《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1.直流牵引电机的结构定子主磁极换向磁极电刷装置直流牵引电机主要结构<转子机座端盖电枢铁心

电枢绕组

换向器转轴轴承

直流牵引电动机的结构和工作原理2026/1/12轭部励磁绕组换向极轭部S电枢绕组机座直流牵引电动机的结构和工作原理1.直流牵引电机的结构换向极铁心磁靴S

补偿绕组一电枢绕组主磁极铁心N电枢N气隙电刷架电刷轴整流子图

直流电动机结构(4极)2026/1/12直流牵引电动机的结构和工作原理(1)静止部分直流电机定子

换向极铁心换向极绕组换向极绕组与励磁的串联接线接线盒主磁极铁心主磁极绕组(励磁

绕组)2026/1/12

直流牵引电动机的结构和工作原理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。电刷电刷实物图

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2026/1/12轴直流牵引电动机的结构和工作原理(

2

)

旋

转

部

分

又称电枢部分电枢铁心、电枢绕组、换向器等组成2026/1/12直流牵引电动机的结构和工作原理a图

b图

c图2026/1/12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2026/1/122.交流牵引电动机的结构与原理分析吊环

一定子铁心定子绕组

机座定子部分转子部分转子铁心转子绕组前端盖

交流牵引电动机的基本结构后端盖风扇出线盒交流牵引电动机主要由定子

和

转

子两

大

部

分

组

成

。风罩1.

定子部分定子由定子铁心、

定子绕组、机座和端盖等组成。◎

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2026/1/12压圈定子铁心照片：定子冲片定子叠片扣片照片：定子铁心

交流牵引电动机的基本结构放在定子铁心内圆槽内为定子的导电部分(感应电动势、流过电流)交流牵引电动机的基本结构◎定子绕组2026/1/12◎

定子接线盒:88O

U₁OV₁OW₁OW₂

QU₂

O₂○首端○尾端○首端◎尾端

交流牵引电动机的基本结构联

结

三

角

形

心

联

结星

形

(Y)2026/1/122.

转子部分

由铁芯、绕组和转轴等部分组成。(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。

交流牵引电动机的基本结构2026/1712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风叶铁心

绕组滑环轴承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(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。

交流牵引电动机的基本结构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定子铁心定子绕组端盖轴承

定子

机座

转子轴

承

端

盖

风

扇

罩壳0接线盒

交流牵引电动机的基本结构三相笼型异步电动机的结构端盖(驱动端)风扇冷空气流罩壳(非驱动端)定

子转子2026/1/12转子绕组中

产生e

和i转子绕组在磁场中

受到电磁力的作用电磁转矩转子旋转起来机械负载旋转起来对称三相绕组通入对称三相电流三相交流电能旋转磁场(磁场能量)磁感线切割

转子绕组

交流牵引电动机的原理分析工作原理感

应2026/1/12定子绕组产生旋转磁场作用于n。交流电转子绕组产生转子电流产生交流牵引电动机的原理分析通入转速通入切割=0转矩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>no转差率s>1s=1l>Ss=0s<0转差率：转子转速：

n=(1-s)n₀异步电机的各种运行状态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

。

交流牵引电动机的原理分析2026/1/12动机的力矩、

负载电流和一次电流的变化。0(停止)

转差

(同步转速)图异步电动机的力矩、电流和转差率关系曲线转矩-转速曲线转差率由1到0时，异步电

交流牵引电动机的原理分析一次电流I一次负载电

流I′电流

转矩转矩T2026/1/12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

：电流转矩a)电压上升电流转

矩频率增加电压上升频率增加频率增加

交流牵引电动机的原理分析转矩电压上升转矩电流电流异步电动机基本特性曲线的变化2026/1/12d)

交流牵引电动机的原理分析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：图2-28a所示特性图2-28d所示特性频率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异步电动机的力矩近似表示式：转

矩2026/1/123.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由于用直线运动取代了旋转运动，因此称之为直线电动机。初级直线电机定子(初级)转子(次级)旋转电机直线展开2026/1/12次级直线牵引电动机结构及特性直线电动机特点：(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。按结构分类：平板形单边式平板形双边式圆筒形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)

短次级方式(即以次级作为动体)次级次级次级次

级初级初级初1.直线异步

电动机的

分类直线牵引电动机结构及特性初级磁场移动方向普通旋转电动机级直线电动机圆筒形直线电动机2026/1/122.

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

图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

2Us田

田

田YCX

B

Z

A

直线牵引电动机结构及特性(a)

旋转感应电机(b)

直线感应电机直线感应电动机旋转型感

应电动机速度v/(m/s)0.50

转差率s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

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-气隙特性(2)推力一气隙特性(1)推力-速度特性推

力

F

N2026/1/120

直线牵引电动机结构及特性直线电机是长直、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)。在

横

在

高

违

缴

壁

畅造成反子浓场横行捐的不

均匀裤生邀趣棚风奥锄边频应这

和

涡

质

蠖

榫

电

秀

隙

糍缘躞

横大师称体酵够向为第缘效横近爆磁场移动的方

向

。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(3)边缘效应2026/1/12(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。②

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。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4.

直线异步电动机的优缺点

直线牵引电动机结构及特性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。

直线牵引电动机结构及特性(2)缺点③长距离保持一定气隙的精度要求。2026/1/12车体转向架广州地铁4号线

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4.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电源正极(接触网或接触轨)受流装置(受电弓或受流器)网侧高压电器(高速断路器)辅助电源

控制电路直流调速

主电路

直流传动控制系统组成与控制原理电源负极(回流轨、回流线)接地回流装置牵引

电动机2026/1/121.

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。直流传动控制系统组成与控制原理二

、直流传动控制系统控制原理变阻控制斩波调压控制直流传动调速控制基本形式：,受流装置高速断路器平波电抗器RKM

KMR

RKMKMKM

励磁绕组KM,KM

RKMKM励磁绕组KM

R

直流传动控制系统组成与控制原理电枢绕组电枢绕组接地

装置通过转动凸轮，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。KMKMKM回流线接触网KMRKM(1)凸轮调阻控制：KMRKM2026/1/12KM

励磁绕组KM.KMKMKM励磁绕组KM

R电枢绕组电阻分路电枢绕组接地

装置制

动

时

：受流装置高速断路器平波电抗器R

RKMKMKM回流线直流传动控制系统组成与控制原理接触网RKMRKMKMRKMKMRKMKMRKM2026/1/12将功率器件组成的斩波器作为电子开关，与起动电阻并

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。接触网KM

励磁绕组

KMKMKM

电枢绕组接地

回流线

装置

直流传动控制系统组成与控制原理(2)斩波调阻控制受流装置高速断路器电枢绕组KMR平波电抗器KMKMKM

励磁绕组KMKM

R0

土RCH2026/1/12直流传动控制系统组成与控制原理2.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。a

脉宽调制方式输出电压平均值：ton——V通的时间

tf

——V断的时间

a--

占空比2026/1/12直流传动控制系统组成与控制原理2.斩波调压控制

(电枢斩波控制)接触网KM电枢绕组KMKM电枢绕组KM回流线结论：斩波调速是一种经济的调速手段。KM

励磁绕组KMKM

RKM

励磁绕组KMKM

R受流装置

高速断路器

平波电抗器0CH接地

装置5.交流异步电动机的转速控制直接转矩控制：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。2026/1/12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。三相

→

二相二

相

→

三

相变可以在较大的速度范围内输出恒定力矩。

T=k(U/f)²f,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-f.)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。U

恒定而增加f,

则使fs与f的平方成正比地增加。

交流异步电动机的转速控制1.

转速控制方法①

u/f

恒定控制②恒转差频率控制③恒功率控制④恒电压控制以上的方法只是用于开环控制系统。2026/1/12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

交流异步电动机的转速控制2026/1/12(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×Φ×I₄=K'×1a×I₄发生转扭矩

大

↓加

速

大发

生

转

扭矩小↓加速小d励

磁

电

流

1

轴

交流异步电动机的转速控制为比例常量；为磁通；为转矩电流；为励磁电流。式

中

，K,K'①图

电流矢量的转矩控制转矩

T2026/1/12

交流异步电动机的转速控制(3)

电压矢量控制(a)

等

效

电

路

(b)矢

量

图图

电压、电流的矢量图2026/1/12交流异步电动机的转速控制3.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。①若要增大电磁转矩：施加正向有效空间电压矢量一定子磁链的转速大于转子磁链一磁通角增大一转矩增加。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。U₃(010)U₄(011

U₀(000)U₇(111)U₅(001)U₂(110)ψs(t2)Vs(t₁)yr(t2)S₁(1

U₁(100)U₆(101)

交流异步电动机的转速控制图

空间电压矢量图2026/1/126.交流主传动案例分析1.城市轨道交通交流动车1C4M交流主传动系统案例分析再生制动时

：ss

以相反的路径ss

使电网吸收电Ss

动机反馈的能ss

量。oy

cHD

动车牵引逆变器箱

V7

V1

V3

V5FCZ

V15V9

V11LFC

交流主传动案例分析CBR至第二台动车主传动系统去辅助逆变器母线CMDIES

HSCB

CBR

LFL牵

引

时

：DC1500VF主熔断器SALIKCCKCCZVMDRcCMD-VMDCMD-VMDM1

MM2MM4

MV4

V6V16

V12V2V142026/1/12V10VVVFV13V8M

~交流主传动案例分析(1)充电限流环节2026/1/12再生制动VMDRcCBRVVVF电阻制动至第二台动车主传动系统

交流主传动案例分析v7

V1

V3

V5V15

V9

V11

√V8

V4

V6

V2(2)VVVF逆变器DC1500VF主熔断器SALIKLFLCCK

CCZCMD-VMDCMD-M1ssM2

M

ssv17K

本V16vov

CHD

动车牵引逆变器箱CMD

IESHSCBCBR)ss)ss去辅助逆变器母线FCZLFC2026/1/12M4MV10V14M3VMDM

~交流主传动案例分析(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2026/1/12DC1500VF主熔断器(4)“

硬撬杠

”保护环节去辅助逆变器母线LFLIESHSCB

CBRCCKCCZVMDRcCBRVVVFDBZ至第二台动车主传动系统图

1C4

M

单元车交流主传动系统原理电路图

交流主传动案例分析FdZ

V15V8

V4V16CMD-VMDCMD-VMDV

CHD动车牵引逆变器箱V7

V3

V5M1M2下M3M4

MV9V11V6

V2V12

V14ssssss)ss2026/1/12V13V10V1VVVFDBZ至第二台动车主传动系统

交流主传动案例分析差动电流传感器要求：电容

两端电压在

5min内降到

5

0V

以下CBR(5)其他保护环节DC1500V主熔断器避雷器CMD-VMDCMD-VMDM1

MssM2

MssM3ssLIKCCKCCZVMDvov

CHD

动车牵引逆变器箱V7

V1

V3

V5隔离/接地开关去辅助逆变器母线CMDIES

ISCBCBRV4V16V6V12V2V14FCZLFCV15

V9

V112026/1/12V1oV13LFLssM4V8M

~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“架控”方式，即

1C

2M。V7

V1

V3

V5

C

MDV15

V9

V11

VMDCMD-78

V4

V6

V2

交流主传动案例分析VMDRcCBRM1ssM2/

M)ssM3ssM4ssV16V12

V14VVVFBZDC1500V主熔断sA去辅助逆变器母线LIKLFLCCK

CCZCMDIESHSCB

CBRCHD

动车牵引逆变器箱至第二台动车主传动系统FCZLFC2026/1/120A√2.“两动一拖(2M1T)”单元车主电路

原理

交流主传动案例分析C车DC1500V母线(辅助逆变器用)A车DC/DC

变换器牵引

3线、

逆变器制动电阻交流电动机3线转向架转向架图牵引

逆变器制动电阴交流电动机辅助逆变

器熔断器高速断路器两动一拖(2M1T)单元车主电路结构框图高压箱隔离二极管1500V

B

车

受电弓高

速

断路器[刀闸

开关车间-

电源浪涌吸收器3线转向架2026/1/123线交流主传动案例分析C车

图PA箱逆变器主电路2026/1/12B车

牵

引

逆

变

器

模

块接

地

故

障

传

感

器EMI

电

帘制

动

电

阻

交流主传动案例分析图PH

箱逆变器2026/1/127.直流斩波控制方式主电路实例分析

直流斩波控制方式主电路实例分析DC

1500V

1Q1以某地铁车辆主电路为例分析其工作原理。直流斩波控制方式主电

路包括两部分：主传动输入滤波电路、

牵引/制动电路。7%2.7Y64.保护电路BIK16甲3.起动限流环节IF21RI[ICI1.网侧电路2.滤波电路ICI/R1IR2[1Q8

1Q91Q21Q4-1Q7MM1Q4-1Q7(

MMIL11K152026/1/121Q8

1Q9]

iQ10IF2[1RI[HTHT1Q21U21U1o直流斩波控制方式主电路实例分析1.网

侧电路作

用

：将接触网电

压引入车内1Q9

iQ10IK151U1