电弓受电弓其他车辆其他车辆1L31K111L31K111M3励磁励磁1M4励磁励磁1K21M2电枢电枢A1B21M1电枢电枢B2A11K1 V7 1R3-R9V3V7 1R3-R9V3、V4V4 V8 V8 1R3-R71R3-R8V9 V1/V21R3-R71R3-R8V9 V1/V2

27、1R3-R51R3-R5、R6R61U441K61M4电枢电枢A1B21M3电枢电枢B2A11K51M1励磁励磁1M2励磁励磁1U3 1R3-R31R3-R3、R4R4.3主要设备主要设备（1 1）牵引电机）牵引电机 （2 2）斩波）斩波器器牵引电机牵引电机： 地铁车辆选用地铁车辆选用 直流串励牵引电机直流串励牵引电机特点：特点：起动力矩大，起动力矩大， 过载能力强，过载能力强， 调速平滑且范围广，调速平滑且范围广， 控制简单控制简单。型号型号CUCS 5668h工作制工作制持续制持续制额定功率额定功率207kW额定电压额定电压750V额定电流额定电流305A额定转速额定转速1470rmin最

28、大转速最大转速3140rmin绝缘等级绝缘等级H级级通风量通风量自通风量自通风量0.28m3s磁场削弱系数磁场削弱系数0min：9350齿轮传动比齿轮传动比5.95：1 主要技术参数主要技术参数. 斩波器斩波器 斩波器原理：斩波器原理：（图（图2-24中点划线框内部分）中点划线框内部分） 地铁车辆斩波器控制方法：地铁车辆斩波器控制方法： 启动牵引前期采用频率调制，设定很小的脉宽（即定启动牵引前期采用频率调制，设定很小的脉宽（即定ton），），频率从频率从60Hz起调至起调至400Hz，之后转入脉宽调制（即调，之后转入脉宽调制（即调ton），对导），对导通比通比在在0.05 0.95之间进行控制

29、。之间进行控制。 电制动时，电制动时，V V1 1、V V2 2可关断晶闸管调节再生制动电流，可关断晶闸管调节再生制动电流，V V3 3、V V4 4电电阻制动晶闸管调节电阻制动电流，阻制动晶闸管调节电阻制动电流，V V7 7、V V8 8配上电阻（配上电阻（1R1R3 3-R-R7 7、-R-R8 8、-R-R9 9）构成分级电阻制动调节电路。）构成分级电阻制动调节电路。. 两相一重相位差两相一重相位差180工作频率工作频率500HzGTO导通角导通角0.05 0.95型号型号CSG2003-45A01最大可控制关断电流最大可控制关断电流2000A最大截止电压最大截止电压4500VGTO正向

30、正压降正向正压降3.5V(2000A,125)最大不重复冲击电流最大不重复冲击电流(10ms)：13kA触发电流触发电流(25?)：2.5可重复最大反向电压可重复最大反向电压4500V电流增长率电流增长率400As环境温度范围环境温度范围 40125?斩波器主要技术参数：斩波器主要技术参数： GTO主要技术参数：主要技术参数：.斩波器冷却采用内外隔离方式斩波器冷却采用内外隔离方式图图2-25 斩波器箱通风冷却示意图斩波器箱通风冷却示意图 斩波器箱内的热量一部分通过箱体表面散热，一部分通过热交换器排大气。由于斩波器箱内的热量一部分通过箱体表面散热，一部分通过热交换器排大气。由于箱内空气只在箱内循

31、环，不与外部空气接触，因此能保持很高的清洁度。箱内空气只在箱内循环，不与外部空气接触，因此能保持很高的清洁度。.直流直流牵引传动系统牵引传动系统任务任务1交流交流牵引传动系统牵引传动系统任务任务2直线电动机直线电动机牵引传动系统牵引传动系统任务任务3项目二 城市轨道交通车辆牵引传动系统单轨单轨牵引传动系统牵引传动系统任务任务4交流交流牵引传动系统牵引传动系统.一、交流牵引电动机的原理分析一、交流牵引电动机的原理分析任务二任务二 交流牵引传动系统交流牵引传动系统 交流电动机的优点：交流电动机的优点： 没有换向器没有换向器、结构简单、成本低结构简单、成本低、 工作可靠、寿命长工作可靠、寿命长、维修

32、维修与与运行费用低运行费用低、 防防空转空转性能好性能好。 目前城轨交通车辆普遍用交流异步牵引电动机。目前城轨交通车辆普遍用交流异步牵引电动机。 直流电动机：直流电动机： 具有良好的牵引和制动性能；具有良好的牵引和制动性能； 通过调节端电压和励磁，可方便调速。通过调节端电压和励磁，可方便调速。 防空转性能较差；防空转性能较差； 换向器与电刷结构存在一系列缺点。换向器与电刷结构存在一系列缺点。 .1三相异步电动机的转差率和转速三相异步电动机的转差率和转速 三相异步电动机最基本的工作原理之一是在气隙中建立旋转和正弦三相异步电动机最基本的工作原理之一是在气隙中建立旋转和正弦分布的磁场。分布的磁场。

33、旋转磁场的同步转速旋转磁场的同步转速ns与电动机转子转速与电动机转子转速n之差与旋转磁场的同步转之差与旋转磁场的同步转速之比称为转差率速之比称为转差率s： %10000nnns)1)(/60()1 (1spfsnns 式中：式中：1 定子频率，定子频率，Hz； p 电动机极对数；电动机极对数； s 转差率。转差率。 异步电动机的转速为异步电动机的转速为.2等效电路等效电路 2222222222222/()(XrsrrEsXrEsI）异步电动机本质异步电动机本质: 可看成一个可看成一个具有旋转和短路具有旋转和短路的次级绕组的三的次级绕组的三相变压器相变压器。 二次电流二次电流I2为：为：图图2-

34、26 2-26 交流异步电动机等效回路交流异步电动机等效回路.3特性特性 根据每相等效电路，可求感应电机的各项特性根据每相等效电路，可求感应电机的各项特性。（1）电流）电流 一次负载电流一次负载电流：22122111)()/(XXsrrVI 一次电流一次电流I1：011III式中：式中：I0 励磁电流，励磁电流，A。.（2）功率）功率 由定子向转子输入的电磁功率由定子向转子输入的电磁功率P2，消耗在负载（，消耗在负载（rsr2）上的）上的功率功率为为 2212212212212)()/(/XXsrrsrVsrIP转子铜损转子铜损PCu2：22 12urIPC转子输出的机械功率转子输出的机械功率

35、P0：221221221221220)()/(/)1 (1XXsrrsrsVssrIPPPCu.（3 3）转矩）转矩 电动机的输出机械功率：电动机的输出机械功率： 当频率和电源电压恒定时，式当频率和电源电压恒定时，式T是转差率是转差率s的函数。的函数。TP0转差率为转差率为s的异步电动机输出转矩的异步电动机输出转矩T： 22122122100)()/(/260260XXsrrsrVnPnPTs. 电源电压与频率之比保持恒定时改变频率，电动机的电流和力电源电压与频率之比保持恒定时改变频率，电动机的电流和力矩矩相应相应变化曲线变化曲线: 结论：结论：稳定状态下的转速要比最大力矩转速稍大。稳定状态下

36、的转速要比最大力矩转速稍大。 异步电动机的力矩近似表示式：异步电动机的力矩近似表示式：fsfVkT2)/(图2-29 V/f恒定时异步电动机基本特性曲线的变化.（二）交流异步电动机的转速控制（二）交流异步电动机的转速控制 交流调速理论的重大突破交流调速理论的重大突破：矢量控制理论矢量控制理论的提出。的提出。 矢量控制定义：矢量控制定义： 交流电机模拟成直流电机来控制，通过坐标变换来实现电机交流电机模拟成直流电机来控制，通过坐标变换来实现电机定子电流的励磁分量和转矩分量的解藕定子电流的励磁分量和转矩分量的解藕 ，然后分别独立调节，从，然后分别独立调节，从而获得高性能的转矩和转速响应特性。而获得高

37、性能的转矩和转速响应特性。 矢量控制方式：矢量控制方式：磁场定向矢量控制磁场定向矢量控制 转差频率矢量控制转差频率矢量控制 矢量控制关键矢量控制关键：转子磁链的准确检测转子磁链的准确检测。 一般地，转子磁链检测可以采用直接法或间接法来实现。一般地，转子磁链检测可以采用直接法或间接法来实现。.1异步电动机的转速控制方法异步电动机的转速控制方法V恒定控制恒定控制 恒功率控制恒功率控制恒电压控制恒电压控制恒转差频率控制恒转差频率控制 V恒定而增加，则使S与的平方成正比地增加。 转差率(S)为恒定。电源电压恒定、转差率与电源频率成正比、输入电流基本恒定。 这种方式等效于直流电动机的削弱磁场控制。 这是

38、逆变电路的输出电压达到最大值后，仅仅改变逆变电路输出频率的控制方法。相当于直流串励电动机的自然特性。 可以在较大的速度范围内输出恒定力矩。特性与直流串励电动机保持电枢和励磁电流恒定，调节电压改变速度的控制方法相同。 在低频时要适当加大电压，以保持气隙磁通不变。以上的方法只是用于开环控制系统。以上的方法只是用于开环控制系统。如果采用闭环系统，则可达到如果采用闭环系统，则可达到E为常数，这样在包括低频为常数，这样在包括低频在内的整个频率范围内都可得到恒磁通运行。在内的整个频率范围内都可得到恒磁通运行。.2 2矢量控制调速矢量控制调速 为改善异步电机的动态性能，产生了矢量控制理论。为改善异步电机的动

39、态性能，产生了矢量控制理论。 矢量控制即接偶控制或矢量变换控制。矢量控制即接偶控制或矢量变换控制。 矢量控制主要是把三相异步电机等效为二相异步电机矢量控制主要是把三相异步电机等效为二相异步电机。 矢量控制调速系统主要是对力矩与转子磁通的控制。矢量控制调速系统主要是对力矩与转子磁通的控制。 矢量控制逆变器分为电流型和电压型。矢量控制逆变器分为电流型和电压型。 城市轨道交通车辆传动控制，多采用电压型逆变器。城市轨道交通车辆传动控制，多采用电压型逆变器。.（1）矢量控制的优势）矢量控制的优势 矢量控制的优点矢量控制的优点： 优化空转再粘着的控制性能；优化空转再粘着的控制性能； 提高轻负荷再生时的再生

40、效率；提高轻负荷再生时的再生效率； 提高乘坐舒适性（无转矩冲击）；提高乘坐舒适性（无转矩冲击）； 提高匀速驾驶和提高匀速驾驶和ATO驾驶的精度。驾驶的精度。 项目项目传统传统V控制控制矢量控制矢量控制电压控制信息电压控制信息大小，频率大小，频率大小，频率，位相大小，频率，位相电流控制电流控制实效值控制实效值控制励磁电流，转矩电流独立控制励磁电流，转矩电流独立控制转矩反应转矩反应数百数百ms数十数十ms演算量演算量小小大大表表2-1传统传统V控制与矢量控制的比较控制与矢量控制的比较传统的传统的V控制属于标量控制。控制属于标量控制。.（2）矢量控制的基本原理）矢量控制的基本原理直流电机中直流电机中

41、，若忽略电枢反应和磁场饱和，则输出转矩可被表示为：，若忽略电枢反应和磁场饱和，则输出转矩可被表示为： 式中，式中，IaIa为电枢电流为电枢电流；I IL L为励磁电流。为励磁电流。IIKLTat图图2-30直流电机的转矩控制直流电机的转矩控制 . 异步电动机的磁场时刻处于旋转之中。异步电动机的磁场时刻处于旋转之中。 与直流电机等价处理与直流电机等价处理 以外观上静止的磁链为基准所进行的电流控制就是矢量控制。以外观上静止的磁链为基准所进行的电流控制就是矢量控制。图图2-31 2-31 感应电机的旋转磁场感应电机的旋转磁场置于同步旋转的参考坐标中置于同步旋转的参考坐标中 磁通方向呈现稳定状态磁通方

42、向呈现稳定状态与直流电机进行等价处理与直流电机进行等价处理以磁通为基准进行电流控制以磁通为基准进行电流控制矢量控制矢量控制升到旋转磁场升到旋转磁场的上方观察的上方观察.（3 3）感应电机的等效电路与电流矢量）感应电机的等效电路与电流矢量 忽略转子漏感，转子磁链和气隙磁链相等。忽略转子漏感，转子磁链和气隙磁链相等。 定子电流可以表示为定子电流可以表示为： 式中，式中， 为流过电感为流过电感lm的定子电流励磁分量；的定子电流励磁分量； 为流过转子回路的定子电流转矩分量。为流过转子回路的定子电流转矩分量。IIIqd22m图2-32感应电机的稳态等效电路dIqI.电流矢量：电流矢量： 将磁链将磁链 的

43、方向作为轴、将与轴垂直相交的方向作为軸，的方向作为轴、将与轴垂直相交的方向作为軸，以这些为基准轴对电机电流进行矢量处理。以这些为基准轴对电机电流进行矢量处理。图图2-33磁链与电流矢量磁链与电流矢量 .（4）电流矢量的转矩控制）电流矢量的转矩控制在感应电机控制中：在感应电机控制中： 发生的转矩与磁链和发生的转矩与磁链和2次电流（转矩电流）之积成比例关系；次电流（转矩电流）之积成比例关系； 磁通与励磁电流成比例关系；磁通与励磁电流成比例关系；矢量控制时的转矩矢量控制时的转矩 式中式中， 为比例常量，为比例常量， 为磁通，为磁通， 为转矩电流，为转矩电流， 为励磁电流。为励磁电流。qdqIIKIK

44、T,KKqIdI.3. 3. 直接转矩控制调速直接转矩控制调速 感应电机控制：最根本的实质是控制电磁转矩。感应电机控制：最根本的实质是控制电磁转矩。 转矩控制方法：转矩控制方法：直接转矩控制直接转矩控制、矢量控制矢量控制， 区别区别:（1）直接转矩控制建立在定子磁场旋转坐标系直接转矩控制建立在定子磁场旋转坐标系中。中。 矢量控制建立在转子磁场旋转坐标系中矢量控制建立在转子磁场旋转坐标系中。 （2）矢量控制矢量控制一般一般具有具有PWM逆变器和定子电流闭环逆变器和定子电流闭环。 直接转矩控制没有直接转矩控制没有。 相同：相同：目的目的都是实现对磁链和转矩的解耦控制都是实现对磁链和转矩的解耦控制。

45、 控制目控制目 标标：均是空间矢量均是空间矢量. 数学模型数学模型：也都是建立在空间矢量的基础上。也都是建立在空间矢量的基础上。 直接转矩控制系统结构简单、控制方便。直接转矩控制系统结构简单、控制方便。.（1）直接转矩控制相对于矢量控制在几个方面的分析比较）直接转矩控制相对于矢量控制在几个方面的分析比较 转矩脉动问题：转矩脉动问题：原理相同，都有转矩脉动问题原理相同，都有转矩脉动问题。但。但直接转矩控制直接转矩控制 的的脉动问题比矢量控制严重脉动问题比矢量控制严重，但，但对运行性能的影响不是特别明显。对运行性能的影响不是特别明显。 转矩响应速度问题：转矩响应速度问题：直接转矩控制直接转矩控制的

46、的转矩响应速度转矩响应速度优于优于矢量控制矢量控制。 其他方面：其他方面：对电动机参数的依赖，直接转矩控制的电压模型对电动对电动机参数的依赖，直接转矩控制的电压模型对电动机参数要求很低机参数要求很低，而直接转矩控制的电流模型包含了转子磁链，对电而直接转矩控制的电流模型包含了转子磁链，对电动机参数依赖较多。对于转矩控制精度，直接转矩要高于矢量控制动机参数依赖较多。对于转矩控制精度，直接转矩要高于矢量控制。 总的来说，直接转矩的动态性能优于矢量控制，但差别并不大。总的来说，直接转矩的动态性能优于矢量控制，但差别并不大。.（2）直接转矩控制感应电机工作特性）直接转矩控制感应电机工作特性 采用直接转矩

47、控制技术，可瞬时控制感应电机转矩。能将负载扰动采用直接转矩控制技术，可瞬时控制感应电机转矩。能将负载扰动对速度的影响降到最低。对速度的影响降到最低。图图2-37 直接转矩控制感应电机工作特性区直接转矩控制感应电机工作特性区.（3 3）直接转矩控制原理直接转矩控制原理 改变电动机转矩的大小：改变电动机转矩的大小：通过改变磁通角的大小来实现通过改变磁通角的大小来实现 直接转矩控制：直接转矩控制：就是通过空间电压矢量来控制定子磁链的旋转速就是通过空间电压矢量来控制定子磁链的旋转速度，以改变定子度，以改变定子 磁链的平均旋转速度的大小，从而改变转差也即磁磁链的平均旋转速度的大小，从而改变转差也即磁通角

48、的大小来控制电磁转矩。通角的大小来控制电磁转矩。 若要增大电磁转矩：若要增大电磁转矩：施加正向有效空间电压矢量施加正向有效空间电压矢量定子磁链的转速定子磁链的转速 大于转子磁链大于转子磁链磁通角增大磁通角增大转矩增加转矩增加。 若要减小电磁转矩：若要减小电磁转矩：施加零电压矢量施加零电压矢量定子磁链就会停止转动定子磁链就会停止转动磁磁通角减小通角减小转矩减小转矩减小。 迅速减小电磁转矩迅速减小电磁转矩：施加反向有效空间电压矢量施加反向有效空间电压矢量定子磁链就会向反定子磁链就会向反 方向旋转方向旋转磁通角迅速减小磁通角迅速减小从而使转矩迅速减小从而使转矩迅速减小.在城轨车辆控制系统中异步电机直

49、接转矩在城轨车辆控制系统中异步电机直接转矩控制常分成控制常分成3 3个区段个区段来控制来控制: : 电机电机30%额定频率以下采用圆形磁链定向的间额定频率以下采用圆形磁链定向的间接转矩控制接转矩控制，（图图2-40）。 电机电机30%额定频率到额定点采用定子磁链矢量额定频率到额定点采用定子磁链矢量正六边形定向的直接转矩控制正六边形定向的直接转矩控制，（图图2-41）。 额定点以后为磁场削弱控制方式，额定点以后为磁场削弱控制方式，（图图2-42）。.1.工作原理：工作原理： 牵引时，牵引时，电能传递路径为：电网直流电能传递路径为：电网直流1500V通过受电弓通过受电弓P、主熔、主熔断器断器F、隔

50、离开关、隔离开关IES、高速断路器、高速断路器HSCB、线路接触器、线路接触器LIK及逆变器及逆变器给牵引电机供电。在再生制动时以相反的路径使电网吸收电机反馈给牵引电机供电。在再生制动时以相反的路径使电网吸收电机反馈的能量。的能量。各环节电路及作用为：各环节电路及作用为： （1）充电限流环节）充电限流环节 （2）VVVF逆变器逆变器 （3）“软撬杠软撬杠”保护环节保护环节 （4）“硬撬杠硬撬杠”保护环节保护环节 （5）其他保护环节）其他保护环节 由接触器由接触器CCK与电阻与电阻CCZ构成。构成。在受电弓升起、高速断路器闭合后，在受电弓升起、高速断路器闭合后，为防止过大的充电电流冲击使滤波为防