1、学学 习习 目目 标标1.项项 目目 导导 入入 2. 学学 习习 任任 务务3.拓拓 展展 任任 务务4. 任务任务1 1 直流主传动控制直流主传动控制 任务任务3 3 直线电机主传动控制直线电机主传动控制 任务任务2 2 交流主传动控制交流主传动控制 任务任务4 4 单轨单轨牵引传动系统牵引传动系统 任务任务1 1 常用电力电子器件类型、原理与应用常用电力电子器件类型、原理与应用 任务任务2 2 电流电压变换电路电流电压变换电路 任务任务3 3 轨道交通车辆轨道交通车辆电磁兼容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
2、；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；9.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；10. 了解城匭车辆的电磁兼容技术应用。了解城匭车辆的电磁兼容技
3、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组成及控制原理。全主要介绍城轨交通车辆各种牵引传动系统组成及控制原理。全面介绍了主传动设备面介绍了主传动设备直流牵引电动机、三相异步牵引电机和直直流牵引电动机、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。简要介绍了单轨牵引传动线牵引电机的结构、工作原理及其特性。简要介绍了单轨牵引传动系统的组成特点及应用案例。系统的组成特点及应用案例。 详细分析了主传动系统牵引、制动、保护电路详细分析了主传动系统牵引、制动、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、工作原理介绍城轨交通车辆使用的主
4、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。城轨交通车辆电磁兼容。轨交通车辆电磁兼容。电力牵引控制电力牵引控制定义：定义：在轨道交通车辆中，用电动机驱动实现车辆牵引的传动控制方式（电传在轨道交通车辆中，用电动机驱动实现车辆牵引的传动控制方式（电传动系统）。动系统）。作用：作用：它是以牵引电机作为控制对象，通过控制系统对电动机的速度和牵引力它是以牵引电机作为控制对象，通过控制系统对电动机的速度和牵引力进行调节，满足车辆牵引和制动特性的要求。进行调节，满足车辆牵引和制动特性的要求。类型：类型：直流传
5、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。电传动系统主电路电传动系统主电路定义：定义：一般是指一个车辆单元的牵引动力电路。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（受流器、牵引箱（PA）、牵引电机、制动电阻箱、电抗器）、牵引电机、制动电阻箱、电抗器、电气开关等电气开关等。图图2-1 主牵引逆变器外形结构主牵引逆变器外形结构一直流牵引电机的原理一直流牵引电机的原理 1直流牵引电机的结构与原理直流牵引电机的结构与原理图图2-2 直流电动机结构（直流电
6、动机结构（4极）极）表表2-1 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主要组成部件主要作用名称部件组成使用材料定子主极主极铁心热轧软钢板叠制产生磁通，建立主磁场励磁绕组漆包线或绝缘扁铜线换向极换向极铁心热轧软钢板叠制改善换向换向极绕组绝缘扁铜线补偿绕组绝缘扁铜线改善负载特性，改善换向（磁）轭部铸钢或热轧软钢板叠制提供磁路转子电枢电枢铁心硅钢片叠成产生电磁转矩，实现机电能量转换电枢绕组漆包线或绝缘扁铜线换向器（整流子）换向片含少量银的铜合金提供电流、整流、换向云母片云母层压板，绝缘轴碳素钢传递转矩2 2直流牵引电机的特性分析直流牵引电机的特性分析 (1)速率特性
7、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 CIeaRUn式中：式中：U 牵引电动机的端电压，牵引电动机的端电压，V； Ia 牵引电动机牵引电动机的负载电流即电枢电流，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，牵引电动机电枢回路中的电阻， ； 牵引电动机的主极磁通，牵引电动机的主极磁通，Wb； Ce 牵引电动机电动势常数。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，对于复励电机而言，他励绕组磁势比例越大，速率特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
8、机的特性。性越接近他励电动机，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（2 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
9、直流电动机转矩特性图图2-7直流电动机机械特性直流电动机机械特性3 3直流直流牵引电机与动车牵引特性分析牵引电机与动车牵引特性分析 动车牵引力与电动机转矩、动车速度与电动车牵引力与电动机转矩、动车速度与电动机转速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 特特性曲线性曲线F=（）与电动机的机械特性）与电动机的机械特性M=（n）趋势一致，趋势一致，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，由于偶列车正常运行时，由于偶然的原因引起速度发
10、生微量变然的原因引起速度发生微量变化后，动车本身能恢复到原有化后，动车本身能恢复到原有的稳定运行状态的稳定运行状态 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牵引特性曲线的斜率小于基本阻力曲线的斜率小于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正常运行时，由于偶然的原因引起电流发生微 量变化后，电动机本身能恢复到原有的电平衡状态量变化后，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
11、程式：(/ )(/ )DaaeaaUE I R LdIdtC n I R LdIdt (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。牵引特性电气稳定性分析牵引特性电气稳定性分析 牵引电动机稳牵引电动机稳态电压平衡方程态电压平衡方程 （Ia）曲线斜率为）曲线斜率为正值时，就具有电正值时，就具有电气稳定性气稳定性。 图图2-9 牵引特性电气稳定性分析牵引特性电气稳定性分析图图2-10 串励、他励电动机的稳态电压平衡曲线串励、他励电动机的稳态电压平衡曲线f（Ia） （a）串励
12、）串励 （b）他励）他励（3 3）牵引电动机之间的负载分配）牵引电动机之间的负载分配： 情况一：情况一：两台牵引电机特性有差异两台牵引电机特性有差异，轮径完全相同轮径完全相同，装在同一车上并联运行装在同一车上并联运行。 结论：结论： 串励电动机负载分配不均匀的程度远比他励电动机小。串励电动机负载分配不均匀的程度远比他励电动机小。 图图2-11 2-11 特性有差异的牵引电动机负载特性有差异的牵引电动机负载 （a）串励电动机特性曲线）串励电动机特性曲线 （b）他励电动机特性曲线）他励电动机特性曲线 情况二：情况二： 两台电动机特性完全相同，各自的动轮直径不同两台电动机特性完全相同，各自的动轮直径
13、不同 结论：结论：串励电动机负载分配不均匀程度比他励电动机小。串励电动机负载分配不均匀程度比他励电动机小。图图2-12 2-12 动轮直径有差异时的牵引电动机负载分配动轮直径有差异时的牵引电动机负载分配（a）串励电动机特性曲线）串励电动机特性曲线 （b）他励电动机特性曲线）他励电动机特性曲线（4）电压波动对牵引电动机工作的影响）电压波动对牵引电动机工作的影响 当网压波动时，他励电机具有硬特性，其电流和牵引力冲比串励电机大得多当网压波动时，他励电机具有硬特性，其电流和牵引力冲比串励电机大得多。 结论：结论：电压波动对牵引电动机的影响，串励电机要优于他励电机。电压波动对牵引电动机的影响，串励电机要
14、优于他励电机。图图2-13 电压波动时牵引电动机电流和牵引力的变化电压波动时牵引电动机电流和牵引力的变化 （a）串励电动机特性曲线）串励电动机特性曲线 （b）他励电动机特性曲线）他励电动机特性曲线（5 5）功率利用功率利用 由于串励电动机具有软特性，转速随着转矩的增大而自动降低，所由于串励电动机具有软特性，转速随着转矩的增大而自动降低，所以串励电动机的功率变化比他励电动机要小，接近恒功率曲线，可以合理以串励电动机的功率变化比他励电动机要小，接近恒功率曲线，可以合理地利用与牵引功率有关的各种电器设备的容量。地利用与牵引功率有关的各种电器设备的容量。（a）串励）串励 （b）他励）他励图图2-14
15、牵引电动机牵引电动机机械特性和功率利用的关系机械特性和功率利用的关系（6 6）粘着重量利用粘着重量利用（a a）他励）他励 (b)(b)串励串励图图2-15 2-15 电机特性与空转的关系电机特性与空转的关系图中：图中：1-1-最大粘着力特性最大粘着力特性 2-2-滑动摩擦力特性滑动摩擦力特性 3 3、4 4、5-5-电动机机械特性电动机机械特性 从粘着重量利用观点出发，他励电动机优于串励电动机。从粘着重量利用观点出发，他励电动机优于串励电动机。 串励电动机的防空转能力较差。串励电动机的防空转能力较差。4 4直流直流串励牵引电动机的调速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
16、调压调速改变牵引电动机的端电压改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。行调速的方法。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，
17、磁场削弱后（削弱磁场）牵引电在同一牵引电动机电枢电流下，磁场削弱后（削弱磁场）牵引电动机主极动机主极 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
18、系数，只须改变分路电阻的大小即可。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（二）直流传动控制系统组成与控制原理（二）直流传动控制系统组成与控制原理 图图2-17 城市轨道交通车辆直流主传动结构组成城市轨道交通车辆直流主传动结构组成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
19、斩波调压控制制1变阻控制变阻控制 通过调节串入电机回路的电阻，改变直通过调节串入电机回路的电阻，改变直 流牵引流牵引电动机端电压，实现调速目的。电动机端电压，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。图图2-18 凸轮调阻控制凸轮调阻控制（1） 凸轮调阻控制的原理凸轮调阻控制的原理（2 2） 斩波调阻控制斩波调阻控制图图2-19 斩波调阻控制斩波调阻控制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
20、压。与关断时间来改变牵引电动机的端电压。 图图2-20 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 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。电气制动是利用电机的可逆性原理。分类：分类： 1.1.电阻制动电阻制动（能耗制动）：电气制动时牵引电机所产（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。生的电能，利用电阻使之转化为热能耗散掉。2.2.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电气制动时牵引电机所产生的电能生的电能重新反馈回电
21、网中去加以利用。重新反馈回电网中去加以利用。（1）电阻制动）电阻制动（能耗制动能耗制动）（a）他励）他励 (b)串励串励图图2-21 电阻制动原理电阻制动原理 （2）再生制动）再生制动（反馈制动）（反馈制动） 采用采用GTO斩波装置，可以比较方便地实现再生制动。斩波装置，可以比较方便地实现再生制动。图图2-22 再生制动原理再生制动原理（四）直流斩波控制方式主电路实例分析（四）直流斩波控制方式主电路实例分析以某地铁车辆主电路为例分析其工作原理。以某地铁车辆主电路为例分析其工作原理。该主电路的原理接线图包括两部分该主电路的原理接线图包括两部分:主传动输入滤波电路、主传动输入滤波电路、 牵引牵引/
22、制动电路。制动电路。1主传动输入滤波电路主传动输入滤波电路（见图（见图2-232-23） 组成：组成：网侧电路网侧电路滤波电路滤波电路启动限流环节启动限流环节保护电路保护电路由单臂受电弓由单臂受电弓1Q11Q1（安装在（安装在B B车上）、车上）、避雷器避雷器1F11F1、高速断路器、高速断路器1Q31Q3组成。作组成。作用用是是将接触网电压引入车内。将接触网电压引入车内。 由波电容由波电容1C1及固定放电电阻及固定放电电阻R1和二次和二次放电接触器放电接触器1K17与电阻与电阻1R2、电感、电感1L1组成。组成。作用是为了克服浪涌电压及网压波动，同时作用是为了克服浪涌电压及网压波动，同时将直
23、流斩波器产生的谐波限制在主电路内将直流斩波器产生的谐波限制在主电路内 。 作用是限制主电路启动电流过大，作用是限制主电路启动电流过大，建立稳定的馈电电压。建立稳定的馈电电压。构成构成:由差动电流继电器由差动电流继电器1U1、1Q2/1R4固定接地固定接地装置、避雷器装置、避雷器1F1构成。构成。作用：作用：1U1和和1Q2/1R4固定接地装置接在主电路固定接地装置接在主电路的输入与接地端之间，用以对主电路进行过电流的输入与接地端之间，用以对主电路进行过电流及接地保护及接地保护，F1对主电路大气过电压进行保护。对主电路大气过电压进行保护。图图2-23 主传动输入滤波电路主传动输入滤波电路1Q1受
24、电弓受电弓 1Q3高速断路器高速断路器 1F1避雷器避雷器 1L1滤波电感滤波电感 1C1/R1滤波电容滤波电容 1R1启动限流电阻启动限流电阻 1R2二次放电电阻二次放电电阻 1K17二次放电接触器二次放电接触器 1U1差动电流继电器差动电流继电器 1U2电压互感器电压互感器 1Q2接地端子接地端子 1F2快速熔断器快速熔断器 1V1防迂回二极管防迂回二极管 1R4接地电阻接地电阻 1Q41Q11接地装置接地装置牵引电路牵引电路 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围。采用直流斩波调压
25、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、二电机支路第一、二电机支路 第三、四电机支路第三、四电机支路 磁场削弱电路磁场削弱电路馈电正端馈电正端1K91K9第一牵引电机励第一牵引电机励磁绕组磁绕组1M11M1第二牵引电机励磁绕组第二牵引电机励磁绕组1M21M2电流互感器电流互感器1U31K11U31K1第一牵引第一牵引电机电机1M1A1B21M1A1B2第二牵引电机电枢绕组第二牵引电机电枢绕组1M2B2A11M2B2A1波器波器1A171A17、66馈电负端馈电负端接地装置接地装置11K21
26、K1011K21K10平波电抗器平波电抗器1L31L3斩电枢绕组斩电枢绕组Q8-1Q11Q8-1Q11车轴车轴钢钢轨回流。轨回流。 馈电正端馈电正端1K91K5第三牵引电第三牵引电机电枢绕组机电枢绕组1M3A1B2第四牵引电机电第四牵引电机电枢绕组枢绕组1M4B2A11K6电流互感器电流互感器1U4第三牵引电机励磁绕组第三牵引电机励磁绕组1M3第四第四牵引电机励磁绕组牵引电机励磁绕组1M41K10平波电抗平波电抗器器1L3斩波器斩波器1A17、6馈电负端馈电负端接接地装置地装置1Q8-1Q11车轴车轴钢轨回流。钢轨回流。 当速度达到当速度达到36km/h，斩波器调节达，斩波器调节达到到0.95
27、时，闭合磁削接触器时，闭合磁削接触器1K13，磁削，磁削电阻电阻1R3-R4 并入第一、二电机的励磁并入第一、二电机的励磁绕组支路；闭合磁削接触器绕组支路；闭合磁削接触器1K14，磁削，磁削电阻电阻1R3-R6并入第三、四电机的励磁并入第三、四电机的励磁绕组支路，实现磁场削弱级调速，磁场绕组支路，实现磁场削弱级调速，磁场削弱系数为削弱系数为50%。注意：电机励磁绕组。注意：电机励磁绕组上并联的电阻上并联的电阻1R3-R3、1R3-R5为固定为固定分路电阻，用以改善牵引电机的换向，分路电阻，用以改善牵引电机的换向，其固定磁削率为其固定磁削率为93%。图图2-24 2-24 主传动牵引主传动牵引-
28、制动电路制动电路1K11K14接触器接触器 1U31U4电流互感器电流互感器 1M11M4牵引电动机牵引电动机 1A2预励磁装置预励磁装置 1L3平波电抗器平波电抗器 1R3/R3、R6磁削电磁削电 1R3/R4R5固定分路电阻固定分路电阻 1R3/R7R9制动电阻制动电阻 1A1斩波器（斩波器（V1V2GTO主晶闸管，主晶闸管，V3V4制动晶闸管，制动晶闸管，V7V8制动电阻调节晶闸管，制动电阻调节晶闸管，V9串串联制动二极管，联制动二极管，V5续流二极管，续流二极管，V11短路保护晶闸管）短路保护晶闸管） 2 2主传动牵引主传动牵引 制动电路制动电路电制动电路电制动电路 路制动时电流路径为
29、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/V21R3-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、R4R43 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（1 1）牵引
30、电机牵引电机： 地铁车辆选用直流串励牵引电机地铁车辆选用直流串励牵引电机 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CUCS 5668h工作制持续制额定功率207kW额定电压750V额定电流305A额定转速1470rmin最大转速3140rmin绝缘等级H级通风量自通风量0.28m3s磁场削弱系数0min：9350齿轮传动比5.95：1 主要技术参数主要技术参数（2 2）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：
31、启动牵引前期采用频率调制，设定很小的脉宽启动牵引前期采用频率调制，设定很小的脉宽（即定（即定t tonon），频率从），频率从60Hz60Hz起调至起调至400Hz400Hz，之后转入脉宽，之后转入脉宽调制（即调调制（即调t tonon），对导通比），对导通比在在0.050.05 0.95 0.95之间进行之间进行控制。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可关断晶闸管调节再生制动电流，流，V V3 3、V V4 4电阻制动晶闸管调节电阻制动电流，电阻制动晶闸管调节电阻制动电流，V V7 7、V V8 8配配上电阻（上电阻（1R1R3 3-R-R7 7
32、、-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。 两相两相一重相位差一重相位差180工作工作频率频率500HzGTO导通角导通角0.05 0.95型号型号CSG200301最大最大可控制关断电流可控制关断电流2000A最大最大截止电压截止电压4500VGTO正向正压降正向正压降(2000A,125?):3.5V最大最大不重复冲击电流不重复冲击电流(10ms)：13kA触发触发电流电流(25?)：2.5可可重复最大反向电压重复最大反向电压4500V电流电流增长率增长率400As环境温度环境温度范围范围 40125?斩波器斩波器主要技术参数：主要技术参数：
33、GTO主要技术参数：主要技术参数：斩波器冷却斩波器冷却图图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。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环，不与外部空气接触，因此能保持很高的清洁度。由于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。（一）交流牵引电机的原理分析（一）交流牵引电机的原理分析 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、维修维修与与运行费用低运行费用
34、低、 防控转性能好防控转性能好。 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。1 1三相三相异步电动机的转差率和转速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。和正弦分布的磁场。 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之差与旋转磁场之差与旋转磁场的同步转速之比称为转差率的同步转速之比称为转差率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
35、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 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2-26 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 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I1：011I
36、II式中：式中：I0 励磁电流，励磁电流，A。（2 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： 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： 2212
37、2122100)()/(/260260XXsrrsrVnPnPTs4 4转矩转矩- -转速曲线：转速曲线：转差率由转差率由1到到0时，异步电动机的力矩、负载电流和一次电流的变化。时，异步电动机的力矩、负载电流和一次电流的变化。图图2-27 异步电动机的力矩、电流和转差率关系曲线异步电动机的力矩、电流和转差率关系曲线电源的频率、电压变化时，电动机的电流和力矩相应变化曲线电源的频率、电压变化时，电动机的电流和力矩相应变化曲线:（c）：不同定子电压下的转矩）：不同定子电压下的转矩-转速曲线。转速曲线。（b）：若增加定子频率而电压保持恒定，转矩）：若增加定子频率而电压保持恒定，转矩-转速曲线。转速曲线
38、。（d）：电压）：电压/频率频率=常数时转矩常数时转矩-转速曲线。转速曲线。图图2-28 2-28 异步电动机基本特性曲线的变化异步电动机基本特性曲线的变化 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)/(图图2-29 V/f恒定时异步电动机基本特性曲线的变化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
39、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 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实现电机定子电流的励磁分量和转矩分量的解藕 ，然后分别独立，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。调节，从而获得高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
40、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 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恒定而增加恒定而增加，则使，则使S与与的平方成正比地增加的平方成正比地增加。 转差率转差率(S)为恒定为恒定。电源。电源电压恒定、转差率与电源频率成正比电压恒定、转差率与电源频率成正比、输入电流基本恒定。、输入电流基本恒定。 这种方式等效于直流电动机的削这种方式等效于直流电动机的削弱磁场控制弱磁场控制。 这是逆变电路的输出电压达到这是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最
41、大值后，仅仅改变逆变电路输出频率的控制方法。频率的控制方法。相当于直流串励相当于直流串励电动机的自然特性。电动机的自然特性。 可以在较大的速度范围内输出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。压改变速度的控制方法相同。 在低频时要适当加大电压，以在低频时要适当加大电压，以保持气隙磁通不变。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，这样在包括低为常数，这样在包括低频
42、在内的整个频率范围内都可得到恒磁通运行。频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
43、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
44、大表表2-2-传统传统V 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 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，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
45、止的磁链为基准所进行的电流控制就是矢量控制。图图2-312-31 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
46、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图图2-322-32感应电机的稳态等效电路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2-332-33磁链与电流矢量磁链与电流矢量 （4 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
47、； 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。qdqIIKIKT,KKqIdI 轴轴 轴轴dIqImI电机电流电机电流励磁电流励磁电流发生转扭矩小发生转扭矩小加速小加速小发生转扭矩大发生转扭矩大加速大加速大dIqImIqIT一定一定转转矩量矩量励磁量励磁量转转矩矩T图图2-342-34电流矢量的电流矢量的转转矩控制矩控制转转矩电流矩电流（5 5）电压矢量控制）电压矢量控制（）等效（）等效电电路路 （）矢量图（）矢量图 图图2-352-35 电压、
48、电流的矢量图电压、电流的矢量图转矩调节时电压矢量控制方法的原理分析转矩调节时电压矢量控制方法的原理分析图图2-36 2-36 电压、电流的矢量图电压、电流的矢量图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
49、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。 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 的脉动问题比矢量控制严重的脉动问题比矢量控
50、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 动机参数要求很低动机参数要求很低，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。 总的来说，直接转矩的动态性能优于矢量控制，但差别并不
