城市轨道交通车辆牵引传动系统课件

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 了解城轨车辆的电磁兼容技术应用 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 项目二城市轨道交通车辆牵引传动系统 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 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 电力牵引控制 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 牵引电机 制动电阻箱 电抗器及电气开关等 电传动系统主电路 图2 1主牵引逆变器外形结构 主回路的功能概述及构成 定义 是牵引电机工作回路 通过指令对牵引电机进行控制 功能 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 组成 由受流单元 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 VVVF逆变单元 牵引电机 回地装置等部分构成 为了保证直流供电电压的品质 采用电路电抗器和电容滤波器来吸收牵引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 逆变单元由IGBT InsulatedGateBipolarTransistor 绝缘栅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 实现列车速度在很宽泛的范围内平稳调节 主回路工况 牵引电机可以工作在牵引工况或制动工况 两个工作状态由主逆变器来管理 牵引时 主逆变器工作在逆变状态 将直流逆变为交流 电制动时 主逆变器工作在整流状态 将牵引电机产生的交流电转换成直流电 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 1 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 将直流电转换为三相交流电 牵引 牵引箱 每辆动车一个牵引逆变器 在车体底架下安装 每台牵引逆变器有一台TCU控制单元控制并驱动4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 牵引逆变器是来自于ALSTOM的OptONIX系列 逆变器驱动并联联接的四个牵引电机 牵引电机可以以功率消耗 牵引 或功率产生 制动 方式运行 这两个工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 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 流进了制动过渡电阻 列车牵引主电路 辅助箱 制动过渡电阻 隔离开关箱 牵引电机 牵引箱 轴端接地 浪涌吸收 受流器 轴端接地 外接电源 高速断路器 牵引逆变器原理图 IGBT模块绝缘栅双极型晶体管 RE制动过渡电阻 电动列车主回路 A LCMD1和A LCMD2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 位于预充电LRU上 A LCMD2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 K IC电源输入接触器K CCC预充电接触器R CCZ预充电电阻器 L FL线路滤波电感器2 5mH适用于过滤电压 低通滤波器 还可用于限制浪涌电流上升时间 C FL直流电容器用于保持电压稳定 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作为电源使用 A FVMD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 EMC电容器 EMC电阻器 A CMDU和A CMDVU相和V相电流监控装置可测量供给4个电机的电流 根据两次测量计算W相电流 TM1 TM2 TM3 TM4牵引电机 电动列车主回路 直流牵引传动系统 任务1 交流牵引传动系统 任务2 直线电动机牵引传动系统 任务3 项目二城市轨道交通车辆牵引传动系统 单轨牵引传动系统 任务4 直流牵引传动系统 任务一直流牵引传动系统 表2 1串励牵引电动机的结构及部件作用 电磁感应定律 电磁力定律 任务一直流牵引传动系统 图2 3直流串励牵引电动机工作原理 电能 机械能 任务一直流牵引传动系统 一 直流牵引电动机2 直流牵引电动机的特性分析 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 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 任务一直流牵引传动系统 任务一直流牵引传动系统 一 直流牵引电动机2 直流牵引电动机的特性分析 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1 3 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 任务一直流牵引传动系统 一 直流牵引电动机 任务一直流牵引传动系统 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 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 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 V E 牵引电动机的反电势 V L 牵引电动机的电感量 H 任务一直流牵引传动系统 一 直流牵引电动机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 直流传动调速控制基本形式 变阻控制斩波调压控制 1 变阻控制变阻控制 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 调阻方法 凸轮调阻 斩波调阻 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 即一台电机既可以作发电机也可以做电动机 只是运行条件不同 分类 1 电阻制动 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 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 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 2 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 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 斩波器冷却采用内外隔离方式 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 直流牵引传动系统 任务1 交流牵引传动系统 任务2 直线电动机牵引传动系统 任务3 项目二城市轨道交通车辆牵引传动系统 单轨牵引传动系统 任务4 交流牵引传动系统 一 交流牵引电动机的原理分析 任务二交流牵引传动系统 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 维修与运行费用低 防空转性能好 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 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 防空转性能较差 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 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 消耗在负载 r s r2 上的功率为 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 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 29V 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 矢量控制理论的提出 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 提高匀速驾驶和ATO驾驶的精度 表2 1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 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 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 在城轨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 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 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 1TB2010 0GA02 技术参数 3 基本工作原理 电动列车传动控制单元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 80km h倒车速度 10km h慢行速度 3km h 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 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 直流牵引传动系统 任务1 交流牵引传动系统 任务2 直线电动机牵引传动系统 任务3 项目二城市轨道交通车辆牵引传动系统 单轨牵引传动系统 任务4 直线电动机牵引传动系统 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 任务三直流电动机牵引传动系统 一 直线牵引电动机原理分析1 直线异步电动机的分类 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 2 结构与原理 1 直线异步电动机结构定子 初级 带齿槽的电工钢片叠成 槽里嵌有绕组转子 次级 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 图2 55直线异步电机行波磁场涡流Ie和连续推力F 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 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Ee 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Ie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 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相比较 则滑差率s为 式中 Fs 起动推力 F 摩擦力 V 空载速度 直线异步电动机的推力一速度特性近似成直线 图2 56 其推力为 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相比较 1 推力一速度特性 2 速度一时间特性 速度随时间以指数函数规律增加 其特性可表示为 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 图2 59直线异步电动机的推力一气隙特性 通电时间与整个周期时间之比 图2 60直线异步电动机的推力一占空因数特性 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 噪声小 重量轻 维修容易 短初级平板型直线电