城市轨道交通车辆电气控制 课件 赵丽 第1-4章 城市轨道交通车辆电气控制系统构成、城市轨道交通车辆辅助供电系统、电动列车常用电气控制系统及其控制方法

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）斩波调阻控制。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.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2.3.2三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.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3.三电平逆变器第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.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（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（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2.3.6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2.3.7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2.4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.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2.5车辆牵引系统主要设备检修

(略）第3章城市轨道交通车辆辅助供电系统本章重点

辅助供电系统作用。

辅助供电系统电路原理。

辅助逆变器主要部件。

辅助供电系统检修方法。3.1认识车辆辅助供电系统辅助供电系统是城市轨道交通车辆的一个重要组成部分，安装于拖车构架上，主要为除牵引系统以外的所有用电系统供电。辅助逆变系统通常需要满足如下基本要求：（1）输出电压为三相四线制，输出电压和频率满足规定的精度要求。（2）在宽输入电压变化范围内，输出额定容量的工作能力。（3）输出电压为正弦波形或准正弦波形。（4）较强的负载突变能力。（5）一定的冗余度。第3章城市轨道交通车辆辅助供电系统3.1.1辅助供电网络电动列车辅助供电网络主要包括：辅助逆变器（给AC中压和DC低压供电）、蓄电池、低压总线、所有控制器、断路器、继电器、接触器。1.辅助逆变器（DC/AC逆变）辅助系统由DC1500V（以DC1500V为例）接触网供电，经受电弓传输到列车总线，在线网电压正常情况下，受电弓将高压直流电通过列车总线同时传输给每节车的辅助逆变器。第3章城市轨道交通车辆辅助供电系统2.中压总线（AC380V）和低压总线（DC110V）列车内负载是由两组交流电源供电的，每组交流电源负责整列车一半的负载，当一组交流电源发生故障时，由它提供电源的一些重要AC负载会自动切换至另一组电源供电，保证这些AC负载能继续工作（如牵引箱的通风冷却风机等）。3.

DC网络的电源DC网络的电源是由带充电设备的蓄电池充电器通过二极管来提供的。蓄电池充电器内AC／DC变换器提供蓄电池充电和DC电源。第3章城市轨道交通车辆辅助供电系统3.1.2辅助逆变器的负载及分类1.辅助逆变器负载电动列车辅助逆变器系统主要由每节车厢的逆变器并联组成，并向空调通风、照明、蓄电池充电、设备冷却风机、低压电源提供电源，如图3-3所示：第3章城市轨道交通车辆辅助供电系统2.车辆的电气负载类型（1）照明电光源。（2）空气调节装置的电气设备。（3）列车电视、播音和通信设备。（4）普通客车使用的各种电气设备。（5）各种特殊用途的专用车辆所带有的专用电气设备。3.2辅助逆变器及其控制3.2.1辅助逆变器主要部件现代辅助供电系统主要有变压器隔离和变流两个功能部分。变压器隔离是将电网上的高压与低压用电设备进行电气隔离，尤其是常需人工操作的控制电源的设备，在电气电位上实现隔离。通常采用变压器进行电气隔离，同时也可通过设计不同的匝数比以满足电压值的需要，变流部分则是用来进行电能形式的转换，辅助用电设备大都需要三相380V、50Hz交流电源，所以要将波动的直流电压逆变为恒压恒频的三相交流电。上述两部分构成了完善的辅助逆变系统。第3章城市轨道交通车辆辅助供电系统1.现代辅助逆变系统主要特点（1）采用IGBT或IPM技术。①内含驱动电路。②内含过电流保护（OC）、短路保护（SC）。③内含驱动电源欠电压保护（UV）。④内含过热保护（OH）。（2）模块化的设计。（3）高质量的输出电压。（4）采用微机数字控制。第3章城市轨道交通车辆辅助供电系统2.辅助逆变器组成及原理本书以庞巴迪公司（BombardierInc）生产的上海地铁一号线增购车辆配有的辅助变流器为例来予以说明，辅助变流器安装在C车的PA电气设备箱中，其辅助变流器的原理图见

图3-4所示。第3章城市轨道交通车辆辅助供电系统3.辅助逆变器主要部件（1）PA电气设备组成。（2）逆变器。图3-8所示是ACM的一个简易电路图，其中三相线路感应器（即过滤器）可以削弱所有逆变器中的谐波，因此总的谐波畸变少于基础频率50Hz的10％。三相变压器将逆变器的输出电压转换成辅助系统的额定电压，另外它还起到隔离的作用。第3章城市轨道交通车辆辅助供电系统（1）DC-Link电容器。（2）放电电阻。（3）逆变器。（4）IGBT模块。（5）GDU（门极驱动单元）。（6）过压保护。（7）低电压电源。（8）DCU/A（驱动控制单元）。（9）MVB信号。（10）光缆输入/输出。（11）LED指示器。（12）便携式测试单元。（13）电流传感器。（14）电压传感器。（15）温度传感器。第3章城市轨道交通车辆辅助供电系统3.2.2辅助逆变电路结构城市轨道交通车辆中常见辅助逆变器结构有不同的形式，根据城市轨道交通车辆供电电压、安全性能要求及成本构成等，选择不同的辅助逆变电路结构形式和设备。1.辅助逆变器的电路形式（1）结构形式一。（2）结构形式二。第3章城市轨道交通车辆辅助供电系统（3）结构形式三。（4）结构形式四。第3章城市轨道交通车辆辅助供电系统（5）结构形式五。（6）结构形式六。第3章城市轨道交通车辆辅助供电系统（7）结构形式七。（8）结构形式八。第3章城市轨道交通车辆辅助供电系统（9）形式九。第3章城市轨道交通车辆辅助供电系统2.辅助供电系统的电路结构和设备的选择（1）变流器系统的选择。变流器系统有两种形式，一种是直接逆变，另一种是先斩波（升/降压斩波或降压斩波）后逆变。（2）逆变器的选择。逆变器有单台逆变器（上述形式一、二、三、四、九）和两台逆变器串联（上述形式五、六、七、八）两种形式。①单台逆变器。②两台逆变器串联。（3）低压电源的选择。低压电源包括DC/DC变流器和蓄电池。DC/DC变流器在列车运行时作为DC110V的电源，同时给蓄电池充电。第3章城市轨道交通车辆辅助供电系统3.3辅助供电系统电路分析3.3.1辅助供电系统供电电路应用1.辅助供电系统电路在城市轨道交通车辆中的应用分析（1）先经升/降压稳压后逆变的原理电路框图如图3-29所示，我国上海地铁l、2、4号线车辆逆变器就是采用这种方式。第3章城市轨道交通车辆辅助供电系统3.3辅助供电系统电路分析3.3.1辅助供电系统供电电路应用1.辅助供电系统电路在城市轨道交通车辆中的应用分析（1）先经升/降压稳压后逆变的原理电路框图如图3-29所示，我国上海地铁l、2、4号线车辆逆变器就是采用这种方式。（2）逆变器的电路构造应用分析。从城市轨道交通车辆辅助逆变器的电路构造分类，辅助逆变器的结构形式如图3-32所示。第3章城市轨道交通车辆辅助供电系统①对双逆变器型的评价分析。优点为开关频率低，仅150Hz，开关损耗小，逆变器效率高；输出电压为12阶梯波，电压的最低次谐波为11次，对输出滤波器要求低。缺点为电路复杂，使用元器件多。两台逆变器串联，动态均压要求高，故障率高。②对单逆变器的评价分析。优点为电路简单，使用器件少，可靠性高；PWM调制，输出电压的谐波含量小，而且可以设计优化的PWM调制，使谐波含量达到要求；逆变器电压输出先经交流滤波网络滤波后输入隔离变压器，故输入变压器电压的谐波含量低，变压器中谐波损耗小；变压器结构简单，不需特殊设计。缺点为关频率较高，相对于双逆变器方案，开关损耗较大，逆变器效率较低；功率器件（如IGBT）换流时承受的过电压（du/dt）较大，特别是在高电压情况下（DC1500V供电系统再生制动时，网压可达2000V）更为严重。（3）DC/DC变流器形式比较。第3章城市轨道交通车辆辅助供电系统3.3.2城市轨道交通车辆供电分配1.城市轨道交通车辆AC400V和DC110V供电分配（1）城市轨道交通车辆辅助供电方式。（2）城市轨道交通车辆负载分配实例。以上海地铁1号线车辆（直流传动）为例，其辅助供电系统回路如图3-40所示。第3章城市轨道交通车辆辅助供电系统3.4辅助供电系统的检修辅助逆变器的结构与牵引逆变器相似，其检修方法也基本一致。检修主要是对通风区域、散热片、半导体元件的安装等进行清洁检查，并视工作环境的情况检查清洁控制板。在清洁过程中，应采取防静电措施；同时，如控制板上有接线端子，应对接线端子进行清洁，必要时需进行打磨，以保证与电缆、控制线接触良好。实训略第4章电动列车常用电气控制系统及其控制方法本章重点

城市轨道交通车辆常用低压电器

常用电气设备符号及电路图识图

电动列车激活控制

电动列车初始条件设置控制

牵引和制动控制电路4.1城市轨道交通车辆常用低压电器城市轨道交通车辆的电气控制主要有两种，一种是传统的有接点电路控制方式，通过一系列接触器、继电器等器件的“接通”和“断开”来传递控制与检测信号，从而实现整车的控制，这种控制线路也称为继电器控制线路。另外一种是总线控制的方法，总线控制是基于计算机技术的控制，包括列车总线系统WTB和车辆多功能总线系统MVB。第4章电动列车常用电气控制系统及其控制方法4.1.1继电器继电器是一种能实现自动控制和保护功能的电器，它是根据外界输入信号的变化，接通或断开小电流电路的电器。其特点是额定电流小，不需要灭弧装置，节点数量较多，体积小。继电器主要由感测机构、中间机构和执行机构组成。1.电磁继电器电磁继电器是利用电磁铁芯与衔铁间产生的电磁吸力作用而工作的一种电气元件，它主要由电磁线圈、触头和二极管组成，当在电磁线圈两端通上额定电压时，电磁铁铁芯与衔铁间产生吸力作用，继电器动作，常开触点闭合，常闭触点断开。第4章电动列车常用电气控制系统及其控制方法本章重点

城市轨道交通车辆常用低压电器

常用电气设备符号及电路图识图

电动列车激活控制

电动列车初始条件设置控制

牵引和制动控制电路4.1城市轨道交通车辆常用低压电器城市轨道交通车辆的电气控制主要有两种，一种是传统的有接点电路控制方式，通过一系列接触器、继电器等器件的“接通”和“断开”来传递控制与检测信号，从而实现整车的控制，这种控制线路也称为继电器控制线路。另外一种是总线控制的方法，总线控制是基于计算机技术的控制，包括列车总线系统WTB和车辆多功能总线系统MVB。第4章电动列车常用电气控制系统及其控制方法2.时间继电器时间继电器的作用在于能按预定的时间接通或分断电路，实质上是一个定时器。按结构不同可分为机械式和电子式时间继电器；按工作方式不同可分为通电延时和断电延时时间继电器。如图4-3所示为3K15断电延时继电器。如图4-4所示为3K18通电延时继电器。第4章电动列车常用电气控制系统及其控制方法3.欠压继电器欠压继电器一般用在电路中起欠压保护作用，当继电器线圈接通+110V时，继电器动作，当电压小于设定值时，继电器失电断开。如图4-7所示为3K05欠压继电器，当01端的电压小于8V时，常开触点06-07断开，切断了连接蓄电池的110V列车线，防止蓄电池过度供电。第4章电动列车常用电气控制系统及其控制方法4.1.2主令电器主令电器是指在电气控制系统中用来发出指令的电器，主令电器按功能分为五类，即按钮、开关、主令控制器（驾驶控制器）、组合开关和其他主令电器等。1.按钮2.开关（1）普通旋转开关。（2）自复位旋转开关。（3）行程开关。（4）钥匙开关。第4章电动列车常用电气控制系统及其控制方法4.1.3接触器接触器作为执行元件，是一种用来频繁地接通和分断主电路、辅助电路以及较大容量控制电路的自动切换的电磁开关。它的特点是能进行远距离自动控制，操作频率较高，通断电流较大。接触器按主触头通过电流种类的不同，可分为交流接触器和直流接触器两种。接触器主要由主触头、传动机构、灭弧装置、辅助接点组成。1.电动力灭弧2.栅片灭弧第4章电动列车常用电气控制系统及其控制方法4.2常用电气设备符号及其电路图识图继电器控制线路是综合线路中最复杂的线路，线路图样数量多，有几十个继电器和大量的开关按钮、指示灯、电磁阀等。面对这样一套错综复杂的线路图，最重要的就是要利用电工原理，理出一条清晰的思路来，化繁为简，化难为易，学会识读和分析控制线路。4.2.1常用电气设备符号及其说明（1）各电气设备在电气线路图中除按表内符号表示外，在符号旁边还应标明相应电气设备在电路中的代号，且在所有该设备的各联锁旁边也标注同一代号。（2）导线也是电气线路图中的一部分，特别是一些重要的导线应在电路图中标明导线代号，不同类型和不同作用的导线可用不同字母或汉字表示。（3）常开联锁、常闭联锁（也称正联锁、反联锁）是对电器的工作线圈未通电、电器处于释放状态时的触点位置而言。（4）并不是所有的电器联锁都有常开、常闭的状态。（5）对于凸轮控制器或鼓形控制器，在电路图中将这类触头闭合次序沿轴向展开为一个平面的触头闭合电路图，简称展开图。第4章电动列车常用电气控制系统及其控制方法4.2.2城市轨道交通车辆控制系统电路图标注1.电路类型标注2.设备及元器件的标注3.电气联锁标注4.设备联锁及元器件位置、导线线号标注5.车钩装置的触点标注6.压力开关标注7.电路图的分区8.电路的结构及逻辑顺序第4章电动列车常用电气控制系统及其控制方法4.2.3常用联锁方法控制线路必须满足主、辅线路的控制需求，如电器按一定次序动作，驾驶员按一定顺序操作，因此必须设置一些联锁来满足控制线路的逻辑要求。1.机械联锁2.电气联锁（1）串联联锁。（2）并联联锁。（3）自持联锁。

（4）延时联锁。第4章电动列车常用电气控制系统及其控制方法4.3轨道交通车辆激活控制4.3.1列车激活（蓄电池接通）控制城市轨道交通车辆的控制电路电源电压为DC110V，在升弓前由蓄电池提供DC110V，升弓后由辅助供电系统DC/DC模块提供。启动或激活列车时，必须先接通列车蓄电池，其控制电路如图4-18所示。将蓄电池开关3S01置接通（ON）位置。其控制过程为：列车控制继电器3K11的线圈经3S01（23-24）联锁→车辆控制继电器3K12（61-62）联锁→车辆分断激活继电器3Kl3（22-21）联锁而得电自持第4章电动列车常用电气控制系统及其控制方法4.3.2蓄电池充电与供电控制蓄电池充电与供电的控制原理如图4-20所示，DC110V控制电源线有两种类型：一种是电磁电源线（有联锁控制电路电源线），另一种是电子电源线。第4章电动列车常用电气控制系统及其控制方法4.3.3列车驾驶台激活控制1.驾驶台的激活

城市轨道交通列车有两个驾驶室，为了便于管理和有序的控制，当一个有效激活后另一个则为无效。2.ATC（列车自动控制系统）的激活

ATC单元直接和蓄电池连接，但因其内部有电源，能独立于蓄电池工作。激活驾驶台的同时也激活了ATC设备。3.牵引保护（ATP）的激活

4.列车启动继电器控制如图4-21所示，列车启动继电器控制由列车电源线正端线30420提供DC110V，经过列车控制空气自动开关2F01提供给列车线20100，为后续的列车运行方向、制动控制电路和列车牵引控制电路供电。第4章电动列车常用电气控制系统及其控制方法5.车辆启动继电器控制随着驾驶台被激活，驾驶台的开关按钮就可以操作，但每辆车的控制操作还需要本节车的车辆控制启动继电器2K07得电才行，控制电路如图4-22所示。第4章电动列车常用电气控制系统及其控制方法6.驾驶台互锁控制当驾驶员将钥匙开关2A0l-S0l闭合，控制A车的2K07的常闭联锁（62-61）被2K01的常开联锁旁路，列车控制启动继电器2K01～2K05处于自持及吸合状态；此时在另一端驾驶室，钥匙开关2A01-S01的作用无效，此时即使钥匙开关2A0l-S01闭合，由于车辆控制继电器2K07已吸合，其常闭联锁（62-61）断开，各列车控制启动继电器2K01～2K05不能得电，即实现了防止另一个驾驶室被激活的功能。第4章电动列车常用电气控制系统及其控制方法4.4轨道交通车辆初始条件设置控制4.4.1列车方向控制只有当车辆处于静止时才能预先选择车辆的运行方向，如果驾驶员需要设置列车方向，应在激活的驾驶台将驾驶员控制器方向手柄推向前（F）位或者向后（R）位，其控制电路如图4-23所示。第4章电动列车常用电气控制系统及其控制方法4.4.2受电弓控制受电弓控制分为气路控制和电路控制。受电弓电路控制如图4-24所示，由列车电源线（DC110V）正端30420提供电源，由受电弓和高速断路器控制保护空气开关2F30进行过电流保护。1.升弓控制

当按下升弓开关2S01，电源经由自动空气开关2F31，使升弓启动继电器2K31得电，控制电路逻辑为：30420•2F30•2K04••2S01•2F31•2K31•304002.降弓控制按下降弓控制开关2S02，其常闭联锁（21-22）分断，升弓启动继电器2K31失电，同时2S02的常开联锁（13-14）闭合，使降弓继电器2K32得电，控制电路逻辑为：30420•2S02•2F32•2K33•30400第4章电动列车常用电气控制系统及其控制方法3.受电弓状态检测受电弓的状态可以从按钮灯上判断。当升弓按钮绿灯亮时，表示所有受电弓都已升起；当降弓按钮红灯亮时，表示所有受电弓都已降下；当升弓按钮绿灯和降弓按钮红灯都不亮时，表示两个受电弓处于不同的状态（如升单弓）。4.4.3高速断路器控制高速断路器lQ02的启动控制由列车电源线（DC110V）正端30420供电，由受电弓和高速断路器控制自动空气开关2F30进行过电流保护，其控制电路如图4-25所示。1.合闸控制用高速断路器“合”按钮开关2S04来吸合高速断路器（HSCB）1Q02，当该开关置“合”位，通过2S04的常开联锁（13-14）施加于列车导线21203，使高速断路器“合”启动继电器2K34得电吸合，控制电路逻辑为：21100•2K04••2S04•2F34•2K34•30400第4章电动列车常用电气控制系统及其控制方法2.分闸控制当要分断高速断路器时，可以用高速断路器“分”按钮开关2S03来人为分断高速断路器（HSCB）1Q02。见图4-25所示，当该开关在“分”位置，通过2S03联锁（21-22）先断开高速断路器“合”启动继电器2K34回路，然后通过2S03的（13-14）常开联锁接通列车导线21204，使高速断路器“分”