城市道交通车辆电气运行与维修项目3 电源设备.ppt

出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页任务1牵引逆变器(VVVF)设备任务目标在该任务中，主要掌握逆变器的工作原理、逆变器设备的结构工作过程，并掌握这些设备常出现的故障现象及处理方法项目项目3 电源设备电源设备1出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页任务重点在高压设备中，逆变器是列车运行最为关键的设备，因此逆变工作原理就是本任务中应该重点掌握的知识知识准备高等数学基础、电子电路基础知识描述逆变器是动力电源和辅助电源的主要部件其主要功能是将DC1500直流电源变换成三相交流电源，以供牵引电机用电和其他用电在变换过程中，逆变调整三相交流电的频率和电压，从而使牵引电机变换转动速度，达到控制列车速度的作用这里首先了解绝缘栅双极型晶体管(IGBT)2出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页(1)绝缘栅双极型晶体管20世纪80年代中期出现了将它们的通、断机制相结合的新一代半导体电力开关器件——绝缘栅极双极型晶体管(Insulated Gate Bipo-Lar Transistor，IGBT)，如图3.1所示它是一种复合器件，其输入控制部分为MOSFET，输出级为双级结型三极晶体管；因此兼有MOSFET和电力晶体管的优点，即高输入阻抗，电压控制，驱动功率小，开关速度快，工作频率可达到10～40kHz(比电力三极管高)，饱和压降低(比MOSFET小得多，与电力三极管相当)，电压、电流容量较大，安全工作区域宽。

目前2500～3000V、800～1800A的IGBT器件已有产品，可供几千千伏安以下的高频电力电子装置选用3出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页图3.1绝缘栅双极型晶体管IGBT也有3个电极：栅极G、发射极E和集电极C输入部分是一个MOSFET管1)MOS场效应管结构MOS场效应管也被称为MOSFET，即Metal Oxide SemiconductorField Effect场效应管，主要用于控制电流大小的导体元件它分为两大类：即绝缘栅型和结型4出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页绝缘栅型场效应管可分为增强型和耗尽型两种：增强型→N沟道、P沟道；耗尽型→N沟道、P沟道N沟道增强型MOS管：图3.2为N沟道增强型MOS管，其结构有4个电极：漏极D、源极S、栅极G和衬底B元件材料由半导体P型和N型材料组成5出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页图3.2N沟道增强型MOS管P沟道增强型MOS管如图3.3所示6出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页图3.3P沟道增强型MOS管7出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页3.4)，从而形成电流，使源极和漏极之间导通。

我们也可以想象为两个N型半导体之间为一条沟，栅极电压的建立相当于为它们之间搭了一座桥梁，该桥的大小由栅压的大小决定2)MOS场效应管工作原理对于场效应管(见图3.4)，在栅极无电压时，由分析可知，在源极与漏极之间不会有电流流过，此时场效应管处于截止状态当有一个正电压加在N沟道的MOS场效应管栅极上时，由于电场的作用，此时N型半导体的源极和漏极的负电子被吸引出来而涌向栅极，但由于氧化膜的阻挡，使得电子聚集在两个N沟道之间的P型半导体中(见图因此，栅级电压越高，源级与漏级之间的电流也越大8出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页图3.4MOS场效应管9出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页供给，使得晶体管截止3)IGBT组合元件特性IGBT的等效电路如图3.5所示由图可知，若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压，则MOSFET导通，这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通；若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V，则MOSFET截止，切断PNP晶体管基极电流的10出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页图3.5IGBT等效电路图由此可知，IGBT的安全可靠与否主要由以下因素决定：A.IGBT栅极与发射极之间的电压；B.IGBT集电极与发射极之间的电压；C.流过IGBT集电极２发射极的电流；D.IGBT的结温。

如果IGBT栅极与发射极之间的电压，即驱动电压过低，则IGBT不能稳定正常地工作，如果过高超过栅极２发射极之间的耐压则IGBT可能永久性损坏；同样，如果加在IGBT集电极与发射极允许的电压超过集电极２发射极之间的耐压，流过IG２BT集电极２发射极的电流超过集电极２发射极允许的最大电流，IGBT的结温超过其结温的允许值，IGBT都可能会永久性损坏11出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页的等效电阻RDS)输出部分为一个PNP三极管T1，此外还有一个内部寄生的三极管T2(NPN管)，在NPN晶体管T2的基极与发射极之间有一个体区电阻Rbr图3.6(b)中Rdr表示MOSFET的等效调制电阻(即漏极２源极之间12出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页①静态特性13出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页14出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页图3.6IGBT的静态特性图15出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页②动态特性16出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页图3.7IGBT的开通与关断过程17出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页开通过程中，在td，tr时间内，栅２射极间电容在外施正电压作用下充电，且按指数规律上升，在tfu1，tfu2这一时间段内MOSFET开通，流过对GTR的驱动电流，栅２射极电压基本维持IGBT完全导通后驱动过程结束。

栅２射极电压再次按指数规律上升到外施栅极电压值IGBT关断时，在外施栅极反向电压作用下，MOSFET输入电容放电，内部PNP晶体管仍然导通，在最初阶段里，关断的延迟时间td和电压UCE的上升时间tr，由IGBT中的MOSFET决定关断时IGBT和MOSFET的主要差别是电流波形分为tfi1和tfi2两部分，其中，tfi1由MOS２FET决定，对应于MOSFET的关断过程；tfi2由PNP晶体管中存储电荷所决定因为在tfi1末尾MOSFET已关断，IGBT又无反向电压，体内的存储电荷难以被迅速消除；所以漏极电流有较长的下降时间因为此时漏源电压已建立，过长的下降时间会产生较大的功耗，使结温增高，所以希望下降时间越短越好18出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页③擎住效应由图3.7(b)电路可以看到IGBT内部的寄生三极管T2与输出三极管T1等效于一个晶闸管内部体区电阻Rbr上的电压降为一个正向偏压加在寄生三极管T2的基极和发射极之间当IGBT处于截止状态和处于正常稳定通态时(ic不超过允许值时)，Rbr上的压降都很小，不19出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页足以产生T2的基极电流，T2不起作用。

但如果ic瞬时过大，Rbr上压降过大，则可能使T2导通，而一旦T2导通，即使撤除门极电压UGE，IGBT仍然会像晶闸管一样处于通态，使门极G失去控制作用，这种现象称为擎住效应在IGBT的设计制造时已尽可能地降低体区电阻Rbr，使IGBT的集电极电流在最大允许值ICM时，Rbr上的压降仍小于T2管的起始导电所必需的正偏压但在实际工作中ic一旦过大，则可能出现擎住效应如果外电路不能限制ic的增长，则可能损坏器件除过大的ic可能产生擎住效应外，当IGBT处于截止状态时，如果集电极电源电压过高，使T1管漏电流过大，也可能在Rbr上产生过高的压降，使T2导通而出现擎住效应可能出现擎住效应的第三个情况是：在关断过程中，MOSFET的关断十分迅速，MOSFET关断后图3.7(b)中三极管T2的J2结反偏电压UBA增大，MOSFET关断得越快，集电极电流ic减小得越快，则UCA=Es-R20出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页(2)逆变器电路及工作原理1)180°导电方式每桥臂导电180°，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差为120°任一瞬间有3个桥臂同时导通，每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换流。

逆变器箱的逆变控制如图3.8所示，由6个IGBT(绝缘栅双极型晶体管)管组成了一个三相桥式电路通过Tc车司机室的PWM控制，就可以在输出端得到相位各相差120°(电气角)的三相交流电源该电源的频率由IGBT管通断频率决定，而幅值则等于直流电源的幅值21出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页图3.8逆变器箱的逆变控制2)波形分析输入与输出波形：输入为UN，VN，WN；输出则为：UV，VW，WN，如图3.9所示22出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页图3.9波形分析图23出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页导电过程：(R为电动机阻抗)直流电压基本无脉动，桥臂1，3，5的电流相加可得直流侧电流id的波形，id每60°脉动一次，因此逆变器从交流侧向直流侧传送的功率是脉动的，电压型逆变电路的一个特点，如图3.10所示24出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页图3.10电压型逆变电路25出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页导电方式波形图图3.11导电方式波形如图3.11所示26出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页 ②负载线电压有效值： 注意：为了防止同一相上下两桥臂开关器件直通，采取“先断后通”的方法。

4)控制方法——PWM控制PWM控制方法通过控制IGBT管(绝缘栅双极型晶体管)的通断，不仅实现了在改变频率的同时也调整了电压，而且可以使逆变器输出电压的高次谐波分量大大减小，因此获得普遍的运用，如图3.12所示3)主要的数量关系①输出相电压有效值：27出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页3.12形状不同而冲量相同的各种窄脉冲V1，V4接U相信号，V2，V5接V相信号，V3，V6接W相信号信号的相位差为120°同相信号交替导通，使输出端成正弦波改变相信号导通频率，就改变了电动机的三相交流电频率改变栅极电压，就可改变输出电压3)VVVF控制PWM控制技术在逆变电路中应用最广，应用的逆变电路绝大部分是PWM型，PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位本章主要以逆变电路为控制对象来介绍PWM控制技术28出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页1)PWM控制的基本原理①理论基础：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同冲量指窄脉冲的面积效果基本相同，是指该环节的输出响应波形基本相同低频段非常接近，仅在高频段略有差异。

②面积等效原理：分别将如图3.12所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节(R２L电路)上，如图3.12(a)所示其输出电流i(t)对不同窄脉冲时的响应波形如图3.12(b)所示从波形图可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同脉冲越窄，各i(t)响应波形的差异也越小如果周期性地施加上述脉冲，则响应i(t)也是周期性的用傅里叶级数分解后将可以看出，各i(t)在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同29出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页3.13冲量相同的各种窄脉冲的响应波形用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，将正弦半波N等分，并看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积(冲量)相等，宽度按正弦规律变化冲量相同的各种窄脉冲的响应波形如图3.13所示SPWM波形——脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，如图3.14所示30出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页3.14用PWM波代替正弦半波31出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页常是等幅PWM波，输入电源是交流，得到不等幅PWM波。

基于面积等效原理，本质是相同的④PWM电流波：电流型逆变电路进行PWM控制，得到的就是PWM电流波⑤PWM波形可等效的各种波形：直流斩波电路：等效直流波形SPWM波：等效正弦波形，还可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和SPWM控制相同，也基于等效面积原理要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可③等幅PWM波和不等幅PWM波：由直流电源产生的PWM波通32出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页2)PWM逆变电路及其控制方法目前，中小功率的逆变电路几乎都采用PWM技术逆变电路是PWM控制技术最为重要的应用场合本节内容构成了本章的主体，PWM逆变电路也可分为电压型和电流型两种，目前常用的是电压型3)计算法和调制法①计算法根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算PWM波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通断，就可得到所需PWM波形缺点：烦琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都会变化33出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页②调制法输出波形作调制信号，进行调制得到期望的PWM波；通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波；等腰三角波应用最多，其任一点水平宽度和高度成线性关系且左右对称；与任一平缓变化的调制信号波相交，在交点控制器件通断，就得宽度正比于信号波幅值的脉冲，符合PWM的要求。

调制信号波为正弦波时，得到的就是SPWM波；调制信号不是正弦波，而是其他所需波形时，也能得到等效的PWM波34出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页35出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页图3.15单相桥式PWM逆变电路36出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页图3.16单极性PWM控制方式波形37出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页38出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页3.17双极性PWM控制方式波形单相桥式电路既可采取单极性调制，也可采用双极性调制D.双极性PWM控制方式(三相桥逆变)：如图3.18所示39出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页图3.18三相桥式PWM型逆变电路40出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页41出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页图3.19三相桥式PWM逆变电路波形42出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页防直通死区时间：同一相上下两臂的驱动信号互补，为防止上下臂直通造成短路，留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间。

死区时间的长短主要由器件关断时间决定死区时间会给输出PWM波带来影响，使其稍稍偏离正弦波PWM控制的特点：①在一个可控功率级内调频、调压，简化了主电路和控制电路的结构，使装置的体积小、质量轻、造价低②直流电压可由二极管整流获得，交流电网的输入功率因数接近1；如有数台装置，可由同一台不可控整流器输出作直流公共母线供电③输出频率和电压都在逆变器内控制和调节，其响应的速度取决于电子控制回路，而与直流回路的滤波参数无关，所以调节速度快，并且可使调节过程中频率和电压相配合，以获得好的动态性能④输出电压或电流波形接近正弦，从而减少谐波分量43出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页(4)车辆牵引电路逆变器单元采用IGBT模块，为两电平逆变电路主电路由两个逆变器单元(INV1，INV2)组成，每个逆变器单元集成三相逆变器的三相桥臂及制动相桥臂，驱动两台异步牵引电动机(1C2M)两个逆变器单元集成在一个牵引逆变器箱中，驱动4台牵引电动机逆变器模块采用抽屉式结构；冷却采用热管散热器走行风冷却方式车辆牵引电路如图3.20所示44出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页图3.20车辆牵引电路45出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页车辆整个牵引电路由一次电路和控制电路组成。

一次电路如图3.20所示，控制电路由牵引控制单元DCU构成(含VVVF)整个系统由受电弓、高速断路器HSCB、VVVF牵引逆变器、DCU/UNAS(牵引控制单元)、牵引电机、制动电阻等组成，列车受电弓从接触网受流，通过高速断路器后，将1500VDC送入VVVF牵引逆变器VVVF牵引逆变器采用PWM脉宽调制模式，将1500VDC直流电逆变成频率、电压可调的三相交流电，平行供给车辆4台交流鼠笼式异步牵引电机，对电机进行调速，实现列车的牵引、制动功能，其半导体变流元件采用4500V/3000A的GTO(IGBT)，最大斩波频率为450HzVVV输出电压的频率调节范围为0～112Hz，幅值调节范围为0～1147VAC46出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页控制，同时具备完整的牵引变流系统故障保护功能、模块级的故障自诊断功能和一定程度的故障自复位功能以及部分车辆级控制功能，DCU是组成列车通信网络的一部分，与多功能机车车辆总线MVB接口及通信DCU集成在一个7U的标准机箱内，安装在逆变器箱(VVVF箱)中车辆DCU箱(含DCU、传感器、IGBT等)，如图3.21和图3.22所示。

逆变器控制装置即传动控制单元(DCU)，采用“异步电动机直接转矩控制”粘着控制”软件和“交流传动模块化设计”硬件，主要完成对IGBT逆变器暨交流异步牵引电机的实时控制、粘着控制、制动斩波47出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页图3.21其中，中间DCU控制箱如图3.23所示48出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页图3.22牵引动力箱主要分布如图3.24所示中间为DCU，两侧为7个IGBT元件，两侧为传感器、制动电阻布置空间49出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页50出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页图3.24牵引动力箱主要分布图牵引逆变器VVVF参数：51出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页车辆牵引控制主要由VVVF牵引逆变器、牵引控制单元DCU/UNAS及制动电阻组成牵引控制单元DCU和逆变器保护单元UNAS设计成一上下两层的机箱，共装有25块电子板各电子板为标准的193U印刷电路板，使用多层板技术，电子板上的元件采用表面封装(SMD)或插装(DIL)52出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页DCU的A314和A315板、UNAS的A329和A330板的前面板上通过Harting接插件(48针)与外部电路联接。

要实现IGBT大功率三相交流电的变频、变压输出，在这个部件的栅级上，实现对控制信号的调整这就要靠DCU和UNAS控制电路来完成这个电路的控制要点为：①三相控制信号的相位差要为120°②调整信号的开关频率和栅级电压来实现电机的变频、变压输出1)逆变器控制单元(DCU)DCU为VVVF提供脉宽调制信号PWM，采用空间磁场矢量控制的转矩控制模式，为牵引电机提供矢量控制53出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页DCU为双微机工作方式，其CPU采用16位中央处理器80C166，工作频率为20MHz主控制微机(A304板)负责车辆控制和牵引/制动控制，处理所有的数字/模拟信号，产生相应的控制信号；另一个微机(A303板)接收主控制微机传送来的控制信号，计算产生VVVF逆变器的脉冲模式，经UNAS保护程序控制GTO(IGBT)的通/断状态整个DCU系统的局部总线采用ADtranz设计的专用GERTRAC总线，连接主控制单元(A304板)、速度信号处理和中断控制模块(A305、A306板)、PDA数据存储模块(A307板)54出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页a.牵引系统的控制与调整；b.脉冲模式的产生与优化；c.VVVF与牵引电机的控制与保护；d.对列车状态的监测与保护；e.再生制动与电阻制动的控制与调节；f.电制动与气制动的自动转换及列车保压制动的实现；g.防滑/防空转保护及载荷调整；h.逆变器线路滤波电容器的充放电控制；i.列车速度的获取与处理及自动计算停车距离；j.列车牵引控制系统的故障诊断与存储；k.为其他控制系统提供列车状态信号；55出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页l.提供串行接口与PTU连接，进行监测与控制；m.提供“黑匣子”功能；0～470s，记录U、I、V、列车状态、走行距离。

2)DCU工作原理DCU控制主电路原理如图3.25所示，采用直接转矩控制完成对异步牵引电动机的精确转矩控制，实现完全微机化、数字化的实时控制DCU具有符合列车通信网络(TCN)IEC61375标准的MVB通信接口，对外与车辆总线相连，与中央控制单元等形成控制与通信系统DCU内部则构成并行AMS总线车辆控制以网络为主，具备当列车控制与诊断系统出现故障时，可自动切换到硬连线模式以实现牵引功能56出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页图3.25DCU控制主回路示意图DCU的控制可分为两层功能，上层的控制功能主要由SMC用ISA编程，通过对AMS总线的控制来实现，下层由电机侧变流器控制器(MCC)实时控制器构成①上层控制A.逻辑控制SMC根据检测的变流系统的数值、状态、故障信息，结合从MVB传下来的命令进行逻辑控制，包括启停控制逻辑、牵引制57出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页动转换逻辑、故障保护逻辑等，比较复杂，要求很严格，稍有不对，则会使变流系统不能正常工作，甚至损坏器件详细要求见《北京地铁房山线传动控制单元逻辑设计》B.特性控制接收MVB传下来的加速度，根据传动比、轮径、传动效率转换成电机转矩，从随速度变化的力矩外包络线查得当前速度下电机的最大转矩，两者比较取小值，作为电机控制的转矩给定，目的是保证牵引系统各项动态特性，加减速要求，同时保护电机防止颠覆。

除上述功能外，上层控制还有故障诊断保护、与MVB通信控制等功能58出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页②电机侧控制电机侧控制的主要任务是根据电机的参数和状态，控制逆变器的输出电压和频率，使电机的输出转矩与上层控制下达的给定转矩一致，同时进行粘着控制DCU采用直接转矩控制，完成对逆变器与交流异步牵引电机的实时控制，由TMS320C6711和TMS320F2812两部分程序组成，TMS320F2812完成电机速度计算和对中间直流电压的过压斩波控制，以及车辆的粘着算法，防空转、滑行处理，并将计算的电机速度和给定力提供给TMS320C6711用于对交流异步牵引电机的控制59出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页A.直接转矩控制异步牵引电动机控制方法经历了转差２电流控制、磁场定向控制和直接转矩控制3个发展阶段，其间又派生了许多发展分支早期的转差２电流控制方法基于异步电动机的稳态数学模型，其动态性能远不能与直流调速系统相媲美；然后出现了磁场定向控制，它基于直流调速系统的控制思想对异步电动机进行矢量解耦，实现磁链、转矩独立调节，达到了与直流调速系统同样的动态响应，同时也带来了新的难题，转子参数及变化规律难以测定；最新的直接转矩控制基于定子磁场定向，数学模型简单，定子参数及变化规律易于测定，有更优良的动态响应；并且针对各种变流系统派生出各种控制策略，完善了控制思想，也体现了其发展潜力。

广义而言，直接转矩控制也属于磁场定向控制的范畴60出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页它是在静止坐标系下对异步电动机的定子磁链实行定向控制的同时，直接控制电磁转矩基于不同技术背景，先后有Depenbrock提出的直接自控制、ISAO TAKAHASHI提出的新型快速响应控制方法、THO２MASG.HABELTER研究的直接转矩控制策略等国内许多学者将这些方法统称为直接转矩控制在电力牵引领域，直接自控制法最为成功，已体现出优越的性能直接转矩控制选择固定于定子绕组的坐标系，并以空间矢量的概念建立逆变器输出的电压与定子磁链定向控制、电磁转矩控制的策略控制系统中使用异步电动机Γ形等效电路(见图3.26)，其中已将漏抗归算到转子侧对磁链、转矩控制的基本数学关系为：→61出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页3.26异步电动机Γ形等效电路62出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页制框图如图3.27所示 从上面的数学关系可知，逆变器输出的电压空间矢量对定子磁链、电磁转矩的作用结果与电动机的状态有关反之，在已知电动机某时刻状态的条件下，根据电动机定子磁链定向的基本要求，总能选择合适的电压空间矢量去控制定子磁链的幅值、相位和电磁转矩的大小。

基于这种简单的物理概念，Depenbrock教授在直接自控制法中，针对高电压、大功率器件(如GTO等)开关频率有限等因素，提出了定子磁链以六边形轨迹运动、对转矩进行band-band控制的基本思想基本控63出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页图3.27基本控制框图64出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页c.定子磁链的计算受电动机定子电阻的影响，但在实际控制系统中，定子参数易于测量、修正、补偿；d.在恒功弱磁工况，采取所谓“动态弱磁控制”，简单易行e.在band-band控制转矩的同时，又直接形成了PWM信号，可充分利用开关频率；B.直接转矩控制具有以下特点：a.无须坐标变换、控制结构简单、易于实现；b.完全的瞬态控制，反馈信号处理相当简便，无须特殊处理，可直接用于控制系统的各环节的计算；65出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页f.在启动和低速阶段，由于开关器件最小导通时间的限制，如果只通过转矩的band２band控制来变换有效电压矢量和零电压矢量，不可能得到所希望的较小的平均输出电压；另外，由于定子电阻的影响，六边形或十八边形定子磁链轨迹将产生较为严重的畸变。

因此，只能采用不同的控制方案——以圆形磁链定向的“间接定子量控制”DCU在低速启动区采用间接转矩控制方法，通过SVPWM控制技术，可保证开关频率的充分利用，尽可能地降低了VVVF逆变器输出电流的谐波含量，保证主牵引系统工作在较低的噪声范围内DCU在高速区和恒功区采用十八边形磁链轨迹优化控制技术，开关频率可以得到充分利用，同时因为直接转矩控制各种脉冲方式可以平滑自由切换，降低了同步调制各种分频模式切换带来的电流冲击引起的系统噪声，从而能相对更好地抑制主牵引系统电磁噪声66出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页③粘着控制粘着控制系统也是传动控制系统的一部分，由MCC的TMS320F2812控制如图3.28所示，它的主要作用是路状况变化不定的情况下，通过对电机速度、电机转矩等信息的采集、分析和处理，结合SMC送给MCC的电机转矩，向电机控制系统发出合适的电机转矩给定，使得机车能够以线路当前最大的粘着系数运行，从而获得最大的粘着利用率图3.28粘着控制系统在传动控制中的位置67出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页粘着控制算法的基本原理是根据机车牵引/制动力矩的变化调节电机给定转矩，使机车牵引/制动力矩保持在最当前路况所能提供的最大牵引/制动力矩的附近并能自动跟随机车运行路况的变化。

速度计算及斩波处理：MCC的TMS320F2812通过硬件捕捉单元捕捉电机速度传感器的脉冲，将计算出的单个电机速度送粘着控制以及司机室显示，并计算出一个综合速度送直接转矩控制和上层特性控制，当单个或多个电机传感器故障时将上报传感器故障，但不影响车辆运行当车辆制动时将向电网反馈能量，而电网吸收不了的制动能量将利用斩波电阻来消耗，斩波处理也由MCC的TMS320F2812来完成，发出脉冲方式为band２band控制，即电压超过某一值开通，低于某一值关断68出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页DCU主要负责牵引/制动控制、脉冲模式产生、逆变器保护、速度测量、牵引/制动指令参考值处理、转矩控制、电压电流控制等DCU从列车线和外部控制系统(ATO)接收司机指令及RVC(牵引/制动参考值转换器)的指令参考值，接收本车的3个电机速度信号、拖车的一个转轴速度信号、各个模拟信号测量值，根据参考值和实际检测值进行计算，脉冲模式发生器A303板产生脉冲模式指令信号(PMA，PMB，PMC，PMBS)，送入逆变器保护单元UNAS处理后再向VVVF的逆变模块和制动斩波模块发出；为了故障和状态显示的需要，DCU的3个等级的故障信号和3个列车模拟信号值(速度、网压、牵引力)输出到中央故障存储单元CFSU；为了满足列车制动的需求，向电69出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页子制动单元ECU输出3个电制动信号(电制动力矩、电制动正常、滑行保护作用)；UNAS向DCU提供牵引电机控制所需的所有测量值(如电机电流、电容电压等)及UNAS的保护动作信息；VVVF内的线路滤波电容由DCU直接控制充放电；通过一个V24接口，可用PTU读取过程数据存储器PDA和“黑匣子”KWR中的数据。

DCU的软件主要分为车辆控制软件、牵引/制动控制软件和故障诊断软件等牵引/制动控制软件主要分为4个模块：线路电容器充放电控制模块、牵引/制动指令参考值处理模块、转矩矢量控制模块和电阻制动控制模块70出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页指令、方向指令、限速指令及指令参考值等，在牵引/或制动工况下对参考值进行转矩特性调整，使转矩参考值与车辆的牵引/制动转矩特性相适应，并经过冲击极限、最大速度限制、最大线电流、防滑/防空转粘着保护计算等，形成最终的牵引/制动转矩参考值，传送到转矩矢量控制模块A.线路电容器充放电控制模块控制充电接触器K3、放电接触器K4和线路接触器K1的动作及电容器的充放电该模块在软件和硬件中均设有联锁，保证K3和K4不会同时闭合，以避免主电路短路B.牵引/制动指令参考值处理模块DCU接收输入的牵引/制动71出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页C.转矩矢量控制模块转矩控制采用矢量控制模式，基本思想是将交流电机等效为直流电机，按直流电机的控制理论来实现对交流电机的控制，以获得与直流电机一样的良好动态特性应用坐标变换方法，根据电机的相电流、线电压和转速，通过磁场观测器，计算出电机转子的实际磁场矢量、实际转矩等。

通过矢量变换，实现对异步交流电机转速和磁场的完全解耦，控制电机的转子磁场转矩矢量控制模块是DCU控制软件中的核心部分D.电阻制动控制模块列车制动时，一般优先进行再生制动该模块检测电容电压XUD，一旦超过设定值(1800V)，由再生制动转入电阻制动，并计算制动斩波器的开通占空比，输出斩波器通断指令信号故障诊断软件对DCU/UNAS、VVVF及各种外围设备的故障进行诊断，将故障数据记录在处理数据存储单元PDA中72出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页3)逆变器保护监控单元UNAS逆变器保护单元UNAS负责VVVF牵引逆变器的保护，与DCU一起组成车辆的牵引/制动控制系统UNAS处理DCU的脉冲模式发生器A303板产生的脉冲模式指令信号和控制微机A304板发出的使能信号，转化成各个GTO的通断指令；通过控制GTO的通断，在VVVF工作的过程中进行保护(软保护)，防止电过载和热过载，及实现相模块中GTO的联锁逻辑保护；UNAS与GTO之间的开关指令和通断状态反馈信号的传输采用光纤以防止电磁干扰，在有GTO通断故障时，实施与电源的隔离；向DCU发出线路接触器K1分断指令；UNAS的诊断微处理器存储保护动作信息，可用PTU经RS232串行接口读取存储的数据；另外，UNAS通过4根故障信号线可向DCU发送16个故障信息代码，存入过程数据存储器PDA中。

73出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页在UNAS的中央处理诊断板(A325)面板上提供了与PTU通信的串行接口，可对VVVF和UNAS进行监测①对VVVF逆变器进行监测与保护：电压电流保护、温度保护，分为3级②为GTO(IGBT)进行脉冲分配；③电压电流的获取值处理：将LEM传感器输出的0～20mA电流值转换成-10～+10V电压信号送入DCU④对VVVF进行初始化开钥匙后，UNAS启动板向GTO(IGBT)发出“关断→导通→关断→导通”指令(800ms)，否则发出“严重故障”信号⑤监测GTO(IGBT)开/关状态；⑥VVVF及UNAS本身的故障诊断及存储74出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页(5)常见故障处理DCU采用两种形式完成故障记录：一是向列车控制与诊断系统上传故障信息，记录故障日志，即对故障发生的类别、发生的时间、工况、速度等状态信息进行记录；二是DCU记录波形数据，即在故障发生前后的一段时间，对相关电气参数(如直流环节电压、输出电流、手柄级位等)的采样数据进行记录并保存，通过DCU提供的标准以太网口，可以在需要时利用专用PTU软件将这些故障历史数据下载下来，并以图形方式回放数据波形，实现故障诊断。

牵引控制单元对自身检测到的故障具有较为完善的处理功能，对于一般性故障在故障条件消失之后可以自行恢复，对于严重性故障能够及时保护，为防止故障扩大范围，具体的处理内容见《北京地铁房山线项目牵引传动系统用户手册》中的故障处理一览表，当故障对策需要对DCU进行处理时，请按表3.1中的处理对策进行75出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页表3.1故障定义及DCU处理策略(5例)76出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页思考与练习1.画出IGBT电路图，并详述IGBT的静态特性和动态特性2.详述逆变器的工作原理，并画出三相逆变波形图3.PWM的英文全称是什么，其基本原理有哪些?77出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页任务2辅助电源设备(SIV)任务目标在该任务中，主要掌握变压、整流工作原理逆变器的工作原理已经在前一个任务中进行了描述除此之外，还应掌握蓄电池的构成和工作原理掌握设备常出现的故障现象及处理方法任务重点在高压设备中，辅助电源是列车运行的重要设备，因此，三相交流电的形成、整流电路、蓄电池就是本任务中应该重点掌握的知识知识准备三相交流电、三相桥式整流、单相桥式整流。

78出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页知识描述(1)SIV辅助电源电路SIV是列车除牵引之外的其他设备所使用的电源它主要输出两个电源等级，即交流380V和220V电源、直流110V电源和24V电源该电源设备放置在Tc车上，设备包括：SIV箱、电池组箱、逆变器和充电箱其辅助电源电路如图3.29所示79出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页在图3.29中，SIV的基本工作过程为：①由SPS引入高压电压进入IVFL电抗器中，以过滤直流中的杂波，以保证直流电压的平直性②当直流电压进入A1逆变主控元件IGBT中其逆变过程同任务1中的逆变过程，这里PWM控制信号是一个在固定频率控制信号，IGBT的三相交流输出电压为：三相交流电压经过ACL(电感)和ACC(电容)组成的50Hz选频振荡电路，以阻止逆变电路中输出杂波信号成分③变压器是将高压变为正常使用的工频三相交流电，以供应列车交流电设备使用如车用空调设备、照明设备等交流回路按两个主回路输出80出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页④取三相380V电压，经AL滤波，进入三相桥式整流电路，输出半波交流信号。

再经过A2可控硅元件，来调整输出单相交流电压幅值⑤TR2为单相变压器，主要是将间相交流电压经桥式整流电路，完成半波整流，而DL和CF3，则形成了滤波电路，以保证DC110和稳定输出在直流输出中，并接一路连接蓄电池充电电路中⑥取DC110V电压，经DY2直流电压变换后，输出DC24V电压⑦取380V交流电压，经三相整流、变压形成DC48V电压，供散热电机使用81出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页(2)SIV控制单元SIV控制单元，不仅负责三相交流电变频信号的输出，也会为半桥逆变电路输出变频信号，同时会根据负载的变化，调整其输出电压电路中各种传感器(电压传感器、电流传感器等)，为车辆“网控系统”提供分析数据、判断，使其完成对辅助电源设备的监控，如图3.30所示3)电源主要设备1)IGBTIGBT的逆变工作原理已经在前一个任务中进行了详述在该电路中，其信号为固定的频率50Hz2)直流电抗器“IVFL”IVFL直流电抗器主要用于直流750V电压的交流信号滤波，以稳定由接触网引入的直流电压，保证逆变后的交流信号质量，如图3.31所示82出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页3)交流滤波电抗和滤波电容交流滤波电容(ACC见图3.32)和交流滤波电抗(ACL见图3.33)组成了一个50Hz的低通滤波器，它的作用是让固定50Hz的信号通过，阻止其他信号。

83出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页84出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页图3.30SIV控制单元85出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页图3.31直流电抗器“IVFL”图3.32交流滤波电容　　86出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页图3.33交流滤波电抗87出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页变压器的输入为620V三相交流电，经变压器变压输出为380V三相交流电和220V单相交流电变压器为为△/形接法，如图3.34所示图3.34变压器TR14)变压器TR1在SIV电路中，TR1三相变压器为辅助电源中的主要设备，其型号为SG２180，三相干式变压器散热是靠两台48V直流电风扇进行散热88出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页5)电源滤波器(ZA1)电源滤波器主要用于对三相工频交流电进行滤波，以减少干扰杂波对电源的影响其型号为EMINF411A400/11ZA1实为低通三相四线一级共模电源滤波器，其电路如图3.35所示滤波器的作用就是允许有用频段中的信号尽可能无衰减地通过，而最大可能地抑制有用频段外的所有无用的干扰噪声。

按频带范围分类，滤波器可分为以下3种，即低通滤波器、带通滤波器和高通滤波器①低通滤波器，如图3.36所示89出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页图3.35电源滤波器电路图3.36低通滤波器　　图3.37带通滤波器图3.38高通滤波器②带通滤波器，如图3.37所示③高通滤波器，如图3.38所示　　90出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页6)BCG电路BCG电路(A20模块)为蓄电池及DC110V负载提供电源，如图3.39所示逆变器电路产生的三相AC380V/50Hz电压经三相电抗器(AL)、三相整流桥形成较稳定的直流中间电压，经BCG模块上的滤波电容器滤波后送给BCG的半桥逆变电路(A2)；控制单元控制半桥逆变电路产生高频PWM电压，经高频变压器TR2变换、输出至整流桥(AF2)、滤波得到DC110V输出电压，ZA2为直流滤波器91出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页图3.39BCG电路图DC24V电源(A30)模块将DC110V电源经过高频DC/DC变换为DC24V输出电压，给车辆仪表、头灯、警报等负载供电7)三相整流桥元件(AF1)三相整流桥元件(见图3.40)在BCG电路中也是一个重要的元件，它主要完成三相整流。

经电容滤波后，为单相半桥逆(A2)提供稳定的直流电源92出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页93出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页思考与练习1.SIV在车辆电器中起哪些作用?输出几种电源?2.在什么电源电路中，要使用滤波电容?3.画出三相整流电路，并简述工作原理94出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页任务3列车蓄电池及充电设备任务目标在该任务中主要掌握蓄电池构造与原理、电解液和反应方程式任务重点在高压设备中，辅助电源是列车运行的重要设备，因此三相交流电的形成、整流电路、蓄电池就是本任务中应该重点掌握的知识95出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页知识准备化学方程平衡式知识描述列车蓄电池是列车供电系统没有连接接触网时使用的电能，整个电池组为2V×55组=110V电池为串联连接，并置放于Tc车辆下如图3.41所示为电池箱体，蓄电池如图3.42所示图3.41电池箱体图3.42蓄电池　　96出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页(1)G型铅蓄电池(酸性)在自然界中，能量的转换可以在物质的不同形态中进行。

铅蓄电池就是化学能转换为电能的一种装置首先来看看铅蓄电池的结构1)蓄电池基本结构原理①极板极板是蓄电池的核心部分，蓄电池充、放电的化学反应主要是依靠极板上的活性物质与电解液进行的极板分正极板和负极板，由栅架和活性物质组成栅架的作用固结活性物质栅架一般由铅锑合金铸成，具有良好导电性、耐蚀性和一定机械强度铅占94%，锑占6%加入锑是为了改善力学强度和浇铸性能为了增加耐腐蚀性，加入0.1%～0.2%的砷，提高硬度与机械强度，增强抗变形能力，延长蓄电池的使用寿命97出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页1.31g/cm③电解液体纯硫酸(H2SO4)液体为无色液体，而电解液在蓄电池的化学反应中，起到离子间导电的作用，并参与蓄电池的化学反应电解液由纯硫酸与蒸馏水按一定比例配制而成，其密度一般为1.24～3电解液的纯度对蓄电池的电气性能和使用寿命有重要影响，一般工业用硫酸和普通水中，含有铁、铜等有害杂质，绝对不能加入蓄电池中，否则会发生自放电，损坏极板在蓄电池中最主要的3个部件是：PbO2，Pb，H2SO4PbO2是二氧化铅板(正极)，Pb是铅板(负极)，H2SO4是硫酸液酸蓄电池结构如图3.43所示。

98出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页正极板上活性物质是二氧化铅(PbO2)，呈黑色；负极板上活性物质为海绵状纯铅(Pb)，呈青灰色将正、负极板各一片浸入电解液中，可获得2V左右的电动势为了增大蓄电池的容量，常将多片正、负极板分别并联，组成正、负极板组，在每个单格电池中，正极板的片数要比负极板少一片，每片正极板都处于两片负极板之间，可以使正极板两侧放电均匀，避免因放电不均匀造成极板拱曲下面将分析这3种物质的形态：a(正极板)二氧化铅板：材料呈现黑色状，耐腐蚀，如图3.44所示b(负极板)铅板：材料呈银灰色，耐腐蚀，如图3.45所示c(电解液)硫酸：为液体，纯硫酸无色，有较强的腐蚀性99出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页图3.43酸蓄电池结构图3.44二氧化铅板两种材料在电池中交叉设置，不同形式的电池有不同的组合方式其充放电极面积越大，则电动势就越高如果要求的输出电压高，可以通过串接电池组　　100出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页图3.45铅板101出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页充电过程(见图3.46)：铅酸蓄电池充电时，电解液中的硫酸不断增多，水逐渐减少，溶液比重上升。

PbO2+2H2SO4+Pb2)酸型电池的工作原理硫酸铅蓄电池充放电过程的化学反应方程式为：放电充电PbSO4+2H2O+PbSO4102出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页图3.46铅酸蓄电池充电过程放电过程(见图3.47)：铅酸蓄电池放电时，电解液中的硫酸不断减少，水逐渐增多，溶液比重下降103出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页图3.47铅酸蓄电池放电过程从上面可以看出，在实际工作中，可以根据电解液比重的变化来判断铅酸蓄电池的充电程度3)车辆TG蓄电池结构①正极板群：为增大蓄电池的容量，获得较大的放电电流，蓄电池的极板由10片组成每片正极板又包括板栅铅芯、套管和作用物质3部分104出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页②负极板群：负极板群由11片涂膏式负极板组成，每片负极板由栅格状基板和铅膏两部分组成③隔板：隔板用来隔离正负两极，防止它们互相短接④电池槽：电池槽是盛装极板群和电解液的容器⑤电池盖及浮标⑥在车辆上一个TG蓄电池有2V电压，要满足110V直流蓄电的要求，应有24个电池串接而成一个电池组群(见图3.48)105出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页4)电解液铅蓄电池的电解液是用浓硫酸和纯水按一定密度调制而成的稀硫酸。

其作用是与铅板和氧化铅板完成蓄电和放电过程液体密度：把某种液体单位体积的质量称为这种液体的密度液体比重：把某种液体单位体积的质量与相同体积水的质量之比，称为比重液体浓度：是单位体积溶液中，溶质的质量与溶液的质量之比在15℃时，密度为1.835；充电后，密度为1.26；放电后，密度为1.15用电池上的浮标(比重计)来观察充电情况5)电池容量单位电池容量单位为A・h(安时)或者mA・hTG２450型电池为450A・h电池充满电后，如果用电负荷电流为45A，最多可用到10h106出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页6)铅蓄电池的特性①电动势：蓄电池的电动势在充电后略有降低，在放电后略有升高②端电压：蓄电池的端电压随电池充放电的状态而变化③容量：蓄电池由充电充足状态，放电至规定终止电压时所放出的总电量为蓄电池的容量a.放电率：蓄电池放电至终了电压的快慢称为放电率b.电解液温度：电解液温度高时，蓄电池容量增大，反之，容量下降④内阻：蓄电池的内阻包括极板的电阻、电解液的电阻以及作用物质细孔内所含电解液的电阻等⑤自放电：蓄电池在外电路开路时其容量的无益消耗称为自放电⑥效率：表示蓄电池电量或能量利用程度的百分数称为蓄电池的效率。

其表示方法有两种，即安时效率和瓦时效率107出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页7)铅蓄电池充放电注意事项①初充电：指新造电池使用前的第一次充电②普通充电：运用电池因放电或经过检修后为恢复容量而进行的充电③放电试验：为了检查电池充电后的容量，都要进行放电试验2)GN型碱性蓄电池镉镍蓄电池是碱性蓄电池，其优点：腐蚀性小、环境污染小，自放电小及低温性能好，寿命长一般情况一个电池能完成1)镉镍蓄电池的构造图3. 49氢氧化 镍板①构造：正极板、负极板、隔离物、壳体和电解液5大部分108出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页A.氢氧化镍板(正极板)，它是氢氧化镍附着在基板上的一种材料基板由金属材料组成，如图3.49所示镉板(负极板)：银白色，能延展，用于原子能工业；也可用于电镀、制合金等，镉是一种有毒的金属，如图3.50所示图3.50镉板109出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页 B.氢氧化钾溶液(电解液)，氢氧化钾为白色粉末或片状固体， 具强碱性及腐蚀性，极易吸收空气中水分而潮解，吸收二氧化碳而成碳酸钾溶于水，也能溶于乙醇和甘油。

当溶解于水、醇或用酸处理时产生大量热量0.1mol/L溶液的pH为13.5相对密度为2.044熔点为380℃(无水)中等毒，大多数致死量(大鼠，经口)为1230mg/kg氢氧化钾溶液：氢氧化钾溶液能溶于水，在溶解过程中会释放热量，溶液呈白色或稍带黄色液体正常溶液的密度为1.19～1.21(15℃时)110出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页时)的氢氧化钾溶液为兼顾低温性能和荷电保持能力，密封镍镉蓄电池采用密度为1.40(15℃时)的氢氧化钾溶液为了增加蓄电池的容量和循环寿命，通常在电解液中加入少量的氢氧化锂(大约每升电解液加15～20g)其结构为：a.正极板；b.负极板；c.隔膜；d.电极；e.一体化注液口；f.阻燃聚丙烯外壳111出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页镍镉蓄电池的基本结构图图3.51112出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页放电充电2NiOOH+2KOH+2H2O+Cd2Ni(OH)2+2KOH+Cd(OH)2①放电过程中的化学反应：A.负极反应负极上的镉失去两个电子后变成二价镉离子Cd2+，-(OH)2，沉积到负极板上。

B.正极反应正极板上的活性物质是氢氧化镍(NiOOH)晶体镍为正三价离子(Ni3+2+)，晶格中每两个镍离子可从外电路获得负极转水分子电离出的两个氢离子进入正极板，与晶格上的两个氧负离子结合，生成两个氢氧根离子，然后与晶格上原有的两个氢氧根离子一起，与两个二价镍离子生成两个氢氧化亚镍晶体 2)电化学反应过程电化学反应方程为：113出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页 池内部发生与放电时完全相反的电化学反应，即负极发生还原反应，正极发生氧化反应A.负极反应充电时负极板上的氢氧化镉，先电离成镉离子和氢氧根离子，然后镉离子从外电路获得电子，生成镉原子附着在极板上，而氢氧根离子进入溶液参与正极反应B.正极反应在外电源的作用下，正极板上的氢氧化亚镍晶格中，两个二价镍离子各失去一个电子生成三价镍离子，同时，晶格中两个氢氧根离子各释放出一个氢离子，将氧负离子留在晶格上，释出的氢离子与溶液中的氢氧根离子结合，生成水分子然后，两个三价镍离子与两个氧负离子和剩下的两个氢氧根离子结合，生成两个氢氧化镍晶体114出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页应来看，充电过程中生成水分子，放电过程中消耗水分子，因此充、放电过程中电解液浓度变化很小，不能用密度计检测充放电程度。

3)主要性能参数及技术要求①电压：充电电压、放电电压、额定电压②容量：其定义与铅蓄电池相同③自放电率：其定义与铅蓄电池相同④寿命：蓄电池每充放电一次称为一次循环一般为1000次以上⑤保存期：保存期为4年⑥外观要求(略)⑦气塞密闭性要求(略)蓄电池充电终了时，充电电流将使电池内发生分解水的反应，在正、负极板上将分别有大量氧气和氢气析出从上述电极反应可以看出，氢氧化钠或氢氧化钾并不直接参与反应，只起导电作用从电池反115出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页充电时以电压的变化来判断③在充放电过程中随着电化反应的加剧，在正极板上析出氧气，负极板上析出氢气④密封式镉镍电池在制造时使负极板上物质过量，以避免氢气的析出，而在正极上产生的氧气因电化作用而被负极板吸收，防止了蓄电池内部气体聚集，保证了蓄电池在密封条件下正常工作4)镉镍电池的主要特点①电解液只作为电流的传导体，浓度不起变化②电池的充放电程度不能根据电解液的密度变化来判断，而是在116出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页(3)蓄电池的维修1)基本检查①按照表检查电解液(密度或比重检查)更换电解液：以额定流的1/5进行放电，使电池的电压为1V时，倒出旧电解液，加入新电解液，新电解液密度为1.19～1.21。

②检查电池容量③把电池的容量分类④装车前充电⑤电池温度检查2)硫酸电解液调制方法在实际的配制过程中，我们往往提出配制出电解液的密度要求，但在配制过程中，确按浓度配制方法进行配制因此，密度与浓度的关系要由下面的公式关系进行换算①液体的质量：117出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页式中ρ——密度；V——体积；ω——浓度②物质的量：式中M——摩尔质量，g/mol；n——摩尔数③物质量的浓度：式中w%——质量分数118出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页 通过上面公式的相互换算，才能得出密度与浓度之间的关系为了简便，在实际应用中，通过浓度与密度关系表 (已经计算出的表格) 便可查询，详见表3.2119出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页120出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页121出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页122出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页123出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页124出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页125出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页126出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页127出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页图3.52点温器例题配制10L密度为1.28的硫酸溶液，请计算所需的配制材料。

材料：纯水，98%的硫酸液，按25℃换算)解查表：在25℃的情况下，密度为1.28的硫酸溶液，其浓度为38%①计算出10L所需配制硫酸溶液的质量：10×1.28=12.8kg②计算出溶质的质量：12.8×38%=4.864kg128出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页查表：在25℃的情况下，98%硫酸溶液，其密度为：1.831①计算出溶质为4.864kg，98%的溶液需要多少：X×1.831×98%=4.864，X=2.710kg②计算出水溶液12.8-2.710=10.09kg答：需要98%硫酸2.710kg，纯水10.09kg配置方法：由于在硫酸稀释过程中会释放大量的热量所以只能先将硫酸慢慢地倒入水中，并不停地搅拌，等冷却后再加入水，反复多次至水加完为止129出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页3)点温器的使用CEM华盛昌DT２9862红外摄温仪结构坚实，内置激光指示和可见光摄像头，增加了被测目标的准确性，彩色LCD和按键组合，非常方便的符合人体工程学的操作该摄温仪最大的特点就是可以以视频(AVI)和图像(JPG)形式记录再现测温现场环境，50∶1的距离比，最高测温可达2200℃。

如图3.52所示为点温器①产品结构，如图3.53所示130出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页图3.53点温器结构″—LED显示屏；2—按键；3—电池盖；4—测温按键；5—镜头盖；6—摄像头；7—激光；—红外传感器；9—K型热电偶插座；10—USB接口插座；11—SD卡插座；12—电池131出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页b.640×480像素(30万像素)可见光摄像头；c.支持视频(AVI)和图像(JPG)拍摄预览和输出；d.MicroSD存储卡；e.可测空气温度和湿度；f.露点温度和湿球温度；g.双激光瞄准；h.K型热电偶探头；i.可调发射率；j.高精度；k.快速响应时间③技术指标(见图3.55)A.红外测温：温度范围D∶S50∶1②产品特性，如图3.54所示电温器具有以下特性a.2.2TFTLCD显示屏；132出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页133出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页134出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页D.电源：135出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页图3.55点温器技术指标136出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页④操作说明：A.开/关机。

a.在关机模式下，长按ESC键，直到LCD液晶开始显示，本机电源将打开b.在开机模式下，长按ESC键，直到LCD液晶显示器关闭，本机电源将关闭137出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页B.测试模式此红外摄温仪有6种模式，在开机状态下，按下ESC按键，将显示6个模式，按上、下键可选择需要的模式a.IRCAM：红外温度、空气温度、空气湿度测量和视频摄像b.IRMEASURE：红外温度测量，速度快c.DEWPOINT：红外温度和露点温度测量d.DATALOG：数据记录模式e.GALLERY：浏览图片、数据记录和视频f.SETTINGS：参数设置C.工作原理红外摄温仪是用来测量物体表面温度的仪器的光学元件发射、反射并传播能量，这些能量被收集并汇聚在一个探测器上，通过电子元件将此信息转化成温度读数并显示出来仪器上的激光仅用于瞄准被测物体138出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页目标越小，应当越靠近它当精确度很重要时，应确保被测物体面积不小于测点的两倍b.距离和光点直径当测温仪与被测物体之间的距离(D)增大时，光点(S)要相应增大c.热点定位要查找一个热点，先将测温仪对准所测区域的外侧，然后慢慢上下移动测温仪扫描整个区域，直至确定测试点的热点。

d.提示：不推荐用来测量发光金属或表面光滑的金属(如不锈钢、铝等)表面温度不能将仪器透过透明表面(如玻璃)测量蒸汽、灰尘、烟等会以阻碍光线发射的方式影响测量的精确度a.视场要确保被测物体面积大于仪器的红外线圆形光点直径139出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页 e.发射率发射率描述了材料辐射能量的特征大多数(90%)有机材料和涂有油漆或氧化的表面具有0.95(预先设置的发射率)的发射率测量发光的金属表面可能会造成读数不准确，要使读数正确，可用遮蔽黑胶纸或黑漆将待测表面盖住等待一段时间让胶纸或涂料达到与其所覆盖的表面相同的温度然后测量胶纸或涂过漆表面的温度表3.3列出了各种物质的发射率140出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页141出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页思考与练习1.酸性和碱性蓄电池的不同之处在什么地方?2.试分析蓄电池温度升高的主要原因3.配制80L密度为1.28的硫酸溶液详述配置过程和所需的配制材料4.点温器正确的使用方法是什么?142。