《城轨车辆控制系统》课件-项目2：牵引传动系统

城轨车辆控制系统1.直流牵引电动机的结构和工作原理直流牵引电动机的结构和工作原理直流牵引电机主要结构主磁极换向磁极电刷装置机座端盖定子转子电枢铁心电枢绕组换向器2026/1/121转轴轴承1.直流牵引电机的结构直流牵引电动机的结构和工作原理机座1.直流牵引电机的结构图 直流电动机结构（4极）2026/1/121直流牵引电动机的结构和工作原理直流电机定子接线盒换向极铁心主磁极铁心主磁极绕组（励磁绕组）换向极绕组换向极绕组与励磁的串联接线（1）静止部分2026/1/121直流牵引电动机的结构和工作原理电刷实物图电刷装置是将直流电流引入或引出的装置，通过固定不动的电刷与旋转的换向器之间的滑动接触，将外部直流电源与直流电机的电枢绕组连接起来。

电刷刷握汇流条电刷放在刷握内，用弹簧将电刷压紧在换向器上2026/1/121直流牵引电动机的结构和工作原理电枢铁心、电枢绕组、换向器等组成电枢铁心轴 电枢绕组换向器（2）旋转部分2026/1/12轴承1又称电枢部分直流牵引电动机的结构和工作原理a图b图c图平衡位置2.直流牵引电机的工作原理2026/1/121直流牵引电动机的结构和工作原理可以通过改变电流方向或磁场方向实现连续转动可以利用电刷装置改变电流方向来实现连续转动2026/1/1212.交流牵引电动机的结构与原理分析2026/1/12交流牵引电动机的基本结构交流牵引电动机主要由定子和转子两大部分组成。

定子部分转子部分交流牵引电动机的基本结构

定子铁心由0.5毫米厚硅钢片叠压而成定子铁芯为定子的导磁部分1．定子部分定子由定子铁心、定子绕组、机座和端盖等组成。2026/1/121交流牵引电动机的基本结构放在定子铁心内圆槽内定子绕组为定子的导电部分（感应电动势、流过电流）2026/1/121U1 V1 W1W2 U2 V2交流牵引电动机的基本结构定子接线盒星形(Y)联结U1 V1 W1W2 U2 V

23

~三角形(

)联结U1W2V1U2W1V

23

~U1 V1 W1U2 V2 W2首端尾端U1V1

W1U2 V2 W2首端尾端2026/1/121交流牵引电动机的基本结构2．转子部分（1）转子铁心：由硅钢片叠成，也是磁路的一部分。在转子铁芯每个槽中放置导体或绕组。由铁芯、绕组和转轴等部分组成。2026/1/12交流牵引电动机的基本结构（2）转子绕组：①鼠笼式转子：转子铁心的每个槽内插入一根裸导条，形成一个多相对称短路绕组。2026/1/12交流牵引电动机的基本结构②绕线式转子：对称三相绕组，一般接成星型。将三个出线端分别接到转轴上三个滑环上，再通过电刷引出电流。2026/1/12交流牵引电动机的基本结构（3）转子转轴：2026/1/12交流牵引电动机的基本结构（4）气隙：异步电动机的气隙是均匀的。

在中、小型电机中，气隙一般为0.2-1毫米。气隙大小对电机性能有很大的影响。气隙大：磁阻大，励磁电流大，功率因数低。气隙小：按加工可能及机械安全所限制。2026/1/12交流牵引电动机的基本结构三相笼型异步电动机的部件图2026/1/12交流牵引电动机的基本结构三相笼型异步电动机的结构2026/1/12交流牵引电动机的原理分析机械负载旋转起来工作原理旋转磁场（磁场能量）磁感线切割转子绕组转子绕组中产生

e

和

i转子旋转起来转子绕组在磁场中受到电磁力的作用电磁转矩感应对称三相绕组通入对称三相电流三相交流电能2026/1/12交流牵引电动机的原理分析交流电通入定子绕组产生旋转磁场切割转子绕组产生作用于转子电流产生通入转矩转速160

fp0n =2026/1/12交流牵引电动机的原理分析转差率:转子转速:旋转磁场的同步转速与电动机转子转速之差，与旋转磁场的同步转速之比称为转差率。状态制动状态堵转状态电动机状态理想空载状态发电机状态转子转速n

0n

00

n

n0n

n0n

n0转差率s

1s

11

s

0s

0s

02026/1/12s

n0

n

n

(1

s)n0异步电机的各种运行状态交流牵引电动机的原理分析转矩-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 异步电动机的力矩、电流和转差率关系曲线2026/1/12交流牵引电动机的原理分析电源的频率、电压2026/1/12变化时，电动机的电流和力矩相应变化曲线:异步电动机基本特性曲线的变化交流牵引电动机的原理分析图

电源电压与频率之比恒定时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，电动机的电流和力矩相应变化曲线:异步电动机的力矩近似表示式：T

k(U/f)2

fs2026/1/123.直线牵引电动机结构及特性直线牵引电动机结构及特性直线电动机可认为是旋转电机在结构方面的一种演变。图

直线异步电动机结构原理图2026/1/12由于用直线运动取代了旋转运动，因此称之为直线电动机。直线牵引电动机结构及特性2026/1/12直线电动机特点：（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）

直线电动机运行噪音较小。

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。直线牵引电动机结构及特性1．直线异步电动机的分类按结构分类：

平板形单边式

平板形双边式

圆筒形按电源分类：三相电源二相电源2026/1/12（3）按动体分类：短初级方式(即以初级作为动体)短次级方式(即以次级作为动体)2026/1/12直线牵引电动机结构及特性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）旋转感应电机图（b）直线感应电机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-行波磁场直线牵引电动机结构及特性3．直线异步电动机特性

图

直线异步电动机的推力-速度特性与旋转异步电动机的特性比较（1）推力-速度特性（2）推力一气隙特性图

直线异步电动机的推力-气隙特性2026/1/12直线牵引电动机结构及特性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)。（3）①

静态纵向边缘效应②

动态纵向边缘效应③

横向边缘效应在横在向气的隙边中缘出区现域脉磁振场磁削场弱和，2026/1/12造成反空向载行气波隙磁磁场场，横运向行分过布程的中不将均匀初产，、生这次阻是级力第相和一对增类运大横动附向时加边的损缘磁耗效场。应这。和涡次种流级效分导应布体当的板初畸对、变电次称流级为分相动布对态及静纵气止隙时向磁边场也缘密存效度在应沿，横因向而分称布为的静影态响纵，向称边为第缘二效类应横，向纵边向缘即效磁应场移动的方向。直线牵引电动机结构及特性4．直线异步电动机 的优缺点②

起动推力大，可实现大范围的加速和减速，零部件不受离2026/1/12心力的作用，直线速度不受限制。③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。④

总体结构简单，扁平型部件高度低；噪声小，重量轻，维修容易。（1）优点①

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。直线牵引电动机结构及特性（2）缺点①效率和功率因数低（一般在0.6-0.65左右）。通常直线异步电动机的极距/气隙比旋转电动机大一倍左右。出具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驱动推力，增大了损耗。②除驱动推力外，直线电机初级和次级之间有吸引力，因而必须增加构架强度。③长距离保持一定气隙的精度要求。2026/1/12直线牵引电动机结构及特性5．直线牵引电动机在动车中应用广州地铁4号线2026/1/124.直流传动控制系统组成与控制原理2026/1/12直流传动控制系统组成与控制原理➢➢

一、直流传动控制系统组成直流传动控制系统组成与控制原理2026/1/121直流传动调速控制基本形式：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。变阻控制：凸轮调阻、斩波调阻。斩波调压控制二、直流传动控制系统控制原理变阻控制（1）

凸轮调阻控制：通过转动凸轮，接触器KM形成不同的开闭组合，接入或切除若干起动电阻，达到调节牵引电机电压的目的。直流传动控制系统组成与控制原理2026/1/121制动时：电阻分路直流传动控制系统组成与控制原理2026/1/121将功率器件组成的斩波器作为电子开关，与起动电阻并（2）

斩波调阻控制

联，通过控制其导通时间，改变串入主电路的电阻，从而改变电动机的端电压，实现调速的目的。直流传动控制系统组成与控制原理2026/1/122.斩波调压控制（电枢斩波控制）斩波调压控制：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的方法。斩波器：是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为DC/DC变换。itttOEGt

ontoffO

Ti

o i1i2I

10I

20t1Ou

o脉宽调制方式输出电压平均值：t tUt

on E

oonofft ——V通的时间

t ——V断的时间a--占空比直流传动控制系统组成与控制原理2026/1/12结论：斩波调速是一种经济的调速手段。2.斩波调压控制

（电枢斩波控制）直流传动控制系统组成与控制原理5.交流异步电动机的转速控制交流异步电动机的转速控制矢量控制理论是交流调速理论的重大突破。

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耦

，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。直接转矩控制：结构简单，克服了矢量控制中的计算量大、控制复杂、系统性能受电动机参数影响较大等缺点，系统的动静态性能指标都十分优越，是一种很有发展前途的交流调速方案。二相三相三相二相2026/1/12交流异步电动机的转速控制1．转速控制方法③恒功率控制④恒电压控制U恒定而增加ƒ，则使ƒS与ƒ的平方成正比地增加。以上的方法只是用于开环控制系统。s①

U f

恒定控制②恒转差频率控制可以在较大的速度范围内输出恒定力矩。T

k(U

/

f

)2

f相当于直流调速的变阻控制。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。转差功率

f

fs

f

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。2026/1/122026/1/12交流异步电动机的转速控制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。（1）矢量控制的优势表 传统

U f

控制与矢量控制的比较项目传统U f

控制矢量控制电压控制信息大小，频率大小，频率，位相电流控制实效值控制励磁电流，转矩电流独立控制转矩反应数百毫米数十毫米CPU演算量小大1交流异步电动机的转速控制（2）电流矢量的转矩控制在感应电机控制中：矢量控制时的转矩T

K

Iq

K

'

Id

IqqIId式中，

K,

K

'

为比例常量；为磁通；为转矩电流；为励磁电流。ｑ轴ｄ轴dII

q电机电流I

m励磁电流发生转扭矩大↓加 速大dI０I

q００③②发生转扭

① 矩小↓加速小０mIT I

q

①②③一定转矩量励磁量转矩2026/1/12T图 电流矢量的转矩控制交流异步电动机的转速控制（3）电压矢量控制2026/1/12（ａ）等效电路

（ｂ）矢量图 图 电压、电流的矢量图交流异步电动机的转速控制2026/1/123.

直接转矩控制调速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。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。直接转矩控制系统结构简单、控制方便。交流异步电动机的转速控制图 空间电压矢量图①

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。②

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。2026/1/126.交流主传动案例分析交流主传动案例分析图

1C4M单元车交流主传动系统原理电路图道交通交流动车1C4M交流主传动系统案例分析M~~M~M~M~再生制动时：2026/1/12以相反的路径使电网吸收电动机反馈的能量。牵引时：1.城市轨交流主传动案例分析图

1C4M单元车交流主传动系统原理电路图M~~M~M~M~（1）充电限流环节2026/1/12交流主传动案例分析图

1C4M单元车交流主传动系统原理电路图M~~M~M~M~（2）VVVF逆变器再生制动2026/1/12电阻制动交流主传动案例分析M~~M~M~M~（3）“软撬杠”保护环节图

1C4M单元车交流主传动系统原理电路图2026/1/12交流主传动案例分析M~~M~M~M~（4）“硬撬杠”保护环节图

1C4M单元车交流主传动系统原理电路图2026/1/12交流主传动案例分析图

1C4M单元车交流主传动系统原理电路图M~~M~M~M~（5）其他保护环节要求：电容两端电压在5min内降到50V以下隔离/接地开关差动电流传感器避雷器2026/1/12交流主传动案例分析图

1C4M单元车交流主传动系统原理电路图M~~M~M~M~1台逆变器给4台并联的牵引电动机供电，这种逆变器与电动机的配置方式称“车控”方式，即1C4M。1台逆变器给同一转向架上的2台并联的牵引电动机供电，这种逆变器与电动机的配置方式称