城市轨道交通车辆电气课程设计报告样本

都市轨道交通车辆电气课程设计学院：都市轨道交通学院系（教研室）：车辆工程系课程名称：都市轨道交通车辆电气课题名称：城轨列车牵引模仿系统设计姓名：潘汪洋学号：上海工程技术大学都市轨道交通学院12月目录1概述 12城轨列车牵引系统 13城轨列车牵引模拟系统 74个人项目具体分工 75设计方案及型号设定 106总结 167结后语 168参考资料 17城轨车辆负载模仿子系统硬件设计1概述随着都市化进程日益加快，都市人口急剧增长，国民收入普遍增长，汽车数量急剧猛增，导致交通拥挤、堵塞状况日益严重。因而，大力发展都市公共交通有着积极重要意义。其中城轨交通因其运量大、速度快、稳定性好、守时等众多长处，更具备相称重要发展和研究意义。国内牵引系统应用重要建立在借鉴国外成功经历基本上，本地化进程不太完善。通过本课题研究，可以让咱们更以便更清晰理解牵引及电制动特性，对实现列车运营过程中列车状态监测具备重要指引意义，对牵引系统开发控制提供了模仿实验环境，同步为制动能量回收打好了基本，对环保和节能也具备重要研究价值。2城轨列车牵引系统电力牵引是一种将电能作为动力牵引方式。都市轨道交通车辆电力牵引系统基本功能是车辆经供电网络吸取电能转变为驱动车辆所需机械能；并且在必要时将车辆机械能变成电能，对车辆实行电制动。因此在电力牵引系统中重要构成某些即是机电能量变换装置——电机，并且电力牵引系统以牵引电机为控制对象，通过对电机牵引力和速度进行调节，以满足列车牵引和制动特性规定。纵观国内外城轨列车电力牵引起展状况，当代城轨列车牵引系统具备如下特点：广泛应用三相异步牵引电动机及逆变器，使用变频变压技术。牵引变流器广泛采用了IGBT（或IPM）模块作为主开关器件，由于该类电力电子器件具备很高开关频率，从而使电源输出特性更高，控制能力更强。微电子技术在地铁列车牵引、制动、辅助控制、信息存储和显示、防滑与防空转控制、以及行车安全等方面均有了较广泛应用。车辆制动，除了采用摩擦（空气）制动外，还采用了动力（电）制动技术，如电阻制动、再生制动和磁轨制动等，来提高运营中节能环保性与安全性。电力牵引系统与列车自动控制系统紧密结合。就国内而言，都市地铁与轻轨建设起步较晚，但随着改革开放与国民经济发展日益得到注重，特别是进入21世纪以来，国内都市轨道交通得到了迅猛发展。国内地铁车辆发展，按其传动与控制方式可分为直流调阻车、直流斩波车和交流传动[13]。直流调阻车有如初期北京地铁一号线车辆；直流斩波车有如初期上海地铁一号线车辆；交流传动则当前大某些被城轨交通车辆所使用，因其发展趋势与世界牵引技术发展主流相一致。3城轨列车牵引模仿系统对于城轨交通，不论是轻轨、地铁还是高铁，列车牵引系统工作特性研究都是至关重要。但正如咱们所理解同样，轨道交通牵引系统规模庞大，运营负载高，且变化率高，研究参数多且动态非线性限度高，数据信息量巨大，控制模型复杂等等，这些都为牵引系统研究带来了很大阻力。同步测控实验平台建设成本高，又较不容易实现，因此当前重要建立在城轨列车牵引模仿系统基本上，运用虚拟仪器开发平台实现仿真研究。3.1城轨列车牵引模仿系统国内外研究现状对于牵引动态性能研究实验技术，现阶段国内仅有南车株洲电力机车研究所有限公司、中华人民共和国铁道科学研究院等少数单位建立了整车大功率实验平台[5]。但是这一类牵引实验系统建设成本高，耗费时间久，并且更重要是实验平台完毕建设后来，其外部硬件设备及其连接条件往往难以变化，因而不能适应新科学技术发展，难以跟上城轨列车牵引系统发展步伐。从国际范畴看，随着科学技术、虚拟仪器技术和软件开发平台以及轨道交通列车牵引理论进步，国际上知名整车车辆实验台也逐渐被拆除而放弃投入实验使用。当前，城轨列车牵引系统研究重要是建立在小功率交流牵引电机模仿实验平台上，通过软件设计和硬件连接完毕模仿实验。3.2基于小功率交流电机牵引模仿系统由于上一节内容中所提到城轨列车牵引实验平台建设困难性，咱们较普遍实验系统是基于小功率交流牵引电机模仿系统。该实验系统运用图形化编程（G语言）软件平台，通过设计、编写软件数据采集模块程序，实现模仿输入输出；运用信号解决模块将模仿输出数字信号转换为励磁电流电信号，使计算机可以在计算模仿运营阻力同步，控制交流测功机模仿列车运营阻力进行逆扭矩加载，对列车运营状态进行监测，由此来实现对城轨列车牵引转速、转矩闭环控制。然后，运用LabVIEW丰富数据解决分析控件和编写数据解决及显示模块程序，计算机可以用实时监测出变化波形图表来精准地显示电流电压、转速转矩等多项动态参数。然后运用数据存储模块，可以将采集和解决数据信息存储到自定义目录下，以实现为牵引电机特性分析提供数据支持最后目。固然这些功能实现，全是在软件程序设计和硬件系统完善前提条件下进行。3.2.1城轨列车牵引模仿系统总体简介城轨列车牵引模仿系统采用380V交流电，通过整流、滤波、调压主电路后，将电能传递给牵引逆变主电路和制动主电路，再将电流转换后传递给牵引电机和负载电机，实现牵引控制和负载控制，最后通过传感器和惯量飞轮，经由数据采集卡，运用实验软件程序将数据进行采集存储、解决和显示，以最后实现牵引过程测控功能。该实验平台构造图如图3.1所示。电网电网整流、滤波调压主电路牵引逆变器主电路制动电阻牵引电机负载电机传感器惯量飞轮制动逆变器主电路数据采集卡工业控制计算机牵引控制测功机系统负载控制图3.1城轨列车交流牵引模仿实验平台构造简图在上述城轨列车交流牵引模仿实验系统中，交流电机与交流测功机工作状态实现了闭环控制功能。在这个测控实验系统中，交流电机被用来模仿城轨列车牵引系统中牵引电机，测功机被用来模仿列车运营中动态阻力。当列车在牵引工况时，交流电机相称于城轨列车运营时电动机，而测功机相称于发电机，这样可见消耗电能可大大减小，由此实现牵引系统转速转矩闭环控制。除此之外，系统还运用了三级飞轮来模仿运营城轨列车空载（AW1）、满载（AW2）、超载（AW3）这些不同运营工况。城轨列车牵引模仿实验平台可以用来分别实现牵引和制动两种工况：在牵引运营工况下，可实现对电机转速转矩闭环控制，并对牵引状态下各种工况实现数据采集和分析解决及显示；在实行电制动工况下，能模仿电机实现电阻制动和电制动。这为城轨列车牵引特性分析提供了可靠数据。3.2.2城轨列车牵引模仿系统数据采集系统数据采集系统涉及硬件和软件两大某些。硬件重要是指数据采集卡。本实验系统中采用了NI公司PCI一6225数据采集卡。该某些硬件选取和应用重要由负责硬件研究同窗选取。软件某些重要是指基于LabVIEW软件开发平台所编写实验程序，即数据采集模块软件程序。该某些重要功能是运用数据采集卡和软件平台将采集到实验数据运用计算机进行数据分析解决和显示，精确监测模仿牵引时电机运营状态，实时获取运营时电流电压、转速转矩等多项实验数据，为牵引特性研究提供了数据基本。3.2.3牵引特性及其分析都市轨道列车牵引特性分为三个阶段：恒转矩区、恒功区、自然特性区。（1）恒转矩区。恒转矩区时候，牵引力、电机电流、列车加速度均恒定，功率随着速度增大线性上升，牵引电机电压由0开始上升到最大值，然后电机保持最大电压不变，牵引特性进入恒功区。（2）恒功区。电机电压、功率恒定。由于电压不变，因此随着速度增大，电机励磁磁通反比减小，牵引力和速度也成反比关系：F=k1/V。（K1是常数，k1=F*恒功转折速度，F是转折点牵引力。）（3）自然特性区。电机电压恒定，牵引力和速度平方成反比关系：F=k2/V2，。（Vmax——列车最大运营速度；m——列车质量；a——列车最高速时剩余加速度；R——列车运营基本阻力；自然特性起始速度：V=k2/k1。）都市轨道车辆在站与站区间内，普通三个区域内运营：牵引加速区、惰行区和制动减速区。图3.2城轨列车速度曲线图4．个人项目详细分工整体机械构造设计：管晓杰牵引模仿系统硬件设计：何佳鹏负载模仿系统硬件设计：潘汪洋主电路设计：黎萱牵引模仿系统控制程序设计：林立负载模仿系统控制程序设计：庄雪儿控制信号传播和采集：康炯杰牵引力及基本阻力计算：张志豪4设计方案及型号设定4.1负载模仿系统设计负载模仿系统作用是模仿实际列车运营时产生阻力，通过该系统模仿仿真，可以更好地模仿列车在实际运营中运营工况。在本实验平台负载模仿系统中搭载了ABB公司电机，附带有高性能测功机，可实现列车运营阻力仿真。考虑到实际列车在运营时普通由六至八节列车编组，每列车有四到六节动车，每节车有四台牵引电机，而此实验设备还不能模仿整列列车实际运营阻力，因而在本实验系统中通过将列车运营阻力平分到每台电机上，通过负载转矩形式加载在牵引电机上，达到对列车运营工况中阻力模仿。图4.4为负载电机。4.2变频器和负载电机连接电路设计4.3电机设计4.3.1电机选型通过成员讨论，决定采用M2QA系列原则三相异步电动机。这是ABB公司系列产品中基本系列，符合欧共体II级效率原则，高效可靠，节能环保。该系列电机引进全套欧洲生产工艺，噪音低，寿命长，合用于各种恶劣环境，被广泛地运用于各行各业。4.3.2电机参数（1）额定功率本实验系统与真实2号线列车运营阻力以1900:11比例缩放，因而选用电机额定功率为P=7.5KW。（2）额定转速为了最贴合实际模仿列车牵引运营工况，额定转矩选用n=2910r/min。（3）额定转矩依照公式T=9549P/nT=24.6Nm（4）额定输入电压依照实验室条件，得出额定输入电压U=380V4.4变频器设计4.4.1工作原理变频器（Variable-frequencyDrive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过变化电机工作电源频率方式来控制交流电动机电力控制设备。变频器重要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微解决单元等构成。变频器靠内部IGBT开断来调节输出电源电压和频率，依照电机实际需要来提供其所需要电源电压，进而达到节能、调速目，此外，变频器尚有诸多保护功能，如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化限度不断提高，变频器也得到了非常广泛应用。ABB变频器通过将380V交流电压整流滤波成为平滑510V直流电压，再通过逆变器件将510V直流电压变成频率与电压均可调交流电压，电压调节范畴在0V--380之间；频率可调范畴在0HZ--600HZ之间。以达到控制电动机无极调速目。4.4.2变频器选型变频器采用ABB公司生产ACS800型变频器ACS800系列传动产品最大长处就是在全功率范畴内统一使用了相似控制技术，例如起动向导、自定义编程、DTC控制、通用备件、通用接口技术，以及用于选型、调试和维护通用软件工具。先进技术-DTCACS800核心技术就是直接转矩控制(DTC)。它是当前最先进交流异步电机控制方式。DTC稳定杰出性能，使ACS800合用于各种工业领域。启动向导ABB交流传动持续不断在完善顾客界面。启动向导应用，使ACS800调试变得非常简便。自定义编程与老式参数编程相比，ACS800自定义编程具备更好适应性。作为全系列原则配备，就想传动产品内置了小型PLC，且不需要添加任何附加软硬件。高度集成和紧凑构造设计作为原则配备，ACS800全系列已经内置了电抗器。此外，在ACS800内部还可以同步再安装三个可选模块:I/O扩展模块，现场总线适配器模块，脉冲编码器接口模块或PC机接口模块。对于这些模块，无任何附加空间和电缆规定。环保产品ABB是ICC(国际商会)可持续发展商务成员，并一致致力与环保。ABB交流传动产品遵循16项ICC规定，在生产过程中遵循ISO14001原则。6总结通过对列车运营阻力数据分析，拟定了相应电动机型号以及变频器型号，同步拟定了电动机和变频器连接电路。为整个系统硬件模块搭建起到了铺垫作用7结后语随着经济发展，人民生活水平不断提高，人民出行需求也随之增大。因而，轨道交通，作为都市内大运量交通工具，则是不可或缺。大力发展轨道交通是当前都市交通发展重中之重。咱们在学习了都市轨道交通电气设备这门课后，运用学到一系列专业课知识，搭建了这一仿真模型，从理论分析到虚拟仪器平台建设，实现了都市轨道交通列车牵引系统控制。在这个仿真模型中，咱们成功地对列车牵引电机分别在AW1，AW2，AW3工况下进行启动、变速控制，得到了较为满意实验成果。但是，咱们也有某些较为遗憾地方：（1）对西门子MM440变频器功能更进一步挖掘，其内部整流和逆变单元更有待进一步研究，对列车再生制动能起到更好回馈作用。（2）飞轮换挡不是非常以便。由于是采用锯齿状啮合方式，使得诸多状况下联轴器无法和飞轮啮合。如果将锯齿状改为三角形状，可以有效解决这一问题。8参照文献[1]杨俭，宋瑞刚，尧辉明，方宇．30kW交流电机都市轨道车辆模仿牵引系统[J]．电力机车