城市轨道交通车辆电气控制系统构成课件

第1章

城市轨道交通车辆电气控制系统构成本章重点

城市轨道交通概念。

城市轨道交通车辆电气系统组成。

城市轨道交通车辆主要电气设备配置。1.1城市轨道交通车辆电气控制系统基本概念城市轨道交通系统是指在城市中使用车辆在固定导轨上运行并主要用于城市客运的交通系统。城市轨道交通的定义为：通常以电能为动力，采取轮轨运输方式的快速大运量公共交通的总称。城市轨道交通牵引供电系统主要是指牵引变电所和直流牵引网两部分，如图1-1所示。第1章城市轨道交通车辆电气控制系统构成本章重点1第1章

城市轨道交通车辆电气控制系统构成城市轨道交通车辆电气控制系统包括车辆上的各种电气设备及其控制电路。按其作用和功能可分为不同的车辆电气控制系统，如图1-2所示为城市轨道交通车辆电气控制系统的组成框图。第1章城市轨道交通车辆电气控制系统构成城市轨道交通车辆电2第1章

城市轨道交通车辆电气控制系统构成1.2城市轨道交通车辆电气部件与设备以庞巴迪公司与长春客车厂生产的地铁车辆的主要电气设备配置为例，如图1-3所示。在城市轨道交通电动列车中，动车和拖车通过车钩连接而成的一个相对固定的编组称为一个（动力）单元。一列车可以由一个或几个单元编组而成。第1章城市轨道交通车辆电气控制系统构成1.2城市轨道3第1章

城市轨道交通车辆电气控制系统构成本章小结1．城市轨道交通系统是指在城市中使用车辆在固定导轨上运行并主要用于城市客运的交通系统。2．城市轨道交通的定义为：通常以电能为动力，采取轮轨运输方式的快速大运量公共交通的总称。3．城市轨道交通车辆电气包括车辆上的各种电气设备及其控制电路。4．城市轨道交通车辆电气控制系统包括牵引传动系统、辅助供电系统、牵引/制动控制系统、车门系统、空调系统和列车微机控制系统等。第1章城市轨道交通车辆电气控制系统构成本章小结4第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统本章重点

城市轨道交通车辆牵引传动控制的类型。

城市轨道交通车辆直流、交流传动的控制原理。

城市轨道交通车辆牵引和电制动电路。

城市轨道交通车辆整流、斩波和逆变电路工作原理及应用。

城市轨道交通车辆高压电路工作原理。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统本章重点5第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.1车辆电气牵引系统城市轨道交通车辆中采用电动机驱动的电气传动部分称为车辆牵引传动系统，它以牵引电动机为控制对象，通过开环或闭环控制系统对电动机所产生的牵引力和速度进行调节，以满足车辆牵引和制动特性的要求，从而实现对车辆的运行控制。2.1.1车辆牵引系统的主要设备车辆牵引系统的基本组成如图2-1所示。在系统的基本结构中主要由5部分设备，即：受流器；高压电器单元；变流设备，主要是整流器或变流器；驱动设备，即牵引电动机和控制设备；转向架及车辆。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.1车辆电气牵引6第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统1.受流器受流器的功能是将电源引入车内。我国干线铁路和大部分城市的轨道交通车辆的受流器都采用受电弓，只有部分城市的地铁车辆采用第三轨受流器；另外，目前正在研制的中低速磁悬浮列车也采用第三轨受流器。从接触网将电源引入车辆的装置称为受电弓，如图2-2所示。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统1.受流器7第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.高压电器单元高压电器单元是将受流器从接触线路采集的电能引入车内，为牵引设备和其他设施提供动力并进行高压系统的控制、检测和保护。高压电器单元主要包括主断路器、避雷器、接地开关和检测保护装置等。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.高压电器单元8第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统3.牵引变压器牵引变压器的作用主要是将电网电压转换成适当的电压供列车牵引系统和其他电气系统使用；另外牵引变压器还可以将列车电气系统与接触网相隔离，并提供滤波、保护等手段，为列车提供安全、可靠、高质量的电源。4.变流器变流器是一类采用功率电子器件实现电源制式或性能变换的功率转换设备，它主要包括实现交流到直流变换的整流器、直流到交流变换的逆变器、实现直流电压变换的直流变换器和实现交流频率变换的交-交变流器。5.牵引电动机牵引电动机可分为直流牵引电动机、交流牵引电动机和直线牵引电动机，交流牵引电动机又可分为交流异步牵引电动机和交流同步牵引电动机。目前在车辆牵引系统中主要采用的是交流异步牵引电动机，只有在磁悬浮列车的牵引系统中采用交流同步牵引电动机。6.牵引控制设备牵引控制设备是保证牵引系统有序、正常工作的核心设备。早期的控制设备是由一些有节点的电器如继电器、接触器等构成，功能上实现“与”、“或”、第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统3.牵引变压器9第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.2直流牵引传动系统多年以来，直流串励牵引电机一直作为各种铁道车辆的主要牵引动力，因为它具有启动性能好、调速范围大、过载能力强、功率利用充分、运行较可靠且控制简单等优点。2.2.1直流牵引电动机的牵引性能直流电动机的机械特性与励磁方式有关，直流电机的励磁方式有：串励、并励、复励等，如图2-4所示。图2-4（a）是并励方式的工作示意图；图2-4（b）是串励方式的工作示意图；图2-4（c）是他励方式的工作示意图。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.2直流牵引传动10第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统直流牵引电动机的基本工作原理可以用下述两个方程表示：第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统直流牵引电动机的基本工11第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统1.牵引电动机之间的负载分配理论上机车上各台牵引电动机的负载应当是相同的，但是由于各台牵引电动机的特性不可能完全相同，实际的动轮直径也有所差异（包括公差和磨耗），这些差异都将引起电动机之间负载分配的不均匀。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统1.牵引电动机之间的12第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统图2-7（a）表示转速差异在两台并励式电动机之间引起的负载分配不均；

图2-7（b）表示同样的转速差异在两台串励式电动机之间引起的负载分配不均。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统图2-7（a）表示转速13第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.电压波动对牵引电动机工作的影响接触网电压经常会发生波动，如当电力机车运行经过两个牵引变电所供电的交界处时，供电电压就会突然变化。这种变化进行得很快，而列车的速度还来不及改变，就可能产生大的电流冲击和牵引力冲击。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.电压波动对牵引电14第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统3.直流牵引电动机的功率利用从牵引供电的角度不希望机车的牵引功率在整个列车运行过程中有大幅度的变化，过多的功率波动将造成供电设备容量和接触网导线截面增加等问题。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统3.直流牵引电动机的15第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统4.直流牵引电动机的黏着特性由图2-5我们得知串励式牵引电动机具有“软特性”，其转速允许有很大的变化范围。也就意味着当牵引电动机在黏着失去时，牵引电动机的转速增大，牵引电动机的工作点可以大范围地改变，转速甚至可以无限地增加，这将造成严重的后果。并励式牵引电动机的“硬特性”表示其转速的变化范围很小，即便是转矩很小，电动机的转速仍然有一个确定的值。因此并励式牵引电动机具有较好的防空转特性。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统4.直流牵引电动机的16第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统综上所述，我们可以看出串励式牵引电动机的特点更适合于列车运用，因此在直流牵引系统中基本上使用的都是串励式牵引电动机。但是由于串励式牵引电动机的黏着特性差，牵引系统必须配置完善的黏着控制功能，在采用牵引电动机串联的主电路时，对黏着控制的性能要求更高，需要采用灵敏、高效的黏着控制手段。我国20世纪80年代从欧洲引进的8K型电力机车是一个很好的范例。2.2.2直流牵引传动系统的牵引特性车辆牵引力的表达式为车辆的速度为第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统综上所述，我们可以看出17第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统由于直流牵引系统中基本是采用的串励式牵引电动机，因此本章所述的牵引特性均指采用串励式牵引电动机的直流牵引系统。在串励式牵引电动机的条件下，电动机的电枢电流就是励磁电流。则有1.恒电压牵引特性保持牵引电动机的端电压不变，机车牵引力与车辆速度之间的关系称为恒电压牵引特性。根据式（2-5）和式（2-6）可以得到恒电压下的电动机机械特性也就是牵引特性的表达式第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统由于直流牵引系统中基本18第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.恒功率牵引特性在保持牵引电动机输入功率为常数的条件下，牵引力与速度之间的关系称为恒功率牵引特性。如下左图所示。3.恒电流牵引特性保持直流牵引电动机的电枢电流恒定，即为常数时，牵引力和速度之间的关系称为恒电流牵引特性。如下右图所示。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.恒功率牵引特性19第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统4.恒速度牵引特性列车调速是牵引系统控制的基本功能。保持列车速度恒定的特性曲线在平面上表现为一条垂直线，如图2-14所示中的v1、v2、v3曲线。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统4.恒速度牵引特性20第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统5.组合牵引特性为了使列车运行获得一个能兼顾各个方面性能的牵引特性，将上述特性曲线组合起来运用，图2-15表示的是两种组合特性曲线。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统5.组合牵引特性21第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.2.3直流牵引传动系统的控制城市轨道交通车辆直流主传动系统由网侧高压电路、牵引电动机调速电路组成，主要设备有受流器、断路器、直流牵引电动机、传动齿轮箱、轮对、接地回流装置。城市轨道交通车辆直流主传动结构组成如图2-17所示。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.2.3直流牵引22第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统1.直流斩波器直流斩波动车（组）利用斩波器进行调压调速。斩波器是能快速接通和切断主电路的一种电力半导体变流装置，犹如一个大功率、高速无触点电子开关。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统1.直流斩波器23第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.变阻控制变阻控制是通过调节串入电动机回路的电阻，改变直流牵引电动机端电压而达到调速目的，主要方法有凸轮调阻和斩波调阻。（1）凸轮调阻控制。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.变阻控制24第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统（2）斩波调阻控制。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统（2）斩波调阻控制。25第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统3.斩波调压控制斩波调压控制是通过控制接在电网与牵引电动机之间的斩波器的导通与关断来改变牵引电动机端电压的，主传动电路如图2-21所示。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统3.斩波调压控制26第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统4.直流牵引传动系统的电制动城轨车辆的电制动是利用电机的可逆性原理。一台电机既可以作为发电机也可以作为电动机，只是运行条件不同，这就是电机的可逆性原理。（1）电阻制动。（2）再生制动。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统4.直流牵引传动系统27第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.2.4直流传动装置主回路电器配置与工作原理城市轨道交通车辆的主回路是将“电力传动车辆”产生牵引力和制动力的各种电器、电机、电子设备连成一个电系统，实现电动车辆的功率传输，它是电动列车最重要的组成部分之一。1．直流传动装置的主回路上海地铁DC01型列车主回路（见图2-24）是由架空线网通过装在“B”车上的受电弓(Q1)得到DC1500V电源正极，由轮对通过钢轨回到电源负极：它的构成主要有以下3个部分。（1）线路滤波部分。线路滤波部分主要由线路电抗器L1和线路电容器C1组成，线路滤波部分作用是减少外界因素和接触网电压波动突跳等对主回路的影响，使主回路得到一个平稳的电源电压，同时也是为了减少由于电压、电流波动对周围通信、信号等设施的干扰。（2）主回路部分。主电路部分主要是由二串二并四个直流牵引电机M1～M4组成，它的作用是建立牵引工况、制动工况和设定电机的转动方向。（3）斩波器控制部分。斩波器作用是在电机启动时，调节电机两端电压来满足电机电流恒流启动要求，在电制动时，能实施再生反馈制动或电阻制动。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.2.4直流传动28第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.牵引电路运行工况的建立当确定了运行方向，且主手柄在牵引位，TCU牵引控制单元可建立起牵引电路，设运行方向为向前运行，牵引工况电路建立并确定电流流向。见图2-24，此时K1、K2、K5、K6方向接触器主触头闭合，K9、K10牵引接触器主触头闭合，线路电流的轨迹见图2-25所示。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.牵引电路运行工况29第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统根据直流电动机的左手定则，上述电路中M1、M2、M3、M4电机主极线圈电流方向未变，则主极磁场方向未变，即N、S极未变，M2、M1与M4、M3电机电枢电流方向相反，电机转矩反向，故电枢的转动方向相反，从而使列车运行方向变成向后运行，见图2-26所示。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统根据直流电动机的左手定30第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统当与外接负载接通之后就会产生一个与牵引工况相反的电流对外并联供电电路。电流流向轨迹见图2-27所示。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统当与外接负载接通之后就31第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统3.制动电路运行工况的建立电制动时，电机由惰行状态转为发电机工况，依靠剩磁所建立很低的电机电势，虽接通负载，但其制动功率是很小的，起不到有效制动减速的目的，这就需要加快建立起电机的电势电压上海地铁电动客车的电制动是再生制动优先，其次是电阻制动。在外界有吸收时车辆将优先进行再生制动；当外界无吸收时，列车电制动将从再生制动转换到电阻制动，只要使VD3、VD4电阻晶闸管导通，R9制动电阻接入来代替外界的吸收实施制动。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统3.制动电路运行工况32第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.3交流牵引传动系统直流电动机必须通过换向器才能工作，除结构较复杂外，它的检修工作量较大，使直流牵引电机的发展受到了很大限制。2.3.1三相异步电动机械特性在参数齐全的条件下，分析三相异步电动机的特性一般不采用T形等值电路，而是将它简化成如图2-28所示的简化等值电路。1.机械特性的参数方程式根据图2-28所示的简化等值电路得定子电流的负载分量I＇为：第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.3交流牵引传动33第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统根据电机原理与等值电路可知，通过空气隙传入转子的电磁功率为：异步电动机的电磁转矩为：将式（2-10）代入式（2-12），得第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统根据电机原理与等值电路34第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统式2-13就是异步电动机机械特性的参数方程。当电源电压、电源频率一定，并且没有人为地改变异步电动机的极数及各参数时，得到的机械特性称为异步电动机的固有机械特性。如图2-30所示为一定频率和电压下的固有机械特性曲线。2.三个重要转矩和四个特殊点从特性曲线上可以看出，有三个重要转矩，此外还有四个特殊点可以决定特性曲线的基本形状和异步电动机的运行性能。（1）三个重要转矩。①额定转矩TN。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统式2-13就是异步电动35第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统②最大转矩Tm。③启动转矩Tst。（2）四个特殊点。①启动点a。②临界点b。③额定点c。④同步转速点d。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统②最大转矩Tm。36第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.3.2三相异步电动机的调速人为地改变电动机的转速，称为调速。根据异步电动机的转速公式：1.变极调速（有级调速）第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.3.2三相异步37第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.变转差率调速（无级调速）变转差率调速可以通过调节定子电压、转子电阻（适用于绕线式异步电动机）、转差电压（适用于绕线式异步电动机）等方法来实现。如图2-32所示为改变外加定子电源电压来改变转差率s。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.变转差率调速（无38第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统3.变频调速（无级调速）变频调速通过改变电机定子的供电频率，以改变电机的同步转速达到调速的目的，其调速性能优越，调速范围宽，能实现无级调速。进行变频调速时，为使电机得到满意的性能，通常应保持气隙磁通Fm不变，即可保持铁芯磁路的饱和程度，励磁电流和电动机的功率因数基本不变。综合所述三种调速方式可以看出，异步电动机的调速性能不如直流电动机的调速性能好。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统3.变频调速（无级调39第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.3.3车辆运行过程中对牵引电机的要求从城市轨道交通车辆的运行来看，在不同运行阶段对牵引电机有不同的运行要求。例如，在启动过程中要求有一个均匀的加速度以实现平稳启动，这种方式称为恒转矩启动。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.3.3车辆运行40第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统1.模式1：牵引加速—恒转矩模式2.模式2：牵引加速—恒功率模式3.模式3：牵引加速—恒转差频率模式4.模式4：制动减速—恒转差频率模式5.模式5：制动减速—恒转矩模式6.模式6：制动减速—恒转矩模式Ⅱ第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统1.模式1：牵引加速41第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.3.4交流牵引系统的逆变器城市轨道交通车辆的传动主要依靠电能转换单元将车辆的直流供电电压转化为三相交流信号，继而驱动车辆上的电机使车辆得以运行。而电能转换单元的主体为逆变电路，逆变电路因为其性能可靠，动、静态性能卓越和节能等优点，在各个领域获得越来越广泛的应用。1.单相桥式逆变电路第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.3.4交流牵引42第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统在感性负载下，每个电力电子器件上还需反向并联一个快速二极管，以构成滞后电流的通路，如图2-36（a）所示。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统在感性负载下，每个电力43城市轨道交通车辆电气控制系统构成课件44第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.三相牵引逆变器第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.三相牵引逆变器45第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统图2-40所示的是二电平电路的逆变器。所谓二电平逆变器，就是通过控制开关管的导通和关断，在输出端把直流电源的正极和负极电压分别引出，从而将直流电能转换成交流电能。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统图2-40所示的是二电46第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统3.三电平逆变器第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统3.三电平逆变器47第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统三电平逆变器的主要问题在于电路所需器件数量大大增加，成本较高；主电路结构复杂，降低了可靠性及平均无故障工作时间；控制上比较复杂，技术上比较难以掌握。目前在牵引系统中三电平逆变器在日本、德国均有所应用。图2-42是一个二极管箝位的IGBT三电平电压型逆变器电路原理图。我国目前生产的高速动车组CRH2应用的就是三电平逆变器。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统三电平逆变器的主要问题48第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.3.5交流牵引系统VVVF转速控制车辆的交流牵引传动控制，就是通过对逆变电路输出信号的相关参数进行调节，使之满足车辆运行过程中不同运行模式的要求。1.脉宽调制目前VVVF转速控制中主要采用的是PWM调制技术，这主要是为了得到更加接近于正弦波的逆变输出电压波形，减少谐波干扰。脉宽调制（PulseWidthModulation，PWM）的调压方法是把逆变电路的输出电压斩波成为脉冲，通过改变脉冲的宽度、数量或者分布规则，以改变输出电压的数值和频率。这种方法种类很多，它只需对逆变器本身加以控制，使调压、调频一次完成，调节迅速而不需增加功率设备，因而是逆变电路调压调频（VVVF）的主要方法，尤以正弦脉宽调制（SPWM）的谐波分量最少，应用最广。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.3.5交流牵引49第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.正弦脉宽调制（SPWM）逆变电路在城市轨道交通车辆中，逆变电路的负载大多是感应电动机，要求可以调压、调频，而且输出是正弦波形。为此可以把一个正弦半波进行i等分，把正弦曲线每一等份所包含的面积，都用一个与其面积相等的等幅矩形脉冲来代替，这样，由数量足够多的等幅而不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波的半波等效，数字符号相同的矩形波面积与正弦波所围面积相同，如阴影部分所示；而另半波也可用相同的方法得到。与正弦波等效的等幅矩形脉冲序列波形如图2-44所示，各脉冲的幅值是相等的，所以逆变器可由恒定的直流电源供电，当逆变器各开关元件在理想状态工作时，显然驱动开关元件的控制信号也应该是与图2-44相似的一系列脉冲波。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.正弦脉宽调制（S50第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统（1）单极性正弦脉宽调制。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统（1）单极性正弦脉宽调51第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统（2）双极性正弦脉宽调制。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统（2）双极性正弦脉宽调52第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.3.6交流牵引系统力矩转速闭环控制城市轨道交通车辆的牵引传动系统要求在一个相当宽的范围内，对每个速度点都能提供适当的力矩值。在牵引传动中，力矩环是一个必不可少的基本单元。如图2-49中内环所示，指令力矩M*由一个直流参考电压表示，实际力矩信号M由测定的电流和磁通等确定，二者比较后所产生的偏差：DM=M*-M送到力矩调节器，以获得满意的力矩控制性能。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.3.6交流牵引53第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统转差频率控制（1）基本概念。通常异步电动机都在转差率很小的范围内运行。因为转差率s小，所以，cosj2≈l则电动机的力矩：（2）基本规律。据交流电机等值电路及并联电路的分流关系有第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统转差频率控制54第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.磁场定向式矢量控制

为了使异步牵引电机具有更加优良的动态性能，提出了另外两种控制方案：磁场定向式矢量控制和直接转矩控制。3.直接转矩控制近年提出的直接转矩控制比矢量控制简单，易于实现。牵引电机的响应快，动态性能优良，对空转时电机动态特性及其黏着恢复有利。（1）直接转矩控制原理。（2）直接转矩控制的特点。①力矩和磁链都采用直接反馈的双位式Band-Band控制，避开了将定子电流分解成力矩和励磁分量，省去了旋转坐标变换，简化了控制器的结构，但却带来了力矩脉动，因而限制了调速范围。②选择定子磁链作为控制对象，而不像磁场矢量控制系统那样选择转子磁链。（3）直接转矩控制系统和磁场矢量控制系统的比较。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.磁场定向式矢量控55第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.3.7交流牵引传动系统制动控制车辆制动与黏着控制，是车辆稳定运行的保障。城市轨道交通车辆均采用了以电制动为主、空气制动为辅的空电联合制动。电动车组主要有三种不同的制动工况，即电阻制动、再生制动和空气制动。1.输入信号（1）制动指令（2）制动信号（3）负载信号（4）电制动关闭信号（5）紧急制动信号（6）保持制动信号（7）停车制动信号（8）速度信号2.输出信号输出信号控制信号公里信号第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.3.7交流牵引56第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.4直线电动机牵引传动系统随着社会的发展，城市交通系统降低建设、维护和运营成本，提高其便利性和创造舒适环境的要求日趋强烈，采用直线电机牵引系统逐渐被广泛接受。2.4.1直线电动机的基本结构图2-51（a）和图2-51（b）所示分别为一台旋转电动机和一台直线电动机的基本结构。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.4直线电动机牵57第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统为了保证在所需的行程范围内初级与次级之间的磁耦合保持不变，在实际应用时，将初级与次级制造成不同的长度。在制造直线电动机时既可以是初级短、次级长，也可以是初级长、次级短。前者称为短初级长次级，后者称为长初级短次级。但是由于短初级在制造成本上、运行的费用上均比短次级低得多，因此，除特殊场合外，一般均采用短初级长次级的方式，如

图2-53所示。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统为了保证在所需的行程范58第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.4.2直线电动机的工作原理直线电动机不仅在结构上相当于是从旋转电动机演变而来的，而且其工作原理也与旋转电动机相似，遵循电机学的基本原理。下面以直线感应电动机为例，从旋转电动机的基本工作原理出发，引申出直线电动机的基本工作原理。1.旋转电动机的基本工作原理第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.4.2直线电动59第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.直线电动机的工作原理将图2-57所示的旋转感应电动机在顶上沿径向剖开并将圆周拉直，便成了图2-58所示的直线感应电动机。在这台直线感应电动机的三相绕组中通入三相对称正弦电流后，也会产生气隙磁场。当不考虑由于铁芯两端开断而引起的纵向边端效应时，这个气隙磁场的分布情况与旋转电动机的相似，即可看成沿展开的直线方向呈正弦分布。直线感应电动机的基本工作原理第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.直线电动机的工作60第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统图2-59中分别画出了假想导条中的感应电流及金属板内电流的分布，图中为初级铁芯的叠片厚度，c为次级铁芯在长度方向伸出初级铁芯的宽度，它用来作为次级感应电流的端部通路，c的大小影响次级的电阻。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统图2-59中分别画出了61第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.4.3直线电动机牵引传动系统和制动系统与磁悬浮交通不同，直线电机轮轨交通仍有轮轨接触，它结合了传统轮轨交通和低速磁悬浮交通方式两者的优点，保留了传统轮轨交通方式的钢轮和钢轨，列车的支撑和运行导向依靠轮轨关系；同时借鉴了低速磁悬浮直线感应电机传递牵引力的方式。1.直线电动机牵引传动系统组成结构直线电机轮轨交通的电气牵引与制动系统主要由牵引变流器、直线感应电机和牵引控制器三部分构成。2.直线电动机制动系统直线感应电机车辆和旋转电机车辆在驱动方式上有一定的差异，但它们对制动系统的基本性能和要求是完全一致的。由于直线感应电机的效率和功率因数大，能耗损失大，直线感应电机车辆的制动系统装置也应尽可能地从基础制动装置和电制动装置两方面来实现轻量化的要求。目前世界上的直线感应电机车辆实际使用的制动方式有电气制动（再生制动、电阻制动、反接制动）和摩擦制动（盘形制动、磁轨制动）。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.4.3直线电动62第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.5车辆牵引系统主要设备检修

(略）第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.5车辆牵引系统63第1章

城市轨道交通车辆电气控制系统构成本章重点

城市轨道交通概念。

城市轨道交通车辆电气系统组成。

城市轨道交通车辆主要电气设备配置。1.1城市轨道交通车辆电气控制系统基本概念城市轨道交通系统是指在城市中使用车辆在固定导轨上运行并主要用于城市客运的交通系统。城市轨道交通的定义为：通常以电能为动力，采取轮轨运输方式的快速大运量公共交通的总称。城市轨道交通牵引供电系统主要是指牵引变电所和直流牵引网两部分，如图1-1所示。第1章城市轨道交通车辆电气控制系统构成本章重点64第1章

城市轨道交通车辆电气控制系统构成城市轨道交通车辆电气控制系统包括车辆上的各种电气设备及其控制电路。按其作用和功能可分为不同的车辆电气控制系统，如图1-2所示为城市轨道交通车辆电气控制系统的组成框图。第1章城市轨道交通车辆电气控制系统构成城市轨道交通车辆电65第1章

城市轨道交通车辆电气控制系统构成1.2城市轨道交通车辆电气部件与设备以庞巴迪公司与长春客车厂生产的地铁车辆的主要电气设备配置为例，如图1-3所示。在城市轨道交通电动列车中，动车和拖车通过车钩连接而成的一个相对固定的编组称为一个（动力）单元。一列车可以由一个或几个单元编组而成。第1章城市轨道交通车辆电气控制系统构成1.2城市轨道66第1章

城市轨道交通车辆电气控制系统构成本章小结1．城市轨道交通系统是指在城市中使用车辆在固定导轨上运行并主要用于城市客运的交通系统。2．城市轨道交通的定义为：通常以电能为动力，采取轮轨运输方式的快速大运量公共交通的总称。3．城市轨道交通车辆电气包括车辆上的各种电气设备及其控制电路。4．城市轨道交通车辆电气控制系统包括牵引传动系统、辅助供电系统、牵引/制动控制系统、车门系统、空调系统和列车微机控制系统等。第1章城市轨道交通车辆电气控制系统构成本章小结67第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统本章重点

城市轨道交通车辆牵引传动控制的类型。

城市轨道交通车辆直流、交流传动的控制原理。

城市轨道交通车辆牵引和电制动电路。

城市轨道交通车辆整流、斩波和逆变电路工作原理及应用。

城市轨道交通车辆高压电路工作原理。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统本章重点68第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.1车辆电气牵引系统城市轨道交通车辆中采用电动机驱动的电气传动部分称为车辆牵引传动系统，它以牵引电动机为控制对象，通过开环或闭环控制系统对电动机所产生的牵引力和速度进行调节，以满足车辆牵引和制动特性的要求，从而实现对车辆的运行控制。2.1.1车辆牵引系统的主要设备车辆牵引系统的基本组成如图2-1所示。在系统的基本结构中主要由5部分设备，即：受流器；高压电器单元；变流设备，主要是整流器或变流器；驱动设备，即牵引电动机和控制设备；转向架及车辆。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.1车辆电气牵引69第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统1.受流器受流器的功能是将电源引入车内。我国干线铁路和大部分城市的轨道交通车辆的受流器都采用受电弓，只有部分城市的地铁车辆采用第三轨受流器；另外，目前正在研制的中低速磁悬浮列车也采用第三轨受流器。从接触网将电源引入车辆的装置称为受电弓，如图2-2所示。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统1.受流器70第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.高压电器单元高压电器单元是将受流器从接触线路采集的电能引入车内，为牵引设备和其他设施提供动力并进行高压系统的控制、检测和保护。高压电器单元主要包括主断路器、避雷器、接地开关和检测保护装置等。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.高压电器单元71第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统3.牵引变压器牵引变压器的作用主要是将电网电压转换成适当的电压供列车牵引系统和其他电气系统使用；另外牵引变压器还可以将列车电气系统与接触网相隔离，并提供滤波、保护等手段，为列车提供安全、可靠、高质量的电源。4.变流器变流器是一类采用功率电子器件实现电源制式或性能变换的功率转换设备，它主要包括实现交流到直流变换的整流器、直流到交流变换的逆变器、实现直流电压变换的直流变换器和实现交流频率变换的交-交变流器。5.牵引电动机牵引电动机可分为直流牵引电动机、交流牵引电动机和直线牵引电动机，交流牵引电动机又可分为交流异步牵引电动机和交流同步牵引电动机。目前在车辆牵引系统中主要采用的是交流异步牵引电动机，只有在磁悬浮列车的牵引系统中采用交流同步牵引电动机。6.牵引控制设备牵引控制设备是保证牵引系统有序、正常工作的核心设备。早期的控制设备是由一些有节点的电器如继电器、接触器等构成，功能上实现“与”、“或”、第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统3.牵引变压器72第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.2直流牵引传动系统多年以来，直流串励牵引电机一直作为各种铁道车辆的主要牵引动力，因为它具有启动性能好、调速范围大、过载能力强、功率利用充分、运行较可靠且控制简单等优点。2.2.1直流牵引电动机的牵引性能直流电动机的机械特性与励磁方式有关，直流电机的励磁方式有：串励、并励、复励等，如图2-4所示。图2-4（a）是并励方式的工作示意图；图2-4（b）是串励方式的工作示意图；图2-4（c）是他励方式的工作示意图。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.2直流牵引传动73第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统直流牵引电动机的基本工作原理可以用下述两个方程表示：第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统直流牵引电动机的基本工74第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统1.牵引电动机之间的负载分配理论上机车上各台牵引电动机的负载应当是相同的，但是由于各台牵引电动机的特性不可能完全相同，实际的动轮直径也有所差异（包括公差和磨耗），这些差异都将引起电动机之间负载分配的不均匀。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统1.牵引电动机之间的75第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统图2-7（a）表示转速差异在两台并励式电动机之间引起的负载分配不均；

图2-7（b）表示同样的转速差异在两台串励式电动机之间引起的负载分配不均。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统图2-7（a）表示转速76第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.电压波动对牵引电动机工作的影响接触网电压经常会发生波动，如当电力机车运行经过两个牵引变电所供电的交界处时，供电电压就会突然变化。这种变化进行得很快，而列车的速度还来不及改变，就可能产生大的电流冲击和牵引力冲击。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.电压波动对牵引电77第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统3.直流牵引电动机的功率利用从牵引供电的角度不希望机车的牵引功率在整个列车运行过程中有大幅度的变化，过多的功率波动将造成供电设备容量和接触网导线截面增加等问题。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统3.直流牵引电动机的78第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统4.直流牵引电动机的黏着特性由图2-5我们得知串励式牵引电动机具有“软特性”，其转速允许有很大的变化范围。也就意味着当牵引电动机在黏着失去时，牵引电动机的转速增大，牵引电动机的工作点可以大范围地改变，转速甚至可以无限地增加，这将造成严重的后果。并励式牵引电动机的“硬特性”表示其转速的变化范围很小，即便是转矩很小，电动机的转速仍然有一个确定的值。因此并励式牵引电动机具有较好的防空转特性。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统4.直流牵引电动机的79第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统综上所述，我们可以看出串励式牵引电动机的特点更适合于列车运用，因此在直流牵引系统中基本上使用的都是串励式牵引电动机。但是由于串励式牵引电动机的黏着特性差，牵引系统必须配置完善的黏着控制功能，在采用牵引电动机串联的主电路时，对黏着控制的性能要求更高，需要采用灵敏、高效的黏着控制手段。我国20世纪80年代从欧洲引进的8K型电力机车是一个很好的范例。2.2.2直流牵引传动系统的牵引特性车辆牵引力的表达式为车辆的速度为第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统综上所述，我们可以看出80第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统由于直流牵引系统中基本是采用的串励式牵引电动机，因此本章所述的牵引特性均指采用串励式牵引电动机的直流牵引系统。在串励式牵引电动机的条件下，电动机的电枢电流就是励磁电流。则有1.恒电压牵引特性保持牵引电动机的端电压不变，机车牵引力与车辆速度之间的关系称为恒电压牵引特性。根据式（2-5）和式（2-6）可以得到恒电压下的电动机机械特性也就是牵引特性的表达式第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统由于直流牵引系统中基本81第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.恒功率牵引特性在保持牵引电动机输入功率为常数的条件下，牵引力与速度之间的关系称为恒功率牵引特性。如下左图所示。3.恒电流牵引特性保持直流牵引电动机的电枢电流恒定，即为常数时，牵引力和速度之间的关系称为恒电流牵引特性。如下右图所示。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.恒功率牵引特性82第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统4.恒速度牵引特性列车调速是牵引系统控制的基本功能。保持列车速度恒定的特性曲线在平面上表现为一条垂直线，如图2-14所示中的v1、v2、v3曲线。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统4.恒速度牵引特性83第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统5.组合牵引特性为了使列车运行获得一个能兼顾各个方面性能的牵引特性，将上述特性曲线组合起来运用，图2-15表示的是两种组合特性曲线。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统5.组合牵引特性84第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.2.3直流牵引传动系统的控制城市轨道交通车辆直流主传动系统由网侧高压电路、牵引电动机调速电路组成，主要设备有受流器、断路器、直流牵引电动机、传动齿轮箱、轮对、接地回流装置。城市轨道交通车辆直流主传动结构组成如图2-17所示。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.2.3直流牵引85第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统1.直流斩波器直流斩波动车（组）利用斩波器进行调压调速。斩波器是能快速接通和切断主电路的一种电力半导体变流装置，犹如一个大功率、高速无触点电子开关。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统1.直流斩波器86第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.变阻控制变阻控制是通过调节串入电动机回路的电阻，改变直流牵引电动机端电压而达到调速目的，主要方法有凸轮调阻和斩波调阻。（1）凸轮调阻控制。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.变阻控制87第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统（2）斩波调阻控制。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统（2）斩波调阻控制。88第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统3.斩波调压控制斩波调压控制是通过控制接在电网与牵引电动机之间的斩波器的导通与关断来改变牵引电动机端电压的，主传动电路如图2-21所示。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统3.斩波调压控制89第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统4.直流牵引传动系统的电制动城轨车辆的电制动是利用电机的可逆性原理。一台电机既可以作为发电机也可以作为电动机，只是运行条件不同，这就是电机的可逆性原理。（1）电阻制动。（2）再生制动。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统4.直流牵引传动系统90第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.2.4直流传动装置主回路电器配置与工作原理城市轨道交通车辆的主回路是将“电力传动车辆”产生牵引力和制动力的各种电器、电机、电子设备连成一个电系统，实现电动车辆的功率传输，它是电动列车最重要的组成部分之一。1．直流传动装置的主回路上海地铁DC01型列车主回路（见图2-24）是由架空线网通过装在“B”车上的受电弓(Q1)得到DC1500V电源正极，由轮对通过钢轨回到电源负极：它的构成主要有以下3个部分。（1）线路滤波部分。线路滤波部分主要由线路电抗器L1和线路电容器C1组成，线路滤波部分作用是减少外界因素和接触网电压波动突跳等对主回路的影响，使主回路得到一个平稳的电源电压，同时也是为了减少由于电压、电流波动对周围通信、信号等设施的干扰。（2）主回路部分。主电路部分主要是由二串二并四个直流牵引电机M1～M4组成，它的作用是建立牵引工况、制动工况和设定电机的转动方向。（3）斩波器控制部分。斩波器作用是在电机启动时，调节电机两端电压来满足电机电流恒流启动要求，在电制动时，能实施再生反馈制动或电阻制动。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.2.4直流传动91第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.牵引电路运行工况的建立当确定了运行方向，且主手柄在牵引位，TCU牵引控制单元可建立起牵引电路，设运行方向为向前运行，牵引工况电路建立并确定电流流向。见图2-24，此时K1、K2、K5、K6方向接触器主触头闭合，K9、K10牵引接触器主触头闭合，线路电流的轨迹见图2-25所示。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.牵引电路运行工况92第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统根据直流电动机的左手定则，上述电路中M1、M2、M3、M4电机主极线圈电流方向未变，则主极磁场方向未变，即N、S极未变，M2、M1与M4、M3电机电枢电流方向相反，电机转矩反向，故电枢的转动方向相反，从而使列车运行方向变成向后运行，见图2-26所示。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统根据直流电动机的左手定93第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统当与外接负载接通之后就会产生一个与牵引工况相反的电流对外并联供电电路。电流流向轨迹见图2-27所示。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统当与外接负载接通之后就94第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统3.制动电路运行工况的建立电制动时，电机由惰行状态转为发电机工况，依靠剩磁所建立很低的电机电势，虽接通负载，但其制动功率是很小的，起不到有效制动减速的目的，这就需要加快建立起电机的电势电压上海地铁电动客车的电制动是再生制动优先，其次是电阻制动。在外界有吸收时车辆将优先进行再生制动；当外界无吸收时，列车电制动将从再生制动转换到电阻制动，只要使VD3、VD4电阻晶闸管导通，R9制动电阻接入来代替外界的吸收实施制动。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统3.制动电路运行工况95第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.3交流牵引传动系统直流电动机必须通过换向器才能工作，除结构较复杂外，它的检修工作量较大，使直流牵引电机的发展受到了很大限制。2.3.1三相异步电动机械特性在参数齐全的条件下，分析三相异步电动机的特性一般不采用T形等值电路，而是将它简化成如图2-28所示的简化等值电路。1.机械特性的参数方程式根据图2-28所示的简化等值电路得定子电流的负载分量I＇为：第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.3交流牵引传动96第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统根据电机原理与等值电路可知，通过空气隙传入转子的电磁功率为：异步电动机的电磁转矩为：将式（2-10）代入式（2-12），得第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统根据电机原理与等值电路97第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统式2-13就是异步电动机机械特性的参数方程。当电源电压、电源频率一定，并且没有人为地改变异步电动机的极数及各参数时，得到的机械特性称为异步电动机的固有机械特性。如图2-30所示为一定频率和电压下的固有机械特性曲线。2.三个重要转矩和四个特殊点从特性曲线上可以看出，有三个重要转矩，此外还有四个特殊点可以决定特性曲线的基本形状和异步电动机的运行性能。（1）三个重要转矩。①额定转矩TN。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统式2-13就是异步电动98第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统②最大转矩Tm。③启动转矩Tst。（2）四个特殊点。①启动点a。②临界点b。③额定点c。④同步转速点d。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统②最大转矩Tm。99第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.3.2三相异步电动机的调速人为地改变电动机的转速，称为调速。根据异步电动机的转速公式：1.变极调速（有级调速）第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.3.2三相异步100第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.变转差率调速（无级调速）变转差率调速可以通过调节定子电压、转子电阻（适用于绕线式异步电动机）、转差电压（适用于绕线式异步电动机）等方法来实现。如图2-32所示为改变外加定子电源电压来改变转差率s。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.变转差率调速（无101第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统3.变频调速（无级调速）变频调速通过改变电机定子的供电频率，以改变电机的同步转速达到调速的目的，其调速性能优越，调速范围宽，能实现无级调速。进行变频调速时，为使电机得到满意的性能，通常应保持气隙磁通Fm不变，即可保持铁芯磁路的饱和程度，励磁电流和电动机的功率因数基本不变。综合所述三种调速方式可以看出，异步电动机的调速性能不如直流电动机的调速性能好。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统3.变频调速（无级调102第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.3.3车辆运行过程中对牵引电机的要求从城市轨道交通车辆的运行来看，在不同运行阶段对牵引电机有不同的运行要求。例如，在启动过程中要求有一个均匀的加速度以实现平稳启动，这种方式称为恒转矩启动。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.3.3车辆运行103第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统1.模式1：牵引加速—恒转矩模式2.模式2：牵引加速—恒功率模式3.模式3：牵引加速—恒转差频率模式4.模式4：制动减速—恒转差频率模式5.模式5：制动减速—恒转矩模式6.模式6：制动减速—恒转矩模式Ⅱ第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统1.模式1：牵引加速104第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.3.4交流牵引系统的逆变器城市轨道交通车辆的传动主要依靠电能转换单元将车辆的直流供电电压转化为三相交流信号，继而驱动车辆上的电机使车辆得以运行。而电能转换单元的主体为逆变电路，逆变电路因为其性能可靠，动、静态性能卓越和节能等优点，在各个领域获得越来越广泛的应用。1.单相桥式逆变电路第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.3.4交流牵引105第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统在感性负载下，每个电力电子器件上还需反向并联一个快速二极管，以构成滞后电流的通路，如图2-36（a）所示。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统在感性负载下，每个电力106城市轨道交通车辆电气控制系统构成课件107第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.三相牵引逆变器第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.三相牵引逆变器108第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统图2-40所示的是二电平电路的逆变器。所谓二电平逆变器，就是通过控制开关管的导通和关断，在输出端把直流电源的正极和负极电压分别引出，从而将直流电能转换成交流电能。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统图2-40所示的是二电109第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统3.三电平逆变器第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统3.三电平逆变器110第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统三电平逆变器的主要问题在于电路所需器件数量大大增加，成本较高；主电路结构复杂，降低了可靠性及平均无故障工作时间；控制上比较复杂，技术上比较难以掌握。目前在牵引系统中三电平逆变器在日本、德国均有所应用。图2-42是一个二极管箝位的IGBT三电平电压型逆变器电路原理图。我国目前生产的高速动车组CRH2应用的就是三电平逆变器。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统三电平逆变器的主要问题111第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.3.5交流牵引系统VVVF转速控制车辆的交流牵引传动控制，就是通过对逆变电路输出信号的相关参数进行调节，使之满足车辆运行过程中不同运行模式的要求。1.脉宽调制目前VVVF转速控制中主要采用的是PWM调制技术，这主要是为了得到更加接近于正弦波的逆变输出电压波形，减少谐波干扰。脉宽调制（PulseWidthModulation，PWM）的调压方法是把逆变电路的输出电压斩波成为脉冲，通过改变脉冲的宽度、数量或者分布规则，以改变输出电压的数值和频率。这种方法种类很多，它只需对逆变器本身加以控制，使调压、调频一次完成，调节迅速而不需增加功率设备，因而是逆变电路调压调频（VVVF）的主要方法，尤以正弦脉宽调制（SPWM）的谐波分量最少，应用最广。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.3.5交流牵引112第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.正弦脉宽调制（SPWM）逆变电路在城市轨道交通车辆中，逆变电路的负载大多是感应电动机，要求可以调压、调频，而且输出是正弦波形。为此可以把一个正弦半波进行i等分，把正弦曲线每一等份所包含的面积，都用一个与其面积相等的等幅矩形脉冲来代替，这样，由数量足够多的等幅而不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波的半波等效，数字符号相同的矩形波面积与正弦波所围面积相同，如阴影部分所示；而另半波也可用相同的方法得到。与正弦波等效的等幅矩形脉冲序列波形如图2-44所示，各脉冲的幅值是相等的，所以逆变器可由恒定的直流电源供电，当逆变器各开关元件在理想状态工作时，显然驱动开关元件的控制信号也应该是与图2-44相似的一系列脉冲波。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.正弦脉宽调制（S113第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统（1）单极性正弦脉宽调制。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统（1）单极性正弦脉宽调114第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统（2）双极性正弦脉宽调制。第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统（2）双极性正弦脉宽调115第2章城市轨道交通车辆牵引传动系统2.3.6交流牵引系统力矩转速闭环控制城市轨道交通车辆的牵引传动系统要求在一个相当宽的范围内，对每个速度点都能提供适当的力矩值。在牵引传动中，力矩环是一个必不可少的基本单元。如图2-49中内环所示，指令力矩M*由一个直流参考电压表示，实际力矩信