地鐵列車牽引系統(tǒng)課件

列車牽引系統(tǒng)9/3/20231列車牽引系統(tǒng)7/31/20231目錄列車牽引理論簡述列車牽引系統(tǒng)設(shè)備組成列車牽引控制一號線車輛牽引系統(tǒng)簡介9/3/20232目錄列車牽引理論簡述7/31/20232第一部分列車牽引理論簡述9/3/20233第一部分列車牽引理論簡述7/31/20233列車受力分析地鐵車輛在運動過程中會受到各種外力的作用，影響它的運行結(jié)果。我們把所有作用在車輛上外力的合力用G表示，根據(jù)動力學(xué)原理:當G

0時，車輛加速運行；當G=0時，車輛靜止或勻速運行；當G

0時，車輛減速運行。作用在車輛上的諸多外力按其性質(zhì)可分為三類：牽引力FK——使列車運動并可以控制的外力；車輛阻力W——在運行中產(chǎn)生的與列車運行方向相反的不可控制的力；制動力B——與列車運行方向相反的并使列車減速或停止的可控制的外力。這三個力作用于列車，并影響列車運行。在一般情況下不是同時存在的。在牽引工況，牽引力、阻力同時存在；在惰行工況，僅阻力存在；在制動工況，制動力、阻力同時存在。

9/3/20234列車受力分析地鐵車輛在運動過程中會受到各種外力的作用，影響它牽引力的形成牽引電機的轉(zhuǎn)矩通過輸出軸，傳動裝置（聯(lián)軸節(jié)，齒輪箱）最后使車輛動輪獲得扭矩M。假設(shè)我們把車輛吊起來離開鋼軌，則扭矩作為內(nèi)力矩，只能使車輪發(fā)生旋轉(zhuǎn)運動，而不能使車輛發(fā)生平衡運動。但當車輛置于鋼軌上使車輪和鋼軌成為有壓力的接觸時，就產(chǎn)生車輪作用于鋼軌的可以控制的力F，而F所引起的鋼軌反作用于車輪的反作用力FK就是使列車發(fā)生平移運動的外力（如圖所示）。這種由鋼軌沿列車運行方向加于動輪輪周上的切向外力ΣFK就是列車的輪周牽引力，簡稱列車牽引力。9/3/20235牽引力的形成牽引電機的轉(zhuǎn)矩通過輸出軸黏著與黏著定律

由上面的圖可以看出，車輪由于受到正壓力而保持動輪與鋼軌的接觸處的相對靜止,這種現(xiàn)象稱為“黏著”。黏著狀態(tài)下的靜摩擦力FK也叫“黏著力”。黏著類似于靜力學(xué)里的靜摩擦。當動輪的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的切向力F增大時，黏著力FK也隨之增大，保持與F相等，實驗證明，黏著力最大值于動輪的正壓力成正比，其比例常數(shù)被稱為黏著系數(shù)。當F增大超過粘著力的極限值時，輪軌間的粘著被破壞，動輪因無足夠的水平支承力，就不能在鋼軌上滾動，而開始在鋼軌上滑動，造成動輪空轉(zhuǎn)，這時，鋼軌對車輪的反作用力FK（牽引力）也因由靜摩擦力變?yōu)閯幽Σ亮Χ眲∠陆怠ｋS著輪軌間相對滑動速度的增加，動磨擦系數(shù)越來越小，粘著力的下降更為嚴重。結(jié)果動輪以軸為中心加速空轉(zhuǎn)，車輪空轉(zhuǎn)易造成傳動裝置和走行部的損壞，并使軌與輪接觸面擦傷。所以在運行中必須盡量避免。綜上所述，列車牽引力最大值在任何時候都不得超過車輛各動輪與鋼軌間粘著力的最大值的總和。這一原理稱為粘著定律

9/3/20236黏著與黏著定律由上面的圖可以看出，車輪由影響牽引力的兩個因素一是牽引裝置傳給輪對的轉(zhuǎn)矩。它和牽引電機的速度特性和扭轉(zhuǎn)特性所決定的牽引特性有關(guān)；二是動輪與鋼軌的相互作用，主要是輪軌間的粘著系數(shù)以及動輪的荷重有關(guān)。當牽引電機選定后，輪軌間的粘著就變成產(chǎn)生牽引力的決定條件，牽引力不能大于輪軌粘著力，否則動輪就會產(chǎn)生空轉(zhuǎn)，列車不能前進并造成輪對踏面和鋼軌面擦傷的惡果。9/3/20237影響牽引力的兩個因素一是牽引裝置傳給輪對的轉(zhuǎn)矩。它和牽引電阻力阻力是車輛運行中必然存在的一種外力與列車運動方向相反，根據(jù)阻力引起的原因可把阻力分為基本阻力和附加阻力。基本阻力：列車在運行中總是存在，列車在平直道上運行時一般只有基本阻力。附加阻力：發(fā)生在特定的情況下，上坡、曲線、起動。列車阻力隨所處環(huán)境的不同而變化，也與車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計，保養(yǎng)質(zhì)量有關(guān)。影響阻力的因素極為復(fù)雜，變化也很大，很難進行理論推算。9/3/20238阻力阻力是車輛運行中必然存在的一種外力與列車運動方向相反，根基本阻力產(chǎn)生基本阻力的主要因素有：滾動軸承及車輛各摩擦處之間的摩擦；車輪與鋼軌間的滾動的滾動摩擦和滑動摩擦；沖擊和振動引起的阻力；空氣阻力?；咀枇χT因素對列車阻力的影響程度與運行速度有關(guān)。低速時，軸承、輪軌等摩擦的影響大，空氣阻力影響小；高速時，空氣阻力占主導(dǎo)地位，而摩擦影響就不大。對于地鐵車輛而言，車輛主要在隧道中運行，由于車輛與隧道的橫截面之比很小，在車輛與隧道的間隙中存在著強烈氣流摩擦和車輛前后的空氣壓力差，使空氣阻力成為車輛的主要運行阻力。列車運行速度越高，基本阻力越大。地鐵在A車前端下部設(shè)計擾流板的目的就是為了減少運行時的空氣阻力。高速列車把外形設(shè)計成流線形也是為了減少高速時很大的氣流阻力。因為影響阻力的因素極為復(fù)雜，變化很大，所以一般采用理論和實驗相結(jié)合，求出經(jīng)驗公式，在車輛單位重量下車輛的基本阻力公式為：W=a+bv+cv2(N/KN)阻力與速度是二次函數(shù)的關(guān)系，式中a、b、c為實驗數(shù)據(jù)9/3/20239基本阻力產(chǎn)生基本阻力的主要因素有：7/31/附加阻力坡道阻力:列車進入坡道后，由列車重力產(chǎn)生的沿坡道斜面的分力稱為坡道阻力。曲線阻力：曲線阻力是列車通過曲線時增加的阻力，引起曲線阻力的原因有：緣與外軌頭內(nèi)側(cè)的摩擦；柱軸承的軸端摩擦；輪對于鋼軌的橫向及縱向滑動；心銷及中心銷座因轉(zhuǎn)向架的回轉(zhuǎn)而發(fā)生的摩擦。曲線阻力與許多因素有關(guān)，如：曲線半徑、運行速度、外軌超高、車重、軸距、踏面的磨耗程度等。經(jīng)驗公式：起動阻力：起動阻力對地鐵車輛而言起動性能好，影響不大。對內(nèi)燃機車是一主要阻力。9/3/202310附加阻力坡道阻力:列車進入坡道后，由列車重力產(chǎn)生的沿坡道斜制動力制動力的形成：制動是車輛運行的重要性能，制動性能的好壞在很大程度上限制了車輛的載重和列車的運行速度。地鐵車輛主要采用電制動，但是由于電制動的制動力和車輛運行速度之間的關(guān)系是速度越低制動力越小，所以停車和緊急制動時還要采用空氣制動系統(tǒng)?？諝庵苿佑址Q摩擦制動。列車運行時，增大制動力可縮短制動距離，提高行車的安全性，但是，并不是制動力越大，制動效果越好。制動力也和實現(xiàn)牽引力一樣，必須遵守粘著定律。當制動力大于輪軌間的粘著力時，就像牽引力一樣，也會發(fā)生輪軌間的滑行，此時，車輪被閘瓦抱死，車輪在鋼軌上滑行。列車一旦滑行，首先是制動力下降，其次會發(fā)生輪對踏面及軌面的擦傷。對此司機在駕駛列車，尤其是天氣不良，輪軌粘著狀態(tài)不好時，要特別加以注意。為了保證正常制動，制動力必須不超過粘著力9/3/202311制動力制動力的形成：制動是車輛運行的重要性能，制動性能的好壞第二部分列車牽引系統(tǒng)設(shè)備組成9/3/202312第二部分列車牽引系統(tǒng)設(shè)備組成7/31/202312牽引系統(tǒng)設(shè)備組成受電弓高速斷路器HSCBVVVF牽引逆變器牽引控制單元DCU牽引電機制動電阻司控器9/3/202313牽引系統(tǒng)設(shè)備組成受電弓7/31/202313受電弓組成：底座下臂下導(dǎo)桿上臂上導(dǎo)桿弓頭張緊彈簧氣壓升弓裝置導(dǎo)電橋線機構(gòu)阻尼器托最低點位置指示器高位阻擋用途：從接觸網(wǎng)獲得1500V直流電，將其轉(zhuǎn)化為三相交流電，來滿足列車牽引和車上其他的設(shè)備的用電需求。

9/3/202314受電弓組成：7/31/202314高速斷路器HSCB低壓控制高壓的開關(guān)設(shè)備。其作用就是將電網(wǎng)與車輛高壓設(shè)備分開，利用HSCB過電流(如短路)后的快速響應(yīng)特性來保護直流側(cè)設(shè)備。9/3/202315高速斷路器HSCB低壓控制高壓的開關(guān)設(shè)備。7/31/2023VVVF逆變器組成：電源電流傳感器濾波電抗器直流電壓傳感器過電壓釋放晶閘管過電壓放電電阻放電電阻,濾波電容器IGBT模塊相電流傳感器作用：牽引時，通過控制內(nèi)部的IGBT模塊的通斷來產(chǎn)生三相交流電源供牽引電機使用；制動時，將感應(yīng)電機產(chǎn)生的交流電整流成直流電反饋給電網(wǎng)或制動電阻。

9/3/202316VVVF逆變器組成：7/31/202316牽引控制單元DCUDCU的主要功能異步電動機控制

牽引控制單元DCU將機車控制級給定值和控制指令轉(zhuǎn)換成VVVF逆變器用的控制信號，對VVVF逆變器和牽引電機進行控制，包括調(diào)節(jié)、保護、逆變器脈沖模式的產(chǎn)生等。對VVVF逆變器和牽引電機進行保護控制電制動（ED-BRAKE）進行調(diào)整、保護和逆變器脈沖模式的產(chǎn)生，實現(xiàn)在再生制動和電阻制動之間的平滑過渡。防空轉(zhuǎn)/防滑保護控制列車加減速沖擊限制保護通信網(wǎng)路功能故障診斷功能等9/3/202317牽引控制單元DCUDCU的主要功能7/31/202317牽引電機基本參數(shù)類型和冷卻： 自通風銅條鼠籠式三相感應(yīng)電機額定方式： 持續(xù)制額定功率： 190kW轉(zhuǎn)矩：766N·m電機電壓： 1100V電機電流： 130A額定頻率： 80Hz額定轉(zhuǎn)速： 2370r/min轉(zhuǎn)差率： 1.4%-轉(zhuǎn)差率極數(shù)： 4極效率： 93%功率因數(shù)： 84%最大功率：牽引時：277kW,DC1350V車速40km/h,電流210A制動時：455kW,DC1650V車速80km/h,電流215A絕緣等級： 200級（IEC60349-2）齒輪傳動比： 7.71(131/17)輪徑： 840mm（新）805（半磨耗，計算用）770（全磨耗）最高轉(zhuǎn)速： 4780r/min最高試驗轉(zhuǎn)速： 5740r/min轉(zhuǎn)向： U-V-W正常相序時按照順時針方向旋轉(zhuǎn)（從牽引端看）估計重量： 625Kg9/3/202318牽引電機基本參數(shù)7/31/202318制動電阻為牽引系統(tǒng)在電制動時消耗過高再生電壓的耗能設(shè)備，保證線網(wǎng)及列車的安全。因為在電制動的情況下,當能量不能被電網(wǎng)完全吸收時,多余的能量必須轉(zhuǎn)換為熱能消耗在制動電阻上，否則電網(wǎng)電壓將抬高到不能承受的水平。因此制動電阻的存在確保了電網(wǎng)上的其它設(shè)備的安全。額定電阻值（20℃） 2.95Ω±5%采用自然風冷的冷卻方式9/3/202319制動電阻為牽引系統(tǒng)在電制動時消耗過高再生電壓的耗能設(shè)備，保證司控器司機控制器是用來操縱地鐵車輛運行的主令控制器，是利用控制電路的低壓電器間接控制主電路的電氣設(shè)備。司機控制器的面板上有控制手柄、換向手柄兩種可操作機構(gòu)?？刂剖直校籂恳齾^(qū)、0位、制動區(qū)、快速制動位；換向手柄有：“向后”、“0”、“向前”三個檔位。司機控制器的控制手柄0位、牽引最大位、制動最大位、快速制動位有定位；在這些檔位之間為無級調(diào)節(jié)；通過轉(zhuǎn)動同軸的驅(qū)動電位器用來調(diào)節(jié)輸入到電子柜的電壓指令，從而達到調(diào)節(jié)機車牽引力和電阻制動的目的；換向手柄在每個檔位均定位，換向手柄穩(wěn)定在相應(yīng)的檔位中?？刂剖直?、換向手柄和機械鎖之間相互機械聯(lián)鎖。在使用時，先打開機械鎖，再由換向手柄選定機車的行車方向和工況，再操作控制手柄來控制機車的速度。在行車過程中，如需要改變機車的工況時，必須將控制手柄放回“0”位后，才可進行換向手柄的操作。如司機需要進行異端操作時，必須將本端司控器的控制手柄置“0”位，且換向手柄置“0”位，鎖閉機械鎖，拔出鑰匙，方可進行異端操作。9/3/202320司控器司機控制器是用來操縱地鐵車輛運行的主令控制器，是利用控第三部分列車牽引控制9/3/202321第三部分列車牽引控制7/31/202321整列車的牽引指令控制車輛牽引指令中有對車輛各種狀態(tài)的監(jiān)控，一旦這些因素有一點不滿足要求，牽引指令線就會斷開，列車將無法牽引，以此來進行保護。這其中除了信號系統(tǒng)相關(guān)的保護外，還有車門狀態(tài)監(jiān)控、主風缸壓力大小監(jiān)控、停車制動狀態(tài)監(jiān)控、緊急制動狀態(tài)監(jiān)控，如下圖所示：DCR為車門全關(guān)閉繼電器，當車門全部關(guān)好后，DCR得電，其串在牽引回路中的常開觸點閉合，一旦車門中有一個未能關(guān)閉，繼電器失電，觸點斷開，牽引指令就法發(fā)送出去。MRPR2為主風缸壓力繼電器，是由列車管理系統(tǒng)TMS控制，當主風缸的壓力高于6bar時得電，其輔助觸點閉合，一旦主風缸壓力低于6bar，繼電器失電，觸點斷開，牽引封鎖。PKBR為停放制動繼電器，列車在牽引前必須按停放制動緩解按鈕緩解停放制動才能讓繼電器得電來牽引，若停放制動不緩解，繼電器不得電，將牽引封鎖。EBR為緊急制動繼電器，若列車處于緊急制動狀態(tài)，繼電器失電，列車將無法牽引。DCRDLCOSPKBRPKBRCOSMRPR2MPR2COS110vEBRVVVFDCU9/3/202322整列車的牽引指令控制車輛牽引指令中有對車輛各種狀態(tài)的監(jiān)控，一牽引主電路原理高速斷路器(HB)，線路接觸器(LB)，充電電阻(CHRe)，充電接觸器(LCH)，制動斬波模塊(BCH1,2),制動電阻(BRe1,2)輸入電流傳感器(DCCTS)，差動電流傳感器（DCCT1），濾波電抗器（FL），直流電壓傳感器(DCPT1、2)，放電電阻(DCHR)濾波電容器(FC)，牽引電機(IM1～4)，U相電流傳感器(CTU)，V相電流傳感器(CTV)，IGBT模塊(IGU～IGZ)9/3/202323牽引主電路原理高速斷路器(HB)，線路接觸器(LB)，充電主電路功能與說明功能主電路通過HB、線路接觸器連至接觸網(wǎng)，從電網(wǎng)獲得電能。逆變器將1500V直流電壓轉(zhuǎn)換為三相交流電壓，從而驅(qū)動三相感應(yīng)電機。逆變器由IPM模塊組成。該逆變器能夠?qū)崿F(xiàn)變壓變頻控制，它能夠控制感應(yīng)電機的轉(zhuǎn)速，也就使得列車速度能在一個很寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。它還能夠?qū)崿F(xiàn)牽引/再生制動和向前/向后操作，不需切換主電路，而是通過對滑差頻率及輸出相序的控制來實現(xiàn)的，也就是說只需控制門極信號。電容濾波器用以吸收地鐵接觸網(wǎng)電壓中的紋波。制動電阻用于消耗再生制動網(wǎng)壓過高時，不能反饋到網(wǎng)上的能量。說明整個主電路具有驅(qū)動4臺感應(yīng)電機的能力。采用大容量的IPM模塊，逆變器的每個橋臂由一個1S1P連接到功率單元組成。為了減少IPM和濾波電容器之間的雜散電感，把濾波電容器的安裝盡量靠近IPM，并采用了疊片式低感母排。采用了大容量的電容濾波器(FC)以吸收接觸網(wǎng)電壓中的紋波。當檢測到主電路中有過電壓時，BCH動作，使濾波電容通過電阻放電，從而實現(xiàn)過壓保護。檢測電壓的DCPT2連在電容濾波器上。充電時，主電路的能量通過充電電阻傳遞過來。9/3/202324主電路功能與說明功能7/31/202324牽引系統(tǒng)基本控制原理一

整個牽引控制系統(tǒng)由輸入值設(shè)定、速度測量、電機控制、脈沖發(fā)生器、能量反饋各環(huán)節(jié)構(gòu)成。DCU通過列車線接受來自控制系統(tǒng)的牽引/制動力絕對值（以百分比的形式），與此同時還接受司機發(fā)出牽引或制動指令，來決定是施加牽引或制動力。在給定值進行實際電機控制前，必須經(jīng)過以下條件的處理:一、輸入值設(shè)定載荷校驗DCU根據(jù)相應(yīng)動車的載荷狀況來調(diào)整實際牽引/制動力，這是由于采用了動力分散型控制，為了保持車鉤之間的相對運動最小，并且使整車達到相同的動態(tài)特性。沖擊限制不同的給定值大小的改變速率必須符合沖擊限制的規(guī)定，但在防滑/防空轉(zhuǎn)功能激活的時候則不受此限制。速度限制（牽引時）一號線規(guī)定了3個速度限制，速度控制的優(yōu)先級高于電機控制。正常速度： 80km/h倒車速度： 10km/h慢行速度： 3km/h9/3/202325牽引系統(tǒng)基本控制原理一整個牽引系統(tǒng)基本控制原理二線電流限制（牽引時）在牽引工況時，線電流控制的優(yōu)先級高于電機控制，出于功耗的考慮，會設(shè)置一個限制值。欠壓保護（制動時）在制動時，網(wǎng)壓一直受到檢測，當網(wǎng)壓降到1500V以下時，制動力矩隨速度和網(wǎng)壓相應(yīng)的減少，這時不足的制動力由氣制動補充。空轉(zhuǎn)/滑行保護空轉(zhuǎn)/滑行保護通過比較拖車動車之間的速度差異來實現(xiàn)，通過適當減少力矩設(shè)定值，該保護能確保輸出最大所要求的牽引/制動力，當拖車速度檢測失敗時，該保護還可以通過仿真計算拖車速度來保證正常功能9/3/202326牽引系統(tǒng)基本控制原理二線電流限制（牽引時）7/31/2023牽引系統(tǒng)基本控制原理三二、速度檢測每個牽引電機帶一個速度傳感器，每個牽引控制單元連接3個速度傳感器。在正常情況下，該數(shù)值直接送入DCU進行牽引控制，在進行速度測量的時候，如果出現(xiàn)各速度值不相等的情況（例如，空轉(zhuǎn)/滑行時），甚至在極端情況下，只有一個電機的速度信息對于牽引控制來說都是足夠的。當DCU監(jiān)控邏輯系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)有一個速度傳感器故障時，馬上封鎖該速度信號，以免對牽引控制造成嚴重的影響。除了電機速度，在DCU中同樣檢測拖車的速度。在拖車一個軸上裝有一個編碼速度傳感器。三、脈沖模式發(fā)生器脈沖模式發(fā)生器根據(jù)電機控制的三個輸入變量：相控因數(shù)、定子頻率、和校正角實時計算牽引逆變器中的IGBT觸發(fā)脈沖。9/3/202327牽引系統(tǒng)基本控制原理三二、速度檢測7/31/202327牽引系統(tǒng)基本控制原理四四、能量反饋在電機的能量反饋中,能量反饋到電網(wǎng)中,如果在電制動的情況下,能量不能被電網(wǎng)完全吸收,多余的能量必須轉(zhuǎn)換為熱能消耗在制動電阻上，否則電網(wǎng)電壓將抬高到不能承受的水平。制動斬波器的存在確保大部分的能量能反饋回電網(wǎng)，同時又保護了電網(wǎng)上的其他設(shè)備。在制動時，電網(wǎng)電壓一直被檢測，如果網(wǎng)壓降到1500V以下，制動力矩隨速度和網(wǎng)壓相應(yīng)受限制，不足的電制動由氣制動補充，如果網(wǎng)壓降到回饋制動的保護值1000V時，電制動切除，列車制動完全由氣制動承擔。9/3/202328牽引系統(tǒng)基本控制原理四7/31/202328電機控制原理VVVF逆變器由六個IGBT開關(guān)SU–SZ組成，同一時間總是開通三個開關(guān)輸出三相交流電。交流電的頻率、電壓是通過開關(guān)的導(dǎo)通時間來控制的。采用空間矢量控制電機的磁通大小和方向（空間矢量）通過逆變器輸出線電壓和相電流，電機速度等參數(shù)近似得到。繞組中的電流和電機電壓作為空間矢量與磁通量有關(guān)，9/3/202329電機控制原理VVVF逆變器由六個IGBT開關(guān)SU–S列車運行控制模式圖9/3/202330列車運行控制模式圖7/31/202330第四部分一號線列車牽引系統(tǒng)簡介9/3/202331第四部分一號線列車牽引系統(tǒng)簡介7/31/202331一號線車輛牽引系統(tǒng)概況沈陽地鐵一號線牽引系統(tǒng)由日本三菱公司提供：采用3動3拖方案采用受電弓受流方式采用1C4M供電方式，即每輛動車配置一臺VVVF逆變器向同一輛動車上的四臺牽引電動機供電的交流傳動方式,。設(shè)一臺高速斷路器。牽引電機采用矢量控制，在AW0～AW3范圍內(nèi)能自動調(diào)整牽引力和