城轨车辆牵引与电制动.docx

模块冷却片风速 VL = 8 m/s第八章牵引和电制动第一节 系统基本组成和工作原理牵引/制动系统组成广州地铁一号线车辆牵引和电制动系统由德国 ADtranz公司提供，是国内首家采用交流传动和动力分散型控制技术的地铁车辆项目整个系统由受电弓、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，如图 1所示制动电阻牵引电机Un = 1000 ~ 1800 VDC I n = 480 AI NDMAX =692 AI NBMAX = 1171 AI A = 720 AI AMAX = 1080 AI max = 2900 AUn = 0 ~ 1050 V fA = 0 ~ 112 Hz\ f p = 450 Hz fB = 250 Hz 强迫风冷1 ―― DCU对 WVF逆变器的线路电容器充/放电控制2 —— DCU/UNAS对 WVF逆变器及电机转矩控制图1:牵引系统组成示意图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WVF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 四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GTQ最大斩波频率为 450 Hz。

VVV输出电压的频率调节范围为 0 ~ 112 Hz，幅值调节范围为0 ~ 1147 VAC牵引系统基本参数牵引逆变器VVVF :线电压输入线电流最大线电流（牵引） 最大线电流（制动） 输出电流最大输出电流 最大保护电流 输出电压输出频率GTO最大开关频率 制动斩波模块斩波频率 模块冷却方式牵引电机(1 TB 2010 -0GA02 )连续定额小时定额输出功率PM190210kW额定电压UN10501050V额定电流I N132 ( 1800 min -1)144 ( 1800 min -1 )A额定转矩M N10081114Nm最大转速nMAX35103510rpm三． 基本工作原理 整个控制系统由输入值设定、速度测量、电机控制、脉冲发生器、能量反馈各环节构成 DCU 通过列车线接受来自控制系统的牵引 / 制动力绝对值（以百分比的形式），与此同时还接受司机发出牵 引或制动指令，来决定是施加牵引或制动力在给定值进行实际电机控制前，必须经过以下条件的处 理:1. 输入值设定 载荷校验DCU 根据相应动车的载荷状况来调整实际牵引 /制动力，这是由于采用了动力分散型控制，为了保持车钩之间的相对运动最小，并且使整车达到相同的动态特性。

冲击限制不同的给定值大小的改变速率必须符合冲击限制的规定，但在防滑 /防空转功能激活的时候则不受此限制速度限制（牵引时）广州地铁一号线规定了 正常速度： 倒车速度： 慢行速度：3 个速度限制，速度控制的优先级高于电机控制80 km/h10 km/h3 km/h线电流限制（牵引时）在牵引工况时，线电流控制的优先级高于电机控制，出于功耗的考虑，该限制值为不超过每节动车 720A欠压保护（制动时） 在制动时，网压一直受到检测，当网压降到 1500V 以下时，制动力矩随速度和网压相应的减少， 这时不足的制动力由气制动补充空转 /滑行保护空转 /滑行保护通过比较拖车动车之间的速度差异来实现，通过适当减少力矩设定值，该保护能确 保输出最大所要求的牵引 /制动力，当拖车速度检测失败时，该保护还可以通过仿真计算拖车速度来保 证正常功能2. 速度检测每个牵引电机带一个速度传感器，输出两个通道，每个通道相差为 90o的方波（电机每转为 256个脉冲），通过判断相差可以确定旋转的方向每个牵引控制单元连接 3 个速度传感器在正常情况下，该数值直接送入 DCU进行牵引控制，在进行速度测量的时候，如果出现各速度值不相等的情况（例如，空转 / 滑行时），甚至在极端情况下，只有一个电机的速度信息对于牵引控制来说都是足够 的。

当DCU监控逻辑系统发现有一个速度传感器故障时，马上封锁该速度信号，以免对牵引控制造成 严重的影响除了电机速度，在 DCU 中同样检测拖车的速度在拖车一个轴上装有一个编码速度传感器，同 电机速度传感器不同，该传感器是单通道的（每周 110个脉冲）在DCU中有两块电路板 A305，A306 “中断处理与速度测量板”专门用来处理速度信号，速度值 通过计算脉冲数，然后与参考时钟周期计算得到3. 电机控制采用空间矢量控制，电机的磁通大小和方向（空间矢量）通过逆变器输出线电压和相电流，电机 速度等参数近似得到绕组中的电流和电机电压作为空间矢量与磁通量有关，该解耦过程使得可以单 独控制磁通和力矩（磁场定向控制）控制结构图如下：控制系统的输入力矩设定值（ 1），该力矩设定值是经过控制系统的其他参数的校核（如负载，线电流，速度，冲击限制，防滑 /防空转保护）才输入控制系统磁场设定值可以通过电机的参数（ 1a）计算得到，该值在整个正常速度范围内有效电机力矩电流的产生决定于励磁磁场和转子磁场的交互作用，如果是异步电机，励磁磁场和转子磁场均 由定子电流产生，定子电流通过坐标变换为两部分：一部分（励磁电流）产生磁场，另一部分（负载电流） 与励磁磁场积分再与励磁磁场一起形成力矩，为了清楚的表现各电流的关系，定义了一个旋转坐标系统（I,m ），该坐标系统与磁场矢量”同步，该变换的优点在于励磁电流部分和负载电流部分可以单独的进行 控制（与并励直流电机原理相同）。

为了获得理想的励磁磁场矢量，使用了磁场观测器（ 3），通过电机相电流，电机线电压和速度（ 2），磁场观测器在静止的坐标系统（ a,b）计算磁场（“）的绝对值和磁场矢量的角度位置（“ flux ），该旋转坐标系统可以通过该磁场矢量可以定义，通过坐标变换，将静止的电流矢量转变为旋转系统，在磁场坐标中 产生电流部分（ xil,wil ）除了产生实际力矩（xmd）,磁场观测器可以在当前电机的参数的基础上通过以下步骤计算系统的状 态：实际和设定力矩的差值反馈给一个 PI 控制器（ 4） ，该控制器提供一个操作变量，该变量加上固定的预 控制初始值（4a），通过当前磁场值（“），可以计算负载电流设定值（ wil ）实际磁场和设定值的差异也反馈给一个 PI控制器（6），该控制器产生一个操作变量（4 wim ）,该变量加上固定的预控制初始值（6a）计算出励磁电流的的设定值（ wim ），预控制初始值与操作变量一起形成了 系统高性能的动态响应电流的设定值输入电机的定子模型（ 7），获得定子电压（um,ul）的矢量的两个分量，电流控制器（ 8）从属于矢量预控制，负载和励磁电流的设定值 /实际值的差异单独的通过 P 控制器传递，该控制器构成定子电压的动态部分。

通过该方式产生的定子电压再通过坐标变换，从磁场导向的坐标系统转换回定子导向的坐标系统（9），在这个过程中产生电压矢量和它的角度位置（“ ustator ），电压矢量的绝对值与电网电压的电流有 一个偏移（相控因数角度），为了确保逆变器的控制角度，将该偏移量传送到角度变换器（ 11）在旋转模型（10）中，滑差频率通过负载电流（ wil ）和实际磁场计算得到，定子频率（3 1 ）可以通过滑差频率和实际速度相加得到，该频率也是通过脉冲模式发生器（ 11）传递脉冲模式发生器从频率和相控因数计算合适的脉冲模式，同样，该发生器还决定电压矢量（用于下一个 采样步骤）的角度位置（2 pulse pattern ）并将该值送入控制系统磁场矢量的角度（“ flux ）加上磁场坐标系统电压矢量的角度位置（“ Ustator ）必须与电压矢量（“ pulse pattern ）的电流角度位置相对应，在这些角度位置产生的任何差异将作为一个动态控制校正值传到 脉冲发生器（ 12）中，该发生器在定子电压曲线中产生一个相应的相位跳变当在更高的速度时，电机达到控制的限制点 Amax（在方波操作的时候， Amax=100%在其他脉冲模式时限制点还要低。

） ，电机过渡到弱磁模式（ 14） ，在该模式下，脉冲的控制优先于逆变器设定力矩的输入控 制，通过实际的相控因数与控制模式限制值比较，再通过 PI 控制器的计算（ 13），该控制器产生一个变量（△ wim）,加到固定的预控制初始值中（ 6a）4. 脉冲模式发生器 脉冲模式发生器根据电机控制的三个输入变量：相控因数、定子频率、和校正角实时计算牵引逆变器中 的GTC触发脉冲逆变器每相GTO按照以下的原则触发：在一个 GTO导通期间，另一个关断脉冲模式发生器于是为每相提供了一个叫做潜在调整指令的指令，用于保护当逆变器应该关断而没有关断的时候，该指令迅速导通该相 两个GTC来保护逆变器由于系统散热的原因，逆变器的工作频率（ GTC的开关频率）被限制在 450H乙调制脉冲数在定子频率在30HZ内保持不变，该模式叫异步模式，同步脉冲模式为在每半波周期内有不同的方波数（线电压） 9分频， 7 分频， 5 分频， 3 分频，方波在 3 分频转为方波的时候为了防止波形幅度变化剧烈有一个过渡过 程，由3M转为3S, 3M指的是在半个波的周期内输出电压（方波）导通宽度小于 60度，3S指的是在半个波的周期内输出中间电压（方波）导通宽度大于 90 度，该变换的目的主要是为了减少逆变器输出电压的谐波 干扰。

当定子的频率低于 30HZ时，逆变器工作在异步模式下，在 13-30HZ的工作范围内调制波频率为450HZ低于13HZ时根据特性曲线载波频率为 200HZ该过程主要是确保在启动时有足够小的电机电压以下是根据控制和定子频率的脉冲模式表：触发脉冲从脉冲发生器到逆变器保护单元（ UNAS ），通过逆变器设定的保护和禁止功能过滤，以光脉冲信号的形式控制逆变器为了同步电机控制与逆变器开关周期，脉冲模式发生器在下一个电机控制周期前输出一个同步脉冲，5. 能量反馈在电机的能量反馈中，能量反馈到电网中，如果在电制动的情况下，能量不能被电网完全吸收，多余的能量必 须转换为热能消耗在制动电阻上，否则电网电压将抬高到不能承受的水平制动斩波器的存在确保大部分的能量能反馈回电网，同时又保护了电网上的其他设备由于采用动车组 的编组型式，必须确保一节动车不能吸收另一节动车的制动能量，（例如由于电压传感器误差的原因），这 时在制动的时候必须监测线电流的方向如果电流流向列车，线电压传感器的误差通过一个比例积分器来调 节在制动时，电网电压一直被检测，如果网压降到 1500V以下，制动力矩随速度和网压相应受限制，不足的电制动由气制动补充，如果网压降到回馈制动的保护值 1000V时，电制动切除，列车制动完全由气制动承担。

第二节 牵引控制单元DCU及逆变器保护监控单元UNAS1. 牵引控制单元结构广州地铁一号线车辆牵引系统采用德国 ADtra nz公司开发的 GEATRAC交流传动系统，主要由WVF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 19”3U 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 ( D。