城市轨道交通车辆电气控制项目二 城轨车辆主传动系课件.pptx
《城市轨道交通车辆电气控制项目二 城轨车辆主传动系课件.pptx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《城市轨道交通车辆电气控制项目二 城轨车辆主传动系课件.pptx(130页珍藏版)》请在三一办公上搜索。
1、项 目 二 城市轨道交通车辆牵引传动系统,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,1掌握牵引传动控制的类型;2掌握电气制动的类型;3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;5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;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;8了解城轨车辆整流、斩波和逆变电路工作原理和应用;掌握单轨牵引传动系统的构成及主要电气结构作用;了解城匭车辆的电磁兼容技术应
2、用。,项目导入:,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。 详细分析了主传动系统牵引、制动、保护电路。 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。,电力牵引控制定义: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(电传动系统)。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进行调节,满足车辆牵引和制动
3、特性的要求。类型:直流传动系统:采用直流(脉流)牵引电动机。 交流传动系统:采用交流(同步、异步)牵引电动机。电传动系统主电路定义:一般是指一个车辆单元的牵引动力电路。组成:受流器、牵引箱(PA)、牵引电机、制动电阻箱、电抗器、电气开关等。,图2-1 主牵引逆变器外形结构,任务1 直流传动控制,一直流牵引电机的原理 1直流牵引电机的结构与原理,图2-2 直流电动机结构(4极),表2-1 串励牵引电动机的结构及部件作用,2直流牵引电机的特性分析,(1)速率特性 直流电机的速率特性表示式,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
4、, ; 牵引电动机的主极磁通,Wb; Ce 牵引电动机电动势常数。,图2-4 电机磁化曲线,主磁通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电动机,反之则接近串励电动机的特性。,图2-5 直流电动机速率特性,(2) 转矩特性,直流电机的转矩特性表示式,式中:M 牵引电动机转矩,N; ME 电动机电磁转矩,N; M 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13。 CM 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。,图2-6 直流电动机转矩特性,图2-7直流电动机机械特性,3直流牵引电机与动车牵引特性分析,动车牵
5、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,因而动车的牵引 特性曲线F=()与电动机的机械特性M=(n)趋势一致,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。,(1)机械稳定性,定义:列车正常运行时,由于偶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的稳定运行状态,图2-8 牵引特性机械稳定性分析,即:,稳定条件:牵引特性曲线的斜率小于基本阻力曲线的斜率。,(2)电气稳定性:,定义: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,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:,(2-6),式中:UD 牵引电动机的端电压
6、,V; E 牵引电动机的反电势,V; L 牵引电动机的电感量,H。,牵引特性电气稳定性分析,牵引电动机稳态电压平衡方程 (Ia)曲线斜率为正值时,就具有电气稳定性。,图2-9 牵引特性电气稳定性分析,图2-10 串励、他励电动机的稳态电压平衡曲线f(Ia) (a)串励 (b)他励,(3)牵引电动机之间的负载分配:,情况一:两台牵引电机特性有差异,轮径完全相同,装在同一车上并联运行。 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。,图2-11 特性有差异的牵引电动机负载 (a)串励电动机特性曲线 (b)他励电动机特性曲线,情况二: 两台电动机特性完全相同,各自的动轮直径不同 结论:串励
7、电动机负载分配不均匀程度比他励电动机小。,图2-12 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 (b)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,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:电压波动对牵引电动机的影响,串励电机要优于他励电机。,图2-13 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 (b)他励电动机特性曲线,(5)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。,(a
8、)串励 (b)他励图2-14 牵引电动机机械特性和功率利用的关系,(6)粘着重量利用,(a)他励 (b)串励图2-15 电机特性与空转的关系图中:1-最大粘着力特性 2-滑动摩擦力特性 3、4、5-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。串励电动机的防空转能力较差。,4直流串励牵引电动机的调速,调速常见方法: 调压调速改变牵引电动机的端电压UD 磁削调速改变牵引电动机的主极磁通 (1)调压调速, 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。 在电动机与电源之间串接斩波器。,(2)磁削调速,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
9、通进行调速的方法。磁场削弱系数(用表示)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。表达式: 式中:(IW) 磁场削弱后主极磁势; (IW) 磁场削弱前(满磁场)主极磁势。表示意义:牵引电动机主极磁势削弱的程度。 愈小表明磁场削弱愈深。,常用磁削方法,结论:要改变磁场削弱系数,只须改变分路电阻的大小即可。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。,磁场削弱系数的表达式:,图2-16 电阻分路法弱磁场原理,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,图2-17 城市轨道交通车辆
10、直流主传动结构组成,直流传动调速控制基本形式: 变阻控制 斩波调压控制,1变阻控制 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。 调阻方法:凸轮调阻、斩波调阻。,图2-18 凸轮调阻控制,(1) 凸轮调阻控制的原理,(2) 斩波调阻控制,图2-19 斩波调阻控制,2.斩波调压控制(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与关断时间来改变牵引电动机的端电压。,图2-20 斩波调压控制,结论: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,原理:电气制动是利用电机的可逆性原理。分类: 1.电阻制动(能耗制动):电气制动时牵引电机
11、所产生的电能,利用电阻使之转化为热能耗散掉。2.再生制动(反馈制动):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。,(1)电阻制动(能耗制动),(a)他励 (b)串励图2-21 电阻制动原理,(2)再生制动(反馈制动) 采用GTO斩波装置,可以比较方便地实现再生制动。,图2-22 再生制动原理,(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。该主电路的原理接线图包括两部分:主传动输入滤波电路、 牵引/制动电路。1主传动输入滤波电路(见图2-23) 组成:网侧电路滤波电路启动限流环节保护电路,图2-23 主传动输入滤波电路1Q1受电弓 1Q3高速断路器
12、1F1避雷器 1L1滤波电感 1C1/R1滤波电容 1R1启动限流电阻 1R2二次放电电阻 1K17二次放电接触器 1U1差动电流继电器 1U2电压互感器 1Q2接地端子 1F2快速熔断器 1V1防迂回二极管 1R4接地电阻 1Q41Q11接地装置,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:,第一、二电机支路 第三、四电机支路 磁场削弱电路,图2-24 主传动牵引-制动电路1K11K14接触器 1U31U4电流互感器 1M11M4牵引电动机 1A2预励磁装置 1L3平波电抗器
13、 1R3/R3、R6磁削电 1R3/R4R5固定分路电阻 1R3/R7R9制动电阻 1A1斩波器(V1V2GTO主晶闸管,V3V4制动晶闸管,V7V8制动电阻调节晶闸管,V9串联制动二极管,V5续流二极管,V11短路保护晶闸管),2主传动牵引 制动电路,电制动电路,路制动时电流路径为:,3主要设备,(1)牵引电机 (2)斩波器(1)牵引电机: 地铁车辆选用直流串励牵引电机 特点:起动力矩大, 过载能力强, 调速平滑且范围广, 控制简单。,主要技术参数,(2)斩波器,斩波器原理:(图2-24中点划线框内部分) 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ton),频率
14、从60Hz起调至400Hz,之后转入脉宽调制(即调ton),对导通比在0.05 0.95之间进行控制。 电制动时,V1、V2可关断晶闸管调节再生制动电流,V3、V4电阻制动晶闸管调节电阻制动电流,V7、V8配上电阻(1R3-R7、-R8、-R9)构成分级电阻制动调节电路。,斩波器主要技术参数:,GTO主要技术参数:,斩波器冷却,图2-25 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 交流电动机的优点: 没有换向器、结构简单、成本低、 工作可靠、寿命长
15、、维修与运行费用低、 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。,任务2 交流主传动控制,1三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分布的磁场。 旋转磁场的同步转速ns与电动机转子转速n之差与旋转磁场的同步转速之比称为转差率s:,式中:1 定子频率,Hz; p 电动机极对数; s 转差率。,异步电动机的转速为,2等效电路,异步电动机本质: 可看成一个具有旋转和短路的次级绕组的三相变压器。,二次电流I2为:,图2-26 交流异步电动机等效回路,3特性,根据每相等效电路,可求感应电机的各项特性。(1)电流 一次负载电流:,一次电流I1
16、:,式中:I0 励磁电流,A。,(2)功率,由定子向转子输入的电磁功率P2:,转子铜损PCu2:,转子输出的机械功率P0:,(3)转矩,电动机的输出机械功率: 当频率和电源电压恒定时,式T是转差率s的函数。,转差率为s的异步电动机输出转矩T:,4转矩-转速曲线:,转差率由1到0时,异步电动机的力矩、负载电流和一次电流的变化。,图2-27 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:,(c):不同定子电压下的转矩-转速曲线。(b):若增加定子频率而电压保持恒定,转矩-转速曲线。(d):电压/频率=常数时转矩-转速曲线。,图2-28 异步电动机基
17、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,电动机的电流和力矩相应变化曲线: 结论: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:,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,交流调速理论的重大突破:矢量控制理论 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,从而获得高性能的转矩和转速响应特性。 矢量控制方式:磁场定向矢量控制/转差频率矢量控制 矢量控制关键: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。,1异步电动机的
18、转速控制方法,V恒定控制 恒功率控制恒电压控制恒转差频率控制,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E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。,2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。 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。 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,矢量控制的优点: 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; 提高乘坐舒适性(无转矩冲击); 提高
19、匀速驾驶和ATO驾驶的精度。,表2-传统V控制与矢量控制的比较,传统的V控制属于标量控制。,(2)矢量控制的基本原理,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: 式中,Ia为电枢电流;IL为励磁电流。,图2-30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。 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。,图2-31 感应电机的旋转磁场,(3)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。 定子电流可以表示为: 式中, 为流过电感lm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。,图2-32感应电机的稳态等效
20、电路,电流矢量:,将磁链 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。,图2-33磁链与电流矢量,(4)电流矢量的转矩控制,在感应电机控制中: 发生的转矩与磁链和2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;矢量控制时的转矩 式中, 为比例常量, 为磁通, 为转矩电流, 为励磁电流。,图2-34电流矢量的转矩控制,转矩电流,(5)电压矢量控制,()等效电路 ()矢量图 图2-35 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,图2-36 电压、电流的矢量图,3. 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。 转矩
21、控制方法:直接转矩控制、矢量控制, 区别:(1)直接转矩控制建立在定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)矢量控制一般具有PWM逆变器和定子电流闭环。 直接转矩控制没有。 相同:目的都是实现对磁链和转矩的解耦控制。 控制目 标均是空间矢量. 数学模型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。,(1)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:原理相同,都有转矩脉动问题。但直接转矩控制 的脉动问题比矢量控制严重,但对运行性能的影响不是特别明显。 转矩响应速度问题:直接转矩控制的转矩响应速度优于矢量控制。 其他方面:对电动机
22、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,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。 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,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。,图2-37 直接转矩控制感应电机工作特性区,(3)直接转矩控制原理,改变电动机转矩的大小:通过改变磁通角的大小来实现 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通角的大小来控制电磁转矩。
23、 若要增大电磁转矩:施加正向有效空间电压矢量定子磁链的转速大于转子磁链磁通角增大转矩增加。 若要减小电磁转矩:施加零电压矢量定子磁链就会停止转动磁通角减小转矩减小。 迅速减小电磁转矩:施加反向有效空间电压矢量定子磁链就会向反方向旋转磁通角迅速减小从而使转矩迅速减小。,通过转矩调节来控制空间电压矢量的工作状态和零状态的交替出现,就能控制定子磁链空间矢量的平均角速度的大小。,图2-38 空间电压矢量图,传统异步步动机直接转矩控制逻辑图,图2-39 异步电动机直接转矩控制结构图,感应电机正向转动、定子磁链矢量处于图2-38所示S1区域时,各电压空间矢量的作用:,表 2-2 电压空间矢量作用表,在城轨
24、车辆控制系统中异步电机直接转矩控制常分成3个区段来控制: 电机30%额定频率以下采用圆形磁链定向的间接转矩控制,(图2-40)。 电机30%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,(图2-41)。 额定点以后为磁场削弱控制方式,(图2-42)。, 电机30%额定频率以下采用圆形磁链定向的间接转矩控制,图 2-40 低速启动区段的间接转矩控制框图, 电机30%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,图2-41 恒磁通运行区较高频率段的直接转矩控制框图, 额定点以后为磁场削弱控制方式,图2-42 磁场削弱时直接转矩控制框图,(三)交流主传动案例分析,图2-
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 城市轨道交通车辆电气控制项目二 城轨车辆主传动系课件 城市轨道 交通 车辆 电气控制 项目 传动 课件

链接地址:https://www.31ppt.com/p-1931706.html