城市轨道交通车辆电气控制 课件3-6 列车牵引电动机电气系统的控制

列车牵引电动机电气系统的控制学习目标1.了解列车牵引传动系统的种类2.知道直流牵引传动系统的调速方式3.理解交流异步牵引电动机的调速原理4.了解交流牵引传动系统的牵引特性5.掌握各类交流牵引传动系统的特点6.知道直线牵引电动机的工作原理及应用目录交流异步牵引电动机的电气控制13直线牵引电动机的电气控制2永磁同步牵引系统的应用

第一部分交流异步牵引电动机的电气控制01交流牵引传动系统：是指采用由各种变流器供电的交流异步电动机或交流同步电动机的牵引系统。概念及特点概念及特点（1）优良的牵引特性和制动特性；（2）装机功率大，牵引电动机功率可达到1600kW;（3）质量轻，轮对的簧下质量轻，对线路的作用小，适合高速运行；（4）调速范围宽，可以满足现代化城市轨道交通车辆的需要；（5）系统具有快速的动态响应性能，尤其是在牵引状态向制动状态转换时，交流系统能实现无缝对接；（6）对逆变器合理的设计，可以使牵引系统的谐波小、效率高、可靠性好；（7）由于牵引变流器能够逆向运行，能够方便得实现再生制动。三相异步电动机的结构封闭式三相异步电动机的结构1—端盖；2—轴承；3—机座；4—定子绕组；5—转子；6—轴承；7—端盖；8—风扇；9—风罩；10—接线盒三相异步电动机的基本工作原理电生磁：闭合的转子绕组切割磁力线，产生感应电流磁生电：三相定子绕组通入三相对称电流，在空间产生了旋转磁场电磁相互作用产生电磁力：此电流又与旋转磁场相互作用产生电磁转矩，使转子跟随旋转磁场同向转动根据电磁感应原理工作，又名感应电动机三相交流异步电动机的定子绕组在加入频率的三相交流电后，在电动机的气隙中产生一个旋转的磁场，其转速为,称为三相交流异步电动机的同步转速。同步转速的表达式为：三相交流异步电动机的调速

改变异步电动机转速的方法三相交流异步电动机的调速

交流牵引系统的牵引特性牵引加速阶段恒转矩模式恒功率模式恒转差频率模式制动减速阶段恒转差频率模式恒转矩模式交流牵引系统的牵引特性工况模式需要控制的因素转矩定子电流牵引加速恒转矩恒功率恒转差频率制动减速恒转差频率恒转矩列车牵引/制动时各参数之间的关系矢量控制交流异步牵引电动机的调速控制基本原理是以异步电动机的转子磁场为基准，基于直流调速系统的控制思想对异步电动机进行矢量分解，把一次电流分解为励磁电流分量和力矩电流分量进行单独控制，在保持磁通一定的情况下控制力矩电流分量，即使力矩目标值急剧变化时也不至干产生显著的振荡和时，从而实现快速动态响应控制。矢量控制交流异步牵引电动机的调速控制特点：①优化空转再粘着的控制性能；②提高轻负荷再生时的再生效率；③提高乘坐舒适性（无转矩冲击）；④提高匀速驾驶和自动驾驶的精度。直接转矩控制交流异步牵引电动机的调速控制基本原理采用直接转矩控制方式控制异步牵引电动机，是以异步电动机的定子磁场为基准，通过定子磁链定向，直接对转矩进行控制，省去繁杂的解耦过程，使控制性能不受转子参数变化的影响，此外力矩和磁链都采用直接反馈的双位式Band-Band控制（又称棒棒控制，属于时间最优控制），从而不用将定子电流分解成力矩和励磁分量。直接转矩控制交流异步牵引电动机的调速控制特点：①采用了直接反馈的双位式Band-Band控制，避开了将定子电流分解成力矩和磁链分量，省去旋转坐标变换，控制器结构简化，但却带来了力矩脉动，对列车调速范围有所限制。②以定子磁链为控制对象，稳态的机械性能会略差一些，但是控制性能摆脱了转子参数变化的影响；③转矩响应速度快于矢量控制，关键在于它不采用电流调节方式，采用的是电压矢量一次到位来改变转矩。直接转矩控制交流异步牵引电动机的调速控制特点：①采用了直接反馈的双位式Band-Band控制，避开了将定子电流分解成力矩和磁链分量，省去旋转坐标变换，控制器结构简化，但却带来了力矩脉动，对列车调速范围有所限制。②以定子磁链为控制对象，稳态的机械性能会略差一些，但是控制性能摆脱了转子参数变化的影响；③转矩响应速度快于矢量控制，关键在于它不采用电流调节方式，采用的是电压矢量一次到位来改变转矩。交流异步牵引电动机的调速控制性能与特点直接转矩控制系统矢量控制系统磁链控制定子磁链转子磁链转矩控制Band-Band控制有转矩脉动连续控制，比较平滑坐标变换不需要需要转子参数变化影响无有调速范围不够宽较宽矢量控制与直接转矩控制性能与特点比较

第二部分永磁同步牵引系统的应用02转矩过载能力强。永磁同步电动机的电磁转矩波动范围小，动态响应快，转速平稳，带载能力强。效率和功率因数高。永磁同步电动机具有较高的效率和功率因数。与异步电动机相比，永磁同步电动机无需无功励磁电流，所以功率因数比异步电动机高。体积小，重量轻。与异步电动机相比，永磁同步电动机结构更简单，更轻。相同容量的异步电动机相比，体积和重量可减少20%-30%，使其适用于许多特殊应用。电动机特性组成：定子、永久磁钢转子、位置传感器、电子换向开关等。电动机结构工作原理：是在电动机的定子绕组中通入三相电流，产生旋转磁场，由于在转子上安装了永磁体，永磁体的磁极是固定的，根据磁极的同性相吸异性相斥的原理，在定子中产生的旋转磁场会带动转子进行旋转，最终达到转子的旋转速度与定子中的旋转磁极的转速相等。永磁同步电动机结构示意图国外：法国阿尔斯通、德国西门子、日本东芝以及加拿大庞巴迪等公司，进入产业化和商业化应用阶段。国内：国内地铁列车如北京地铁8号线、天津地铁6号线等采用了永磁同步电动机牵引系统，且成功投入使用。国内外应用2000年，以株洲中车时代电气为代表，开始对永磁同步电动机及其牵引系统展开了研究工作。2003年以后，时代电气开始关注牵引系统的发展，并对永磁同步牵引电动机的控制策略，永磁同步电动机牵引系统的设计方法及相关制造工艺进行了深入研究。2009年完成了永磁牵引系统样机的研制和试验平台的搭建工作。2010年，通过多轮原型试制，完成了190kW地铁永磁同步电动机的地面试验研究，成功掌握了永磁同步电动机牵引系统的设计方法。2011年，在沈阳地铁2号线上完成了空载（AW0）和负载（AW3）的现场装车试验；随后，在2014年完成了高速永磁动车组的装车试验；在2015年完成了长沙地铁1号线的装车运行等。

第三部分直线牵引电动机的电气控制03基本原理旋转感应电机(a)直线感应电机(b)直线电动机牵引系统：主要由牵引变流器、直线感应电动机和牵引控制器等构成。在地铁中的应用直线感应电动机由牵引逆变器供电驱动。直线感应电动机应用在城市轨道交通车辆时，电动机可以设置在车上，也可以设置在地上。牵引逆变器的驱动方式：3种，分别为车控、架控、轴控。在地铁中的应用广州地铁4号线和北京机场线均采用架控方式，每辆车由2个逆变器电路组成，每个逆变器电路包括一个直流滤波电容器、一个牵引逆变器单元，分别向两台直线感应电机供电。每个牵引控制系统由一个牵引控制器实现控制。在磁悬浮列车中的应用上海机场线磁浮列车500km/长沙磁浮快线列车110km/h常导吸浮型：用一般导体的线圈，以异性磁极相吸的原理，一般由同步或异步感应直线电动机驱动。时速可根据需要设计为100km/h或500km/h。磁悬浮高度一般为10mm。在磁悬浮列车中的应用调节电磁铁线圈电流与F轨作用，产生吸力使车辆悬浮8~10mm常导吸浮型在磁悬浮列车中的应用超导电动悬浮（EDS）利用同性电磁斥力悬浮日本山梨试验线磁浮列车603km/h超导斥浮型：用低温超导的线圈，以同性磁极相斥原理，一般由同步直线电动机驱动的磁悬浮列车以日本为主要代表。一般多为高速，即时速500km/h以上。磁悬浮高度可达100mm以上。直线磁悬浮电动机的结构与性能在磁悬浮列车中的应用类别推斥型吸引型轨道材质良导电体轨道铁磁材料制成工作原理以装在车上的磁体与涡流轨道之间产生的推斥力为基础以车上的磁体与铁磁轨道之间产生的吸引力为基础工作状态只有在速度不为0时工作低速、高速状态均能工作性能性能较差、气隙较大性能较好基本形式有吸引型和推斥型两种。吸引型推斥型常导吸引型磁悬浮列车在磁悬浮列车中的应用在常导吸引型磁悬浮列车中T形梁翼底部为同步直线电机的定子，其下方为安装在车体上的悬浮电磁铁，该电磁铁同时兼作同步直线电机的转子。悬浮电磁铁通电时产生磁场，与直线电机定子的铁心产生吸引力，把磁悬浮车往上拉向定