城市軌道交通車輛電氣課程設(shè)計(jì)匯本報(bào)告

...wd......wd......wd...城市軌道交通車輛電氣課程設(shè)計(jì)學(xué)院：城市軌道交通學(xué)院系〔教研室〕：車輛工程系課程名稱：城市軌道交通車輛電氣課題名稱：城軌列車牽引模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)姓名：潘汪洋學(xué)號(hào)：101112215上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院2015年12月目錄1概述12城軌列車牽引系統(tǒng)13城軌列車牽引模擬系統(tǒng)74個(gè)人工程具體分工75設(shè)計(jì)方案及型號(hào)設(shè)定106總結(jié)167結(jié)后語168參考資料17城軌車輛負(fù)載模擬子系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)1概述隨著城市化進(jìn)程的日益加快，城市人口的急劇增加，國民收入的普遍增加，汽車數(shù)量的急劇猛增，導(dǎo)致交通擁擠、堵塞的情況日益嚴(yán)重。因此，大力開展城市公共交通有著積極的重要意義。其中城軌交通因其運(yùn)量大、速度快、穩(wěn)定性好、守時(shí)等眾多優(yōu)點(diǎn)，更具有相當(dāng)重要的開展和研究意義。我國的牽引系統(tǒng)的應(yīng)用主要建設(shè)在借鑒國外成功經(jīng)歷的根基上，本地化的進(jìn)程不太完善。通過本課題的研究，可以讓我們更方便更清晰的了解牽引及電制動(dòng)特性，對(duì)實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行過程中列車狀態(tài)的監(jiān)測(cè)具有重要的指導(dǎo)意義，對(duì)牽引系統(tǒng)開發(fā)控制提供了模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，同時(shí)為制動(dòng)能量的回收打好了根基，對(duì)環(huán)保和節(jié)能也具有重要的研究?jī)r(jià)值。2城軌列車牽引系統(tǒng)電力牽引是一種將電能作為動(dòng)力的牽引方式。城市軌道交通車輛的電力牽引系統(tǒng)的根本功能是車輛經(jīng)供電網(wǎng)絡(luò)吸取電能轉(zhuǎn)變?yōu)轵?qū)動(dòng)車輛所需的機(jī)械能；并且在必要時(shí)將車輛的機(jī)械能變成電能，對(duì)車輛實(shí)施電制動(dòng)。所以在電力牽引系統(tǒng)中的主要組成局部即是機(jī)電能量的變換裝置——電機(jī)，并且電力牽引系統(tǒng)以牽引電機(jī)為控制對(duì)象，通過對(duì)電機(jī)的牽引力和速度進(jìn)展調(diào)節(jié)，以滿足列車牽引和制動(dòng)特性的要求?？v觀國內(nèi)外城軌列車電力牽引的開展情況，現(xiàn)代城軌列車牽引系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：廣泛應(yīng)用三相異步牽引電動(dòng)機(jī)及逆變器，使用變頻變壓技術(shù)。牽引變流器廣泛采用了IGBT〔或IPM〕模塊作為主開關(guān)器件，由于該類電力電子器件具有很高的開關(guān)頻率，從而使電源輸出特性更高，控制能力更強(qiáng)。微電子技術(shù)在地鐵列車牽引、制動(dòng)、輔助控制、信息存儲(chǔ)和顯示、防滑與防空轉(zhuǎn)控制、以及行車安全等方面均有了較廣泛的應(yīng)用。車輛的制動(dòng)，除了采用摩擦〔空氣〕制動(dòng)外，還采用了動(dòng)力〔電〕制動(dòng)技術(shù)，如電阻制動(dòng)、再生制動(dòng)和磁軌制動(dòng)等，來提高運(yùn)行中的節(jié)能環(huán)保性與安全性。電力牽引系統(tǒng)與列車自動(dòng)控制系統(tǒng)嚴(yán)密結(jié)合。就我國而言，城市地鐵與輕軌建設(shè)起步較晚，但隨著改革開放與國民經(jīng)濟(jì)的開展日益得到重視，特別是進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，我國的城市軌道交通得到了迅猛的開展。我國地鐵車輛的開展，按其傳動(dòng)與控制方式可分為直流調(diào)阻車、直流斬波車和交流傳動(dòng)[13]。直流調(diào)阻車有如早期北京地鐵的一號(hào)線車輛；直流斬波車有如早期的上海地鐵一號(hào)線車輛；交流傳動(dòng)則目前大局部被城軌交通車輛所使用，因其開展趨勢(shì)與世界牽引技術(shù)開展主流相一致。3城軌列車牽引模擬系統(tǒng)對(duì)于城軌交通，不管是輕軌、地鐵還是高鐵，列車的牽引系統(tǒng)的工作特性的研究都是至關(guān)重要的。但正如我們所了解的一樣，軌道交通牽引系統(tǒng)的規(guī)模龐大，運(yùn)行負(fù)載高，且變化率高，研究參數(shù)多且動(dòng)態(tài)非線性程度高，數(shù)據(jù)信息量巨大，控制模型復(fù)雜等等，這些都為牽引系統(tǒng)的研究帶來了很大的阻力。同時(shí)測(cè)控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)本錢高，又較不容易實(shí)現(xiàn)，所以目前主要建設(shè)在城軌列車牽引模擬系統(tǒng)的根基上，利用虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)仿真研究。3.1城軌列車牽引模擬系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀對(duì)于牽引動(dòng)態(tài)性能研究的試驗(yàn)技術(shù)，現(xiàn)階段我國僅有南車株洲電力機(jī)車研究所、中國鐵道科學(xué)研究院等少數(shù)單位建設(shè)了整車的大功率實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[5]。但是這一類牽引實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)建設(shè)本錢高，花費(fèi)的時(shí)間久，并且更重要的是實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成建設(shè)以后，其外部硬件設(shè)備及其連接條件往往難以改變，因而不能適應(yīng)新的科學(xué)技術(shù)的開展，難以跟上城軌列車牽引系統(tǒng)的開展步伐。從國際范圍看，隨著科學(xué)技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)和軟件開發(fā)平臺(tái)以及軌道交通列車牽引理論的進(jìn)步，國際上著名的整車車輛實(shí)驗(yàn)臺(tái)也逐漸被撤除而放棄投入實(shí)驗(yàn)使用。目前，城軌列車牽引系統(tǒng)的研究主要是建設(shè)在小功率交流牽引電機(jī)的模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，通過軟件設(shè)計(jì)和硬件連接完成模擬實(shí)驗(yàn)。3.2基于小功率交流電機(jī)的牽引模擬系統(tǒng)由于上一節(jié)內(nèi)容中所提到的城軌列車牽引實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)的困難性，我們較普遍的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是基于小功率交流牽引電機(jī)的模擬系統(tǒng)。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)利用圖形化編程〔G語言〕軟件平臺(tái)，通過設(shè)計(jì)、編寫軟件數(shù)據(jù)采集模塊的程序，實(shí)現(xiàn)模擬輸入輸出；利用信號(hào)處理模塊將模擬輸出數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為勵(lì)磁電流電信號(hào)，使計(jì)算機(jī)能夠在計(jì)算模擬運(yùn)行阻力的同時(shí)，控制交流測(cè)功機(jī)模擬列車運(yùn)行阻力進(jìn)展逆扭矩加載，對(duì)列車運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)展監(jiān)測(cè)，由此來實(shí)現(xiàn)對(duì)城軌列車牽引轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制。然后，利用LabVIEW豐富的數(shù)據(jù)處理分析控件和編寫的數(shù)據(jù)處理及顯示模塊的程序，計(jì)算機(jī)可以用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)出的變化的波形圖表來準(zhǔn)確地顯示電流電壓、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩等多項(xiàng)動(dòng)態(tài)參數(shù)。然后利用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，可以將采集和處理的數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)到自定義的目錄下，以實(shí)現(xiàn)為牽引電機(jī)特性分析提供數(shù)據(jù)支持的最終目的。當(dāng)然這些功能的實(shí)現(xiàn)，全是在軟件程序的設(shè)計(jì)和硬件系統(tǒng)的完善的前提條件下進(jìn)展的。3.2.1城軌列車牽引模擬系統(tǒng)的總體介紹城軌列車牽引模擬系統(tǒng)采用380V交流電，經(jīng)過整流、濾波、調(diào)壓主電路后，將電能傳遞給牽引逆變主電路和制動(dòng)主電路，再將電流轉(zhuǎn)換后傳遞給牽引電機(jī)和負(fù)載電機(jī)，實(shí)現(xiàn)牽引控制和負(fù)載控制，最后通過傳感器和慣量飛輪，經(jīng)由數(shù)據(jù)采集卡，利用實(shí)驗(yàn)軟件程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)展采集存儲(chǔ)、處理和顯示，以最終實(shí)現(xiàn)牽引過程的測(cè)控功能。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)造圖如圖3.1所示。電網(wǎng)電網(wǎng)整流、濾波調(diào)壓主電路牽引逆變器主電路制動(dòng)電阻牽引電機(jī)負(fù)載電機(jī)傳感器慣量飛輪制動(dòng)逆變器主電路數(shù)據(jù)采集卡工業(yè)控制計(jì)算機(jī)牽引控制測(cè)功機(jī)系統(tǒng)負(fù)載控制圖3.1城軌列車交流牽引模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)造簡(jiǎn)圖在上述的城軌列車交流牽引模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，交流電機(jī)與交流測(cè)功機(jī)的工作狀態(tài)實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)控制的功能。在這個(gè)測(cè)控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，交流電機(jī)被用來模擬城軌列車牽引系統(tǒng)中的牽引電機(jī)，測(cè)功機(jī)被用來模擬列車運(yùn)行中的動(dòng)態(tài)阻力。當(dāng)列車在牽引工況時(shí)，交流電機(jī)相當(dāng)于城軌列車運(yùn)行時(shí)的電動(dòng)機(jī)，而測(cè)功機(jī)相當(dāng)于發(fā)電機(jī)，這樣可見消耗的電能可大大減小，由此實(shí)現(xiàn)牽引系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制。除此之外，系統(tǒng)還利用了三級(jí)飛輪來模擬運(yùn)行城軌列車空載〔AW1〕、滿載〔AW2〕、超載〔AW3〕這些不同的運(yùn)行工況。城軌列車牽引模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以用來分別實(shí)現(xiàn)牽引和制動(dòng)兩種工況：在牽引運(yùn)行工況下，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制，并對(duì)牽引狀態(tài)下的各種工況實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和分析處理及顯示；在實(shí)施電制動(dòng)的工況下，能模擬電機(jī)實(shí)現(xiàn)電阻制動(dòng)和電制動(dòng)。這為城軌列車牽引特性分析提供了可靠的數(shù)據(jù)。3.2.2城軌列車牽引模擬系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括硬件和軟件兩大局部。硬件主要是指數(shù)據(jù)采集卡。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中采用了NI公司的PCI一6225數(shù)據(jù)采集卡。該局部硬件的選擇和應(yīng)用主要由負(fù)責(zé)硬件研究的同學(xué)選擇。軟件局部主要是指基于LabVIEW軟件開發(fā)平臺(tái)所編寫的實(shí)驗(yàn)程序，即數(shù)據(jù)采集模塊的軟件程序。該局部的主要功能是利用數(shù)據(jù)采集卡和軟件平臺(tái)將采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)利用計(jì)算機(jī)進(jìn)展數(shù)據(jù)分析處理和顯示，準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)模擬牽引時(shí)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)獲取運(yùn)行時(shí)電流電壓、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩等多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為牽引特性的研究提供了數(shù)據(jù)根基。3.2.3牽引特性及其分析城市軌道列車牽引特性分為三個(gè)階段：恒轉(zhuǎn)矩區(qū)、恒功區(qū)、自然特性區(qū)?！?〕恒轉(zhuǎn)矩區(qū)。恒轉(zhuǎn)矩區(qū)的時(shí)候，牽引力、電機(jī)電流、列車的加速度均恒定，功率隨著速度的增大線性上升，牽引電機(jī)電壓由0開場(chǎng)上升到最大值，然后電機(jī)保持最大電壓不變，牽引特性進(jìn)入恒功區(qū)。〔2〕恒功區(qū)。電機(jī)電壓、功率恒定。因?yàn)殡妷翰蛔儯噪S著速度的增大，電機(jī)的勵(lì)磁磁通反比減小，牽引力和速度也成反比關(guān)系：F=k1/V。〔K1是常數(shù)，k1=F*恒功轉(zhuǎn)折速度，F(xiàn)是轉(zhuǎn)折點(diǎn)牽引力。〕〔3〕自然特性區(qū)。電機(jī)電壓恒定，牽引力和速度平方成反比關(guān)系：F=k2/V2，?！睼max——列車最大運(yùn)行速度；m——列車質(zhì)量；a——列車最高速時(shí)剩余加速度；R——列車運(yùn)行根本阻力；自然特性起始速度：V=k2/k1?！吵鞘熊壍儡囕v在站與站區(qū)間內(nèi)，通常三個(gè)區(qū)域內(nèi)運(yùn)行：牽引加速區(qū)、惰行區(qū)和制動(dòng)減速區(qū)。圖3.2城軌列車速度曲線圖4．個(gè)人工程具體分工整體機(jī)械構(gòu)造設(shè)計(jì)：管曉杰牽引模擬系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)：何佳鵬負(fù)載模擬系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)：潘汪洋主電路設(shè)計(jì)：黎萱牽引模擬系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì)：林立負(fù)載模擬系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì)：莊雪兒控制信號(hào)的傳輸和采集：康炯杰牽引力及根本阻力的計(jì)算：張志豪4設(shè)計(jì)方案及型號(hào)設(shè)定4.1負(fù)載模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)負(fù)載模擬系統(tǒng)的作用是模擬實(shí)際列車運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的阻力，通過該系統(tǒng)的模擬仿真，可以更好地模擬列車在實(shí)際運(yùn)行中的運(yùn)行工況。在本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的負(fù)載模擬系統(tǒng)中搭載了ABB公司的電機(jī)，附帶有高性能的測(cè)功機(jī)，可實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行阻力的仿真?？紤]到實(shí)際列車在運(yùn)行時(shí)通常由六至八節(jié)列車編組，每列車有四到六節(jié)動(dòng)車，每節(jié)車有四臺(tái)牽引電機(jī)，而此實(shí)驗(yàn)設(shè)備還不能模擬整列列車的實(shí)際運(yùn)行阻力，因此在本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中通過將列車的運(yùn)行阻力平分到每臺(tái)電機(jī)上，通過負(fù)載轉(zhuǎn)矩的形式加載在牽引電機(jī)上，到達(dá)對(duì)列車運(yùn)行工況中阻力的模擬。圖4.4為負(fù)載電機(jī)。4.2變頻器和負(fù)載電機(jī)的連接電路設(shè)計(jì)4.3電機(jī)設(shè)計(jì)4.3.1電機(jī)的選型經(jīng)過組員討論，決定采用M2QA系列標(biāo)準(zhǔn)三相異步電動(dòng)機(jī)。這是ABB公司2000系列產(chǎn)品中的根本系列，符合歐共體II級(jí)效率標(biāo)準(zhǔn)，高效可靠，節(jié)能環(huán)保。該系列電機(jī)引進(jìn)全套歐洲生產(chǎn)工藝，噪音低，壽命長(zhǎng)，適用于各種惡劣的環(huán)境，被廣泛地運(yùn)用于各行各業(yè)。4.3.2電機(jī)參數(shù)〔1〕額定功率本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與真實(shí)的2號(hào)線列車運(yùn)行阻力以1900:11比例縮放，因此選取電機(jī)的額定功率為P=7.5KW?！?〕額定轉(zhuǎn)速為了最貼合實(shí)際的模擬列車牽引運(yùn)行工況，額定轉(zhuǎn)矩選取n=2910r/min?！?〕額定轉(zhuǎn)矩根據(jù)公式T=9549P/nT=24.6Nm〔4〕額定輸入電壓根據(jù)實(shí)驗(yàn)室條件，得出額定輸入電壓U=380V4.4變頻器設(shè)計(jì)4.4.1工作原理變頻器〔Variable-frequencyDrive，VFD〕是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機(jī)工作電源頻率方式來控制交流電動(dòng)機(jī)的電力控制設(shè)備。變頻器主要由整流〔交流變直流〕、濾波、逆變〔直流變交流〕、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元微處理單元等組成。變頻器靠?jī)?nèi)部IGBT的開斷來調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)電機(jī)的實(shí)際需要來提供其所需要的電源電壓，進(jìn)而到達(dá)節(jié)能、調(diào)速的目的，另外，變頻器還有很多的保護(hù)功能，如過流、過壓、過載保護(hù)等等。隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提高，變頻器也得到了非常廣泛的應(yīng)用。ABB變頻器通過將380V交流電壓整流濾波成為平滑的510V直流電壓，再通過逆變器件將510V直流電壓變成頻率與電壓均可調(diào)的交流電壓，電壓調(diào)節(jié)范圍在0V--380之間；頻率可調(diào)范圍在0HZ--600HZ之間。以到達(dá)控制電動(dòng)機(jī)無極調(diào)速的目的。4.4.2變頻器的選型變頻器采用ABB公司生產(chǎn)的ACS800型變頻器ACS800系列傳動(dòng)產(chǎn)品最大的優(yōu)點(diǎn)就是在全功率范圍內(nèi)統(tǒng)一使用了一樣的控制技術(shù)，例如起動(dòng)向?qū)А⒆远x編程、DTC控制、通用備件、通用的接口技術(shù)，以及用于選型、調(diào)試和維護(hù)的通用軟件工具。先進(jìn)的技術(shù)-DTCACS800的核心技術(shù)就是直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)。它是目前最先進(jìn)的交流異步電機(jī)的控制方式。DTC穩(wěn)定出色的性能，使ACS800適用于各種工業(yè)領(lǐng)域。啟動(dòng)向?qū)BB交流傳動(dòng)持續(xù)不斷的在完善用戶界面。啟動(dòng)向?qū)У膽?yīng)用，使ACS800的調(diào)試變得非常簡(jiǎn)便。自定義編程與傳統(tǒng)的參數(shù)編程相比，ACS800的自定義編程具有更好的適應(yīng)性。作為全系列的標(biāo)準(zhǔn)配置，就想傳動(dòng)產(chǎn)品內(nèi)置了小型的PLC，且不需要添加任何附加的軟硬件。高度集成和緊湊的構(gòu)造設(shè)計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)配置，ACS800全系列已經(jīng)內(nèi)置了電抗器。此外，在ACS800內(nèi)部還可以同時(shí)再安裝三個(gè)可選模塊:I/O擴(kuò)展模塊，現(xiàn)場(chǎng)總線適配器模塊，脈沖編碼器接口模塊或PC機(jī)的接口模塊。對(duì)于這些模塊，無任何附加空間和電纜的要求。環(huán)保產(chǎn)品ABB是ICC(國際商會(huì))可持續(xù)開展商務(wù)的成員，并一致致力與環(huán)境的保護(hù)。ABB交流傳動(dòng)產(chǎn)品遵循16項(xiàng)ICC的規(guī)定，在生產(chǎn)過程中遵循ISO14001標(biāo)準(zhǔn)。6總結(jié)通過對(duì)列車運(yùn)行阻力的數(shù)據(jù)分析，確定了相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)型號(hào)以及變頻器型號(hào)，同時(shí)確定了電動(dòng)機(jī)和變頻器的連接電路。為整個(gè)系統(tǒng)的硬件模塊的搭建起到了鋪墊的作用7結(jié)后語隨著經(jīng)濟(jì)的開展，人民生活水平的不斷提高，人民的出行需求也隨之增大。因此，軌道交通，作為城市內(nèi)大運(yùn)量的交通工具，則是不可或缺的。大力開展軌道交通是當(dāng)前城市交通開展的重中之重。我們?cè)趯W(xué)習(xí)了城市軌道交通電氣設(shè)備這門課后，利用學(xué)到的一系列專業(yè)課知識(shí)，搭建了這一仿真模型，從理論的分析到虛擬儀