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

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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-

25、43 1C4M单元车交流主传动系统原理电路图,列车从受电弓 P 受流后，经过主熔断器 F 同时给两节车上的逆变器供电。,1.工作原理：,牵引时，电能传递路径为：电网直流1500V通过受电弓P、主熔断器F、隔离开关IES、高速断路器HSCB、线路接触器LIK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的能量。各环节电路及作用为： （1）充电限流环节 （2）VVVF逆变器 （3）“软撬杠”保护环节 （4）“硬撬杠”保护环节 （5）其他保护环节,2.“两动一拖（2M1T）”单元主电路原理,图2-44 两动一拖(2M1T)单元车主电路结构框图,图2-45 PA箱逆变器主电路,3广

26、州地铁一号线车辆主牵引系统案例分析,（1）牵引制动系统组成,图2-46 牵引系统组成示意图,（2） 牵引系统基本参数,表2-2 牵引逆变器VVVF技术参数,表2-3 牵引电机(1TB20100GA02)技术参数,（3） 基本工作原理,DCU通过列车线接受来自控制系统的牵引制动力绝对值（以百分比的形式），与此同时还接受司机发出牵引或制动指令。当给定值给出后，经过以下条件的处理对牵引电机实施控制。 输入值设定：载荷校验、冲击限制、速度限制（牵引时）、线电流限制(牵引时)、欠压保护(制动时)、空转滑行保护。 速度检测 电机控制 脉冲模式发生器 能量反馈, 输入值设定：,载荷校验冲击限制 速度限制（牵

27、引时）线电流限制(牵引时)欠压保护(制动时)空转滑行保护,DCU根据相应动车的载荷状况来调整实际牵引制动力。这是由于采用了动力分散型控制，为了保持车钩之间的相对运动最小，并且使整车达到相同的动态特性。,给定值大小的变化速率必须符合冲击限制的规定，但在防滑防空转功能激活的时候则不受此限制。,广州地铁一号线车辆规定了3个速度限制，速度控制的优先级高于电机控制。 正常速度： 80 kmh 倒车速度： 10kmh 慢行速度： 3 kmh,在牵引工况时，线电流控制的优先级高于电机控制，出于功耗的考虑，该限制值为不超过每节动车720A。,在制动时，网压一直受到检测，当网压降到1500V以下时，制动力矩随速

28、度和网压作相应的减少，这时不足的制动力由气制动补充。,空转滑行保护通过比较拖车、动车之间的速度差异，以适当减少力矩设定值来实现。, 速度检测,每个牵引电机带一个速度传感器，输出两个通道，每个通道相差为90的方波(电机每转为256个脉冲)，通过判断相差确定转向。每个牵引控制单元连接3个速度传感器。 在DCU中同样检测拖车的速度。在拖车的一个轴上装有一个编码速度传感器，该传感器是单通道(每周111个脉冲)。 在DCU中有两块电路板A305与A306（即中断处理与速度测量板），专门用来处理速度信号，速度值通过计算脉冲数，与参考时钟周期计算得到。, 电机控制：采用空间矢量控制,图2-47 磁场定向控制

29、结构图, 脉冲模式发生器,脉冲模式发生器根据电机控制的三个输入变量：相控因数、定子频率和校正角，实时计算牵引逆变器中的GTO触发脉冲。,图2-48 脉冲模式区域分布图, 能量反馈,在电机的能量反馈中，能量反馈到电网中，如果在电制动的情况下，能量不能被电网完全吸收，多余的能量必须转换为热能消耗在制动电阻上，否则电网电压将抬高到不能承受的水平。 制动斩波器的存在确保大部分的能量能反馈回电网，同时又保护了电网上的其他设备。,（4）牵引控制单元DCU及逆变器保护监控单元UNAS, 牵引控制单元结构 牵引控制单元基本功能 DCU基本工作原理 UNAS基本功能 DCU的PCB板功能描述,图4-49 DCU

30、工作方框图,DCU各功能模块之间的关系，各个功能模块的输入输出信号,（一）直线牵引电机原理分析 直线电机可认为是旋转电机在结构方面的一种演变。 由于用直线运动取代了旋转运动，因此称之为直线电动机。,任务3 直线电机主传动控制,图2-50 直线异步电动机结构原理图,直线电机特点：（1） 无旋转部件，呈扁平形，可降低城轨车辆的高度。 （2） 能够非接触式的直接实现直线运行，因此可不受粘着的 限制，能获得较高的加速度和减速度。 （3） 直线电机运行噪音较小。 直线电动机分类： 直线异步电动机（LIM） 直线同步电动机（LSM） 直线直流电动机（LDM） 在城市轨道交通中以 LIM应用较多。,1直线异

31、步电动机的分类,（1）按结构分类： 平板形单边式 平板形双边式 圆筒形（图2-52） （2）按电源分类： 三相电源 二相电源 （3）按动体分类： 短初级方式(即以初级作为动体) （图2-51） 短次级方式(即以次级作为动体)（图2-53）,图2-51 短初级平板形直线异步电动机示意图,图2-52 圆筒形直线异步电动机结构形成示意图,图2-53 短次级平板形单边式直线异步电动机示意图,2 结构与原理,（1）直线异步电动机结构 定子：带齿槽的电工钢片叠成，槽里嵌有绕组 转子：非磁性体(铜板或铝板)和磁性体(钢板)构成的复合金属板。（2）直线异步电动机的原理,（a）旋转感应电机 （b）直线感应电机图

32、2-54 感应电机的基本工作原理1-定子；2-转子；3-磁场方向 1-初级；2-次级；3-行波磁场,（3）直线异步电动机的磁场,以时间t和距离x作为函数变量，行波磁场的磁通密度B:,式中： 电源角频率，rad/s； t 时间，s； x 定子表面上的距离，m； 极距，m。 极距是磁通密度B的半波长。,图2-55 直线异步电机行波磁场涡流Ie和连续推力F,行波磁场的移动速度称为同步速度 。 设次级金属板中引起涡流的感应电压为 E e ，磁通的作用面积为A，则:,次级有电感L和电阻R ，则金属板上的涡流电流I e为：,式中：,，,次级移动的速度即电机的运动速度为：,3直线异步电动机特性,滑差率s:,

33、式中：Fs起动推力；F 摩擦力；V空载速度,推力 :,图2-56 直线异步电动机的推力一速度特性与旋转异步电动机的特性比较,（1）推力一速度特性,（2）速度一时间特性：,图2-58 直线异步电动机速度一时间特性,图2-57 直线异步电动机的推力一速度特性,图2-58所示为T = 1时的直线异步电动机速度一时间特性，实际上时间常数T随负荷质量等因素而变化。,（3）推力一气隙特性,气隙小对电机特性和工作稳定性有利。直线异步电动机的g = 20左右。,（4）推力负荷占空因数特性：通电时间与整个周期时间之比。,图2-59 直线异步电动机的推力一气隙特性,图2-60 直线异步电动机的推力一占空因数特性,

34、当负荷占空因数增大时，直线异步电动机的推力按指数函数规律下降。,（5）边缘效应,直线电机是长直、两端开断的结构，存在始端和终端，引起了边缘效应(端部效应)。 静态纵向边缘效应 动态纵向边缘效应 横向边缘效应,图2-61直线电机行波磁场方向上的涡流分布,4直线异步电动机的优缺点, 直线电机最主要的优点是直接产生直线运动而不需要中间转换装置。 起动推力大，可实现大范围的加速和减速，零部件不受离心力的作用，直线速度不受限制。 直线电机的初级和次级的结构都很简单，特别是次级，有时甚至可直接利用部分设备本体或运行轨道。可在条件恶劣(潮湿、粉尘、有害气体)的环境中使用。 总体结构简单，扁平型部件高度低；噪

35、声小，重量轻，维修容易。 短初级平板型直线电机的次级长，因而散热面大，材料的热负荷可以取得较高。,（1）优点,（2）缺点, 效率和功率因数低(一般在06065左右)。通常直线异步电动机的极距汽隙比要比旋转异步电动机大一倍左右。初级和次级之间的气隙大，需要的磁化电流大，所以空载电流大；边缘效应特别是纵向边缘效应减小了驱动推力，增大了损耗。 除驱动推力外，直线电机初级和次级间有吸引力，因而必须增加构架强度。 应满足长距离保持一定气隙的精度要求。,5直线牵引电动机在动车中应用,应用于城市轨道交通车辆时，初级可以设置在车上，也可以设置在地面，分别称为车载初级式和地面初级式。,图2-62 地铁隧道直径比

36、较图,（二）直线电机车辆牵引系统案例分析,案例： 广州地铁4号线直线电机车辆牵引系统4号线列车： 直线电机牵引：3相8极直线感应电机，初级安装在转向架上，次级安装在轨道中间的感应板；一台VVVF逆变器（IGBT元件和脉宽调制技术）供二台直线感应电动机；交流传动；VVVF逆变器系统采用微机控制技术，间接矢量控制方式，有诊断和故障信息储存功能 。,组成控制原理主要设备技术参数,1牵引系统构成,图2-63 车辆牵引系统的主电路图,牵引系统主电路图2-63中各符号代码,Ms为主隔离开关； DCHS1、2为放电开关； DCHR1、2为放电电阻；HB为高速断路器； CHB1、2为充电接触器； CHR1、2

37、为充电电阻；LB1、2为线路接触器； FL1、2为滤波电抗器； FC1、2为滤波电容器；OVCR FR1、2为过压保护电阻； OVCR F1、2为过压保护晶闸管；CTS1、2为输入电流传感器； DCPT11、21为线电压传感器；DCPT12、22为滤波电容电压传感器； CE1、2为电容；DCCT1、2为差动电流传感器；CTU1、2CTV1、2为逆变器输出电流传感器；LIM1-4为直线电机,2牵引系统及其控制,牵引系统正常情况下采用来自硬线的PWM牵引力指令，若检测到硬线PWM信号超出正常范围，VVVF逆变器就会采用来自TMS（列车管理系统）的总线牵引力指令。 如果硬线PWM信号和TMS总线都失

38、效的情况下，列车有一条紧急备用硬线。当该紧急备用硬线激活后，列车以20 km/h目标值运行，如果列车速度超过22 km/h，VVVF逆变器停止输出。 高加速功能：列车损失1/2动力时，AW2状态下仍能在60坡道上起动，并能保证列车行驶到最近车站。当该功能被激活，转矩指令值将达计划值的1.335倍。,3牵引系统的矢量控制,通过矢量控制可以实现：（1）感应板次边阻 抗变化补偿（2）气隙变化控制（3）无感应板时 的控制,图2-64 电机矢量控制图,4系统主要设备参数（1）,表2-4 牵引逆变器技术参数,表2-5 直线电机技术参数,4系统主要设备参数（2）,表2-6间隙传感器技术参数,表2-7高速断路

39、器技术参数,表2-8滤波器、接触器主要技术参数,一、单轨交通概述,任务4 单轨牵引传动系统,1单轨定义,单轨(或独轨)系统:是一种车辆与特制轨道梁组合成一体运行的中运量轨道运输系统，轨道梁不仅是车辆的承重结构，同时是车辆运行的导向轨道。,2单轨起源,1952年，瑞典人格伦构想发展出新型的跨座式轨道系统，以1:2.5的比例在德国科隆市附近的Fuhligen进行模型试验。据记载，在1.9Km长的试验轨道上，车厢可达到130Km/h的运行速度。1957年，格伦再次在原地建造了一条1.8Km长的实体轨道。这种形式的独轨系统就以格伦的全名缩写命名为ALWEG型独轨系统。ALWEG型独轨系统很快成为世界独

40、轨的风尚，之后的十多年间虽然进展较快，但似乎仅限于游乐园或展览会场区内的游客运输。80年代后期，欧洲的独轨交通开始进入城市轨道交通体系。,3单轨交通系统在中国的发展,我国第一条单轨交通于2000年在重庆开始修建。根据重庆市山城丘陵的地理特点，选择了适应爬坡能力强、转弯半径小的高架跨座式胶轮单轨交通系统。目前重庆轻轨2、3号线使用的就是跨坐式单轨系统。,。,图2-65所示为重庆2号线车辆类型,图2-65 重庆2号线车辆类型,4. 跨坐式单轨系统的特点,20:59:59,跨座式单轨交通的优势（1）占地面积小、空间利用率高。跨座式单轨交通轨道梁一般利用城市道路中央隔离带设置结构墩柱，圆墩柱直径约为1

41、m-1.5m，区间双线轨道结构宽度一般为5m。而普通城轨交通区间高架结构宽度为8-9m，墩柱直径约为2m，因此跨座式单轨交通具有占地面积少，空间利用率高的优势。（2）建设周期短。由于跨座式单轨交通轨道梁一般采用标准轨道梁，可在工厂预制、现场拼装，且接触网刚性布置在轨道侧壁，比普通架空接触网以及第三轨施工方便，因此施工周期可大大缩短。,20:59:59,跨座式单轨交通不足（1）能耗较大。由于采用橡胶车轮使车辆所受阻力较钢轮大，因此，单轨交通的能耗比普通城轨交通大。（2）道岔结构复杂，搬动时较普通城轨交通道岔费时，因此限制了列车运行时间间隔不能低于2.5分钟。,（3）转弯半径小，爬坡能力强，乘坐舒

42、适度高。由于跨座式单轨车转向架采用充气橡胶轮胎作为走行轮，噪声小。且转向架与车体间的悬挂装置为空气弹簧，车体震动小，跟普通城轨交通相比，具有爬坡能力强，转弯半径小，乘坐舒适性高等优势。线路最大坡度可达到6%，最小曲率半径为100m。,跨座式单轨交通的优势,二、跨坐式单轨系统牵引系统案例分析,重庆3号线跨座式单轨列车采用6辆编组方式：=MC1*M2*M4*M5*M3*MC2=。列车车体下部主要电气设备及其动力分配如图2-66所示。系统采用DC1500V供电，VVVF逆变器调压，三相异步电动机牵引，再生制动。注意：负极受电弓升起后将不用降下，列车的受电由正极受电弓提供。,图2-66 重庆3号线动力

43、分配示意图,1牵引系统构成,重庆单轨车牵引系统主电路图如图2-67所示。牵引系统 主电路组成：受电装置、熔断器、避雷器/浪涌吸收器、高速断路器、输入滤波器、VVVF逆变器、线路接触器等在受电装置附近装有一台避雷/浪涌吸收器，每个动力单元主逆变器受高速断路器（HSCB）保护，高速断路器可高效地保护由于短路、接地造成的过流，其保护特性与相对应牵引变电站64D保护系统相匹配和协调。输入滤波器有电抗器和电容器组成，故障情况下滤波器储存的能量当即被释放不会对车辆任何系统部件导致二次性损坏。,图2-67 重庆3号线主电路图,VVVF牵引逆变器采用电压型三点式逆变器，一台牵引逆变器控制两台牵引电机，即1C2

44、M方式。VVVF牵引逆变器包括输入滤波器、三相逆变器模块，自然冷却，实施输入过流、输出过流、低输入网压、过压、过热、相电流电压不平衡和牵引电机过流等保护。每台逆变器装一台HSCB，使用双微机系统对VVVF进行控制。,2主要牵引设备,20:59:59,（1）受电装置,跨座式单轨车辆受电（集电）装置分正极和负极2种，2种受电装置安装在转向架上，采用侧面滑动受电。在司机室车辆和M5车辆上各安装2台负极受电弓，在其它车上，每辆车各安装2台正极受电弓。正极受电装置：开弓采用弹簧装置，收弓时采用压缩空气，这时使下降风缸动作，折叠式受电装置在折叠位置，由锁钩装置将受电弓锁住，使其与接触网脱离；当需要受电装置

45、升弓，可使电磁线圈得电，解开锁钩装置，弹簧装置将受电装置撑开与接触导轨接触受电。负极受电装置：与正极受电装置相比，不设自动折叠装置，使负线受电装置经常与负线接触导轨接触；在需要时可用手压到折叠位置，由锁钩装置锁住，解锁时用手动压缩解锁。,受电装置的结构外形如图2-68所示。,滑板：受电装置滑板为铜系粉末冶金制成。车辆接地装置考虑到跨座式单轨车辆采用橡胶轮胎，每辆车有一接地装置，当车辆到达车站和车辆段时，与安装在轨道梁上的接地板接触，以保证乘客在车站和车辆段检修作业人员的生命安全。跨座式单轨接触网受流模式不同于传统轮轨交通所采用的第三轨或架空接触网模式，是一种全新的城市轨道交通接触网受流模式，除

46、了正极受流接触网外，设置专门的负极回流接触网（回流轨）。电流经车辆负极受电弓再经回流轨回流，负极接触网和正极相同。接触网位于轨道侧面中部并被车体包络，平行轨道梁中心线方向呈“之”字形布置，接触受流面相对轨道梁侧面向外，受电弓相对轨道侧面向内与接触网接触线摩擦受流。,20:59:59,图2-68 受电装置,20:59:59,（2）传动装置,单轨牵引传动装置如图2-69所示，与普通车辆一样，由牵引电机、联轴器和齿轮减速箱等部件组成，所不同的是普通车辆的传动装置安装在轮对的两个车轮之间，而跨座式则全部放在构架外侧。,20:59:59,图2-69 单轨牵引传动装置,重庆“较新”线单轨车辆的牵引电机为三

47、相鼠笼式异步电机。输出功率105Kw，线电压1100V，额定转速3439rpm，H级绝缘，自然通风冷却，铸铝转子导条。电动机固定在跨座式转向架上，电机通过弹性联轴结与齿轮箱连接，齿轮箱传动比6.55:1，有利于提高牵引电机转速，减小牵引电机体积，为解决牵引电机安装控件不足创造条件。,20:59:59,图2-70 鼠笼式电动机结构图,20:59:59,转子绕组是用作产生感应电势并产生电磁转矩的，它的转子绕组是短路绕组，在转子的每个槽中放有一根导体，导体比铁芯长，在铁芯两端用两个端环将导体短接，形成短路绕组。 若将铁芯去掉，剩下的绕组形状似松鼠笼子，故称鼠笼式绕组。 缺点：调速能力差，启动力矩小，

48、因此在一些要求平滑调速和启动力矩大的工况下，采用多种方式进行控制。,（3）牵引逆变器,20:59:59,牵引逆变器的作用是将接触网上的DC1500V，经过调频调压为AC1100V，提供给列车主牵引电机。,表2-14 牵引逆变器VVVF技术规格,（4）断路器装置,20:59:59,断路器装置由高速断路器、电磁接触器、各种继电器等组成。其主要作用是：切断和接通负荷电路，切断故障电路，防止事故扩大，保证安全运行。单轨交通车辆采用UR6高速断路器，是单极双向装置，具有电磁吹弧，自然风冷的直流断路器。断路器设计为检测过电流后迅速地响应，电弧发生时通过瞬时的恒定过电压形式迅速抑制电弧。,断路器装置外形结构,20:59:59,图2-71 UR6高速断路器结构图,项目小结,1.直流主传动系统的控制 直流牵引电机结构原理、传动控制原理及电路逻辑 2.交流主传动系统的控制 交流牵引电机结构原理、传动控制原理及电路逻辑3.直线电机传动系统的控制 直线牵引电机结构原理、传动控制原理及电路逻辑4.单轨牵引传动系统 单轨牵引组成、特点及传动控制结构,20:59:59,Thank You !,欢迎交流沟通！,制 作：华平 唐春林 常玉华 E-mail：,